基于测井响应的煤体结构识别及开发效果评价

2021-02-05李全中赵凌云胡海洋

煤矿安全 2021年1期

李全中，赵凌云，胡海洋

（1.山西工程技术学院矿业工程系，山西阳泉045000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116；3.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州贵阳550081；4.贵州省油气勘查开发工程研究院，贵州贵阳550081）

根据贵州省大地构造特征，省内赋存上二叠统含煤地层的构造单元分别为六盘水、兴义、织纳、黔北和贵阳5 个煤田[1]。六盘水煤田大地构造上属于扬子陆块黔南坳陷六盘水断陷中至北部，北东和南东分别以紫云-班都断裂和潘家庄断裂为界，煤田走向正断层较发育，常沿背斜轴或翼部分布[2]。贵州省含煤地层经历不同规模的构造运动，煤层遭受不同程度的应力影响后形成原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤。糜棱煤受构造应力的影响，原始煤层结构、煤体结构等受到的破坏最为严重，煤层原始的端割理、面割理被破坏，对渗透率的影响较大[3]。目前各地对构造影响强烈的煤层进行煤层气开发的效果不甚理想，而贵州地区多煤层发育，在开发之前，需要对不同煤层的煤体结构及分布规律进行研究，为煤层气井压裂改造选层及射孔段选择提供帮助。针对构造煤的煤体结构识别，目前主要依靠井下取样、地面取心直接观测和地球物理方法对煤体结构进行解释。井下取样、地面取心直接观测方法的主观性较强，且受取样片面性和取心局限性的限制，无法实现对整个煤层的煤体结构精细化描述，地球物理方法对煤体结构进行解释的客观性较强，主要依据地球物理资料，能够实现对煤层煤体结构的精细化描述[4-6]。通过对测井响应进行小波多尺度分析和聚类分析，在测井响应识别煤体结构的模型中，引入地质强度因子GSI 对煤体结构赋值，能够提高煤体结构识别的精度和可靠性[7-8]，不同的研究者采取不同的测井响应数据，解释的煤体结构具有一定的差异性。以贵州省六盘水煤田杨梅树向斜煤层气勘探开发取心及测井资料为基础，通过取心识别煤体结构及测井响应解释煤体结构对比，建立该地区基于煤体结构指数的识别煤体结构的方法，对开发井的煤体结构进行识别，分析不同煤体结构煤层的产能贡献，为该地区煤层气勘探开发过程中的压裂改造选层及射孔层段优选提供参考。

1 煤体结构分类及测井响应特征

1.1 煤体结构分类

煤层非均质性较强，受构造运动影响煤体结构差异较大，根据煤层的煤体结构特征，常见的煤体结构分类为河南理工大学提出的四分法[9]，即将煤层划分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤4 大类，针对碎裂煤单位面积的裂隙数量及碎粒煤颗粒粒径的分布规律，可对碎裂煤、碎粒煤2 类煤层细化分类，对煤体结构进行精细化描述，其他针对煤体结构的划分包括三分法、五分法等[10]。琚宜文[11]针对沁水盆地和两淮煤田的构造煤按构造变形机制分为脆性变形、脆韧性变形和韧性变形3 个变形序列的10 类煤，姜波[12]针对构造煤结构特征及其形成的环境条件，将构造煤分为2 大系列7 种类型。煤体结构分类见表1。根据杨梅树向斜的勘探开发资料，结合测井资料解释成果，将杨梅树向斜煤层的煤体结构划分为3 类，即原生结构煤、碎裂煤、构造煤。

表1 煤体结构分类Table 1 Classification of coal structure

1.2 测井响应特征

杨梅树向斜煤层以原生结构及碎裂煤为主，构造煤较少，杨梅树向斜煤体结构测井分布范围和均值对比见表2。从表2 可以看出，补偿密度、声波时差、微球型聚焦电阻率、井径测井值随煤体结构的变化规律较明显，补偿密度及微球型聚焦电阻率测井值随煤体结构破坏呈下降趋势，声波时差及井径测井值随煤体结构破坏呈上升趋势，而自然电位、自然伽马测井响应数据变化规律不明显。测井响应数据随煤体结构变化规律较明显的测井参数[13-14]，通过数学公式处理后可以对煤体结构进行识别。

表2 杨梅树向斜煤体结构测井分布范围和均值对比Table 2 Logging distribution range and mean value comparison of coal structure in Yangmeishu syncline

2 研究区煤体结构定量识别及应用

2.1 煤体结构定量识别

原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤受构造运动的影响，煤层的含水性、孔隙度、裂隙充填物等发生变化，导致不同煤体结构煤层的测井响应不同。根据不同煤体结构煤层的测井响应可以看出，煤层补偿声波测井、补偿密度测井、井径测井相应值的有效组合，可反应出不同煤体结构的差异，建立煤体结构定量识别的经验公式[15]：

式中：n 为煤体结构指数，无量纲；AC 为补偿声波测井值，μs/m；CAL 为井径测井值，mm；DEN 为补偿密度测井值，g/cm3。

2.2 不同煤体结构识别应用

图1 杨梅树向斜Y1 井压裂煤层煤体结构指数分布图Fig.1 Distribution of coal structure index of fracturing coal seam of Y1 well in Yangmeishu syncline

根据测井响应可以对煤体结构进行精细识别，从图1 可以看出，5-2#煤层为原生结构煤-碎裂煤，上部主要为碎裂煤，下部主要为原生结构煤；7#煤层为构造煤为主，中上部为构造煤，下部含少量原生结构煤夹层；13-2#煤层为原生结构煤，中部含少量碎裂煤夹层。从杨梅树向斜Y1 井压裂煤层取心照片可以看出，13-2#煤层的端割理、面割理结构明显，为典型的原生结构煤；5-2#煤层能分辨出端割理，但相对13-2#煤层而言，煤体相对破碎，属于碎裂煤；7#煤层无法分别出面割理、端割理，且断面上有明显的颗粒感，属于构造煤。测井响应分析的煤体结构与现场取心分析的煤体结构基本一致，即测井响应可以指导煤层气开发过程中的煤体结构识别。

3 研究区煤层气开发效果评价及建议

3.1 煤层气开发效果的主要影响因素

煤层气的开发效果评价主要是从采收率、产气周期、产量等方面进行评价，其中从产气量方面进行评价是最直观的评价方式[16]。煤层含气主要以吸附气为主，含少量的游离气和水溶气。煤层气井的高产稳产依赖于煤层的解吸半径和气体解吸产出的难易程度，吸附气越容易解吸产出，煤层可解吸气量越大，吸附气越容易解吸产出且解吸半径越大，煤层气井越容易实现高产稳产。

煤层气井储层可解吸产出的总气量Q 为：

式中：Q 为煤层气井储层可解吸产出的总气量，m3；R 为解吸半径，m；ρ 为煤层密度，t/m3；h 为煤层厚度，m；α 为煤层气解吸率；V 为煤层含气量，m3/t。

式（2）中αV 的乘积表示单位质量煤体可解吸产出的煤层气体积，从式（2）可以看出，在确定的煤层厚度和煤层密度条件下，煤层气井储层可解吸产出的总气量取决于煤层的解吸半径和煤储层中吸附气的可解吸气量，即吸附气解吸产出的难易程度。

3.2 煤体结构煤层对气体解吸产出的影响

煤层中的气体以吸附态为主，气体产出需将煤储层的压力降低至临界解吸压力以下，煤层中的吸附态气体逐渐转化为游离态，在经过煤基质孔隙及煤层孔裂隙通道流向井筒，气体的解吸产出包括解吸、产出2 个过程。研究表明，不同煤体结构的煤层对气体解吸、产出都有影响。随着煤体结构的破坏加剧，煤体的孔隙度及比表面积迅速增加。通过对不同煤体结构煤的逸散速度实验测试发现，随着煤体结构破坏程度的增加，逸散速度呈增加的趋势[17]，说明比表面积的增加有利于气体的解吸。原生结构煤、碎裂煤受构造应力的影响较小，煤层中的孔隙以微孔为主，相对缺少大孔，煤层压裂改造的过程中，容易形成连通性较好的裂隙通道，有利于气体产出，而碎粒煤、糜棱煤受构造影响，煤体结构破碎，孔隙连通性较好，但煤体结构破碎，不利于煤储层的压裂改造，压裂改造范围小，且排采过程中煤粉堵塞通道，不利于气体产出，产气衰减快，不利于煤层气的开发[18-19]。

3.3 煤体结构煤层对解吸半径的影响

煤层气井储层随着压力的降低，产水半径及解吸半径不断扩大，因此，煤储层持续排水对扩大解吸半径意义重大。煤层气井储层产水受地层能量、地层通道的共同影响，地层能量越高、通道连通条件越好，越有利于煤储层的产水降压。通过对不同储层类型地层及煤层气井生产研究分析发现，煤体结构对压裂改造具有控制作用[20]，直接影响煤层气井的产能。原生结构煤、碎裂煤的岩石力学性能较好，压裂改造能够形成长裂缝，沟通更大范围的煤储层，为产水降压形成的解吸半径提供保障，而碎粒煤、糜棱煤受构造应力影响较大，煤体结构破碎，岩石力学性能较差，压裂改造过程中难以形成复杂结构的裂缝网络，裂缝联通范围有限，限制了煤储层的产水降压范围及储层的解吸半径。通过对煤层气井的解吸半径进行定量研究可以看出，煤储层的解吸半径越大，煤层气井的产气量越高。煤层气井要实现产气量的高产稳定，必须扩大储层的解吸半径。

综合而言，原生结构煤及碎裂煤的原生孔裂隙通道少，不利于气体解吸，气体解吸较慢，但压裂改造后通道连通性较好、裂缝长、煤粉少，有利于气体的产出和扩大储层的解吸半径；碎粒煤及糜棱煤原生孔隙度较高，有利于气体解吸，气体解吸较快，但不利于压裂改造，且改造后煤粉多，不利于气体产出，解吸半径小，气体产出衰减快。

水利风景区以水域(水体)或水利工程为依托,具有一定规模和质量的风景资源与环境条件,可以开展观光、娱乐、休闲、度假或科学、文化、教育活动。截至2010年年底，安徽沿淮有国家水利风景区7处（包括焦岗湖），景区面积为8459hm2。

3.4 不同煤体结构煤层开发效果评价

杨梅树向斜发育多层可采煤层，煤层厚度薄，资源丰度低，不适宜进行单煤层的煤层气开发。不同煤体结构的煤层在压裂改造的过程中，由于不同煤体结构煤层的压裂效果差异较大，煤层改造范围、解吸范围受限，导致不同煤体结构煤层的产气贡献差异较大。研究区发耳Y1 井对构造煤及原生结构煤进行压裂改造开发煤层气，其中5-2#煤层为原生结构煤-碎裂煤、7#煤层为构造煤、13-2#煤层原生结构煤，杨梅树向斜Y1 井压裂煤层参数表见表3，杨梅树向斜Y1 井排采曲线如图2。

表3 杨梅树向斜Y1 井压裂煤层参数表Table 3 Fracturing coal seam parameter table of Y1 well in Yangmeishu syncline

图2 杨梅树向斜Y1 井排采曲线Fig.2 Drainage curves of Y1 well in Yangmeishu syncline

综合考虑煤层埋深和临界角吸压力，由表3 得压裂煤层的解吸顺序为：5-2#、13-2#、7#煤层。根据解吸顺序及产气曲线可以看出，排采45 d 以后，见套压时，5-2#煤层解吸；排采120 d 以后，产气量大幅上升时，13-2#煤层解吸；排采200 d 以后，流压稳定下降、产气出现明显上升时，7#煤层解吸。

图2 中从左至右3 条红色虚线为3 个层煤的先后解吸点。根据产气变化曲线可以看出，5-2#煤层的产气贡献为1 800 m3/d，每米煤厚产能贡献为677 m3/m；13-2#煤层的产气贡献为2 200 m3/d，每米煤厚产能贡献为1 140 m3/m；7#煤层的产气贡献为900 m3/d，每米煤厚产能贡献为492 m3/m。从3 层煤的每米产能贡献可以看出，原生结构煤的每米煤厚产能贡献在600～1 200 m3/m 之间，而构造煤的每米煤厚产能贡献低于500 m3/m，构造煤的每米煤厚产能贡献明显低于原生结构煤的贡献值，Y1 井产能贡献指数与煤体结构指数之间的关系如图3，结合3层煤的煤体结构指数可以看出，每米煤厚产能贡献随着煤体结构指数平均值的增加呈降低的趋势。

杨梅树向斜Y1 井解吸数据见表4。

图3 Y1 井产能贡献指数与煤体结构指数之间的关系Fig.3 Relationship between productivity contribution index and coal structure index of Y1 well

表4 杨梅树向斜Y1 井解吸数据Table 4 Desorption data of Y1 well in Yangmeishu syncline

由表4 可以看出，先解吸的煤层实际解吸压力与临界解吸压力的差值（解吸压力差值）最大，超过1 MPa，最后解吸的煤层解吸压力差值最小，且后解吸的煤层解吸压力差值均在0.5 MPa 左右。分析认为，煤层中含有一定比例的游离气，当地层压力降低到一定程度以后，煤层中的游离气克服地层压力的作用运移至井筒，井筒出现套压，但此时的套压不是煤层解吸引起的套压，此时的压力高于煤层真实的临界解吸压力，不能真正反映煤层的临界解吸压力，导致解吸压力差值较大。根据杨梅树向斜Y1 井的实际地解压差可以看出，7#煤层（碎粒煤）的实际的解压差比5-2#、13-2#（原生结构煤）的大1 MPa 以上，煤层气井在实际排采过程中，需降低更大的井底流压才能实现煤层解吸，煤层临界解吸压力低，储层的降压范围及生产压差小，不利于煤层扩大有效解吸半径，影响煤层气井产气量。

从杨梅树向斜Y1 井压裂煤层的产气效果分析可以看出，在目前的技术条件下，构造煤等受构造运动影响较大的煤层不适宜直接进行煤层气开发，可以探索建立虚拟储层，对其的顶底板进行压裂改造，沟通构造煤，间接进行煤层气开发，而原生结构煤及受构造运动影响较小的碎裂煤可以进行煤层气开发。

3.5 不同煤体结构煤层开发建议

杨梅树向斜7#煤层厚度数据见表5。由表5 可以看出，研究区内7#煤层厚度分布不稳定，钻遇的7#煤层厚度分布在0.59～4.25 m 之间，煤厚变化大，受构造运动影响较大，且出现受断层影响，7#煤层断失的情况。

表5 杨梅树向斜7#煤层厚度数据Table 5 Coal seam thickness data of 7# in Yangmeishu syncline

杨梅树向斜3 口井7#煤层煤体结构指数分布图如图4。

图4 杨梅树向斜3 口井7#煤层煤体结构指数分布图Fig.5 Coal body structure index distribution diagram of 7# coal seam in three wells in Yangmeishu syncline

由图4 可知，研究区内的7#煤层煤体结构变化较大，Y1 井7#煤层以构造煤为主，煤层底部含原生结构煤夹层，Y2 井以原生结构煤为主，煤层中下部含碎裂煤夹层，Y5 井以碎裂煤为主，煤层中下部含构造煤夹层。从研究区内7#煤层的厚度及煤体结构分布情况可以看出，7#煤层煤厚及煤体结构分布不稳定，煤层气资源勘查过程中对研究区内的参数控制难度较大。

实际煤层气开发过程中，需结合周边钻孔的煤厚分布情况，对钻孔钻遇煤层的厚度进行甄别，利用测井响应对煤厚进行校正，避免对煤厚由于构造影响而增大的异常煤层进行压裂改造，同时利用测井响应进行煤体结构指数计算，分析钻遇煤层的煤体结构，同时与现场取心的煤体结构结果进行对比，判定煤层气井井眼附近的煤体结构。经过对比分析后，认为井眼周边煤层厚度、煤体结构稳定，且煤层不是构造煤时，可优选该煤层进行压裂改造，否则，不适宜进行煤层气开发。