邵先杰，孫玉波，孫景民，湯達(dá)禎，胥昊，董新秀，呂玉民

（1. 燕山大學(xué)石油工程系；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院；3. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京））

0 引言

20世紀(jì)80年代，隨著煤田數(shù)字測井技術(shù)的發(fā)展，煤田地質(zhì)測井及解釋技術(shù)不斷完善，其對煤層厚度、煤質(zhì)的評價日趨完善，基本可滿足煤礦開采的需求。但隨著近10多年來國內(nèi)外對煤層氣的開發(fā)，對煤儲集層的測井解釋精度要求越來越高，指標(biāo)數(shù)量也越來越多，原先為煤層開采建立的測井解釋系統(tǒng)和方法已不能滿足煤層氣開發(fā)的需要[1]。

韓城地區(qū)主要發(fā)育石炭-二疊系煤層，主要含煤層位為3#、5#、11#3個煤層，埋藏深度一般400～1 000 m，單層厚度1.5～10.0 m，地層壓力系數(shù)0.6～0.8，孔隙度 1.5%～8.0%，滲透率 0.01×10?3～2.50×10?3μm2，含氣量3.51～14.13 m3/t。以瘦煤、貧煤為主，部分為焦煤，主要特點是低壓、低滲、高含氣。截至2011年底，韓城地區(qū)已有各類生產(chǎn)井近千口，是中國煤層氣開發(fā)規(guī)模較大、生產(chǎn)時間較長、資料最豐富的地區(qū)之一[2]，為開展煤儲集層綜合研究奠定了基礎(chǔ)。

1 煤巖參數(shù)測井解釋原理

目前國內(nèi)外應(yīng)用于煤的測井解釋方法基本上沿用了砂巖儲集層的測井解釋方法，即把煤儲集層看作由固定碳、揮發(fā)分、灰分（包括泥質(zhì)和其他礦物）、水分（孔隙中充滿的水）4部分組成，根據(jù)各組分對補償密度、補償中子、聲波速度的貢獻(xiàn)，建立響應(yīng)方程[3]，求出煤巖參數(shù)，然后利用煤巖參數(shù)與含氣量之間的關(guān)系，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或其他方法求出煤層氣含氣量[4]。由于揮發(fā)分的物理參數(shù)不易得到，故把揮發(fā)分與固定碳合并為一種組分進(jìn)行計算，但是固定碳和揮發(fā)分的物理參數(shù)對測井響應(yīng)差別非常大，合并為一種組分求出的煤巖工業(yè)組分有很大誤差；同時，對固定碳、灰分的物理參數(shù)測試存在一定困難，故采用的也是近似估算值；建立模型時忽略了甲烷組分?；谏鲜鲈?，求出的煤層氣含氣量誤差很大。筆者通過對韓城礦區(qū)大量煤樣密度和聲波速度參數(shù)的測定，采用枚舉法準(zhǔn)確標(biāo)定固定碳、灰分、揮發(fā)分的密度和聲波速度值；研究煤巖工業(yè)組分之間的關(guān)系及其對補償密度、聲波時差測井響應(yīng)，建立煤儲集層工業(yè)組分、孔隙度和含氣量解釋模型；編制測井解釋軟件，并通過實際生產(chǎn)檢驗效果。

2 煤巖實驗及工業(yè)組分物理參數(shù)標(biāo)定

按照《煤的工業(yè)分析方法》[5]、《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》[6]和《巖石聲波特性的實驗室測定》[7]等國家標(biāo)準(zhǔn)提供的技術(shù)方法，筆者分別測定了韓城礦區(qū)煤巖的工業(yè)組分、含氣量、密度、孔隙度和聲波速度參數(shù)。由于煤巖易碎，制樣比較困難，因此本實驗共采樣165塊，成功樣品90塊，成功率54.5%，其中各項參數(shù)齊全的樣品28個（見表1）。測試結(jié)果表明：煤層的灰分含量為5.91%～75.25%，平均為21.87%；固定碳含量為14.44%～81.45%，平均為64.57%；揮發(fā)分含量為8.75%～20.27%，平均為12.98%；干燥基總含氣量為1.12～16.91 m3/t，平均為8.34 m3/t；密度為1.40～1.80 g/cm3，平均為 1.54 g/cm3；聲波速度為2 182.94～2 759.35 m/s，平均為2 367.67 m/s（為了模擬地下實際情況，聲波速度在煤巖飽含水條件下測定）。

測井上常用的“巖石體積模型”是根據(jù)巖石的組成，按其物理性質(zhì)的差異，把單位體積巖石劃分成幾個部分[8-9]，然后研究每一部分對宏觀巖石響應(yīng)物理量的貢獻(xiàn)，并把巖石的宏觀物理量響應(yīng)看成是各部分貢獻(xiàn)之和[10-11]。

煤巖工業(yè)組分中的揮發(fā)分是煤樣在隔絕空氣的條件下，加熱到900±10 ℃時揮發(fā)掉的部分，用實驗方法不可能直接測出揮發(fā)分的密度、聲波速度等物理參數(shù)?；曳?、固定碳的聲波速度直接測定也存在很大困難和誤差，因為得到的灰分和固定碳再制作成測量聲波速度的樣品時就會改變其結(jié)構(gòu)，影響測試結(jié)果[12]。

雖然煤巖各工業(yè)組分的物理參數(shù)不能直接測試得到[13]，但在長期實踐中摸索出了依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，采用枚舉法間接計算煤巖工業(yè)組分物理參數(shù)的方法，實踐證明結(jié)果能夠滿足煤儲集層參數(shù)解釋的精度要求。

假定干燥煤巖樣品的密度為灰分、固定碳、揮發(fā)分和水分（內(nèi)在水）各組分貢獻(xiàn)之和，即：

依據(jù)表 1中的數(shù)據(jù)采用枚舉法標(biāo)定結(jié)果為：灰分密度為2.47 g/cm3，固定碳密度為1.39 g/cm3，揮發(fā)分密度1.05 g/cm3，所有樣品的平均相對誤差為2.0%，精度較高。

表1 韓城地區(qū)煤儲集層實驗數(shù)據(jù)表

同樣，假定煤巖樣品的聲波速度等于灰分、固定碳、揮發(fā)分、水分（內(nèi)在水）和孔隙水各組分貢獻(xiàn)之和（聲波速度實驗時，孔隙中飽含水，此時工業(yè)組分的百分含量要與孔隙水和內(nèi)在水一起重新?lián)Q算，使之總和為100%），即：

依據(jù)表 1中的數(shù)據(jù)采用枚舉法標(biāo)定結(jié)果為：灰分聲波速度為3 480 m/s，固定碳聲波速度為2 310 m/s，揮發(fā)分聲波速度為1 770 m/s，所有樣品的平均相對誤差為 3.9%。由此可知，3者的測井聲波時差分別為287.36 μs/m、432.90 μs/m 和 564.97 μs/m。

根據(jù)表 1實驗結(jié)果擬合煤巖密度與固定碳、灰分含量關(guān)系，結(jié)果顯示（見圖 1、圖 2），煤巖密度與灰分含量呈正相關(guān)，與固定碳含量呈負(fù)相關(guān)。由于固定碳疏松多孔，密度低，煤巖的聲波速度與固定碳含量呈負(fù)相關(guān)（見圖3），與灰分含量呈正相關(guān)（見圖4）。

圖1 煤巖密度與灰分含量關(guān)系圖

圖2 煤巖密度與固定碳含量關(guān)系圖

3 煤巖工業(yè)組分的測井響應(yīng)

韓城礦區(qū)目前主要進(jìn)行了補償密度、補償聲波、補償中子、深淺側(cè)向、自然電位、自然伽馬、井徑等測井，上述測井系列在一定程度上能夠反映巖性、煤巖性質(zhì)、孔隙度、含氣狀況，也可以用于間接估算滲透率[14]。

圖3 煤巖聲波速度與固定碳含量關(guān)系圖

圖4 煤巖聲波速度與灰分含量關(guān)系圖

煤層相對于圍巖測井曲線特征差異較大，測井曲線突出表現(xiàn)為：密度低、自然伽馬低、自然電位負(fù)異常、聲波時差大、補償中子孔隙度高、電阻率高，即具有“三高三低”特點。結(jié)合煤層擴(kuò)徑率較高的特點，通?？刹捎萌斯そ忉尩姆椒▌澐置簩?，或采用模式識別方法自動劃分煤層、識別巖性。

通過對12口井90個樣品的準(zhǔn)確歸位，統(tǒng)計了各樣品層段的補償密度、補償聲波時差測井值?？紤]到樣品歸位時可能存在誤差，對于測井曲線跳躍比較大的層段取鄰近幾個樣品的平均值作為樣品的測井響應(yīng)值。

密度測井可以定量解釋不同巖層的密度。由于不同煤層的組分不同，密度存在差異，密度測井曲線上的響應(yīng)也存在一定差異。根據(jù)取心井資料統(tǒng)計了灰分含量、固定碳含量與補償密度測井參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明：隨著灰分含量增加、固定碳含量降低，補償密度測井值增大（見圖 5、圖 6）。同時，工業(yè)組分含量與聲波測井值之間也存在一定關(guān)系：隨著灰分含量降低、固定碳含量增加，補償聲波時差測井值增大（見圖 7、圖 8）。煤儲集層工業(yè)組分與測井響應(yīng)之間的良好關(guān)系為建立測井解釋模型奠定了基礎(chǔ)。

4 煤儲集層工業(yè)組分、孔隙度、含氣量測井解釋模型

圖5 補償密度測井與灰分含量關(guān)系圖

圖6 補償密度測井與固定碳含量關(guān)系圖

圖7 補償聲波時差測井與灰分含量關(guān)系圖

圖8 補償聲波時差測井與固定碳含量關(guān)系圖

前已述及，隨著灰分含量的增加，煤巖補償密度測井值增大、補償聲波時差值降低；相反，隨著固定碳含量的增加，補償密度測井值降低、補償聲波時差測井值增加。上述關(guān)系都存在較好的相關(guān)性，因此，可以以這兩種測井曲線為基本參數(shù)，依據(jù)實驗樣品對測井的響應(yīng)關(guān)系，通過多元回歸分析，分別建立灰分和固定碳含量的測井解釋模型。

灰分含量多元回歸模型為：Sad=?6.480 3?0.099 9 Δt+45.396 7ρDEN，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.924 3；固定碳含量多元回歸模型：lnSfcd=?31.245 0 + 11.204 7 lnΔt + 1.846 1 lnρDEN?0.886 8(lnΔt)2?3.425(lnρDEN)2，復(fù)相關(guān)系數(shù) R=0.954 2。

根據(jù)測井學(xué)上常用的體積模型法[15]，把煤儲集層看作是由固定碳、灰分、揮發(fā)分、內(nèi)在水、孔隙水和吸附甲烷等 6部分構(gòu)成，依據(jù)補償密度測井和聲波時差測井可以列出如下方程組：

上述方程組中，Sfcd、Sad已求出，內(nèi)在水含量Smad一般小于1%，韓城地區(qū)平均為0.65%，可忽略不計，甲烷在地下呈凝聚態(tài)（或液態(tài)）吸附在基質(zhì)顆粒表面，其密度ρg取 0.375 g/cm3，聲波時差值 Δtg取757 μs/m。固定碳、灰分、揮發(fā)分的密度和聲波時差前述實驗已經(jīng)標(biāo)定，分別為ρfcd=1.39 g/cm3、Δtfcd=432.90 μs/m、ρad=2.47 g/cm3、Δtad=287.36 μs/m、ρvdaf=1.05 g/cm3、Δtvdaf=564.97 μs/m，內(nèi)在水和孔隙水的密度ρmad=ρw=1.0 g/cm3、聲波時差Δtmad=Δtw=666.67 μs/m。這樣就只有揮發(fā)分含量Svdaf、孔隙水含量Sw和吸附態(tài)甲烷含量Sg3個未知數(shù)，通過解上述方程組，就可以求出這3個參數(shù)。Sw、Sg之和即為孔隙度，Sg為單位體積的煤在地下吸附態(tài)的含氣量，地下凝聚態(tài)（液態(tài)）甲烷密度為0.375 g/cm3，地面條件下甲烷氣體的密度為6.756×10?4g/cm3[16-17]，通過換算可得到地面每噸煤的含氣量Sg′：

上述方法確定的固定碳、灰分、揮發(fā)分含量是在整個煤儲集層中的比例，即各自在全部 6組分中的比例，可通過換算求出各自在干燥煤樣中的百分含量。

5 應(yīng)用實例

筆者利用上述研究成果編制了一套煤層氣測井解釋軟件，對研究區(qū)內(nèi)部分新取心井進(jìn)行了測井解釋，將結(jié)果與巖心實測結(jié)果對比（見表 2、圖 9），結(jié)果表明，灰分含量、固定碳含量、揮發(fā)分含量、含氣量、孔隙度平均相對誤差分別為 3.38%、2.33%、7.64%、3.68%、5.55%，測井解釋精度較高，可以滿足實際生產(chǎn)的需要。

表2 HHS2井測井解釋結(jié)果與實驗結(jié)果對比

圖9 HHS2井煤儲集層參數(shù)解釋結(jié)果

6 結(jié)論

煤層含氣量、密度及聲波時差特性受煤巖工業(yè)組分的影響比較明顯，隨著固定碳含量增加、灰分含量降低，煤層測井密度值降低，聲波時差值增大。筆者通過大量實驗，采用枚舉法標(biāo)定煤巖各工業(yè)組分的密度、聲波速度，在理論上依據(jù)充分，實際應(yīng)用中可操作性強(qiáng)，結(jié)果精度高。該方法解決了煤巖各組分物理參數(shù)無法直接準(zhǔn)確測定的難題，為準(zhǔn)確建立測井解釋模型奠定了基礎(chǔ)。將統(tǒng)計分析法與理論模型法相結(jié)合，建立研究區(qū)煤儲集層工業(yè)組分、含氣量、孔隙度解釋模型，進(jìn)而編制了煤層氣綜合測井解釋軟件，實際應(yīng)用效果良好。

符號注釋：

ρ——煤巖密度，g/cm3；ρad——灰分密度，g/cm3；Sad——灰分相對含量，%；ρfcd——固定碳密度，g/cm3；Sfcd——固定碳相對含量，%；ρvdaf——揮發(fā)分密度，g/cm3；Svdaf——揮發(fā)分相對含量，%；ρmad——水分（內(nèi)在水）密度，取1.0 g/cm3；Smad——水分（內(nèi)在水）相對含量，%；v——煤巖聲波速度，m/s；vad——灰分聲波速度，m/s；vfcd——固定碳聲波速度，m/s；vvdaf——揮發(fā)分聲波速度，m/s；vmad——內(nèi)在水聲波速度，取1 500 m/s；vw——孔隙水聲波速度，m/s；Sw——孔隙水相對含量，%；ρw——孔隙水密度，g/cm3；Sg——吸附態(tài)甲烷相對含量，%；ρg——吸附態(tài)甲烷密度，

g/cm3；Δt——煤巖聲波時差，μs/m；Δtfcd——固定碳的聲波時差，μs/m；Δtad——灰分的聲波時差，μs/m；Δtvdaf——揮發(fā)分的聲波時差，μs/m；Δtmad——內(nèi)在水的聲波時差，μs/m；Δtw——孔隙水的聲波時差，μs/m；Δtg——吸附態(tài)甲烷的聲波時差，μs/m；Sg′——地面每噸煤的含氣量，m3/t；GR——自然伽馬，API；SP——自然電位，mV；ρDEN——補償密度，g/cm3；φCNL——補償中子孔隙度，%；RLLD——深側(cè)向電阻率，?·m；RLLS——淺側(cè)向電阻率，?·m；R——復(fù)相關(guān)系數(shù)。

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