淮南煤系地層非常規天然氣巖石物理敏感參數研究

劉可勝，劉 俊，崔 凡，劉 波，陳柏平

(1. 淮河能源控股集團煤業分公司，安徽省淮南市，232000；2. 中國礦業大學(北京)，北京市海淀區，100083；3.河北工程大學，河北省邯鄲市，056038)

0 引言

煤系地層非常規天然氣主要包括煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣等[1]。近年來，全球對非常規天然氣開發的重視程度越來越高，得益于頁巖氣勘探和開采技術的成熟，北美實現由天然氣進口國變成出口國，沖擊了世界天然氣供給格局[2-3]。我國煤炭資源豐富，非常規天然氣儲量也較大[3]。近20年來，我國非常規天然氣開發得到穩定增長，2018年我國的非常規天然氣占新增探明天然氣儲量的45%[2]。

我國淮南地區煤炭資源和煤系天然氣資源豐富，煤系天然氣地質資源總量為979.37×108m3。淮南地區的非常規天然氣的勘探、開發工作起于20世紀80年代，但直到最近幾年才有了實際性的抽采井突破[4-5]?；茨鲜袕埣旱V鉆井資料顯示該區煤系地層具有豐富的煤層氣資源，由于非常規天然氣儲存特點及礦區復雜的地質沉積環境[2]，如何準確地預測含氣有利區，對礦區非常規天然氣共采具有重要的理論和指導意義。

目前，非常規天然氣的預測方法主要有地質和地球物理勘探兩類，純地質方法預測的精度不高，通常結合測井、地震資料對儲層的構造、厚度、壓力、孔隙度、飽和度、滲透率等參數進行數學分析、建模，進而預測儲層含氣狀況[6-7]。菅笑飛等[8]通過煤層分布、裂隙發育、儲層壓力等儲層特征參數建立儲層模型預測了柳林地區的煤層氣狀況。近年來，地球物理勘探在煤田上的非常規天然氣的預測得到廣泛應用。吳海波等[9]利用地震反演參數作為煤層氣甜點區的預測指標，結果表明預測值與實際日均產氣量吻合較好。利用測井資料和地震資料，綜合分析含氣儲層的物理和彈性性質，找尋非常規天然氣巖石物理敏感參數，對儲層進行綜合解釋是一種較科學的方法[10-11]。郭曉龍等[12]也指出由于煤層氣的賦存特點，煤層氣的巖石物理基礎研究是尋找預測方法的著手點和立足點。

1 地質概況

本研究以安徽省鳳臺縣張集鄉張集礦為研究背景和測井、地質數據來源。張集煤礦地處淮河中游，淮北平原南部，區內地形平坦，地面標高一般在+21～+26 m，西北高、東南低。張集煤礦有可采煤層14層，含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組與上、下石盒子組，主要目標煤層5層，分別是13-1、11-2、8、6、1號煤層，平均總厚為20.1 m。

2 非常規天然氣儲層特點

煤系地層非常規天然氣主要包括煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣等。

煤層氣指儲存在煤層中的烴類氣體，以甲烷為主要成分，主要以吸附狀態附著在煤基質顆粒表面，少部分以游離態存在于煤孔隙中，是煤的重要伴生礦產資源。我國煤層氣具有層系多、厚度大、含氣量高、滲透性低、欠壓、不飽和等特點[13]。

頁巖氣主要存在于煤系地層的頁巖當中，且以吸附態為主，其單層厚度薄(<15 m)，但累計厚度大(可達100 m以上)[14-16]。由于我國煤系地層以粘土礦物為主，脆性比較低，抵抗壓實能力低，導致煤系頁巖儲層有低孔低滲的特征[14]。

致密砂巖氣具有低孔低滲、高毛細管的特點[17]，且受上覆地層的壓實作用和不同地質作用的影響，致密砂巖氣藏與干砂巖層的特征會存在差異，致密砂巖氣藏具有較差的物性，孔隙度值一般為2.0%～13.5%，滲透率值的范圍一般為0.001～1.000 mD[18]。

總的來說，非常規天然氣改變了儲層原有的巖性特征和物理性質，這為非常規天然氣的預測和評價提供了參考依據。

3 數據分析與優化

眾多學者通過測井資料研究總結了關于巖石物性、彈性等規律[19-20]，而其中測井數據的好壞直接影響到最終的成果質量。研究區老舊測井曲線的自然伽馬、聲波、密度測井響應井間一致性較差。為解決該問題，本文利用測新采集的井曲線齊全且一致性較好的新謝1號井資料作為標準井，采用了模式匹配的方法對其他老井(井1～井4)進行了校正。校正后，老井的測井曲線一致性得到很大的提高，如圖1所示。

圖1 老井一致性校正前后對比

4 非常規天然氣巖石物理敏感參數分析

巖石物理模板的理論基礎來源于地震巖石物理學，地震巖石物理學的主要研究方向是研究巖石彈性參數(如速度、密度、波阻抗、縱橫波速度比等)與儲層參數(如孔隙度、孔隙流體類型、流體飽和度等)的關系。通過建立多孔介質巖石物理模型，利用巖石物理正演的方法獲取巖石的縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比、泊松比、楊氏模量、拉梅常數、剪切模量及脆性指數，并在此基礎上通過統計的方法對巖石彈性與巖性、物性(孔隙度)、脆性之間的關系進行分析，進而研究非常規天然氣巖石物理敏感參數的規律。

4.1 巖石物理建模

針對非常規天然氣儲層的巖石物理建模過程如圖2所示。

圖2 巖石物理建模流程

采用了Xu 和 Payne[20]提出的流程來建立巖石物理模型，該方法是在Voigt、Reuss和Hill[21-23]提出的模量模型基礎上，通過數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)方法建立干巖模量，之后利用Gassmann(加斯曼)方程進行流體置換[24]，最終建立巖石物理模型。

在選取好巖石物理模型后，將新謝1號井的測井數據作為輸入數據，通過調整巖石物理模型的孔隙結構參數，使得模型正演曲線與實測曲線匹配最佳，如圖3 所示。通過巖石物理建模正演的方法，提高了縱橫波質量，為非常規天然氣巖石物理敏感參數分析奠定了基礎，最終正演完整的彈性曲線如圖4所示。

圖3 新謝1號井正演曲線與實測曲線對比圖

圖4 新謝1號井正演曲線結果

4.2 彈性與巖性關系分析

非常規天然氣的儲層的巖性及其彈性參數特點不相同，通過縱橫波速度比、縱波阻抗，可以對不同的巖性進行有效區分?；趲r石物理模型建模正演獲得測井曲線數據統計的縱波阻抗和縱橫波速度比交會圖，見圖5，煤層具有相對低波阻抗、高縱橫波速度比特征；砂巖氣層具有中高波阻抗、低縱橫波速度比特征；砂巖干層具有相對高波阻抗、低縱橫波速度比特征；頁巖氣儲層具有中等波阻抗、中低縱橫波速度比特征，與泥巖非儲層區分明顯。

圖5 縱波阻抗-縱橫波速度比交會圖

4.3 彈性與孔隙度關系

除巖性外，不同非常規天然氣儲層的孔隙度也不同，通過統計分析縱波阻抗和孔隙度的交會圖發現，孔隙度與彈性間的關系更好、規律性強，如圖6所示，煤層孔隙與波阻抗呈線性關系，頁巖及砂巖儲層與波阻抗呈現拋物線二次函數關系。

圖6 縱波阻抗與孔隙度交會圖

4.4 彈性與巖石脆性關系

巖石的脆性由泊松比和楊氏模量2個參數決定，脆性指數算式如下[20]：

式中：BI——脆性指數；

YM_BRIT——均一化后的楊氏模量，MPa；

PR_BRIT——均一化后的泊松比；

YMS——楊氏模量，MPa；

PR——泊松比。

根據式(1)、(2)、(3)計算得到最大、最小脆性邊界點特征參數，如圖7所示。不同儲層的脆性指數如圖8所示，結果發現，煤儲層的脆性指數最低，頁巖氣和砂巖氣儲層較高。

圖7 泊松比與楊氏模量交會圖

圖8 新謝1號井彈性與巖石脆性關系圖

5 結論

通過對淮南張集煤礦測井曲線的非常規天然氣儲層的巖石物理分析，得出如下結論。

(1)煤層表現為相對低波阻抗、高縱橫波速度比特征；砂巖氣層表現為中高波阻抗，低縱橫波速度比特征；砂巖干層表現為相對高波阻抗、低縱橫波速度比特征；頁巖氣儲層表現為中等波阻抗、中低縱橫波速度比特征，與泥巖非儲層區分明顯，幾類儲層分布規律清晰。

(2)縱波阻抗與孔隙度單調關系較好，煤層孔隙與波阻抗呈線性關系，頁巖及砂巖儲層與波阻抗呈現拋物線二次函數關系。利用縱波阻抗可較好描述儲層物性特征。

(3)根據泊松比和楊氏模量雙參數定義巖石脆性指數，可獲得非常規天然氣儲層的最大、最小脆性邊界點特征參數，并且煤層氣儲層的脆性指數最低，頁巖氣和致密砂巖氣脆性指數較高。

可以看出儲層的彈性參數與儲層巖性、物性之間存在一定的規律，將為后期的地震解釋工作提供必要的巖石物理基礎，促進非常規天然氣的預測和開發。