張翠華，張志存，林楓

（大慶鉆探工程公司測(cè)井公司，黑龍江 大慶163412）

0 引 言

煤層氣屬于自生自儲(chǔ)，在煤層中以煤層顆?；|(zhì)表面吸附狀態(tài)為主，游離狀態(tài)和溶解狀態(tài)為輔。煤層氣與常規(guī)天然氣的成因不同，儲(chǔ)集特性也不同，常規(guī)天然氣測(cè)井識(shí)別技術(shù)不適用于煤層氣［1］。理論上煤層中煤層氣的存在會(huì)對(duì)煤層的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，這種影響很微弱，目前還沒有找到一種直接測(cè)量吸附氣含量的有效測(cè)井方法，只能采用間接方法，因而受到許多影響因素的干擾。發(fā)展針對(duì)煤層氣測(cè)井技術(shù)的同時(shí)，需要針對(duì)不同盆地，甚至同一盆地的不同煤層氣儲(chǔ)層采用不同的技術(shù)。本文針對(duì)東北地區(qū)中低階煤層開展研究，經(jīng)海拉爾呼和湖2口中低階煤層氣井驗(yàn)證，煤層氣含量求取的平均絕對(duì)誤差小于0．5m3／t。

1 HG煤田地質(zhì)概況

HG煤田位于吉黑褶皺系佳木斯地塊的西北部，為一中新生代斷陷含煤盆地。范圍南起峻德，北至梧桐河畔，西自含煤地層露頭，東至深部預(yù)測(cè)區(qū)邊界，面積約210km2。含煤地層走向?yàn)楸北睎|向，地層向東傾斜，傾角15°～35°。盆地內(nèi)褶皺作用微弱，斷裂十分發(fā)育，所發(fā)育煤層多為中厚煤層，個(gè)別為特厚煤層；南部煤層較穩(wěn)定，煤層厚度變化較小，煤層向深部不穩(wěn)定變薄，夾石增厚。

宏觀煤巖特征：黑色，條痕黑褐色，玻璃光澤—弱玻璃光澤，由厚度不等的絲炭、亮煤、暗煤、鏡煤所組成；呈中條帶狀—線理狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。煤層節(jié)理較發(fā)育，并常被方解石及其他礦物所充填；宏觀煤巖類型以半亮型和半暗型為主，光亮型和暗淡型次之。

微觀煤巖特征：顯微煤巖組分特征為鏡質(zhì)組，含量68．4%～98．3%，惰質(zhì)組含量0．6%～28．8%，殼質(zhì)組含量0．65%～6．56%；總體表現(xiàn)為主要煤層的鏡質(zhì)組含量變化不大，惰質(zhì)組含量23煤層以上較高，一般20%左右，27煤層以下為0．6%～4．8%。

鏡煤反射率變化范圍為0．73%～1．02%，屬于氣煤、肥煤類，煤階Ⅱ～Ⅲ級(jí)。礦區(qū)北部由于火成巖侵入反射率高達(dá)6%。

碳含量較高，一般80%～88%，由南向北逐漸增高；揮發(fā)分一般較高，為26．87%～42．88%，呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的規(guī)律；灰分較高，一般為15%～30%，屬中高灰煤。

煤變質(zhì)特征：礦區(qū)煤的變質(zhì)類型以深成變質(zhì)作用為主，全區(qū)處于氣煤變質(zhì)階段。

該區(qū)煤層滲透率普遍較低，均屬于欠壓儲(chǔ)層。一般孔隙度2．0%～9．0%，滲透率0．02～0．40 mD＊非法定計(jì)量單位，1mD＝0．987×10－3μm2，下同，儲(chǔ)層壓力2．40～8．23MPa。

2 煤層氣含量的影響因素分析

煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層的特性差別很大，但類似的分析對(duì)于建立煤層氣儲(chǔ)層的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋模型是必要的。

通過研究發(fā)現(xiàn)，煤層氣含量的影響因素是多方面的，包括煤層的生氣能力、吸附氣體的能力和保存能力［2］。經(jīng)分析認(rèn)為影響煤層氣含量的主要因素有灰分、煤階、溫度、壓力、埋藏深度、頂?shù)装宓取?/p>

2．1 煤層含氣量與埋深的關(guān)系

煤層含氣量受到埋深的影響，即受到煤層和位于它上方離它最近的區(qū)域性古風(fēng)化面之間的厚度影響，它代表煤層曾經(jīng)達(dá)到的距地表的最小距離或深度。受到地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)域古風(fēng)化面位置確定困難，用煤層埋深代替。

2．2 煤層含氣量與灰分、水分的關(guān)系

按煤的工業(yè)分析，認(rèn)為煤是由固定碳、揮發(fā)分、灰分和水分組成。在煤層其他條件相同情況下，灰分、水分含量越少，煤質(zhì)越純，煤層氣的吸附量越大，含氣量越高。因此，灰分、水分含量與含氣量負(fù)相關(guān)，可以用以預(yù)測(cè)煤層的含氣量。

2．3 煤層含氣量與固定碳、揮發(fā)分的關(guān)系

煤化作用的實(shí)質(zhì)是溫度升高條件下的化學(xué)反應(yīng)過程，烴類即為反應(yīng)的產(chǎn)物。所有類型的煤在演化過程中均表現(xiàn)為C含量增加、H和O含量減少，煤中的灰分也相應(yīng)減少，不斷地生產(chǎn)出甲烷。煤固體表面具有吸附氣體的性質(zhì)，因此，一般情況下煤層含氣量與固定碳、揮發(fā)分含量存在著正比關(guān)系。

2．4 煤層含氣量與溫度、壓力的關(guān)系

煤層的吸附性能與其他巖石不同，在煤固體表面具有吸附氣體的性質(zhì)，這是由于煤孔隙表面有不飽和能的存在，與非極性氣體分子之間產(chǎn)生一種范德華力，從而吸附氣體分子［3］。范德華力是一種弱力，力的大小與分子的大小有關(guān)，分子越大，范德華力越強(qiáng)。煤分子是一種大分子結(jié)構(gòu)，而甲烷分子是一種小分子，在二者之間有較強(qiáng)的范德華力。在吸附平衡溫度恒定的條件下，煤吸附甲烷的量與甲烷平衡壓力之間滿足一定的關(guān)系，稱為等溫吸附曲線，但隨著溫度升高，這種平衡被打破，煤固體表面吸附氣體的能力下降（見圖1）。

圖1 不同溫度下的等溫吸附曲線

3 煤層參數(shù)求取方法

3．1 煤巖灰分的求取

灰分是指煤燃燒后的殘?jiān)?，包括黏土、碳酸鹽、硫化物及其他物質(zhì)?；曳质敲褐械牡V物質(zhì)，有3個(gè)來源：① 植物中固有的；② 在泥炭沼澤中沉積的礦物碎屑；③ 可能是流經(jīng)煤層的水中的礦物質(zhì)沉積。實(shí)測(cè)資料表明，煤層灰分含量越大，其吸收的放射性物質(zhì)越多，因此，自然伽馬測(cè)井越大；煤層灰分含量值越大，體積密度越大。自然伽馬和體積密度與灰分的相關(guān)性很好，可以利用自然伽馬和體積密度測(cè)井資料求取灰分含量。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分析的灰分與自然伽馬和體積密度進(jìn)行二元回歸求取灰分含量，即

式中，Wa為灰分，%；GR為自然伽馬測(cè)井值，API；DEN為體積密度測(cè)井值，g／cm3；a、b、c為系數(shù)。

綜合考慮多條測(cè)井曲線，用多元回歸的方法計(jì)算精度更高?；曳?/p>

式中，CNLcor、DENcor、GRcor分別為環(huán)境校正后補(bǔ)償中子測(cè)井值、密度測(cè)井值、自然伽馬測(cè)井值；AC為聲波測(cè)井值；a、b、c、d為系數(shù)。

3．2 煤質(zhì)組分之間的關(guān)系

根據(jù)工業(yè)分析表明，灰分與固定碳及揮發(fā)分之間有很好的相關(guān)關(guān)系，利用HG煤田45層工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了灰分與其他組分的關(guān)系（見圖2）。

圖2 HG煤田灰分與其他組分的關(guān)系

在根據(jù)測(cè)井資料求取灰分的基礎(chǔ)上，通過關(guān)系回歸，分別建立了固定碳、揮發(fā)分和水分的計(jì)算公式

式中，Wa、Wfc、Wv和Ww分別為煤巖的灰分、固定碳、揮發(fā)分和水分，%；a、b、c為系數(shù)。

4 煤層氣含量求取方法

Hawkins等利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了Langmuir煤級(jí)等溫吸附方程，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，精度較高，其中Langmuir常數(shù)（Langmuir體積VL和Langmuir壓力pL）是由溫度、煤階等得到，于是可以利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算煤層吸附等溫線和含氣量。Langmuir煤級(jí)等溫吸附方程為

4．1 Langmuir體積VL和壓力pL

Langmuir體積的物理意義是在給定溫度條件下單位質(zhì)量煤飽和吸附氣體時(shí)所吸附的氣體體積。Langmuir壓力是煤對(duì)甲烷吸附量達(dá)到Langmuir體積一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力。Langmuir體積VL和Langmuir壓力pL是描述煤的甲烷等溫吸附特征的最重要的2個(gè)參數(shù)，人們一直認(rèn)為它們只與溫度和煤階有關(guān)。通過研究發(fā)現(xiàn)，除了與溫度和煤階有關(guān)外，還與灰分、水分、壓力、埋深等有關(guān)。利用測(cè)井資料求取的Langmuir體積VL和Langmuir壓力pL能更準(zhǔn)確地描述黑龍江東部低階煤的吸附甲烷氣的特征。在研究地區(qū)，用33層不同溫度下的等溫吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)煤層氣含量有影響的因素進(jìn)行多元回歸，求取pL和VL，平均相對(duì)誤差分別為8．19%、9．60%，效果較好。

式中，Wg、Wa、T、Wv、DEP分別為固定碳、灰分、溫度、揮發(fā)分、深度。

按式（3）、式（4）用測(cè)井資料求取的壓力、固定碳、灰分、水分結(jié)合埋深、溫度等資料，擬合了不同溫度、不同灰分的煤巖的等溫吸附曲線，二者非常的接近（見圖3）。

圖3 用測(cè)井資料計(jì)算的與實(shí)驗(yàn)所得等溫吸附曲線對(duì)比圖

4．2 含氣飽和度

煤層氣儲(chǔ)層的含氣量是以每噸煤的含氣體積（m3／t）表示，煤層氣儲(chǔ)層含氣飽和度的定義是實(shí)測(cè)含氣量與理論含氣量的比值，而不是常規(guī)天然氣儲(chǔ)層所定義的單位孔隙中的氣體體積。實(shí)測(cè)含氣量是煤心實(shí)驗(yàn)室解吸得到的含氣量；理論含氣量是吸附等溫線上與原始地層壓力對(duì)應(yīng)的含氣量。

利用式（6）所求得煤巖含氣量C實(shí)際上是煤巖在一定溫度、一定壓力下能夠吸附的理論含氣量，它是由煤巖的吸附特性決定的。實(shí)際煤層的含氣量一般都小于理論含氣量，由煤層的生氣特性和保存條件決定，也與煤巖的吸附特性有關(guān)，所以，要求取煤層的實(shí)際含氣量。只要求出煤層含氣飽和度，就可以計(jì)算出煤層實(shí)際含氣量。

圖4 計(jì)算與實(shí)測(cè)含氣飽和度的關(guān)系圖

經(jīng)分析研究，運(yùn)用44層煤巖數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算出含氣飽和度（見圖4），關(guān)系式為式中，x為回歸統(tǒng)計(jì)的含氣飽和度；S為校正后含氣飽和度；Wg、Wa、Rt、p、DEP分別為固定碳、灰分＋水分、地層電阻率、地層壓力、深度。

4．3 含氣量的計(jì)算

求得Langmuir體積VL和壓力pL后，就可以利用式（6）求取理論含氣量，它反映的是煤巖生氣、吸附氣的能力，而煤層實(shí)際含氣量還受到保存條件的影響，可用式（11）求取

式中，Q為煤層實(shí)際含氣量，m3／t；C為煤層理論含氣量，m3／t；S為含氣飽和度，%。

運(yùn)用44層資料，用式（11）計(jì)算的煤層含氣量平均相對(duì)誤差為12．2%，計(jì)算的煤層含氣量平均絕對(duì)誤差小于0．5m3／t（見圖5）。

圖5 計(jì)算含氣量與實(shí)測(cè)含氣量的關(guān)系圖

圖6 ×2井計(jì)算的灰分、含氣量與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比圖

5 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述的階段性研究成果，編制了煤層氣測(cè)井處理軟件，已經(jīng)具備處理煤層氣井的能力，并在×1井、×2井進(jìn)行了應(yīng)用。用該方法計(jì)算的煤質(zhì)灰分與煤心實(shí)驗(yàn)分析的灰分平均相對(duì)誤差小于±15%（見圖6第5道）；計(jì)算的含氣量與現(xiàn)場(chǎng)煤心實(shí)測(cè)的含氣量平均相對(duì)誤差為17．2%，×2井部分井段處理成果見圖6第7道。

6 結(jié) 論

（1）利用測(cè)井資料多元回歸求取Langmuir體積VL和壓力pL能準(zhǔn)確求取中低階煤的理論含氣量。

（2）首次提出了利用測(cè)井資料求取含氣飽和度，進(jìn)而對(duì)理論含氣量進(jìn)行校正，再計(jì)算煤層含氣量的方法。經(jīng)過2口井的實(shí)際驗(yàn)證，計(jì)算的煤層氣含量與煤心現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含氣量平均絕對(duì)誤差小于±0．5m3／t，能夠滿足煤層氣勘探開發(fā)的需要。該方法可以廣泛應(yīng)用于煤層工業(yè)評(píng)價(jià)和煤層氣含量的計(jì)算，進(jìn)而估算煤層氣儲(chǔ)量，能夠指導(dǎo)煤礦瓦斯氣的采排和煤層氣的勘探開發(fā)。

［1］潘和平．煤層氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)［J］．天然氣工業(yè)，2005，25（3）：48－51．

［2］趙慶波．煤層氣地質(zhì)與勘探技術(shù)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1999．

［3］鐘玲文．煤的吸附性能及影響因素［J］．地球科學(xué)：中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，29（3）：327－368．