深層中低煤階儲層煤層氣含量測井計算方法

摘" "要：深層中低煤階煤層氣作為目前的勘探熱點，相應研究技術亟需突破，以往煤層氣的研究方法均基于淺層建立，無法評價深層煤巖含氣性特征。通過巖心實驗及試氣分析，發現深層煤巖具孔隙結構特征好、吸附氣和游離氣共存等特征。含氣飽和度評價對深層煤巖研究至關重要，發現擬合的水層和吸附氣層阻抗可很好解決氣層定性識別和定量計算。對吸附氣含氣飽和度計算考慮了蘭氏體積和蘭氏壓力溫度校正，并在兩個模型中加入含氣飽和度及變骨架孔隙度參數，使吸附氣和游離氣的計算更加準確，為中低煤階煤巖深層勘探提供測井技術支撐。

關鍵詞：深層煤巖；測井解釋評價；游離氣及吸附氣；含氣飽和度

美國在中、低煤階儲層的勘探開發較早，并取得了商業上的成功[1]。我國中、低煤階儲層非常發育，中煤階儲層以鄂爾多斯地區為代表，低煤階儲層則主要發育在西北地區[2]。中、低煤階儲層形成于侏羅紀、白堊紀、古近紀、新近紀等成煤期，中、低煤階儲層發育于準噶爾、塔里木、吐哈、鄂爾多斯等大型內陸盆地[3-5]。近幾年國內的煤層氣研究逐漸由淺層轉向深層，從鄂爾多斯的中煤階儲層轉向多個盆地的中、低煤階儲層，深層中、低煤階儲層有望成為我國煤層氣的下一個勘探開發新領域。

常規煤層氣為吸附氣，排水降壓時間長，見氣慢[6]。相比中淺層，在深層高溫條件下，煤層氣會脫離吸附狀態，向游離狀態轉變。在鄂爾多斯盆地東緣和準噶爾盆地南緣齊古、東部白家海地區，2 000 m以深井試氣，小型壓裂投產后，見氣快、迅速高產，其特征與頁巖氣產出規律類似，說明深層煤層氣存在游離氣，與中淺層占大比例的吸附氣不同。據預測全國2 000 m以深的煤層氣資源量約40×1012 m3，分析認為深部煤層氣產量對于深層煤巖儲層經濟產能至關重要，對開辟天然氣勘探開發新局面具有十分重大的意義。

針對煤巖儲層含氣性的識別與定量計算等研究，傅雪海等對比分析了我國煤層含氣量測試方法[7]，依據地質條件合理選擇煤層含氣量預測方法。陳濤等構建MIV-PSO-LSSVM模型進行煤層氣含量預測[8]。孫云川利用自然伽馬、體積密度和聲波時差構建含氣量與綜合因子K的相關分析模型[9]，預測煤層氣含量。降文萍等提出了利用煤密度實驗結果計算孔隙率的游離氣含量計算方法[10]，解決了目前游離氣含量難以準確獲取的問題。劉愛華等基于馬略特定律[11]，由吸附氣、水溶氣及游離氣含量計算褐煤含氣量。葛祥等對蘭氏方程加以改進[12]，建立基于常規測井資料的煤巖吸附氣含量的動態吸附計算模型。王越等利用統計回歸的方法[13]，建立趙莊區塊煤層氣井測井解釋含氣量模型。由于深層溫、壓條件的影響及含氣飽和度的差異，前述的煤層氣含氣量測井計算模型難以合理計算深部煤層氣含量，需建立深部煤巖吸附氣和游離氣含量計算模型，為下一步深部煤層氣勘探井位部署研究提供測井技術支撐。

本文在分析深層煤巖含氣性受溫度影響特征基礎上，對Langmuir方程中的蘭氏體積和蘭氏壓力參數進行溫度校正，同時考慮了含氣飽和度對于煤巖含氣量精準評價的重要性，建立了基于擬合氣層聲阻抗和水層聲阻抗下限值的飽和度計算方法，使吸附氣和游離氣的計算更加準確，計算結果與深層試氣結論吻合較好，證明該評價方法有利于深層煤巖潛力評價及試氣選層。

1" 研究區概況

研究區位于白家海-五彩灣地區，在一級構造分區上屬準噶爾盆地中央坳陷區。北依克拉美麗山，東部以沙西斷裂為界（圖1）。白家海-五彩灣地區在海西期構造形態基本定型。中—下侏羅統沉積時，區內構造穩定，地層分布穩定。燕山運動，白家海凸起NE向大幅抬升，遭受剝蝕。主要聚煤期為侏羅系八道灣組和西山窯組沉積時期，八道灣組底部為一套沖積扇相厚層灰綠色礫巖和含礫粗砂巖，向上過渡為河湖相褐黃色粉砂巖與深灰色泥巖，發育2～3層煤層，整體上構成兩粗-細的沉積旋回；西山窯組厚度70～390 m，多為100～150 m，總體呈由北向南、由盆地邊緣向中心增厚的特征。巖性主要由灰、深灰、灰黑色泥巖、粉砂巖、砂巖和砂礫巖及煤層組成。西山窯組為頂底泥巖型，煤層夾于泥巖之間且煤層之上泥巖分布廣，對煤巖構成區域性蓋層，封蓋保存條件好，有利于煤層氣聚集成藏。八道灣組儲蓋組合類型多樣。煤層埋深大于1 500 m，以中低煤階為主[14]。

2" 中低煤階深部煤層儲集空間類型

在煤巖演化過程中，中低煤階變質程度較低，產生大量原生結構孔隙，煤巖結構疏松且含大量羥基和羧基官能團，孔隙度相對較大，同一地區煤巖孔隙度分布存在變化區間。分析認為，中低煤階煤系地層沉積環境一般存在較大變化，由于演化程度較低，環境對其影響較大，因此孔隙度變化區間較大[15]。如準噶爾盆地八道灣組煤層發育時間從早期到晚期，沉積環境為沼澤到濱湖和沼澤環境；湖濱三角洲平原等沼澤微環境中形成早期西山窯組煤巖，三角洲分流河道及河道間沼澤主要形成晚期西山窯組煤層，較大的環境變化影響了中低煤階的孔隙度分布區間。而高煤階則不同，由于熱演化程度高，對孔隙度影響較大，在溫度或埋深變化不大的情況下，孔隙度區間變化較小[16]。

中低階煤儲層是由原生孔隙、節理裂隙組成的雙重孔隙系統。煤儲層流體包含吸附態、游離態煤層氣及其可動水、吸附水[15]。煤層氣的儲存及流動均與儲層孔隙結構、縫網特征息息相關。煤巖微孔隙為吸附氣的吸附提供較大的比表面積，游離氣則儲存于原生孔隙及節理裂隙空間內。

對煤巖儲集空間運用電子顯微鏡及鑄體觀察，準噶爾盆地西山窯組深度在2 000 m以深，屬中低煤階，鏡質組含量平均52.9%，特低灰、低水、低揮發分氣煤，孔隙主要為組織孔、有機質孔、割理、裂縫、礦物晶間孔等（圖2）。

在中低階煤中、大孔所占比例大，T2譜雙峰特征明顯，西山窯組煤核磁實驗測試顯示中孔、大孔占33.3%～56.6%，微孔、小孔占43.4%～66.6%。中低階煤的孔隙為吸附氣、游離氣的存在提供了有利的孔隙空間（圖3）。

3" 深層煤的含氣影響因素

從圖4-a可看出，溫度越高，吸附氣含量越低。分別在76 ℃、96 ℃和106 ℃測試不同壓力煤巖吸附氣含量：同一溫度下隨壓力升高，吸附氣量整體有增大趨勢；壓力為15 MPa以下時，隨壓力增高，吸附氣量增加明顯；壓力大于15 MPa時，隨壓力的增加，吸附氣量緩慢增加或不變（圖4-b）。

研究區深度范圍為2 000～3 000 m，溫度變化范圍約67 ℃～93 ℃，壓力變化范圍約16～29 MPa，據實驗數據，煤含氣量變化為2～3 m3/t，實驗室與地層實際溫度有所差異，淺層煤巖壓力吸附效應大于溫度解吸效應，吸附氣占優勢；深層煤巖溫度解吸效應超過壓力的吸附效應，吸附氣和游離氣并重[17]。因此，必須考慮溫度、壓力對于深部煤層氣含氣量計算的影響。

4" 深層煤含氣量計算

前人多通過分析含氣量高低開展煤層氣富集規律研究[18]，含氣量計算方法多不考慮含氣飽和度，認為儲層中大孔和縫隙中為可動水，含氣量只考慮表面吸附，該方法計算深部煤層氣，導致噸煤含氣量計算過小，原因是未考慮大孔縫中的游離氣，無法很好地反映煤層氣的富集程度。

煤層氣含氣飽和度是一定溫、壓條件下，實測含氣量與理論飽和吸附量之比[19]。即，含氣飽和度=實測含氣量/飽和吸附量。式中，實測含氣量通過在保壓取心基礎上解吸實驗測得，理論飽和吸附量是在等溫吸附實驗基礎上獲得。不同于常規碎屑巖儲層飽和度的計算方法，測井上需要構建新的方法實現煤巖含氣飽和度的計算。

4.1" 含氣飽和度的定量計算

從圖5-a可看出，含煤層氣井段難以區分氣層、含氣層、含氣水層，因煤層不導電，受其流體性質的影響不大；從圖5-b可看出，煤層氣含量越高，聲阻抗測井值越高，而密度值反映含煤層氣井段分布較寬。認為聲阻抗測井值對于儲層含氣較為敏感，可通過構建能夠反映含氣性的聲阻抗背景值來判別煤巖儲層的含氣性。選取研究區典型氣井作為標定井，采用多元回歸法，優選煤層氣敏感曲線，建立飽含氣煤巖聲阻抗重構模型。

煤巖儲層完全含水時聲阻抗作為背景值，即為含氣性儲層下限值，將實測聲阻抗與其疊加對比，可反應儲層含氣性程度，對于識別煤巖含氣性效果較好。建立聲阻抗曲線與其他敏感測井曲線的關系模型：

[Z水層=100 000*DEN0.078 6×CNL-45.517 7×DEN+187.77] （1）

式（1）中：[Z水層]為擬合聲阻抗；DEN、CNL為測井值。將[Z水層]作為儲層聲阻抗背景值（含氣下限值）。

據試氣井及實驗確定只含吸附氣，不含游離氣的煤巖儲層，將其100%吸附氣飽和度的測井聲阻抗值作為吸附氣上限值，構建吸附氣儲層聲阻抗與其他敏感測井曲線的關系模型：

[Z吸附氣層=" " 100 000*DEN0.591 1×CNL-40.256 2×DEN+163.553 3] （2）

式（2）中：[Z吸附氣層]為擬合聲阻抗，將[Z吸附氣層]作為儲層聲阻抗背景值（吸附氣上限值）。

將實際聲阻抗測量值與不含煤層氣層段計算聲阻抗下限參考值、只含吸附氣（飽和度100%）計算聲阻抗上限參考值進行對比，依據三者關系可判斷煤巖儲層的含氣性。A試氣井段為2 682～2 688 m（圖6），實測聲阻抗上部接近于上限，下部位于上限與下限之間，明顯有水，試油日產氣1 400 m3，日產水26 m3，與試油結論相符。

據實測聲阻抗與兩個計算界限聲阻抗的關系能夠定性判別煤層氣，同時結合試油結論，認為實測聲阻抗與重構聲阻抗差的比值能夠反映含氣飽和度，公式定義為：

[Sg=Z-Z水層Z吸附氣層-Z水層×100] （3）

式（3）中：[Sg]為含氣飽和度（%）；[Z]為實測聲阻抗（pa·s·m-3）。

試氣中只產水不產氣對應含氣飽和度為0%，只產氣（實驗分析以吸附氣為主，含氣飽和度為100%），不產水對應含氣飽和度為100%。若該比值為100%，則煤巖儲層以吸附氣為主，且不產水；大于100%，則煤巖儲層不僅有吸附氣且含游離氣，屬過飽和煤巖儲層（圖7）。

4.2" 吸附氣計算方法

目前最常用的吸附氣計算方法為Langmuir方程，其基于等溫吸附實驗測得壓力和體積常數，變量表征吸附氣量與地層壓力變化關系，方程形式基于某一溫度下吸附實驗所測各煤樣Langmuir常數，計算地層壓力下吸附氣量，由于深層煤巖溫度變化大，且實驗溫度與地層溫度有所差異，若計算不同溫度下的吸附量，需對蘭氏體積和蘭氏壓力進行溫度校正。蘭氏體積隨溫度升高而降低，而蘭氏壓力則升高（圖8）。基于煤巖等溫吸附實驗（溫度76 ℃，壓力變化范圍0～28 MPa），建立蘭氏體積、蘭氏壓力與常規測井曲線相關模型，基于實驗溫度變換量（實驗溫度取76 ℃、100 ℃、120 ℃），建立蘭氏體積與蘭氏壓力的溫度校正模型（圖7），以下為吸附氣的計算公式：

[Vxg=VL*×PP+PL*×Sxg ] （4）

式中：[Vxg]為煤層吸附氣量（cm3/g）；P為地層壓力（MPa）；[Sxg]為吸附氣含氣飽和度，取值為當[Sg]大于等于100時，[Sxg=100]，當[Sg]小于100時，[Sxg=Sg]（%）；[V*L]、[P*L]分別為校正后的蘭氏體積和蘭氏壓力，計算式分別如下：

[VL*=VL（0.99-0.003 5（Tf-Tl））] （5）

[PL*=PL（0.98+0.012 1（Tf-Tl））] （6）

式（5）、（6）中：[Tf]、[Tl]分別為地層和實驗室溫度，℃；[VL]、[PL]分別為蘭氏壓力cm3/g，蘭氏體積，MPa，計算公式如下：

[VL=0.268×AC-23.01] （7）

[PL=16.52×DEN-18.11] （8）

4.3" 游離氣計算方法及總含氣量

利用斯氏模型計算游離氣含量，由于深部煤層氣含游離氣，在原模型基礎上引入游離氣飽和度參數，同時煤巖非均質性強，不同深度煤巖組分變化大，孔隙度使用變骨架孔隙度，提高深部煤層氣游離氣部分的計算精度，更能反映煤層氣勘探開發潛力。游離氣計算公式如下：

[Vyg=?b×Sygρ×Bg] （9）

[?b=ρ-ρmbρf-ρmb] （10）

[ρmb=VAad×ρAad+VFC×ρFC+VVda×ρVda] （11）

[Syg=Sg-Sxg] （12）

[Bg=P0ZT/PZscT0[1]] （13）

式（9）、（10）、（11）、（12）、（13）中：[Vyg]為游離氣含量（m3/t）；[?b]為變骨架孔隙度（%）；[ρ、ρf、ρmb]分別為測井密度、流體密度、變骨架密度（g/cm3）；[ρAad、ρFC、][ρVda]分別為灰分、固定碳、揮發分骨架密度（g/cm3）；[VAad、VFC、VVda]分別為灰分、固定碳、揮發分體積含量（%）；[Syg]為游離氣含氣飽和度（%）；[ρ]為煤巖測量密度（t/m3）；[Bg]為煤層氣體積系數；[Z]、[Zsc]分別為煤層氣壓縮系數，標準狀況下的煤層氣壓縮系數，無量綱；[T]、[P]分別為地層溫度（K），地層壓力（MPa）；[T0]、[P0]分別為標準狀態下的絕對溫度（K）、壓力（kMPa）。

[Vg=Vxg+Vyg] （14）

式（14）中：[Vg]為煤層總含氣量（cm3/g）。

5" 實例分析

為了驗證方法可靠性，以研究區B井為例，進行分析驗證（圖9）。其中第8道煤巖工業組分剖面，第9道為重構聲阻抗與實測聲阻抗疊合，第10道為孔隙度和含氣飽和度，第11道為吸附氣含量，第12道為游離氣含量，第13道為總含氣量。該井段煤厚16 m，頂底板為泥巖，封蓋性好，對2 567～2 583 m井段進行小型壓裂后，日產煤層氣穩定在7 300 m3，試產128天，日產量6 000～2 120 m3。從測井解釋來看，測試段含氣飽和度高，超過100%，其中，吸附氣含量平均為8 m3/t，游離氣含量平均14 m3/t，總含氣量平均為22 m3/t，特別是煤巖頂部游離氣含量高，符合“投產即見氣，見氣即高產”的生產特征，證明深層煤層氣含一定比例游離氣。

6" 結論

（1） 中低階煤儲層是由原生孔隙、節理裂隙組成的雙重孔隙系統。煤層氣的儲存及流動均與儲層孔隙結構、縫網特征息息相關。煤巖微細孔隙為吸附氣的吸附提供較大的比表面積，游離氣則儲存在原生孔隙及節理裂隙空間內。

（2） 基于擬合水層和吸附氣層的聲阻抗界限值，與實測聲阻抗進行對比能夠定性識別儲層的含氣性，建立實測聲阻抗與重構聲阻抗差比的含氣飽和度計算方法，使含氣飽和度計算行之有效。

（3） 深層煤巖的蘭氏體積和蘭氏壓力受溫度影響，溫度越高吸附氣量越低，在同一溫度下隨壓力升高，吸附氣量整體有增大趨勢，對Langmuir方程中的蘭氏體積和蘭氏壓力參數進行基于溫度變化的校正，游離氣和吸附氣的計算模型考慮了其相應的含氣飽和度和變骨架孔隙度參數，使含氣量的計算更加準確。

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Logging Calculation Method for Coalbed Methane Content Medium and

Low Rank Coal Reservoirs in Deep

Chen Guojun， Li Junhong， Zhang Wenqian， Gao Ming， Zhang Fan， Zhang Xiao， Zhang Jin

（Geophycial Research Institute of Research Institute of Exploration and Development of

Xinjiang Oilfield Company，Urumqi，Xinjiang，830013，China）

Abstract： In deep， medium and low rank coalbed methane have become current exploration hotspots， and corresponding research technologies urgently need breakthroughs However， in the past， research on coalbed methane has been based on shallow methods， which cannot evaluate the gas bearing characteristics of deep coal formations. Through core experiments and gas testing analysis， it was found that the pore structure characteristics of deep coal rocks are good， with both adsorbed and free gas. The evaluation of gas saturation is crucial for deep coal rocks. It was found that fitting the impedance of water layers and adsorbed gas layers can effectively solve the qualitative identification of gas layers and the calculation. The calculation of adsorbed gas takes into account the correction of Lambert volume and Lambert pressure temperature， and adds gas saturation and variable skeleton porosity parameters to both models， making the calculation of adsorbed gas and free gas more accurate. This study provides logging technology support for deep exploration of medium and low rank coal and rock formations.

Key words： Deep coal rock; Logging interpretation and evaluation; Free gas and adsorbed gas; Gas saturation