利用测井曲线求取岩煤层含水饱和度的研究

刘保华

摘 要：岩体的孔隙发育程度决定其含水饱和度，两者之间存在明显的线性关系，因此人们可以利用岩层孔隙度来判定岩层含水饱和度，两者为正相关关系。在解释岩层的含水饱和度时，人们需要先利用测井曲线来判定岩层孔隙度，其中密度曲线、声波时差曲线和自然伽马曲线对其响应较好。

关键词：岩煤层;含水饱和度;测井曲线

中图分类号：P631.8文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0081-02

Abstract： The degree of pore development of the rock mass determines its water saturation， and there is an obvious linear relationship between the two， therefore， one can use the porosity of the rock to determine the water saturation of the rock， and the two are positively correlated. When interpreting the water saturation of a rock formation， people need to use logging curves to determine the porosity of the rock formation， among them， the density curve， the acoustic time difference curve and the natural gamma curve respond better to it.

Keywords： rock and coal seam;water saturation;logging curve

巖体的孔隙发育程度是影响其含水饱和度的关键因素，两者存在明显的线性关系。岩层孔隙度与岩层含水饱和度呈正相关，因此人们可以利用岩层孔隙度来判定岩层含水饱和度[1]。

1 基本原理

岩体的含水饱和度主要取决于孔隙和裂隙的发育程度，人们可以用孔隙度来划分岩体的含水饱和度。砂岩厚度是确定煤层含水饱和度的前提，也是影响地下水赋存状态的主要因素[2]。总的来说，影响岩煤层含水饱和度的因素很多，大致可分为区域构造、岩性、孔隙特征、破碎率和赋存条件等。因此，要确定煤层含水饱和度解释的有效测井曲线和参数，其中相关性较好的有三种曲线。一是密度曲线，岩石的含水量越丰富，其数值越低;二是视电阻率曲线，岩石的含水量越丰富，其值就越大;三是自然伽马曲线，岩石的含水量越丰富，其值就越大。视电阻率曲线直接反映了煤层的电导率，与煤层含水率直接相关，可以进一步解释。

2 方法技术

2.1 Archie模型

Archie含水饱和度模型适用于不含泥质或泥质含量极低的岩层，如碳酸盐岩和碎屑岩。该模型可以用式（1）表示。

式中，[Sw]为岩石含水饱和度;[a]为岩性系数，取值范围为0.60～1.53;[Rw]为地层水的电阻率，[Ω]·m;[φ]为岩层有效孔隙度;[Rt]为岩石的真电阻率，[Ω]·m;[m]为胶结指数，代表孔隙空间的连通性，与岩石胶结情况和孔隙结构有关，常取2;[n]为饱和度指数，代表含水部分的连通性，与油、气或水在孔隙中的分布状况有关，取值范围为1.5～2.2，常取2。

孔隙度可以通过声波测井、中子测井和密度测井计算，而[Rt]可以通过双感应测井或双侧向测井来测量。参数[Rw]、[a]、[m]和[n]可以通过皮克特图来确定。只要岩石中的泥质含量很小，就可以得到比较准确的含水饱和度，否则就要使用其他三种模型。

2.2 修正的Simandaux模型

修正的Simandaux模型应用在大多数泥岩地层中，只要大部分泥岩表现为薄层，该模型就能得到较好的效果，在泥质砂岩中也可能给出最佳结果。地层电导率[Ct1]的计算公式为：

2.3 Waxman-Smits模型

Waxman-Smits模型研究表明，泥质砂岩层存在高于标准的电导率，这种效应可以通过等效水电导率来控制，地层的电导率[Ct2]可以用式（3）表示。

式中，[B]为单位平衡阳离子当量;[Qv]为空隙流体单位体积阳离子交换容量;其他变量同上。

2.4 双水模型

双水模型的应用场景更为普遍。自由水与束缚水的矿化度是不同的。其等效电导率[Cwe2]的计算公式为：

式中，[Swb]为束缚水饱和度;[Swf]为自由水饱和度;[Cwb]为束缚水电导率;[Cw]为自由水电导率。

在实际使用时，由于煤田勘探区的地层上覆煤层多为砂岩层，所以选用Archie公式评价岩煤层的含水性较为合适。其中，阿尔奇公式涉及的方程如下：

式中，[F]为地层因子，是指饱和地层水的岩石电阻率[R0]与地层水电阻率[Rw]的比值;[R0]为含100%饱和地层水的岩石电阻率，Ω·m;[I]为岩层电阻增大系数，它是含油气岩石真电阻率[Rt]与该岩石100%饱和地层水电阻率[R0]的比值，其大小基本决定于岩石含水饱和度[Sw]，且与地层的孔隙度和地层含水电阻率无关;[b]为与岩性有关的系数，一般接近于1，常取1;其他变量同上。

在使用阿尔奇公式进行计算时，应首先利用该地区钻孔的测井资料算出有效孔隙度，再利用阿尔奇公式算出地层因素，最后利用岩石的真实电阻率和地层水电阻率计算地层含水饱和度，具体公式如式（8）所示。

式中，变量指代对象同上。[m]、[a]、[n]、[b]及[Rw]等参数的确定对Archie公式的应用效果影响巨大，而且它们又具有地区性，所以应根据相关研究区域的地质特征，再结合实验统计的方法来得到合适的相关参数，这样才能得到较为准确的地层含水饱和度[Sw]。

在煤田勘探中，受客观条件所限，没有地层水电阻率[Rw]测量数据，人们可使用下列步骤进行计算：依据地层的含水率和孔隙度，求取目标地层的含水饱和度;利用视电阻率测井曲线得到地层平均视电阻率值;利用式（8）求取[R0]，最终得到适合该地区的含水饱和度公式。

应用Archie公式时，一定要注意应用环境及条件，即泥质含量较少的地层方可得到较理想的结果。

3 应用实例

根据以上方法，本研究对一砂岩地层（其上部和下部均为泥岩）进行分析。图1显示了地层中纯砂岩的Pickett相交。过水的直线（[R0]线）的斜率倒数为胶结指数[m]，外推该线到[φ]=100%处得到[Rw]。除非已知[a]为1.0，饱和度指数[n]等于[m]。表1总结了Pickett图的结果。这样可以从Pickett图中获得计算水饱和度所需的参数。

参考文献：

[1]丁明海，潘书民，马恩军.含水饱和度测井新方法研究[J].测井技术，2005（1）：27-29.

[2]姚军朋，司马立强.合川地区低孔渗砂岩储层含水饱和度的评价方法[J].天然气工业，2010（10）：22-25.