基于煤層“三結構”的煤巖品質綜合評價*

郭廣山 柳迎紅 王存武 呂玉民 朱學申 韓 剛

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

煤層氣作為非常規能源之一，是常規油氣的有力補充。自20世紀70年代中國第一口地面煤層氣井鉆探以來，截至2020年底，中國累計各類煤層氣鉆井20 000余口，累計煤層氣探明儲量7 259.12億方。2020年中國地面開發煤層氣產量為58.2億方，較2019年產量增長6.5%。隨著煤層氣勘探開發程度的不斷深入，相關學者已逐漸認識到煤層氣儲層是影響煤層氣產能內在因素，新工藝對煤儲層認識程度的要求日益提高[1]。簡單的煤儲層參數評價已無法滿足煤層氣增儲上產的需要，亟需打破常規的、簡單的評價，從原理出發，創新精細表征方法和評價體系，提升煤儲層參數認識程度。提升煤層氣儲層認識重要一環是對煤巖品質的評價，煤巖品質評價主要包括煤層厚度、煤層結構、煤體結構和宏觀煤巖類型結構等參數[2]。煤巖是氣體吸附的載體，煤層厚度是煤層氣資源的基礎保障；煤層結構、煤體結構和宏觀煤巖類型結構共同決定了煤巖品質[3]。煤層結構和宏觀煤巖類型結構主要受成煤環境的影響，煤體結構受地質構造演化影響[4-5]。前人對宏觀煤巖類型、煤層結構、煤體結構分別建立了多種解釋模型，形成了以煤巖描述為基礎、以測井和地震資料為手段的評價方法[6-17]，但針對“三結構”(煤層結構、煤體結構和宏觀煤巖類型結構)綜合研究相對較少。同時，未見有將“三結構”有機結合綜合評價煤巖品質的研究。

筆者以沁水盆地南部SZB區塊3號煤層為例，依托27口煤層氣參數井巖心描述和常規測井資料，描述影響煤巖品質的“三結構”，分別建立了基于測井響應的煤巖“三結構”評價參數定量表征方法，形成了一套煤巖品質定量化評價體系。該研究方法不僅可指導煤層氣井位部署、射孔選層以及排采制度制定，還可以應用于煤層氣優質儲量和可采性評估等，為煤層氣高效勘探開發提供技術支撐。

1 地質概況

SZB區塊位于沁水盆地南端，構造上屬于沁水復向斜的東翼，是典型高煤階煤層氣田。研究區目前主要開發目的煤層為下二疊統山西組3號煤層，山西組是一套三角洲平原沉積體系下發育的含煤地層。3號煤層埋藏深度800～1 500 m；煤層厚度4.34～8.03 m，平均5.97 m；含氣量6.0～21.6 m3/t，平均14.0 m3/t；煤層滲透率普遍較低，基本上在0.1 mD以下；煤層頂底板以泥巖、粉砂質泥巖為主，整體保存條件較好。

2 煤巖三結構定量化評價及分布

2.1 煤層結構定量化評價及分布

煤層結構是指煤層中包含煤分層和巖石夾層的層數及厚度的特征。煤層中的巖石夾層俗稱夾矸。夾矸一般為黏土巖、炭質泥巖和粉砂巖。不含夾矸層的煤層稱為簡單結構煤層，含有夾矸層的煤層稱為復雜結構煤層。煤層結構直接影響煤層氣井鉆進軌跡、煤儲層改造射孔層位優選以及排采制度制定。一般情況下，煤層結構通過夾矸的巖性、數量和厚度來評價，評價結果對煤層氣勘探開發和生產作業具有重要的指導作用[6]。

研究區鉆井揭示3號煤層頂底板主要以砂質泥巖或泥質砂巖為主，發育穩定且厚度較大，夾矸主要以泥巖為主(圖1a)。根據煤層氣參數井巖心描述結果，結合常規測井曲線響應特征，精細刻畫煤層結構特征。頂底板巖性、煤層及夾矸三者表現出不同的測井響應特征，尤其以自然伽馬和體積密度測井結果差異最為明顯，因此本次評價煤層結構主要依據自然伽馬和體積密度測井。GR和DEN測井曲線交會圖(圖1b)表明頂底板巖性表現出高密度(>2.0 g/cm3)、高自然伽馬(>85 API)等特征；煤層表現出低密度(<1.5 g/cm3)、低自然伽馬(<50 API)等特征；夾矸表現出中—低密度(1.2～1.6 g/cm3)，中—高自然伽馬(60～110 API)特征。單井煤層結構劃分結果表明3號煤層在中下部發育一層厚度相對穩定的夾矸。根據參數井煤層結構評價結果，采用普通克里金算法，利用線性模型繪制煤層結構平面分布圖。研究區夾矸厚度分布0.7～1.0 m，平均厚度0.94 m；南部和東北部夾矸厚度較小，一般在0.75 m以下，厚度占比在12%以下；北部和東南部夾矸厚度相對較大，一般在1.0 m以上，厚度占比在15%以上(圖1c、d)。

2.2 煤體結構定量化評價及分布

煤體結構是指煤層經過地質構造變動后煤的結構和構造的保留程度。不同結構煤體發育不同的裂隙系統，直接影響煤層滲透率、含氣量以及煤粉產出等因素。依據國標GB/T 30050-2013《煤體結構分

圖1 SZB區塊3號煤層煤層結構綜合評價圖

類》，煤體結構劃分為4種類型，即原生結構、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。目前，國內煤層氣勘探開發過程中煤體結構的判別方法主要依靠參數井取心描述、測井解釋和地震屬性反演等評價方法。不同結構煤體在井眼穩定性、測井曲線響應特征表現出差異較大的特征。原生結構煤井眼完整，基本不擴徑；低自然伽馬、低體積密度、高電阻率、高聲波時差和高補償中子；煤心成柱狀和塊狀。碎裂煤井眼基本完整，少量擴徑；低自然伽馬、電阻率大于3 000 Ω·m、低體積密度、高聲波時差和高補償中子；煤心成塊狀特征。碎粒煤井眼不完整，存在明顯擴徑；低自然伽馬、中電阻率、三孔隙度曲線受井眼擴徑影響嚴重；煤心破碎嚴重。糜棱煤井眼不完整，嚴重擴徑；低自然伽馬、電阻率普遍低于1 000 Ω·m、三孔隙度曲線受井眼擴徑影響嚴重；煤成粉末狀。

依托煤層氣參數井巖心描述結果，利用不同煤體結構測井響應特征定量判別煤體結構，是一種行之有效的方向。由于成煤環境、構造演化背景造成的煤巖成熟度、煤巖性質等不同，每個地區煤體結構判別方法有所不同[7-16]。筆者在整理研究區27口煤層氣參數井巖心描述的基礎上，分4步對煤體結構進行精細描述：①建立參與評價的井的測井數據庫，對測井數據進行深度校正和井徑校正。由于儀器重量、形狀、井壁特征和摩擦等外因都會導致測井值發生錯動，首先需要對測井數據進行深度校正；由于鉆進過程中煤層段容易出現坍塌，導致擴徑，尤其在井眼擴徑嚴重的井段，會嚴重影響測井值的真實性，需要在深度校正的基礎上對測井數據進行井徑校正。②利用SPSS分析軟件，采用主成分分析法確定選取參與計算的測井數據為井徑、電阻率、體積密度和自然伽馬。③結合單井煤體結構描述結果，劃分出不同煤體結構參與計算的測井值范圍，建立測井值劃分標準(表1)。④構建煤體結構判別指數T，并利用未參與評價的井進行驗證，驗證結果符合率超85%，說明具有可行性。煤體結構判別指數T計算公式為

(1)

式(1)中：d為井徑 ,cm；R為電阻率測井值，Ω·m；ρ為補償密度測井值，g/cm3；GR為自然伽馬，API；d0、R0、ρ0、GR0分別為井徑、電阻率測井、補償密度測井和自然伽馬特征值，單位分別為cm、Ω·m、g/cm3、API。

表1 SZB區塊3號煤層不同煤體結構測井值及判別指數劃分標準表Table 1 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of different coal structures in No.3 coal seam of SZB block

按照煤體結構判別公式(1)對研究區3號煤層煤體結構評價，依據評價結果采用普通克里金算法，利用線性模型，繪制煤體結構平面分布圖。 研究區主要發育原生結構煤和碎粒煤，碎裂煤次之。原生結構煤主要發育在研究區的東部及北部，厚度占比40%～80%(圖2)，中部和西部以發育碎裂煤為主。煤體結構發育特征整體表現為東部、北部好，中部、西部相對較差。

2.3 宏觀煤巖類型結構定量化評價及分布

宏觀煤巖類型是指按照宏觀煤巖成分在煤層中的總體相對光澤強度劃分的煤巖類型。不同宏觀煤巖類型通過表現出不同的物理性質[17]，影響著煤儲層含氣性、可改造性和滲流條件等，進而影響著煤層氣井產氣效果。按照同一變質程度煤的相對光澤強度和光亮煤巖成分比例，把宏觀煤巖類型劃分為光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。

圖2 SZB區塊3號煤層煤體結構綜合評價圖

在成煤環境過程中，由于成煤物質、煤相等因素，造成宏觀煤巖類型不同，物理性質差異較大，其中灰分含量、密度、礦物含量和內生裂隙發育程度等參數決定著測井曲線響應變化特征，這些響應變化特征是建立宏觀煤巖類型判別模型的理論依據[18-19]。對研究區不同宏觀煤巖類型測井響應特征分析表明，光亮煤表現出低伽馬、低密度、高聲波時差和高電阻的測井響應特征；暗淡煤則表現出高伽馬、高密度、低聲波時差和低電阻的測井響應特征；半亮煤和半暗煤介于兩者之間。選擇自然伽馬、補償密度、聲波時差和深側向測井響應值建立宏觀煤巖類型指數DHMLZ(以下簡稱指數DHMLZ)為

(2)

式(2)中：RLLD為深側向測井值，Ω·m；Δt為聲波時差測井值，μs/m；ρ為補償密度測井值，g/cm3；GR為自然伽馬測井值，API。

根據研究區27口煤層氣參數井煤巖綜合測井圖，結合3號煤層宏觀煤巖類型描述結果，劃分出不同宏觀煤巖類型評價測井值范圍(表2)，利用建立的指數DHMLZ分別計算出煤巖類型分區范圍。研究區3號煤層宏觀煤巖類型的識別標準為DHMLZ≥20.0為光亮煤、10.0≤DHMLZ<20.0為半亮煤、5.5≤DHMLZ<10.0為半暗煤、DHMLZ<5.5為暗淡煤。

表2 SZB區塊3號煤層不同宏觀煤巖類型測井值及判別指數劃分標準表Table 2 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of marcolithotype in No.3 coal seam of SZB block

依據判別指數DHMLZ對研究區3號煤層宏觀煤巖類型分布進行評價，結果表明研究區主要發育光亮煤和半亮煤，半暗煤和暗淡煤發育較少。依據評價井判別結果采用普通克里金算法，利用線性模型，建立宏觀煤巖類型厚度分布圖。研究區光亮煤整體較厚，厚度1.5～3.5 m，局部不發育；半亮煤全區發育，厚度1.0～4.5 m，僅在東北部厚度小于1 m；半暗煤呈現南北薄，中間厚，厚度0.5～3.0 m，在東北部不發育；暗淡煤僅在西南部發育，厚度0.2～0.8 m(圖3)。

圖3 SZB區塊3號煤層不同宏觀煤巖類型厚度分布圖

3 煤巖品質綜合評價

3.1 定量評價模型

煤巖品質定量評價遵循以下流程和原則：①依據影響因素總體劃分為兩級評價階段，篩選出每級評價參數，每級評價參數賦予不同分數值以區分重要性(表3)。②在一級評價指標的基礎上，確定二級評價指標。煤層結構主要采用夾矸厚度和夾矸厚度占比兩個參數評價；原生結構和碎裂煤對煤層氣生產起到積極的作用，煤體結構采用原生結構+碎裂煤厚度及厚度占比兩個參數評價；光亮煤和半亮煤有利于煤層氣生產，宏觀煤巖結構選取光亮煤和半亮煤厚度合及厚度合占比兩個參數評價。基于各評價參數與煤層氣資源性、可壓性及可采性的關系，賦予各評價參數權重，權重也可以根據不同區塊的勘探開發程度和階段進行調整。③對進行定量評價的煤層氣井的一級評價指標和二級評價指標進行歸一化，按照賦予的權重分別計算，最終建立煤巖品質綜合評價模型U，計算公式如下

U=0.3S1+0.2S2+0.3S3+0.2S4

(3)

式(3)中：S1、S2、S3和S4分別為煤層總厚度、煤層結構、煤體結構和煤巖結構評價得分，無量綱；U為煤巖品質綜合評價得分，無量綱。

表3 SZB區塊3號煤層煤巖品質評價參數及權重表Table 3 Statistical table of coal and rock quality evaluation parameters and weights in No.3 coal seam of SZB block

3.2 煤巖品質評價結果

根據煤巖品質綜合評價模型對研究區3號煤層開展評價，并參考姚艷斌 等[20]研究成果，得出煤巖品質評價結果。I類區為優質煤巖品質分布區(U≥80)，主要表現為煤層厚度大、夾矸基本不發育或者發育較薄，以原生結構煤和碎裂煤為主，光亮煤和半亮煤發育，基本上不發育暗淡煤，主要分布在東北部和南部大部分地區；II類區為良好煤巖品質分布區(70≤U<80)，表現為發育一套厚度相對較薄的夾矸，以碎裂煤發育為主，半亮煤發育，分布在北部、中部和西南部；III類為較差煤巖品質分布區(U<70)，主要表現出夾矸較發育，碎粒煤發育，半暗煤較發育，分布在西部(圖4)。

圖4 SZB區塊3號煤層煤巖品質綜合評價圖

4 結論

1) 煤巖品質評價關鍵要素為煤層結構、煤體結構和宏觀煤巖類型結構，以沁水盆地南部SZB區塊3號煤層為例，分別建立了基于測井響應的煤巖“三結構”定量表征方法，結合煤層厚度等參數，建立一套煤巖品質定量化評價體系。

2) 依據煤巖品質定量化評價體系評價SZB區塊3號煤層。結果表明：I類優質煤巖主要分布在東北部和南部大部分地區；II類良好煤巖分布在北部、中部和西南部；III類較差煤巖品質分布在西部。

3) 本次煤巖品質評價參數、表征方法和定量化評價體系是建立在已有大量煤層氣參數井巖心描述和測井資料基礎上的。測井曲線要進行深度矯正和擴徑矯正。每個評價參數評價要充分考慮測井響應機理。同時，評價參數對煤巖品質的影響各有所側向，在最終評價過程中要有所針對性，不同的區塊要根據煤巖成熟度、沉積環境、構造背景建立不同的評價體系。