余吾-古城区块基于测井参数的煤体结构预测

2024-02-27王瑞

山东煤炭科技 2024年1期

王瑞

（山西潞安金源煤层气开发有限责任公司，山西长治 046204）

在煤层气开发过程中，储层特性对煤层气的高效开发起着至关重要的作用，从开发前的储层的渗透性、含气量到生产开发时的压裂方式及排采工作制度，煤体结构一直是制约煤层气产量的主要因素。随着科技的进步，测井技术也不断地革新，目前应用于煤层气开发的测井方式主要有：自然电位测井、电阻率测井、双感应测井和双向测井等等。随着大量的测井技术的更新，利用岩芯描述和测井响应相结合的手段对目的煤层及顶底板的煤体结构的判别越来越准确。余吾-古城区块煤层瓦斯压力高且含量大，不仅对安全生产造成巨大隐患，并且对煤层气资源未能形成有效利用，因此在地面提前部署地面煤层气井刻不容缓[1]。为了更高效地进行地面煤层气开发，在区块内对7 口煤层气井进行测井解释，获得更多的煤层煤体结构数据，以便于优化煤层气开发方案。

1 煤层气开发的测井方式及技术原理

1.1 自然电位测井

在钻穿地层的过程中，地层与钻井液接触，产生扩散和吸附，在钻井液与地层的接触面产生自然电位。因此，所采用的测井技术称为自然电位测井。对于自然电位测井技术，首先需要对自然电位曲线形状进行研究和分析，如图1 所示。可以计算出井轴上各点的自然电位的数值UM，并绘制出自然电位的理论曲线。然后，根据自然电场的分布，可以定性地分析自然电位曲线的形状[2]。

图1 井内自然电场分布和自然电位曲线形状

在砂岩井壁、泥岩井壁以及砂泥岩接触面上，存在着自然电动势，沙子、泥岩和钻井液是导电的，并形成一个闭环，形成一个自然电流。SP 测井记录了钻井液剖面中自然电流的电位降。在远离砂岩的泥岩中（如a 点以上），自然电流非常小，几乎没有变化，因此在大段泥岩上的SP 曲线基本上是一条直线。在点a 之后，电流强度逐渐增加，并且当Cw＞Cmf时，SP 逐渐减小，并且曲线向负方向偏转。在b 点，在泥岩层和砂岩层的界面处，井内自然电流强度最大，电位变化也最大，SP 曲线向负方向急剧偏转。在形成界面之后，电流密度逐渐降低，电势继续降低。在地层的中心c，电流强度最小，SP曲线几乎平行于井轴。在砂岩层的下部，自然电流强度逐渐增加，自然电位逐渐增加，曲线向正方向偏转。SP 曲线的特点是钻井液均匀，岩石岩性相同，SP 曲线与渗透率层中心对称。当地层较厚时，地层边界可以由曲线半宽点确定。测量的SP 振幅是由井中的自然电流产生的电位降，该电位降总是小于自然电流回路的总电动势。可渗透砂岩的天然潜力主要取决于地层水和钻井液滤液的相对盐度，可渗透砂岩可偏转到泥岩基线的左侧或右侧[3]。

1.2 电阻率测井

在电测井中，测量介质电阻率的测井方法包括：一般电阻率测井、微电极测井、微侧向测井、球面聚焦测井、相邻侧向测井、双侧向测井和感应测井。电阻率测井是常规测井方法之一，属于电测井的范畴，包括微电极测井、微侧向测井、相邻侧向测井和微球聚焦测井。微电阻率测井主要用于划分薄层，计算地层有效厚度，确定冲刷带电阻率。微球聚焦测井和双侧向测井包括浅、中、深探测深度。深侧视电阻率RLLD 主要反映地层电阻率的变化，浅侧视电阻率RLLS 主要反映侵入带电阻率的变化；微球聚焦测井视电阻率RMSFL 主要反映冲刷带电阻率。利用它们测得的三条视电阻率曲线，可以快速直观地判断煤层、气、水层[4]。

1.3 岩芯描述和测井响应相结合的测井

岩芯描述是指岩芯钻探工具在钻探过程中从地面提取的岩石样本。目前，取芯主要采用旋转钻机，因此取芯为圆柱形。我国煤炭钻井的岩芯直径一般为90～120 mm，个别情况下取直径160 mm 的岩芯。岩芯的直径是根据地质学家的需要以及钻井机械的能力和水平来确定的。由于岩芯用于各种分析和研究，很明显，小直径的岩芯无法满足各种分析的需要。岩芯的直径很大，从岩芯中观察和收集的数据越来越全面。然而，只有在特殊需要的情况下，才能从单个测井中提取大直径岩芯。岩芯数据是地下岩层特征和煤层气特征的最直接反映，通过对岩芯的观察、分析，研究岩性和岩相特征。沉积环境是结合重矿物、粒度和薄片鉴定等测试技术确定的。研究古生物化石及其分布特征，确定地层年代，进行地层对比。通过对岩芯的观察和分析，可以发现煤层气，并可以观察和描述岩芯的煤层和煤体，明确煤层分布，合理划分煤层、砂岩组和煤层气。研究井下煤体煤层，建立煤层气参数图，确定和划分有效厚度和层段标准，为储量计算和煤层气开发方案设计提供可靠数据。研究储层的岩性、物性、电性与含气量的关系，从定性和定量两个方面进行解释。研究地层产状、地层接触关系、裂隙、洞穴、断层发育等，检查开发效果，研究不同开发阶段的水洗特征和水淹层的效率。研究了水淹层的岩电关系，并进行了定性和定量解释，它为钻井泥浆、可钻性和煤层气开采过程中的压裂酸化提供了岩石的物理和化学数据。随着大量测井技术的更新，通过岩芯描述和测井响应等手段识别目标煤层及顶底板的煤结构越来越准确[5]。

2 研究区地质背景

该区块位于潞安矿区西部，地处山西省长治市屯留区境内。区块内公路较为发达，交通条件便利。总体构造形态为走向北北东～南北向西缓倾的单斜，地层倾角3°～13°，一般为6°，在此基础上发育方向比较单一的宽缓褶曲，沿倾向及走向伴有少量断距大于20 m 的断层和一定数量断距小于20 m 的断层及陷落柱。井田内未发现岩浆岩活动。

3 基于GSI 的煤体结构的定量表征

GSI 岩体分类体系由E.Hoek 首先提出，是基于原岩力学性质和岩体观察结果估算岩体强度的方法。通过对GSI 岩体分类系统的不断补充和完善，GSI 岩体分类系统同样适用于煤岩的分类，根据煤岩块度大小以及不连续面的破坏情况，进行岩体系统的分类并赋值，将传统煤岩分类中的“四分法”“五分法”等等定义进行了定量的精细化描述。GSI 值的引入使得煤体结构的表征具有量化表征的特点，不仅可以快速对煤体结构进行分类判别，并且使得煤体结构的判别标准趋于统一化[6]。目前修正量化过的GSI 图版如图2 所示。

图2 修正量化的GSI 图

4 主要煤层测井解释及煤体结构预测

测井技术主要通过对岩层四性“电性”“岩性”“物性”“含气性”进行解释评价，从而实现对目标岩层的岩性分析。在对煤层气井进行测井解释时，常用到的测井参数有：深、浅侧向电阻率、密度、补偿中子、自然伽马、自然电位、渗透率。利用不同的测井参数在目的煤层及顶底板岩层的波动范围不同，在选取测井参数对煤层进行解释时，单一测井参数的测井解释无法保证测井结果的准确性。因此，选择相关性较大且对煤岩层及顶底板区分度较高的参数对煤层进行判断，不仅可以减少测井计算的工作量，同时可以保证测井结果的准确性。目前，常用来解释煤体结构的参数有：

1）声波时差响应

在均匀各向同性介质中，纵波速度与弹性模量和密度的关系表达：

式中：Vp为纵波速度，m/s；E为弹性模量，N/m2；σ为泊松比；ρ为密度；F/A为应力（F为力，A为面积）；ΔL/L为应变。

对于不同的岩层与煤层的声波时差响应，由于煤体或岩石的结构变化而引起的密度变化相对较小，不同煤体结构的密度介于1.3～1.6 之间，不同岩石的密度介于1.8～2.1 之间，但由于不同煤岩体的弹性模量差异较大，所以不同煤岩之间的波速差异主要由于弹性模量差异大小而引起。通常情况下，岩石弹性模量大于煤岩弹性模量；煤体结构越差，抵抗变形的能力越差，则变形越大，弹性模量越小，声波时差越大。因此，声波时差曲线可以作为判断煤岩顶底板及煤体结构好坏的一项标准。当测井曲线中有声波时差曲线时，可利用声波时差来判断煤体结构的好坏。

2）自然伽马响应

自然伽马的响应主要是通过接收煤岩裂隙单位中的放射性物质的多少来判断煤体结构。在连续煤岩介质中，煤岩的破碎程度与裂隙发育程度相关，裂隙越发育煤岩破碎程度越大，可被检测到的放射性物质就越少，自然伽马值就会降低。因此，煤体结构越破碎，自然伽马越低

3）密度响应

密度测井对煤体结构的响应原理同密度对孔隙度的响应类似，煤体结构越破碎，孔裂隙增加，其密度降低，密度测井响应有利于识别煤层中的分层或夹矸现象，对于密度响应异常的区段可通过与其他曲线结合判断岩性。

4）自然电位响应

随着煤体破坏程度的增加，煤的镜质组反射率增加，氧化反应增强，所带正电荷增多，自然电位显示出明显的正异常。因此，构造煤比原生结构煤有更高的自然电位。

5）视电阻率电位响应

随着煤体破坏程度的增加，煤的孔隙率增大，吸附并保存了更多的瓦斯气体，视电阻率相应增大，视电阻率电位也增高。

根据以上不同测井响应在不同煤体结构中的判别影响，对余吾-古城区块的7 口测井数据中3#煤层的测井平均响应值进行统计，如表1 所示。

根据测井曲线的统计结果，将7 口测井数据中的3#煤层段以0.25 m 为间隔，共提取72 个节点进行煤体结构的测井响应判断，判断结果如图3 所示。