基于測井響應的煤體結構識別及開發效果評價

李全中，趙凌云，胡海洋

（1.山西工程技術學院 礦業工程系，山西 陽泉045000；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116；3.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽550081；4.貴州省油氣勘查開發工程研究院，貴州 貴陽550081）

根據貴州省大地構造特征，省內賦存上二疊統含煤地層的構造單元分別為六盤水、興義、織納、黔北和貴陽5 個煤田[1]。六盤水煤田大地構造上屬于揚子陸塊黔南坳陷六盤水斷陷中至北部，北東和南東分別以紫云-班都斷裂和潘家莊斷裂為界，煤田走向正斷層較發育，常沿背斜軸或翼部分布[2]。貴州省含煤地層經歷不同規模的構造運動，煤層遭受不同程度的應力影響后形成原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤。糜棱煤受構造應力的影響，原始煤層結構、煤體結構等受到的破壞最為嚴重，煤層原始的端割理、面割理被破壞，對滲透率的影響較大[3]。目前各地對構造影響強烈的煤層進行煤層氣開發的效果不甚理想，而貴州地區多煤層發育，在開發之前，需要對不同煤層的煤體結構及分布規律進行研究，為煤層氣井壓裂改造選層及射孔段選擇提供幫助。針對構造煤的煤體結構識別，目前主要依靠井下取樣、地面取心直接觀測和地球物理方法對煤體結構進行解釋。井下取樣、地面取心直接觀測方法的主觀性較強，且受取樣片面性和取心局限性的限制，無法實現對整個煤層的煤體結構精細化描述，地球物理方法對煤體結構進行解釋的客觀性較強，主要依據地球物理資料，能夠實現對煤層煤體結構的精細化描述[4-6]。通過對測井響應進行小波多尺度分析和聚類分析，在測井響應識別煤體結構的模型中，引入地質強度因子GSI 對煤體結構賦值，能夠提高煤體結構識別的精度和可靠性[7-8]，不同的研究者采取不同的測井響應數據，解釋的煤體結構具有一定的差異性。以貴州省六盤水煤田楊梅樹向斜煤層氣勘探開發取心及測井資料為基礎，通過取心識別煤體結構及測井響應解釋煤體結構對比，建立該地區基于煤體結構指數的識別煤體結構的方法，對開發井的煤體結構進行識別，分析不同煤體結構煤層的產能貢獻，為該地區煤層氣勘探開發過程中的壓裂改造選層及射孔層段優選提供參考。

1 煤體結構分類及測井響應特征

1.1 煤體結構分類

煤層非均質性較強，受構造運動影響煤體結構差異較大，根據煤層的煤體結構特征，常見的煤體結構分類為河南理工大學提出的四分法[9]，即將煤層劃分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤4 大類，針對碎裂煤單位面積的裂隙數量及碎粒煤顆粒粒徑的分布規律，可對碎裂煤、碎粒煤2 類煤層細化分類，對煤體結構進行精細化描述，其他針對煤體結構的劃分包括三分法、五分法等[10]。琚宜文[11]針對沁水盆地和兩淮煤田的構造煤按構造變形機制分為脆性變形、脆韌性變形和韌性變形3 個變形序列的10 類煤，姜波[12]針對構造煤結構特征及其形成的環境條件，將構造煤分為2 大系列7 種類型。煤體結構分類見表1。根據楊梅樹向斜的勘探開發資料，結合測井資料解釋成果，將楊梅樹向斜煤層的煤體結構劃分為3 類，即原生結構煤、碎裂煤、構造煤。

表1 煤體結構分類Table 1 Classification of coal structure

1.2 測井響應特征

楊梅樹向斜煤層以原生結構及碎裂煤為主，構造煤較少，楊梅樹向斜煤體結構測井分布范圍和均值對比見表2。從表2 可以看出，補償密度、聲波時差、微球型聚焦電阻率、井徑測井值隨煤體結構的變化規律較明顯，補償密度及微球型聚焦電阻率測井值隨煤體結構破壞呈下降趨勢，聲波時差及井徑測井值隨煤體結構破壞呈上升趨勢，而自然電位、自然伽馬測井響應數據變化規律不明顯。測井響應數據隨煤體結構變化規律較明顯的測井參數[13-14]，通過數學公式處理后可以對煤體結構進行識別。

表2 楊梅樹向斜煤體結構測井分布范圍和均值對比Table 2 Logging distribution range and mean value comparison of coal structure in Yangmeishu syncline

2 研究區煤體結構定量識別及應用

2.1 煤體結構定量識別

原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤受構造運動的影響，煤層的含水性、孔隙度、裂隙充填物等發生變化，導致不同煤體結構煤層的測井響應不同。根據不同煤體結構煤層的測井響應可以看出，煤層補償聲波測井、補償密度測井、井徑測井相應值的有效組合，可反應出不同煤體結構的差異，建立煤體結構定量識別的經驗公式[15]：

式中：n 為煤體結構指數，無量綱；AC 為補償聲波測井值，μs/m；CAL 為井徑測井值，mm；DEN 為補償密度測井值，g/cm3。

2.2 不同煤體結構識別應用

圖1 楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層煤體結構指數分布圖Fig.1 Distribution of coal structure index of fracturing coal seam of Y1 well in Yangmeishu syncline

根據測井響應可以對煤體結構進行精細識別，從圖1 可以看出，5-2#煤層為原生結構煤-碎裂煤，上部主要為碎裂煤，下部主要為原生結構煤；7#煤層為構造煤為主，中上部為構造煤，下部含少量原生結構煤夾層；13-2#煤層為原生結構煤，中部含少量碎裂煤夾層。從楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層取心照片可以看出，13-2#煤層的端割理、面割理結構明顯，為典型的原生結構煤；5-2#煤層能分辨出端割理，但相對13-2#煤層而言，煤體相對破碎，屬于碎裂煤；7#煤層無法分別出面割理、端割理，且斷面上有明顯的顆粒感，屬于構造煤。測井響應分析的煤體結構與現場取心分析的煤體結構基本一致，即測井響應可以指導煤層氣開發過程中的煤體結構識別。

3 研究區煤層氣開發效果評價及建議

3.1 煤層氣開發效果的主要影響因素

煤層氣的開發效果評價主要是從采收率、產氣周期、產量等方面進行評價，其中從產氣量方面進行評價是最直觀的評價方式[16]。煤層含氣主要以吸附氣為主，含少量的游離氣和水溶氣。煤層氣井的高產穩產依賴于煤層的解吸半徑和氣體解吸產出的難易程度，吸附氣越容易解吸產出，煤層可解吸氣量越大，吸附氣越容易解吸產出且解吸半徑越大，煤層氣井越容易實現高產穩產。

煤層氣井儲層可解吸產出的總氣量Q 為：

式中：Q 為煤層氣井儲層可解吸產出的總氣量，m3；R 為解吸半徑，m；ρ 為煤層密度，t/m3；h 為煤層厚度，m；α 為煤層氣解吸率；V 為煤層含氣量，m3/t。

式（2）中αV 的乘積表示單位質量煤體可解吸產出的煤層氣體積，從式（2）可以看出，在確定的煤層厚度和煤層密度條件下，煤層氣井儲層可解吸產出的總氣量取決于煤層的解吸半徑和煤儲層中吸附氣的可解吸氣量，即吸附氣解吸產出的難易程度。

3.2 煤體結構煤層對氣體解吸產出的影響

煤層中的氣體以吸附態為主，氣體產出需將煤儲層的壓力降低至臨界解吸壓力以下，煤層中的吸附態氣體逐漸轉化為游離態，在經過煤基質孔隙及煤層孔裂隙通道流向井筒，氣體的解吸產出包括解吸、產出2 個過程。研究表明，不同煤體結構的煤層對氣體解吸、產出都有影響。隨著煤體結構的破壞加劇，煤體的孔隙度及比表面積迅速增加。通過對不同煤體結構煤的逸散速度實驗測試發現，隨著煤體結構破壞程度的增加，逸散速度呈增加的趨勢[17]，說明比表面積的增加有利于氣體的解吸。原生結構煤、碎裂煤受構造應力的影響較小，煤層中的孔隙以微孔為主，相對缺少大孔，煤層壓裂改造的過程中，容易形成連通性較好的裂隙通道，有利于氣體產出，而碎粒煤、糜棱煤受構造影響，煤體結構破碎，孔隙連通性較好，但煤體結構破碎，不利于煤儲層的壓裂改造，壓裂改造范圍小，且排采過程中煤粉堵塞通道，不利于氣體產出，產氣衰減快，不利于煤層氣的開發[18-19]。

3.3 煤體結構煤層對解吸半徑的影響

煤層氣井儲層隨著壓力的降低，產水半徑及解吸半徑不斷擴大，因此，煤儲層持續排水對擴大解吸半徑意義重大。煤層氣井儲層產水受地層能量、地層通道的共同影響，地層能量越高、通道連通條件越好，越有利于煤儲層的產水降壓。通過對不同儲層類型地層及煤層氣井生產研究分析發現，煤體結構對壓裂改造具有控制作用[20]，直接影響煤層氣井的產能。原生結構煤、碎裂煤的巖石力學性能較好，壓裂改造能夠形成長裂縫，溝通更大范圍的煤儲層，為產水降壓形成的解吸半徑提供保障，而碎粒煤、糜棱煤受構造應力影響較大，煤體結構破碎，巖石力學性能較差，壓裂改造過程中難以形成復雜結構的裂縫網絡，裂縫聯通范圍有限，限制了煤儲層的產水降壓范圍及儲層的解吸半徑。通過對煤層氣井的解吸半徑進行定量研究可以看出，煤儲層的解吸半徑越大，煤層氣井的產氣量越高。煤層氣井要實現產氣量的高產穩定，必須擴大儲層的解吸半徑。

綜合而言，原生結構煤及碎裂煤的原生孔裂隙通道少，不利于氣體解吸，氣體解吸較慢，但壓裂改造后通道連通性較好、裂縫長、煤粉少，有利于氣體的產出和擴大儲層的解吸半徑；碎粒煤及糜棱煤原生孔隙度較高，有利于氣體解吸，氣體解吸較快，但不利于壓裂改造，且改造后煤粉多，不利于氣體產出，解吸半徑小，氣體產出衰減快。

水利風景區以水域(水體)或水利工程為依托,具有一定規模和質量的風景資源與環境條件,可以開展觀光、娛樂、休閑、度假或科學、文化、教育活動。截至2010年年底，安徽沿淮有國家水利風景區7處（包括焦崗湖），景區面積為8459hm2。

3.4 不同煤體結構煤層開發效果評價

楊梅樹向斜發育多層可采煤層，煤層厚度薄，資源豐度低，不適宜進行單煤層的煤層氣開發。不同煤體結構的煤層在壓裂改造的過程中，由于不同煤體結構煤層的壓裂效果差異較大，煤層改造范圍、解吸范圍受限，導致不同煤體結構煤層的產氣貢獻差異較大。研究區發耳Y1 井對構造煤及原生結構煤進行壓裂改造開發煤層氣，其中5-2#煤層為原生結構煤-碎裂煤、7#煤層為構造煤、13-2#煤層原生結構煤，楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層參數表見表3，楊梅樹向斜Y1 井排采曲線如圖2。

表3 楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層參數表Table 3 Fracturing coal seam parameter table of Y1 well in Yangmeishu syncline

圖2 楊梅樹向斜Y1 井排采曲線Fig.2 Drainage curves of Y1 well in Yangmeishu syncline

綜合考慮煤層埋深和臨界角吸壓力，由表3 得壓裂煤層的解吸順序為：5-2#、13-2#、7#煤層。根據解吸順序及產氣曲線可以看出，排采45 d 以后，見套壓時，5-2#煤層解吸；排采120 d 以后，產氣量大幅上升時，13-2#煤層解吸；排采200 d 以后，流壓穩定下降、產氣出現明顯上升時，7#煤層解吸。

圖2 中從左至右3 條紅色虛線為3 個層煤的先后解吸點。根據產氣變化曲線可以看出，5-2#煤層的產氣貢獻為1 800 m3/d，每米煤厚產能貢獻為677 m3/m；13-2#煤層的產氣貢獻為2 200 m3/d，每米煤厚產能貢獻為1 140 m3/m；7#煤層的產氣貢獻為900 m3/d，每米煤厚產能貢獻為492 m3/m。從3 層煤的每米產能貢獻可以看出，原生結構煤的每米煤厚產能貢獻在600～1 200 m3/m 之間，而構造煤的每米煤厚產能貢獻低于500 m3/m，構造煤的每米煤厚產能貢獻明顯低于原生結構煤的貢獻值，Y1 井產能貢獻指數與煤體結構指數之間的關系如圖3，結合3層煤的煤體結構指數可以看出，每米煤厚產能貢獻隨著煤體結構指數平均值的增加呈降低的趨勢。

楊梅樹向斜Y1 井解吸數據見表4。

圖3 Y1 井產能貢獻指數與煤體結構指數之間的關系Fig.3 Relationship between productivity contribution index and coal structure index of Y1 well

表4 楊梅樹向斜Y1 井解吸數據Table 4 Desorption data of Y1 well in Yangmeishu syncline

由表4 可以看出，先解吸的煤層實際解吸壓力與臨界解吸壓力的差值（解吸壓力差值）最大，超過1 MPa，最后解吸的煤層解吸壓力差值最小，且后解吸的煤層解吸壓力差值均在0.5 MPa 左右。分析認為，煤層中含有一定比例的游離氣，當地層壓力降低到一定程度以后，煤層中的游離氣克服地層壓力的作用運移至井筒，井筒出現套壓，但此時的套壓不是煤層解吸引起的套壓，此時的壓力高于煤層真實的臨界解吸壓力，不能真正反映煤層的臨界解吸壓力，導致解吸壓力差值較大。根據楊梅樹向斜Y1 井的實際地解壓差可以看出，7#煤層（碎粒煤）的實際的解壓差比5-2#、13-2#（原生結構煤）的大1 MPa 以上，煤層氣井在實際排采過程中，需降低更大的井底流壓才能實現煤層解吸，煤層臨界解吸壓力低，儲層的降壓范圍及生產壓差小，不利于煤層擴大有效解吸半徑，影響煤層氣井產氣量。

從楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層的產氣效果分析可以看出，在目前的技術條件下，構造煤等受構造運動影響較大的煤層不適宜直接進行煤層氣開發，可以探索建立虛擬儲層，對其的頂底板進行壓裂改造，溝通構造煤，間接進行煤層氣開發，而原生結構煤及受構造運動影響較小的碎裂煤可以進行煤層氣開發。

3.5 不同煤體結構煤層開發建議

楊梅樹向斜7#煤層厚度數據見表5。由表5 可以看出，研究區內7#煤層厚度分布不穩定，鉆遇的7#煤層厚度分布在0.59～4.25 m 之間，煤厚變化大，受構造運動影響較大，且出現受斷層影響，7#煤層斷失的情況。

表5 楊梅樹向斜7#煤層厚度數據Table 5 Coal seam thickness data of 7# in Yangmeishu syncline

楊梅樹向斜3 口井7#煤層煤體結構指數分布圖如圖4。

圖4 楊梅樹向斜3 口井7#煤層煤體結構指數分布圖Fig.5 Coal body structure index distribution diagram of 7# coal seam in three wells in Yangmeishu syncline

由圖4 可知，研究區內的7#煤層煤體結構變化較大，Y1 井7#煤層以構造煤為主，煤層底部含原生結構煤夾層，Y2 井以原生結構煤為主，煤層中下部含碎裂煤夾層，Y5 井以碎裂煤為主，煤層中下部含構造煤夾層。從研究區內7#煤層的厚度及煤體結構分布情況可以看出，7#煤層煤厚及煤體結構分布不穩定，煤層氣資源勘查過程中對研究區內的參數控制難度較大。

實際煤層氣開發過程中，需結合周邊鉆孔的煤厚分布情況，對鉆孔鉆遇煤層的厚度進行甄別，利用測井響應對煤厚進行校正，避免對煤厚由于構造影響而增大的異常煤層進行壓裂改造，同時利用測井響應進行煤體結構指數計算，分析鉆遇煤層的煤體結構，同時與現場取心的煤體結構結果進行對比，判定煤層氣井井眼附近的煤體結構。經過對比分析后，認為井眼周邊煤層厚度、煤體結構穩定，且煤層不是構造煤時，可優選該煤層進行壓裂改造，否則，不適宜進行煤層氣開發。

4 結 語

1）通過對測井響應的補償聲波、井徑及補償密度測井數據處理后，得到的煤體結構指數可以反應出煤體結構，楊梅樹向斜原生結構煤的煤體結構指數低于500，構造煤的煤體結構指數大于600，測井響應識別與現場取心識別的煤體結構一致。

2）煤儲層的解吸半徑和解吸半徑范圍內煤層中吸附氣的可解吸氣量對煤層氣井產氣量的大小影響較大，煤層中吸附氣的可解吸氣量越高、解吸半徑越大，煤層氣井越容易實現高產穩定。

3）楊梅樹向斜Y1 井不同煤體結構煤層的每米煤厚的產能貢獻不同，原生結構煤、碎裂煤的產能貢獻在600～1 200 m3/m 之間，構造煤的產能貢獻低于500 m3/m，且隨著煤體結構指數的增加，每米煤厚的產能貢獻逐漸降低。

4）根據楊梅樹向斜不同煤體結構煤層的開發實踐，目前煤層氣開發建議以原生結構煤、碎裂煤為主，構造煤受構造應力的影響，原始煤體結構破壞較大，現有技術條件下不適宜直接對其壓裂改造進行煤層氣開發。