測井資料在煤層氣儲層評價中的應用研究

楊克兵 左銀卿 甘 健 楊春莉

(中國石油華北油田勘探開發研究院,河北 062552)

根據測井原理,測井資料在煤層氣方面的應用可以歸納為：一類是基礎研究,為煤層氣儲量計算、壓裂提供的各類參數,包括煤層厚度、工業參數、含氣量、物性參數以及巖石力學參數,測井數據解釋結果與化驗、試井、排采等數據非常接近,測井解釋成果可為煤層氣的勘探與開發提供可靠的理論依據;對煤層氣完井的固井質量可以利用聲幅測井、聲波變密度測井、自然伽馬測井、磁定位測井做出可靠的解釋;另一類是測井地質應用,諸如地質研究、地層對比、煤層精細地質構造以及斷層分布、沉積環境分析、地應力分析、煤層結構特征及裂縫發育程度,綜合測井資料的應用尤其對水平井的鉆進導向性非常重要。

1 常用煤儲層測井評價技術

1.1 氣層識別及煤層有效厚度

煤層附近巖性及組合狀況對煤層氣的富集和開采有重要意義。當頂板為相對致密 (泥巖或砂質泥巖)的隔水層時,有利于煤層氣的保存與富集,如果泥巖類隔水層局部相變或構造運動,煤層氣則有可能運移儲存到具有一定滲透性的砂巖或灰巖儲層中,因此,煤層氣測井的儲層識別不僅要劃分出煤層,也應該把有利砂巖或灰巖儲層識別出來,同時應用常規天然氣解釋方法,綜合評價氣層將有利于煤層氣的地面開發。鑒于目前缺乏對該區砂巖儲層的認識,建議在以后的工作中,有針對性的進行鉆井取芯和室內實驗,為解釋模型及解釋參數的建立和選擇打下基礎,確保不遺漏氣層和正確評價儲層。

圖1 某井煤層工業組分實驗數據關系圖

劃分煤層有效厚度是測井資料在煤層氣勘探開發中最廣泛的應用,主要依據自然伽瑪、體積密度、補償中子、電阻率和聲波時差測井曲線對煤層的綜合響應特征做為有效厚度、煤層的夾矸扣除的劃分原則,制訂煤層有效厚度解釋標準,煤層和夾矸厚度劃分以電性曲線的半幅點起劃,煤層起劃厚度為0.6m,夾矸層起扣厚度為0.1m。

鄭莊區塊東大井區上報探明儲量區塊在計算煤層氣儲量時,單井煤層厚度數值取自測井解釋有效厚度,其電性解釋標準主要依據煤層的電性響應特征制定。

1.2 煤層工業參數

根據實驗分析結果,煤巖組分固定碳、水分、灰分、揮發分相互間有較好的關系。其中,灰分與固定碳之間相關性較高,相關系數都在0.9以上,數據顯示 (見圖1),隨著灰分增加,固定碳急劇降低,揮發分緩慢增大,而水分由于含量較低變化不大。

可以看出,灰分與固定碳+揮發分之間的相關性最高,相關系數接近1,灰分與固定碳相關性也不錯,一般高達0.9以上,灰分與揮發分及灰分與水分相關性差一些。

因此,采用建立解釋模型的方式來對灰分等煤巖組分進行計算,是一種較好的方法。通過改善煤層的體積模型,并利用灰分與固定碳、揮發分等之間的相關性,取得了一定的效果。把煤層體積分成純煤 (包括固定碳和揮發分)、灰分 (包括泥質和其它礦物)、水分 (孔隙中充滿的水)三部分,作為對測井響應的貢獻之和。關于密度、中子、聲波測井等參數有下列公式：

式中：ρ、ΦN分別為煤層對密度、中子測井的響應值;ρc、ρa、ρw分別為純煤、灰分、水分對密度測井的響應參數;Φc、Φa、Φw分別為純煤、灰分、水分對中子測井的響應參數;Δtc、Δta、Δtw分別為純煤、灰分、水分對聲波測井的響應參數;Vc、Va、Vw分別為純煤、灰分、水分的相對體積,通過求解方程組得到煤組分含量。

結合研究工區的測井資料情況,根據兩種組合即密度-中子和密度-聲波模式對有巖心分析的井進行了處理,圖2是實驗分析井段逐點處理的效果圖,可以看出,用密度-中子和密度-聲波兩種模式計算效果差不多,計算結果與實驗分析數據基本匹配,能夠滿足使用要求。

圖2 煤巖分析孔隙度與測井聲波時差關系圖

1.3 煤階

劃分煤階的測井方法,可以直接利用不同煤階的煤層具有不同的測井信息特征劃分煤階。還可以利用測井信息計算出含碳量、揮發分、鏡煤反射率及熱值等,再依據相關煤階劃分標準確定煤階。

1.4 煤層含氣量

煤層煤質及含氣量等參數的計算有別于常規儲層的參數計算。

目前的測井參數除與工業分析有直接響應外,與煤層中所吸附的甲烷氣體沒有能分辨的響應。因此利用測井資料直接解釋吸附甲烷氣體是困難的,只能用間接的方法來確定。目前采用吸附等溫線法、氣體狀態方程、多元回歸分析和神經網絡方法來計算含氣量。

1.5 煤層物性參數

煤層屬裂縫-孔隙雙重孔隙結構,煤層的物性參數一般采用地層測試、巖芯物性分析測定或由核磁測井測量來確定煤層孔隙度和滲透率。當無地層測試、巖心物性分析資料及核磁測井時,采用常規測井信息中的聲波時差、體積密度、補償中子和雙側向電阻率曲線來計算煤層的孔隙度、滲透率、基質與裂縫孔隙度、裂縫滲透率等參數。

煤層基質孔隙度計算采用聲波時差的平均時間公式：

式中 Φ——煤層孔隙度,小數;

Δt——煤層聲波測井值 ,μs/m;

Δtma——巖石骨架聲波時差 ,380～410μs/m;

Δtf——流體聲波時差 ,620μs/m。

圖3是研究區塊煤巖巖心分析孔隙度與聲波時差交會圖,可以看出,點子關系不太好,主要是煤巖骨架聲波時差是變化的,而且與煤巖的密度測井值有較好的相關性,因此,計算孔隙度先采用煤巖密度測井值計算煤巖骨架密度,再用上述公式計算煤巖孔隙度取得了較好的效果 (見圖3、表1)。

圖3 煤巖骨架聲波時差與密度測井值關系圖

表1 利用密度聲波時差綜合計算孔隙度與巖心分析孔隙度對比表

煤巖孔隙度的計算,由于煤巖骨架密度范圍在320～420μs/m之間,因此,用聲波經驗公式計算孔隙度,采用固定的煤巖骨架密度,計算的孔隙度往往有一定的誤差,達不到使用要求。通過采用密度測井資料計算煤巖的骨架聲波,再用聲波公式計算煤巖孔隙度的方法較好的解決了這一問題,使得煤巖孔隙度的計算精度大大提高,具有較大的使用價值。

1.6 巖石力學參數

巖石的力學參數與巖石的密度、彈性波傳播速度以及電阻率等物理參數存在相關關系,利用測井資料確定地層破裂壓力參數通過兩種途徑：一是根據地層傾角測井確定地層的最大水平主應力和最小水平主應力的大小;二是根據全波波列測井來確定地層的破裂壓力和壓力梯度。在煤層氣井水力壓裂時可以估計所需的壓力,達到將地層壓開的目的,提高施工成功率,提高煤層氣采收率。

利用地層傾角數據確定地層應力大小的理論依據是孔壁巖石崩落方向指示最小水平主應力的方向,水力壓裂法即可測量應力的方向又可測量應力的大小。

用全波列測井確定地層破裂壓力,利用聲波全波列測井資料獲得地層縱波速度和橫波速度結合密度測井資料,可以計算地層彈性模量。

2 測井資料地質應用

煤層氣勘探開發選區及優選有利目標區塊的前提是綜合地質評價,對煤層的區域橫向變化、構造、頂底板層橫向變化及封堵性、煤層力學參數、含氣量和煤層各工業組分的區域分布和地應力等進行綜合評價,將為區塊煤層氣的勘探開發提供可靠的數據基礎,需要建立包括煤巖性質和結構、裂縫類型及發育程度、裂縫孔隙度、滲透率、煤層氣含量及有效厚度等項煤層氣儲層綜合評價指標和進行煤儲層精細描述,地球物理測井評價技術的發展應用基于煤層氣儲層綜合評價指標和煤儲層精細描述的要求,運用地球物理測井技術理論,結合有關地質資料,達到通過測井信息識別煤層,精細評價煤儲層煤質、內部結構特征、煤層含氣性、物性、力學性質及其橫向變化規律,準確分析煤層頂底板層巖性、物性、含流體性質以及巖石機械特性參數等;為含煤巖系的劃分與對比、優選有利目標區塊避開煤體結構強烈破碎、煤儲層可改造性差的區段井位部署做好基礎研究工作。

3 煤層氣測井技術研究方向

在煤層氣測井技術應用過程中,測井研究人員已經意識到利用測井技術推測煤儲層的參數尚不成熟,需要加強煤層氣測井基礎理論方面研究,系統地開展煤儲層測井評價方法研究,建立煤儲層測井綜合評價體系;加強特殊測井技術應用研究力度,如對核磁共振測井、成像測井等的應用上深入研究,應用取得的有限資料,逐步形成測井綜合地層判識技術系列研究成果并推廣應用。

水平井是煤層氣開發重要手段,如何利用隨鉆測井技術和可視化技術實現煤層三維地質體的隨鉆更新,如何利用隨鉆測井、錄井資料和可視化技術,實時監控井眼軌跡在煤層中的空間位置,確保多分支水平井井眼軌跡在煤層中沿伸,提高煤層的鉆遇率是當前研究的重點。

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