楊克兵, 錢 錚, 孫守剛, 焦雙志 嚴(yán)德天

(中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

煤儲(chǔ)層參數(shù)測(cè)井定量計(jì)算方法探討

楊克兵, 錢 錚, 孫守剛, 焦雙志 嚴(yán)德天

煤層氣已進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段，但相關(guān)的煤儲(chǔ)層參數(shù)定量計(jì)算還有許多不足之處，達(dá)不到應(yīng)用效果。以試驗(yàn)分析資料為依據(jù)，提出了使用自然伽馬相對(duì)值計(jì)算煤巖組分、使用可變的煤巖骨架值計(jì)算孔隙度、使用電阻率校正方式進(jìn)行含氣量計(jì)算的煤儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算方法。研究結(jié)果表明，上述方法適合于應(yīng)用測(cè)井資料進(jìn)行逐點(diǎn)數(shù)字處理，提高了參數(shù)計(jì)算的精度，能夠滿足實(shí)際使用要求。

煤層氣；煤組分；孔隙度；含氣量；定量計(jì)算

煤儲(chǔ)層的重要參數(shù)有固定碳、灰分、揮發(fā)分、水分、孔隙度、滲透率、含氣量、鏡質(zhì)體反射率、有效厚度等，是研究煤層組分和評(píng)價(jià)煤層氣的地質(zhì)勘探、工業(yè)分析及有效開發(fā)的依據(jù)。上述參數(shù)一般由鉆井取芯后對(duì)煤層巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出，但隨著煤層氣區(qū)塊的規(guī)模開發(fā)，大量單井煤儲(chǔ)層參數(shù)的評(píng)價(jià)只能由測(cè)井資料進(jìn)行計(jì)算求取[1-2]。由于煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性及煤巖成份的復(fù)雜性與可變性，煤層低孔、低滲，微孔隙發(fā)育，而且煤巖骨架參數(shù)是變化的[3]。因此，應(yīng)用常規(guī)測(cè)井資料定量評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層參數(shù)有一定難度。經(jīng)過多年研究，人們提出了一系列進(jìn)行煤儲(chǔ)層參數(shù)半定量、定量評(píng)價(jià)的方法[4-6]，但煤儲(chǔ)層部分參數(shù)的計(jì)算結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中不盡人意。為此，筆者通過對(duì)山西沁水盆地鄭莊、樊莊區(qū)塊煤心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合測(cè)井響應(yīng)特征，在考慮煤巖骨架參數(shù)變化的基礎(chǔ)上，建立了一套煤儲(chǔ)層組分及孔隙度定量計(jì)算方法。此外，對(duì)含氣量的計(jì)算考慮了電阻率的影響，提出了依據(jù)電阻率對(duì)含氣量進(jìn)行校正的方法。

1 煤組分計(jì)算方法

煤巖組分劃分為固定碳、灰分、揮發(fā)分、水分，根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，煤巖組分固定碳、灰分相互間有較好的關(guān)系，其中灰分與固定碳之間相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)(R)都在0.9以上[4]。數(shù)據(jù)顯示(見圖1)，隨著灰分含量增加，固定碳含量降低，揮發(fā)分含量緩慢增大，而水分含量變化不大。灰分與固定碳+揮發(fā)分之間的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)接近1。因此，只要計(jì)算出灰分含量，其他組分含量都可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推出，這為測(cè)井計(jì)算煤巖組分含量提供了依據(jù)。

圖1 某區(qū)塊井煤層工業(yè)組分試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖

圖2 灰分含量與自然伽馬相對(duì)值關(guān)系圖

由于灰分含量與自然伽馬測(cè)井值具有較好的相關(guān)性，因此，根據(jù)自然伽瑪曲線通過回歸公式計(jì)算灰分含量，是當(dāng)前計(jì)算灰分含量的一種主要方法。由于不同區(qū)塊、不同煤階的煤巖計(jì)算公式有一定區(qū)別，因而應(yīng)對(duì)自然伽馬曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校正后才能應(yīng)用。為了能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)塊、不同煤階的計(jì)算公式進(jìn)行統(tǒng)一處理，可以通過采用自然伽馬相對(duì)值與灰分含量建立回歸關(guān)系的方法來解決這一問題(見圖2)。

表1所示為研究區(qū)塊某井的計(jì)算實(shí)例，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的誤差在3%以內(nèi)，能夠滿足使用要求。

表1 利用自然伽馬相對(duì)值計(jì)算煤巖組分與巖心試驗(yàn)分析組分對(duì)比

2 煤層孔隙度計(jì)算方法

煤層基質(zhì)孔隙度計(jì)算一般采用聲波時(shí)差的平均時(shí)間公式[5]：

Φ=(Δt-Δtma)/(Δtf-Δtma)

(1)

式中，Φ為煤層孔隙度；Δt為煤層聲波測(cè)井值，μs/m；Δtma為巖石骨架聲波時(shí)差，350～430μs/m；Δtf為流體聲波時(shí)差，620μs/m。

此外，還可由中子、密度公式等計(jì)算求取平均值作為煤儲(chǔ)層的孔隙度，上述計(jì)算公式都要遇到煤巖骨架值的確定問題。圖3是研究區(qū)塊煤巖巖心分析孔隙度與聲波時(shí)差交會(huì)圖，可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)性較差，其原因是煤巖骨架聲波時(shí)差是變化的。當(dāng)部分煤巖骨架聲波時(shí)差有變化時(shí)，影響了整體數(shù)據(jù)的相關(guān)性。在逐點(diǎn)處理的實(shí)際計(jì)算中，可能煤巖每點(diǎn)的骨架時(shí)差都是有變化的。一個(gè)層采用固定的骨架值，無疑使孔隙度的計(jì)算產(chǎn)生了較大的誤差。因此，準(zhǔn)確確定煤巖骨架值，是用常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算煤儲(chǔ)層孔隙度的關(guān)鍵。

圖3 煤巖孔隙度與測(cè)井聲波時(shí)差關(guān)系圖 圖4 煤巖骨架聲波時(shí)差與密度測(cè)井值關(guān)系圖

根據(jù)聲波公式并使用巖心分析資料反算煤巖骨架聲波時(shí)差，再與其他測(cè)井曲線中子、密度等建立回歸關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其與煤巖的密度測(cè)井值有較好的相關(guān)性(見圖4)。因此，計(jì)算孔隙度時(shí)先采用煤巖密度測(cè)井值計(jì)算煤巖骨架密度，再用上述公式計(jì)算煤巖孔隙度可取得較好效果(見表2)。從表2可以看出，計(jì)算的孔隙度誤差在2%以內(nèi)，可以滿足測(cè)井計(jì)算孔隙度的誤差要求，這樣在沒有試驗(yàn)分析資料的地區(qū)，通過煤巖測(cè)井計(jì)算孔隙度具有可操作性。

表2 利用密度聲波時(shí)差綜合計(jì)算孔隙度與巖心試驗(yàn)分析孔隙度對(duì)比表

3 含氣量計(jì)算方法

煤層氣在煤儲(chǔ)層內(nèi)的賦存狀態(tài)以吸附氣為主，加上割理裂縫系統(tǒng)少量游離氣。因此，含氣量是指吸附氣含氣量，對(duì)于一般封堵性好的煤層而言含氣量是飽滿的。由于需要評(píng)價(jià)的是煤儲(chǔ)層吸附氣，實(shí)際上是評(píng)價(jià)飽含氣煤儲(chǔ)層的含氣量。對(duì)測(cè)井曲線而言，識(shí)別煤層很容易，但煤巖含氣量的變化并沒有引起測(cè)井曲線明顯的反映，相關(guān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)吸附氣的反映較弱。由此可知，要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)計(jì)算煤儲(chǔ)層含氣量，首先要能評(píng)價(jià)煤層飽含氣時(shí)的含氣量，其次依據(jù)煤儲(chǔ)層的保存情況進(jìn)行適當(dāng)校正。根據(jù)單井的資料情況，發(fā)現(xiàn)巖心測(cè)量含氣量低的煤儲(chǔ)層電阻率曲線明顯降低，其主要原因是煤層水洗導(dǎo)致含氣量降低，故在電阻率曲線上有所反映。但煤儲(chǔ)層電阻率的變化范圍較大，約(10～20000)Ω·m，采用類似含水飽和度的計(jì)算方法來計(jì)算含氣飽和度，相關(guān)參數(shù)難以確定，因而可以考慮引入電阻率數(shù)據(jù)對(duì)含氣量進(jìn)行校正。

依據(jù)前人研究成果，煤層含氣量與煤層的厚度、煤的熱演化程度、煤層深度、溫度和壓力等參數(shù)有密切的關(guān)系[6]。由于煤的內(nèi)表面積大，儲(chǔ)氣能力高，煤層比相同體積的常規(guī)砂巖多儲(chǔ)1～2倍以上的天然氣，相當(dāng)于孔隙度為30%的砂巖含水飽和度為零時(shí)的儲(chǔ)氣能力[1]。據(jù)此應(yīng)用氣體狀態(tài)方程和煤層密度計(jì)算包含氣層煤儲(chǔ)層含氣量：

P1V1=RT1P2V2=RT2

則：

V1=T1P2V2/ (P1T2)Q=V1/DEN

式中，P1為地面壓力，MPa；V1為地面氣體體積，m3；T1為地面絕對(duì)溫度，℃；P2為地下深度壓力，MPa；V2為煤孔隙度按30%計(jì)算的氣體體積，m3；T2為地下深度的絕對(duì)溫度，℃；R為氣體常數(shù)；DEN為煤體積密度，t/m3；Q為煤層含氣量，m3/t。

利用上述計(jì)算式對(duì)晉試1井煤層的含氣量進(jìn)行計(jì)算，其中3號(hào)煤層計(jì)算平均含氣量為21.71m3/t，該層有6塊巖心提供試驗(yàn)測(cè)定含氣量在12.1～27.2m3/t之間，平均為22.07m3/t，說明計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)定值的誤差較小。此外，由于煤層含氣量變化與煤層電阻率的大小有關(guān)，因而對(duì)上述公式計(jì)算結(jié)果應(yīng)根據(jù)煤儲(chǔ)層電阻率的變化進(jìn)行校正，從而取得更好的效果。根據(jù)該研究區(qū)塊的試驗(yàn)分析資料，采用如下校正公式：

Q=aV1/DEN

式中，a為校正系數(shù)，通過計(jì)算V1/DEN與log(Rt)和試驗(yàn)測(cè)定的含氣量回歸確定。

表3所示為某井計(jì)算含氣量與巖心試驗(yàn)分析含氣量對(duì)比表。從表3可以看出，計(jì)算含氣量隨電阻率變化，與試驗(yàn)測(cè)定值匹配較好，絕對(duì)誤差一般控制在3%以內(nèi)，最大不超過4.26%，能滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié) 論

1)在使用自然伽馬相對(duì)值進(jìn)行回歸的情況下，計(jì)算的煤巖組分參數(shù)與巖心分析資料吻合較好，具有實(shí)際推廣使用價(jià)值，對(duì)今后該類參數(shù)的求取提供了一條較好的解決辦法。

表3 某井巖心試驗(yàn)分析含氣量與計(jì)算含氣量對(duì)比

注：RLL8為八側(cè)向電阻率；RILM為中感應(yīng)電阻率；RILD為深感應(yīng)電阻率；GR為自然伽馬；DEN為地層密度；AC為聲波時(shí)差；CNL為補(bǔ)償中子孔隙度。

2)采用密度測(cè)井資料計(jì)算煤巖的骨架聲波，再用聲波公式計(jì)算煤巖孔隙度，使得煤巖孔隙度的計(jì)算精度大大提高。

3)對(duì)含氣量的計(jì)算應(yīng)綜合考慮煤巖埋深、物性、密度等參數(shù)的變化，并結(jié)合電阻率參數(shù)來進(jìn)行逐點(diǎn)數(shù)字處理，最終可提高測(cè)井資料計(jì)算含氣量參數(shù)的精度。

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[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.016

P631.8

A

1673-1409(2012)06-N048-03