煤炭地下氣化煤系地層含水性識別及含水量預測測井評價方法

郝麗萍，郭祥光，馬建坡，王 偉，吳存艷，尚 勇，胡 博

(中國石油集團測井有限公司天津分公司，天津市濱海新區，300280)

0 引言

當前，以綠色低碳為方向的新一輪能源革命正在全球蓬勃興起，煤炭地下氣化作為一種煤炭原位清潔轉化技術，變物理采煤為化學采煤，具有安全性高、環境友好、高效等特點[1-3]。煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,UCG)是指通過一定的工藝技術，在原位條件下，將地層中的煤炭進行有控制的燃燒，使其在熱作用及化學作用下產生可燃燒氣體(包括CH4、H2、CO等)的過程[4-7]。煤炭地下氣化是一門融多學科為一體的綜合性能源生產技術，涉及到地質學、水文學、鉆井技術、點火燃燒控制技術、產品氣加工利用技術、生態環境保護技術等一系列技術[8]，其實現商業化應用需要不同學科協同合作，測井作為地球物理探測技術之一可以為煤炭地下氣化工程提供一定的技術支撐。從國內外煤炭地下氣化實驗項目還沒有取得規模產業化發展的原因分析可見，地質選區過程中論證不充分為主要原因之一，如因地層水大量涌入氣化腔導致實驗停止等；另外，煤炭地下氣化過程中，當涌水量增加到一定量時，水分會帶走氣化工作面大量熱量，使得溫度急劇下降，導致煤氣熱值大大降低，甚至迫使氣化停止[9]。

國內外學者對煤炭地下氣化工程的可行性開展研究較多，對水文地質條件作為可行性研究的一部分進行了綜述，具體利用測井資料對煤系地層含水性識別及進行含水量預測研究較少。本文在煤巖及煤巖頂底板孔隙結構分析基礎上，利用測井資料進行煤系地層含水性識別及含水量預測，為煤炭地下氣化選址工作提供一定的技術支撐，對相似井田的煤炭地下氣化工程提供借鑒和指導。

1 氣化目標煤巖及頂底板巖石孔隙結構分析

1.1 不同煤階煤巖孔隙結構分析

煤巖孔隙結構復雜，而煤巖孔隙中的水分布與孔隙結構密切相關，同時也是進行煤巖含水量預測的基礎。煤巖孔隙中的水包括吸著水(強結合水)、薄膜水(弱結合水)、重力水、毛細水、氣態水5類。其中，吸著水和薄膜水都是受分子引力和靜電引力作用而吸附于巖石顆粒表面的水，不傳遞靜水壓力，統稱結合水。重力水和毛細水均可傳遞靜水壓力，統稱液態水，是煤儲層地下水滲流研究的主要對象[10]。氣態水隨氣體流動而流動，并在一定溫度、壓力條件下與液態水相互轉化，保持動平衡[11]。蘇聯學者霍多特(Ходот，B.B.)將煤孔隙分成大孔( 孔徑>1 000 nm )、中孔(孔徑100～1 000 nm )、小孔(孔徑10～100 nm)和微孔(孔徑<10 nm)[12]。其中微孔和小孔在煤儲層中所占比例較大，提供了煤層氣的吸附空間；中孔和大孔提供了游離氣的空間，同時也是煤儲層液態水儲集的空間[13]。

樣品核磁共振測試是實驗室較為準確進行煤巖孔隙結構分析的手段之一。為了分析不同煤階煤巖孔隙特征，實驗室選取不同煤階煤巖樣品，將樣品置于配置好的飽和鹽水中，在真空條件下飽和24 h以上進行核磁共振測試，獲得飽和水狀態下不同煤階核磁共振T2譜特征分布。由于弛豫機制和弛豫速度的差異[14]，不同孔徑孔隙中的流體將有不同的觀測弛豫速度，出現在T2譜的不同位置上，因此可以用飽和水T2譜表征煤巖孔隙結構，不同煤階核磁共振T2譜特征分布如圖1所示。

由圖1可以看出，弛豫時間對應不同的孔徑大小，孔徑越大，T2譜弛豫時間越長，譜峰面積越大，所代表的孔隙越多。圖1(a)中雙峰不連續分布，左峰譜峰面積明顯大于右峰譜峰面積，微小孔所占比例高；圖1(b)中雙峰連續分布，微小孔減少，中孔比例增加；圖1(c)中三峰連續分布，微小孔更少，中大孔比例增加。煤巖孔隙結構和煤巖組分及煤分子結構差異有關，煤孔隙結構隨著煤階段的不同而變化，隨著煤演化程度的加強，大孔受物理壓實作用使大孔破碎，水分排出，使得原生孔隙減少[15]。因此，低階煤的結構松散，孔隙體積大，中、大孔占一定比例；中階煤大孔隙減少，中、小孔較發育；高階煤孔隙體積小，微孔占主導地位。

圖1 不同煤階核磁共振T2譜特征分布

1.2 氣化目標煤巖孔隙結構分析

氣化目標研究區為侏羅系發育西山窯組和八道灣組2套煤層，陸相成煤，面積大、厚度大、發育相對穩定；其中西山窯組煤層埋深在1 500 m以淺，鏡質體反射率Ro普遍小于0.6%，煤階以中低煤階為主，屬褐煤-長焰煤，是氣化優勢煤種。針對研究區氣化煤巖樣品進行實驗室核磁共振測試，測試結果如圖2所示。

圖2 測試井煤巖樣品核磁共振T2譜特征分布

由圖2可以看出，不同樣品孔隙度有所差異，導致譜峰幅度高低有所不同，但不同樣品孔隙結構基本相似，均為三峰連續分布，與低階煤孔隙結構一致，可見研究區煤巖為低階煤。

1.3 氣化煤巖頂底板巖石孔隙結構分析

研究區西山窯組煤層頂板巖性以泥巖、碳質泥巖為主。取頂板6塊巖樣在實驗室做飽和水核磁共振實驗，獲得的T2譜如圖3所示。

圖3 測試井頂板巖石核磁共振T2譜特征分布

由圖3可以看出，6塊巖樣的核磁共振T2譜形態基本一致，均呈單峰分布，譜峰位置在0.01～0.1 ms 之間，以微小孔為主，中大孔不發育，不含可動水。

研究區西山窯組煤層底板巖性以泥質粉砂巖或細砂巖為主。取底板9塊巖樣在實驗室做飽和水核磁共振實驗，獲得的T2譜如圖4所示。

圖4 測試井底板巖石核磁共振T2譜特征分布

由圖4可以看出，底板巖樣的核磁共振T2譜圖形與頂板巖樣相比有明顯不同，首先T2譜圖形連續不間斷分布，從1號-9號樣品，譜圖逐漸寬緩，表明其孔隙結構逐漸發生變化；1號樣和2號樣譜圖基本重疊，窄單峰明顯，表明這2個樣品和頂板巖性基本一致，為泥巖特征；3號樣和4號樣譜圖基本重疊，譜峰分布比1號樣和2號樣靠右，表明泥質含量有所減少，砂質含量有所增加；5號～9號樣，譜峰更加靠右，譜圖右邊信號逐漸增多，表明砂質含量更多，孔隙結構變好，微小孔減少，中大孔增多，可動水含量增加。

2 含水性識別及含水量預測

2.1 煤巖含水量預測

由上文煤巖孔隙結構分析可見，研究區煤巖為低階煤，中大孔占一定比例，中孔和大孔提供了游離氣的儲集空間，同時也是煤儲層液態水儲集的空間。要準確預測煤巖含水量，首先需要確定游離氣含量。本文收集整理了70余塊次低階煤煤芯實驗室含氣量測試數據，統計其含氣量與深度關系見圖5。

由圖5可以看出，煤巖含氣量與深度相關關系并不明顯，深度在1 300 m以內，低階煤空氣干燥基含氣量基本小于7.0 cm3/g。研究區測試井氣化煤層在地層中埋深約1 000 m，根據現場試井資料確定的地層壓力梯度為0.912，計算氣化煤層深度地層壓力約為9 MPa。在實驗室對研究區測試井煤芯進行等溫吸附實驗結果表明，實驗壓力為9 Mpa時吸附含氣量為9.2 cm3/g，如圖6所示，遠大于實驗室測試的低階煤總含氣量7.0 cm3/g，說明研究區測試井煤儲層在原始狀態下，煤層氣處于吸附狀態，孔隙中游離氣含量很少，可以認為煤儲層孔隙都是被地層水所填充，即煤儲層含水飽和度為100%。

圖5 煤巖含氣量與深度關系

圖6 測試井等溫吸附實驗測試

預測煤層含水量，需要考慮煤層中的全部水，包括結合水和液態水；結合水主要分布在孔隙直徑小于100 nm 的微小孔中，液態水主要分布在大于100 nm 的大孔和裂隙中[11]。核磁共振測井是一種可以準確測量包括微小孔和大孔在內的煤層總孔隙度的測井方法，總孔隙度為巖石樣品中所有孔隙空間體積與該巖樣總體積的比值。煤層的非均質性可以用孔隙度進行表征，隨著深度變化，孔隙度發生變化，核磁共振測井可以提供一條隨深度變化的連續的總孔隙度曲線。假設煤層厚度為Hm，按測井采樣點計數為0.125 m/點，則每個厚度為0.125 m的煤層單元其孔隙度均不同。本文研究區煤層孔隙里全部充填水，通過容積法可計算單位面積的煤層總含水量，見式(1)：

(1)

式中：Gm——單位面積的煤層總含水量，m3；

Hm——煤層厚度，m；

j——采樣點，無量綱；

A——煤層面積，設為1 m2；

Φj——第j個0.125 m厚度煤層總孔隙度， %。

2.2 煤巖頂底板巖層含水性識別及含水量預測

2.2.1 含水性識別

中子測井能夠測量地層對中子的減速能力，測量結果主要反映地層的含氫量。為了方便，在中子測井中把淡水的含氫量規定為一個單位，用它來衡量地層中所有其它巖石或礦物的含氫量。1 cm3的任何巖石或礦物中氫核數與同樣體積的淡水中氫核數的比值，稱為該巖石或礦物的含氫指數，用HI表示[16]。按此規定，淡水(純水)含氫指數為1，而任何其它物質的含氫指數將與其單位體積內的氫核數成正比，即：

(2)

式中：HI——含氫指數，無量綱；

K——比例常數，無量綱；

ρ——介質密度，g/cm3；

x——介質分子中的氫原子數，無量綱；

M——介質的分子量，無量綱。

補償中子孔隙度測井是在貼井壁的滑板上安裝同位素中子源和遠、近2個熱中子探測器，用遠、近探測器計數率比值來測量地層含氫指數的一種測井方法[17]，其測量的是地層中所有氫的含量響應，包括地層孔隙可動流體中氫的含量、束縛水中氫的含量以及巖石結晶水中氫的含量響應[18]。對于氣化煤巖頂底板儲層，考慮到儲層內可能含水含氣的特征，按體積模型計算儲層總含水孔隙度CN見式(3)和式(4)：

(4)

式中：CN——儲層總含水孔隙度， %；

Hma——巖石骨架含氫指數，無量綱；

φ——地層孔隙度， %；

Hw——儲層孔隙中水的含氫指數，無量綱；

Sw——孔隙中含水飽和度， %；

Hg——儲層孔隙中天然氣的含氫指數，無量綱；

φw——地層含水孔隙度， %。

假設儲層巖性很純，泥質含量很少，不考慮泥質的影響，儲層骨架含氫指數為零(Hma=0)，儲層中水的含氫指數接近于1(Hw≈1)，儲層中天然氣的含氫指數很小也近似于零(Hg≈0)，則式(3)結合式(4)可以變換為式(5)，即補償中子測井曲線測量數值約等于儲層總含水孔隙度。

(5)

對于泥巖而言，地層中主要是束縛水，補償中子測井測量的是束縛水孔隙度。自然伽馬測井能夠反映儲層泥質含量，理論上自然伽馬曲線數值高低與儲層泥質含量多少呈線性相關關系。因此選取與目標儲層相鄰近的純泥巖層作為標志層，讀取其補償中子測井曲線數值(CN泥巖)和自然伽馬測井曲線數值(GR泥巖)，依據表征泥質含量的自然伽馬曲線，通過線性關系計算，構建目標儲層束縛水孔隙度(CN束縛)，見式(6)：

(6)

式中：CN束縛——儲層束縛水孔隙度， %；

GR——儲層自然伽馬測井曲線數值，API；

GR泥巖——純泥巖層自然伽馬測井曲線數值，API；

CN泥巖——純泥巖層補償中子測井曲線數值， %。

儲層可動水孔隙度用CC表示，為儲層總含水孔隙度CN和儲層束縛水孔隙度CN束縛二者差值，見式(7)：

CC=CN-CN束縛

(7)

式中：CC——儲層可動水孔隙度， %。

通過計算，若CC>0，說明儲層中含有可動水，且數值越大可動水體積越大，由此進行儲層含水性識別。

2.2.2 含水量預測

評價煤巖頂底板儲層含水量，首先通過測井巖性及物性資料判別儲層有效性，對于無效儲層，微小孔中所含可動水量很少，不予考慮；對于有效儲層，重點考慮儲集于中大孔中的可動水，核磁共振測井可提供反映中大孔的有效孔隙度。同時需要考慮到儲層可能含氣或是含油，必須先準確計算儲層含水飽和度，方可準確預測儲層含水量。本文在研究區取煤巖頂底板巖樣20塊，以阿爾奇(Archie)公式為基礎，通過取芯樣品的巖電實驗測量，計算出頂底板儲層的含水飽和度。為了預測煤巖頂底板儲層含水量，利用容積法計算單位面積的儲層總含水量GC，見式(8)：

(8)

式中:Gc——單位面積的儲層總含水量，m3；

Hc——儲層厚度，m；

A——儲層面積，設為1 m2；

PORj——第j個0.125 m厚度儲層的有效孔隙度， %；

Swj——第j個0.125 m厚度儲層的含水飽和度， %。

3 應用實例

應用煤系地層含水性識別及含水量預測測井評價方法對研究區測試井進行評價，評價結果如圖7所示。

圖7 測試井煤系地層含水性識別及含水量預測測井評價成果

由圖7可見，第1列為地層深度；第2列為巖性測井曲線；第3列為電阻率測井曲線；第4列為孔隙度測井曲線；第5列為核磁共振測井標準T2譜，可以評價煤層及頂底板儲層孔隙結構；第6列為可動水孔隙度曲線，可以對頂底板砂巖進行含水性識別；第7列為煤層及頂底板含水量曲線，可以對含水量進行預測；第8列為巖性剖面；第9列為測井解釋結論。從第5列核磁共振標準T2譜可見，煤層三峰連續分布，第1個譜峰幅度較高，微孔所占比例較大，第2個譜峰和第3個譜峰幅度較低，中大孔所占比例雖然小于微孔，但也比較發育，與低階煤孔隙結構一致，可以判定研究區發育為低階煤。應用本文研究方法對煤層進行含水量預測，煤層單位面積內累積含水量約為22 m3；煤層底板發育一套砂巖，從核磁共振標準T2譜可知，該層基本呈單峰分布，譜峰靠后，孔隙結構好，以中大孔為主，孔隙內束縛流體少，以可動流體為主；應用本文研究方法對該層進行含水性識別，計算可動水孔隙度為5%～10%,結合巖性曲線、電阻率曲線及孔隙度曲線，認為煤層底板儲層為水層，單位面積內累積含水量約為17 m3。煤層頂板為大套厚泥巖分布，從核磁共振標準T2譜可知，泥巖譜峰靠左，基本以束縛流體為主，可動水很少。

4 結論

(1)通過煤巖核磁共振實驗數據分析，明確了變質程度較高的煤(高階煤)基本以微小孔隙為主；變質程度較低的煤(中階煤)微小孔減少，中孔比例增加；低階煤(褐煤、長焰煤、不黏煤、弱黏煤)微小孔更少，中大孔比例增加；研究區煤巖為低階煤典型特征，為煤炭地下氣化優勢煤巖。

(2)研究區煤巖頂板巖層孔隙基本呈微小孔分布，泥巖特征，不含可動水；煤巖底板孔隙結構好，束縛流體少，可動水含量高。

(3)利用實驗室煤芯等溫吸附實驗和含氣量測試結果綜合判定研究區煤巖煤層氣處于吸附狀態，孔隙中游離氣含量很少，認為煤儲層孔隙都是被地層水填充，通過容積法計算煤巖含水體積，預測煤巖含水量；利用補償中子測井測量原理，通過體積模型計算煤巖底板儲層可動水體積，可以較為準確判斷研究區煤巖底板含水性；利用實驗室巖石實驗確定巖電參數，準確求取底板巖層含水飽和度，通過容積法計算儲層含水體積，從而預測煤巖底板含水量。