基于巖石物理分析的煤系地層測井曲線擴徑影響校正?

王小玄　肖程釋　鄭翔天(.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京市海淀區,00083; .東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室,黑龍江省大慶市,6338)

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基于巖石物理分析的煤系地層測井曲線擴徑影響校正?

王小玄1肖程釋2鄭翔天1
(1.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京市海淀區,100083; 2.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室,黑龍江省大慶市,163318)

摘 要山西沁水煤田南部煤層氣儲層主力煤層段井眼擴徑與垮塌現象嚴重,密度與聲波測井曲線受井眼環境影響較大。針對該問題首先采用統計方法分析了研究區主力煤層的井眼擴徑與密度、聲波測井響應失真的關系,然后基于研究區受擴徑影響較小的測井資料與室內實驗分析資料結合巖石物理分析方法對測井資料進行校正。利用校正后的測井曲線進行井—震標定后的結果與煤巖地層物性匹配較好,為煤層氣儲層預測提供可靠測井資料。

關鍵詞煤系地層 煤層氣 密度測井 聲波測井 擴徑校正

煤巖密度測井響應值相比其他沉積巖較低。密度測井是識別煤層與劃分煤層厚度的重要方法,同時聲波對煤層含氣量響應比較敏感,當煤層含氣時,聲波時差曲線由于周波跳躍現象會明顯增大。然而煤層的機械強度低,在鉆進過程中容易造成井眼垮塌,擴徑現象嚴重,井壁周圍凹凸不平,這樣就使得密度與聲波測井曲線響應發生不同程度的畸變。若不進行擴徑校正,勢必會影響煤層氣儲層預測的精度。但是諸多針對常規地層的測井曲線擴徑校正方法在煤系地層應用均有局限性。鑒于此,本文在準確劃分煤層段厚度的基礎上,從剖析研究區內煤系地層擴徑率與密度、聲波測井曲線的內在關系出發,結合室內煤巖巖石物理實驗分析數據,查明擴徑對密度與聲波測井響應值的影響。然后利用巖石物理參數正演分析的方法建立研究區內煤系地層的巖石物理模板來校正密度與聲波測井曲線,并制作合成地震記錄驗證結果的可靠性,這種方法物理意義明確,計算精度較高。

1　擴徑對密度與聲波測井影響分析

煤層在測井曲線上的響應與其成巖過程中的物理化學成分變化有關。煤巖在熱演化過程中產生大量的煤層氣與水分,含氫指數非常高,總體上煤層測井響應特征為“三高二低”,即電阻率高、聲波時差較高、中子測井值高,自然伽馬低、體積密度低。圖1為研究區內主力煤層段的測井曲線組合圖。圖中第一列分別為自然伽馬(GR)、自然電位(SP)、井徑曲線(CAL),第二列為深度道,第三列分別為孔隙度(POR)、噸煤含氣量、深側向電阻率(RD)、沖洗帶電阻率(RXO)測井曲線,第四列分別為密度(DEN)、補償中子(CNL)、聲波時差(AC)測井曲線,第五列為根據測井曲線計算的巖性。由圖可見井徑曲線在主力煤層段(X60－X70之間)擴徑明顯,密度最低值僅為1.115g/cm3,其他測井曲線均有不同程度的畸變,無法反映煤層段真實情況。這種現象在研究區內煤巖地層相當普遍,給煤層氣儲層預測工作造成困難。

圖1　研究區內主力煤層測井響應特征圖

1.1密度與聲波巖石物理實驗值與測井實測值比較

為了查明研究區內井眼垮塌擴徑對煤系地層密度與聲波測井響應的影響,首先對研究區內幾口鉆井取芯獲得的主力煤層段的煤巖樣品在室內進行巖石物理實驗分析,將獲得的密度值與聲波時差值作為該層段的真實值,剔除煤層內夾矸的影響。然后對煤巖樣進行深度歸位提取對應深度點處的實測密度與聲波響應值,并利用直方圖進行統計,如圖2、圖3所示。

圖2　研究區內煤巖樣品密度實驗室測定與測井實測值對比直方圖

圖3　研究區內煤巖樣品聲波時差實驗室測定與測井實測值對比直方圖

由圖2、圖3不難看出研究區內Q2井為聲波時差測井響應為異常高值,密度測井響應為異常低值,與巖石物理實驗獲得的結果相差較遠。與井徑曲線比對后發現,在煤巖樣對應深度段有明顯擴徑,測井曲線受擴徑影響較大。通過與Q2井類比發現Q3、Q4井也存在類似現象,測井曲線實測值受到不同程度的擴徑影響。前人研究結果表明:密度的巖石物理實驗實測值與煤的變質程度并無特別相關性,所以可以排除煤質對密度曲線的干擾。當井眼垮塌時,體積密度測井值會偏低。圖2中Q2、Q3、Q4井(Q4井8號煤樣對應深度段有擴徑現象,9號煤樣對應深度段擴徑不明顯)就是這種情況。1號樣品與12號樣品實測密度測井值偏高,經過比對其巖性解釋成果發現該深度點對應夾矸層,并非純煤巖地層,夾矸巖性一般為砂巖或泥巖層,密度比煤巖層高。在擴徑影響較小井段,煤巖物理實驗值與測井實測值基本一致。

1.2煤巖段測井曲線失真影響因素分析

測井曲線受井眼條件影響主要來源于兩方面:一是泥漿液的影響;二是井壁幾何形狀變化的影響。密度測井記錄的是地層散射伽馬強度,當探測深度過深時,地層受到泥漿液或泥餅的侵入,浸泡時間過長會引起地層蝕變。煤巖地層埋深一般較淺,所以受到泥漿蝕變影響較小。但是煤巖孔隙中填充有地層水,與測井泥漿液的礦化度差異過大會使測井讀數不準確,這時候選取礦化度與地層水相近的泥漿液很重要。另外,實際井眼環境坍塌造成井壁不規則,坍塌造成井眼橫剖面直徑擴大,若井內泥漿進入擴徑井段,并不能正確反映地層特性,這時候測出的測井數據與泥漿液參數相近。擴徑段的煤巖地層聲波時差會異常增大,密度值則會偏小,趨近于泥漿的密度值。聲波測井響應值會增大,密度測井響應值變小。

2　基于巖石物理分析方法測井曲線擴徑影響校正

煤層段組成成分是復雜的化合物混合,宏觀上的煤層認為是各向同性介質,可以使用Voigt-Ruess-Hill模型(VRH模型)構建煤層段的等效介質模型。煤層氣儲層為雙孔介質儲層,存在原生孔隙與割理系統,煤巖石骨架孔隙中填充流體是由許多種成分構成的,實際上未受擴徑影響的煤巖密度與煤巖的聲波時差所得的煤巖縱波速度有比較強的相關性,如圖4所示。

圖4　實測煤巖段密度與縱波速度關系

Voigt基于礦物等應變平均模型,模型給出上限估算式為:

式中:MV——煤巖等應變混合介質的骨架彈性模量,GPa;

fi——煤巖第i個介質的體積分數;

Mi——第i個介質的彈性模量,GPa。

Reuss下限估算式為:

式中:MR——煤巖等應力混合介質的骨架彈性模量,GPa;

Hill平均估算法利用上、下限估算的平均值求出需要的彈性模量,表達式如下:

式中:MVRH——等應變與等應力混合介質骨架彈性模型的平均值,GPa。

VRH模型計算煤巖地層骨架等效彈性模量Kma、μma計算式:

式中:Kma和μma——VRH模型求出的煤巖地層骨架等效體積模量與剪切模量,GPa;

KV和μV——Voigt等應變模型求出的體積模量與剪切模量,GPa;

KR和μR——Ruess等應力模型求出的體積模量與剪切模量,GPa。

利用未受到擴徑影響的測井曲線,結合Biot-Gassmann模型推算飽含流體的煤巖體積模量、剪切模量:

式中:K——飽含流體的煤巖體積模量,GPa;

Kd——干巖石骨架體積模量,GPa;

Kf——煤巖孔隙填充流體體積模量,GPa;

Km——煤巖中所含固體礦物體積模量GPa;

G——飽含流體的煤巖剪切模量,GPa;

Gd——干巖石骨架剪切模量,GPa;

ρ——煤巖密度,g/cm3;

ρm——煤巖中所含固體礦物密度g/cm3;

ρf——煤巖孔隙填充流體體積密度g/cm3;

φ——利用研究區內未受擴徑影響聲波曲線計算的孔隙度。

采用聲波時差時間平均公式計算煤巖基質孔隙度:

式中:Δt——受擴徑影響的煤層聲波時差測井值, μs/m;

Δtma——巖石骨架聲波時差測井值,取380～410μs/m;

Δtf——煤巖孔隙中填充的流體聲波時差測井值,μs/m。

用于測井曲線校正時可認為煤巖孔隙介質中填充的為鹽水,Kf＝2.2 GPa,ρf＝1.1 g/cm3, Δtf＝620μs/m,實際的煤巖中飽含流體若含氣則體積模量值會低于鹽水的體積模量值。

巖石彈性模量通常分布在VRH模型估算的區間內,當測井實測的密度與聲波時差數據超過構建模型的上下限時即需要校正。利用煤巖巖石物理參數結合未受到擴徑影響的測井曲線數據構建的Voigt與Ruess上下限校正模型如圖5所示。

圖5　研究區煤巖巖石物理模型擴徑校正圖

由圖5可以看出超出模型的上下限的測井響應值可以認為是受擴徑影響的異常值,實際上由Voigt模型確定的上限很少有樣本點能達到,仍需結合前人研究成果選取數據質量可靠的井段建立密度曲線校正公式:

式中:ρ——煤巖地層密度;

a,b,c——煤系地層資料統計系數;

Vp——由聲波時差測井計算的地層縱波速度。

研究區主力煤層段主要以貧煤、貧瘦煤、無煙煤為主,圍巖巖性主要為砂巖與泥巖。表1為根據文獻整理的建立測井曲線擴徑校正巖石物理模型彈性參數的經驗值。

將表中基質礦物的彈性參數經驗值帶入上文建立的煤系地層巖石物理模型中,可以得到研究區的統計參數a為－0.0000002,b為0.0019,c為－2.122。

另外聲波時差的校正公式可以采用Faust公式,由于深側向電阻率測井是貼合井壁測量,可以認為幾乎不受不規則井眼的影響。在剔除儲層中流體的影響情況下,計算的縱波速度代替井眼影響的實測聲波時差值:

式中:K、Cd——為地層參數,屬于統計學參數,同一套沉積煤系地層參數為固定值;

H——深度;

Rt——為電阻率。

表1　巖石基質礦物彈性參數表　GPa

Faust公式適用條件為電阻率曲線與聲波曲線具有良好的統計關系的地層,研究區內主力煤系地層沉積環境穩定,煤巖頂底板沉積泥巖層與砂巖層井間對應關系較好,基本滿足Faust公式適用條件。在忽略泥漿對研究區地層蝕變影響情況下, K,Cd取值與聲波時差和深側向電阻率的取值無關,所以可以使用Faust公式校正聲波時差曲線。實際的K,Cd值求取需要利用研究區內多口未受擴徑影響的井測井資料,通過統計學方法計算。這里僅列出一口井為示例,具體求取方法見表2。選取煤層段內某一深度點H以及±0.05m對應的聲波時差測井值Δt、深側向電阻率測井值Rt以及關系式:

以上分別帶入式(11)中,三式聯立可以解出K、Cd的一組值,選取不同的H解出多組值后計算平均值。然后,對研究區內未受擴徑影響的多口井相同煤層段均進行相同的計算,并計算平均值。所得最終平均值即為研究區內煤系地層的K、Cd值。

表2　研究區內煤系地層模型井K,Cd值示例表

3　應用實例分析

基于巖石物理模型確定了研究區內測井資料的上下限后,并利用上述密度與聲波時差校正公式對工區內Q2井受擴徑影響的測井曲線進行了校正(見圖6)。框體內為主力煤層段測井曲線的校正成果,DEN對應原始密度曲線,AC對應原始聲波時差曲線,RDEN、RAC曲線為經過校正后的測井曲線。

圖6　研究區內示例井密度與聲波時差曲線擴徑校正成果圖

然后分別用原始的測井曲線與校正后的測井曲線進行井－震標定,制作合成地震記錄。圖7為研究區內受擴徑影響較嚴重的曲線校正后制作的合成地震記錄與原始井旁地震道對比。圖中框體內為研究區內主力煤層的地震響應,煤層的波阻抗較低,在地震剖面上表現為明顯的強軸。可以看出原振幅與井旁地震道實際振幅不匹配,校正后的數據制作的合成地震記錄與井旁道匹配效果得到了極大的改善。

圖7　研究區內Q2井校正前后井震標定合成記錄對比圖

4　結論

煤系地層井眼垮塌現象造成

了嚴重的測井曲線響應失真。如果不進行必要的擴徑校正,測井曲線就喪失了其應用于煤層氣勘探的意義。通過以上論述,使用巖石物理分析的方法對測井曲線進行校正,能很大程度的改善測井資料的品質,提高井震標定的精度。該方法適用于其他煤系地層,較好地解決了煤系地層井震標定成果與井旁地震道不符的問題,為煤層氣勘探開發提供可靠的測井資料。

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(責任編輯郭東芝)

Expandingeffectcorrectionofcoalmeasurestrataloggingcurvesbased uponrockphysicsanalysis

WangXiaoxuan1,XiaoChengshi2,ZhengXiangtian1
(1.SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences, Beijing,Haidian,Beijing100083,China; 2.TheKeyLaboratoryofEnhancedOilandGasRecoveryofEducationalMinistry, NortheastPetroleum University,Daqing,Heilongjiang163318,China)

AbstractTheboreholeexpandingandcollapsewereseriousinmainseamsectionofcoalbed methanereservoirinsouthernQinshuiCoalfieldinShanxi,whichcausedtheinaccuratedensity andacousticloggingcurveresponses.Aimingattheproblem,theauthorsanalyzedtherelationshipbetweentheboreholeexpandinganddensityoracousticloggingresponsesusingstatistical methods.Thenbaseduponthelaboratoryexperimentanalysisandthelogginginformationthat lessaffectedbyboreholeexpanding,logginginformationcorrectionwascarriedoutbyrockphysicsanalysis.Thecorrectedloggingcurvesafterwell-to-seismiccalibration matchedpreferably withthephysicalpropertyofcoalmeasurestrata,whichprovidedreliablelogginginformationto coalbedmethanereservoirprediction.

Keywordscoalmeasurestrata,coalbedmethane,densitylogging,acousticlogging,boreholeexpandingcorrection

中圖分類號P631.81

文獻標識碼A

基金項目:?國家“十二五”油氣田及煤層氣科技重大專項專題(2011ZX05033－004)

作者簡介:王小玄(1991－),男,漢族,河北省任丘市人,碩士研究生,主要從事煤層氣地質與勘探,儲層預測研究工作。