董震, 葛祥, 何傳亮

(中石化西南石油工程有限公司測井分公司, 四川 成都 610100)

0 引 言

煤層氣開發(fā)方案中產(chǎn)能研究一直是科學(xué)開發(fā)、合理設(shè)計依據(jù)的重要內(nèi)容;單井產(chǎn)能分析評價和預(yù)測成為井位部署、壓裂排采和建產(chǎn)設(shè)計的基礎(chǔ)[1-2]。相對于煤心分析、試井和數(shù)值模擬等其他方法,測井技術(shù)具有手段豐富、簡單高效、分辨率高的特點,在含氣性定量評價和產(chǎn)能分析方面具有無法比擬的優(yōu)勢[3-6]。本文通過分析研究影響煤層氣單井產(chǎn)能測井評價的因素,利用煤心標定后的測井數(shù)據(jù)對延川南示范區(qū)2號煤層的賦存條件、吸附特征及吸附氣含量等多個因素進行評價,建立煤層氣產(chǎn)能測井綜合評價指標,利用該評價指標對延川南地區(qū)煤層氣井進行產(chǎn)能分級評價和有利區(qū)預(yù)測,其結(jié)果與產(chǎn)能測試結(jié)論吻合度較高,具有較好的應(yīng)用效果。

1 單井產(chǎn)能主控因素

煤層氣單井產(chǎn)能的受控因素可分為煤儲層地質(zhì)因素和工程開發(fā)技術(shù)兩大方面,其中地質(zhì)因素(含氣量、賦存環(huán)境、滲流特性等)為影響單井產(chǎn)能的主控因素。儲層改造和排采方案等工程開發(fā)技術(shù)也直接影響煤層氣井產(chǎn)量的高低(見圖1)。

圖1 煤層氣單井產(chǎn)能影響因素分析圖

煤層氣主要以吸附氣為主。吸附特征方面,煤巖的煤質(zhì)組分、煤階、壓力(埋深)、溫度等條件是間接表征吸附氣含量的最佳因子。賦存環(huán)境通常指煤儲層的埋深、頂?shù)装宓姆馍w、構(gòu)造變化及水動力環(huán)境等,是氣藏富集及保存完好的必要條件。

煤體結(jié)構(gòu)與煤儲層的滲流特性緊密相關(guān),在地質(zhì)選區(qū)評價、鉆井與固井儲層污染、儲層改造與排采等煤層氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)中扮演重要角色。這些環(huán)節(jié)都與煤層氣井產(chǎn)量的高低息息相關(guān)。

影響煤層氣單井產(chǎn)能因素多樣而復(fù)雜[7-8],其中對氣藏的地質(zhì)特征及生產(chǎn)特征的認識是煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵所在。

2 含氣性測井評價

煤層含氣性評價的主要對象為吸附氣。利用測井屬性與煤巖的煤質(zhì)組分、煤階及埋藏條件之間的關(guān)系建立煤層含氣性評價指標可以對煤層吸附氣含量進行快速直觀的定量化評價。

2.1 煤質(zhì)組分

煤層中的吸附氣主要吸附在煤質(zhì)孔隙的內(nèi)表面。煤巖中的純煤含量越高,吸附空間越大,吸附氣含量越高。煤巖通過工業(yè)燃燒可將其劃分成灰分、固定碳、揮發(fā)分等工業(yè)組分。對于煤儲層,吸附氣通常賦存于固定碳、揮發(fā)分等組分(純煤組分)的孔隙與割理中;無機礦物質(zhì)(灰分)則無吸附能力。

根據(jù)延川南地區(qū)測井資料統(tǒng)計關(guān)系(見圖2)可對測井數(shù)據(jù)進行多元回歸,從而獲得煤質(zhì)組分含量。

固定碳含量Vfc

Vfc=B0+B1XAC+B2XCNL+B3XDEN+

B4XGR+B5XRLLd+B6XRLLs

(1)

式中,B0、B1、B2、…、B6分別為多元回歸系數(shù),延川南地區(qū)B0=1.19,B1=-0.059,B2=0.427,B3=-15.933,B4=-0.197,B5=-0.002 7,B6=0.002 3;XAC、XCNL、XDEN、XGR、XRLLd、XRLLs分別為補償聲波(μs/ft)*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、補償中子(%)、補償密度(g/cm3)、自然伽馬(API)、深淺側(cè)向電阻率(Ω·m)測井值。

灰分含量Vad與固定碳Vfc含量之間采用擬合關(guān)系式計算

Vad=B0+B1Vfc

(2)

式中,B0、B1為擬合系數(shù),延川南地區(qū)B0=83.855;B1=-0.930 4;相關(guān)系數(shù)R=0.99。

煤質(zhì)的水分體積含量較小,利用測井估算煤質(zhì)組分可忽略不計。

利用多元回歸法對延川南地區(qū)2口井(延3、延6井)2號煤層的測井數(shù)據(jù)進行計算,其計算結(jié)果與實驗室煤質(zhì)組分分析(共12塊樣品)結(jié)果誤差相對較小(見表1),具有較好的適用性。

表1 延川南區(qū)塊煤質(zhì)組分測井計算(多元回歸)與巖心分析結(jié)果誤差對比

2.2 成熟度Ro′

沉積巖的有機質(zhì)熱成熟演化史與其壓實和成巖作用過程相關(guān)聯(lián),與成巖作用密切相關(guān)的測井參數(shù)(如深度、自然伽馬、孔隙度等)和成熟度Ro′之間也存在必然的聯(lián)系。

根據(jù)延川南地區(qū)2號煤層的巖心測試分析結(jié)果,建立煤心測試鏡質(zhì)體反射率Ro與常規(guī)測井屬性關(guān)系分析圖(見圖3、圖4)。分析圖上煤層的埋深是Ro大小的主控因素,同一深度(煤層)伽馬及孔隙度(聲波、中子、密度)等參數(shù)雖對Ro有一定的影響,但相比較埋深其影響較小。

圖3 Ro與垂深、伽馬、聲波關(guān)系圖

圖4 Ro與垂深、伽馬、密度關(guān)系圖

與煤質(zhì)組分計算方法一樣,采用多元回歸方法計算成熟度Ro′

Ro′=B0+B1XDepth+B2XAC+B3XCNL+

B4XDEN+B5XGR+B6XRLLd+B7XRLLs

(3)

式中,B0、B1、…、B7為多元回歸參數(shù),延川南地區(qū)B0=1.291、B1=0.000 678、B2=0.000 425、B3=-0.105 9、B4=0.488 8、B5=0.000 278、B6=0.000 526、B7=-0.000 548;XDepth為埋深,m。

利用多元回歸法對延川南地區(qū)8口井2號和10號煤層的測井數(shù)據(jù)進行計算,其計算結(jié)果Ro′與煤心實驗室測定Ro結(jié)果(共21塊樣品)具有較好擬合關(guān)系(見圖5)。

圖5 測井計算Ro′與煤心實驗室測定Ro關(guān)系圖

2.3 動態(tài)吸附氣含量

在針對延川南地區(qū)煤層氣研究中,葛祥等[9]依據(jù)實驗數(shù)據(jù)定量研究了地層條件下多種因素對煤巖吸附氣含量的影響,將實驗室的地面條件參數(shù)轉(zhuǎn)換到地層條件,建立基于測井資料計算煤巖吸附氣量的動態(tài)吸附模型,提高了吸附氣量的計算精度,在該地區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果。

該方法基于實驗分析及煤層氣理論,在Langmuir等溫吸附模型中考慮各參數(shù)的動態(tài)變化及煤質(zhì)含量的影響,建立煤巖吸附氣量的動態(tài)吸附計算模型

(4)

式中,VLR為煤巖吸附氣含量,cm3/g或m3/t;Ro′為成熟度,%;T為井下煤巖原位溫度, ℃;p為煤層壓力,MPa;m、n為溫度(或埋深)的影響因子;T為原位地下煤層溫度, ℃。

吸附氣模型中各參數(shù)求取方法如下:

(1)Vfc可利用測井解釋的體積模型或者概率統(tǒng)計模型求解獲得。

(2) 煤階校正項

F(Ro′)=-76.236×(Ro′)2+
331.97×Ro-324.08

(5)

式(5)中,成熟度Ro′可根據(jù)測井參數(shù)進行多元[式(3)]回歸擬合獲得。

(3) 影響因子m、n(溫度或垂深)與蘭氏壓力的回歸系數(shù)pL=m×T+n。在擬合式中,溫度影響因子更能反映煤層吸附特征的變化。

(4) 煤層壓力p可直接與垂深及測井補償密度建立回歸關(guān)系

p=0.0168XDepth-1.078XDEN-8.9147

(6)

該動態(tài)計算模型根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的實測資料,對蘭氏方程分別進行了煤層溫度、壓力、垂深、煤階、煤質(zhì)含量變化的校正,從各個影響因素上對煤巖等溫吸附特征進行了動態(tài)描述,從而改善了蘭氏方程在實際應(yīng)用中的局限性。該動態(tài)模型與其他常見吸附氣含量計算模型相比其計算結(jié)果誤差較小,在延川南地區(qū)具有較好的應(yīng)用效果(見表2)。

表2 延川南地區(qū)煤巖吸附氣含量多模型計算效果比較[9]

3 滲透性測井評價

煤巖的初始靜態(tài)滲透率很大程度上取決于煤巖割理的發(fā)育程度;煤體結(jié)構(gòu)類型也反映了煤巖的力學(xué)性質(zhì)和儲藏條件。這些條件也影響了儲層壓裂后的動態(tài)滲透率。

圖6 延川南地區(qū)不同煤質(zhì)結(jié)構(gòu)的深、淺電阻率分離特征

依據(jù)測井資料可將煤質(zhì)結(jié)構(gòu)分為碎塊煤類和碎粒煤兩大類。結(jié)構(gòu)較完整的原生碎塊煤經(jīng)過壓裂后,裂隙發(fā)育,且具有高滲透性和較高的抗傷害能力,有利于連續(xù)排采;結(jié)構(gòu)較破碎的碎粒煤-糜棱煤(粉煤)連通性差,氣體運移容易受阻,產(chǎn)氣較為困難。

延川南地區(qū)資料顯示,不同煤質(zhì)結(jié)構(gòu)的煤巖電性特征具有一定的差異性[10-11],尤其是碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤的深、淺側(cè)向電阻率“分離”特征更為明顯[見圖6(a)]。就井眼穩(wěn)定性,碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)的粉末狀煤巖其性質(zhì)松散易碎,往往容易引起井眼垮塌,在井徑資料上常顯示為較為明顯的擴徑特征。根據(jù)以上特征選取對煤質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感的電阻率差比值及井徑差比值進行煤質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分。

電阻率差比值RE,DIF

RE,DIF=(RLLd-RLLs)/RLLd

(7)

井徑差比值CALDIF

CALDIF=(CAL-BIT)/BIT

(8)

式中,RLLd、RLLs分別為深、淺側(cè)向電阻率值,Ω·m;CAL為井眼直徑,mm;BIT為鉆頭直徑,mm。

根據(jù)延川南煤層數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果[見圖6(b)],碎塊-碎裂煤深、淺電阻率分離程度較小(基本低于25%),井眼擴徑程度也相對較小(井眼擴徑率約小于40%);碎粒-糜棱煤其電性差異程度及擴徑程度則相對較大(少數(shù)碎粒煤巖樣在井下保存條件較好,也可能未發(fā)生井眼垮塌或電阻率分離等現(xiàn)象)。當RE,DIF<25%,且CALDIF<40%,可判別煤質(zhì)結(jié)構(gòu)為碎塊煤;當RE,DIF≥25%,或者CALDIF≥40%,判別煤質(zhì)結(jié)構(gòu)為碎粒煤。

4 綜合評價指標

依據(jù)上述研究成果,各單項煤層測井指標參數(shù)能從不同角度對煤層吸附含氣量進行刻劃,因此可將各單項的乘積結(jié)果作為衡量煤層產(chǎn)能大小的參考指標?；跍y井數(shù)據(jù),計算獲取煤層相應(yīng)深度點的各項測井指標參數(shù):吸附氣含量VLR,%;成熟度Ro′,%;有機碳含量(Vdaf+Vfc),%;有效厚度H(去除夾矸后的單位煤層厚度),m。建立測井綜合評價指標Vgas公式為

Vgas=VLR×Ro′×(Vdaf+Vfc)×H2

(9)

考慮到煤質(zhì)結(jié)構(gòu)也對煤層產(chǎn)能貢獻也較大,可將碎塊煤含量Ksk(碎塊煤含量在煤樣中的百分占比)作為影響因子引入式(9),將產(chǎn)能綜合評價指標Vgas改進為

Vgas=0.5×(1+Ks)VLR×Ro′×(Vdaf+Vfc)×H2

(10)

式(10)即為煤層氣產(chǎn)能綜合指標計算公式。該指標綜合考慮了煤層有效厚度、變質(zhì)程度(埋深影響)、有機碳含量(吸附空間)、動態(tài)吸附氣量(吸附能力)以及煤質(zhì)結(jié)構(gòu)(滲流特性)等影響因素,可從煤巖物性特征、賦存條件等角度表征該套煤層的產(chǎn)能大小。

圖7 延川南地區(qū)2號煤層測井計算產(chǎn)能綜合指標與測試產(chǎn)能關(guān)系

以延川南地區(qū)15口探井為例,根據(jù)測井計算的產(chǎn)能綜合指標Vgas與實測測試產(chǎn)能(單日最高產(chǎn)氣量)進行擬合分析,指標Vgas與單日最高產(chǎn)氣量具有較好的線性關(guān)系。圖7擬合圖上,中-高產(chǎn)井(日產(chǎn)氣量大于500 m3)通常位于高產(chǎn)能區(qū)(紅色區(qū)域)中擬合線附近;低產(chǎn)井(日產(chǎn)氣量低于500 m3)則落在低產(chǎn)能區(qū)(黃色區(qū)域)中擬合線附近。根據(jù)高-低產(chǎn)能區(qū)的分界位置,測井計算產(chǎn)能綜合指標Vgas值在50×103時,可大致區(qū)分中-高產(chǎn)層(或稱Ⅰ、Ⅱ類產(chǎn)層)與低產(chǎn)層(或稱Ⅲ類產(chǎn)層)。利用測井綜合評價指標對完鉆后的煤層氣井產(chǎn)能大小進行分級劃分,能及時為開發(fā)測試方案提供有利的參考依據(jù)。

5 有利區(qū)預(yù)測

圖8 延川南地區(qū)2號煤層實際產(chǎn)能平面展布

圖9 延川南地區(qū)2號煤層測井預(yù)測產(chǎn)能指標平面展布

延川南地區(qū)2號煤層氣產(chǎn)能按照單日最高產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)大小可分為3類:Ⅰ類產(chǎn)層的單層煤層氣最高日產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)大于1 000 m3;Ⅱ類產(chǎn)層的最高日產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)大于500 m3;Ⅲ類產(chǎn)層的最高日產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)小于500 m3(見圖8)。根據(jù)測井綜合評價指標平面分布顯示(見圖9),延川南示范區(qū)的中西部地區(qū)是2號煤層的有利區(qū),高產(chǎn)富集區(qū)呈北西—南東走向,該結(jié)論與實際測試產(chǎn)能結(jié)果較為一致。

6 結(jié)束語

(1) 含氣量是影響煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。利用巖心標定的測井數(shù)據(jù)建立測井綜合評價指標,對煤巖儲層的賦存空間、巖石物理特征、吸附能力及流體特征等幾個方面進行表征,快速直觀地對含氣特性進行了定量化評價,進而對煤層產(chǎn)能進行有效地分級估算和有利區(qū)預(yù)測。

(2) 煤體結(jié)構(gòu)與煤儲層靜態(tài)、動態(tài)滲透率緊密相關(guān),對煤層氣單井產(chǎn)量高低影響較大。在利用測井資料評價煤巖滲透性方面,煤體結(jié)構(gòu)是很好的橋梁。

(3) 測井綜合評價指標對單井產(chǎn)能有很好的指示作用,其不足是受測井數(shù)據(jù)采集(井眼擴徑、坍塌)的影響較大。

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