余 杰 李 利 秦瑞寶 黃 濤 李銘宇 謝 嵐

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 湖北武漢 430100; 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028; 3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司研發(fā)中心 北京 100016)

煤層具有雙重孔縫系統(tǒng)，主要包括基質(zhì)孔隙和割理(即天然裂縫)。煤層中基質(zhì)孔隙以微小孔隙為主，內(nèi)表面積大，90%以上的甲烷被吸附在微小孔隙中；而割理中充滿了地層水，是氣水的主要滲流通道，與煤層滲透率密切相關(guān)。越高煤階的煤層割理越發(fā)育，割理主要是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力以及煤巖內(nèi)部煤化作用的產(chǎn)物[1-2]。煤層通過(guò)排水降低割理中的地層壓力，當(dāng)壓力降低到低于臨界解吸壓力時(shí)，吸附的甲烷通過(guò)擴(kuò)散從煤基質(zhì)解吸到割理中，割理中的甲烷與地層水一起通過(guò)井筒采出地面。這些相互連通的割理是煤層氣和地層水從地層流向井筒的通道，它們決定了煤層氣區(qū)塊的有效滲透率。因此，割理孔隙度和滲透率的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是認(rèn)識(shí)高階煤層物性與產(chǎn)能的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外在利用測(cè)井方法評(píng)價(jià)煤層割理孔隙度和滲透率方面研究較少，Boyeldieu、Philippe、李善軍等[3-5]利用裂縫發(fā)育造成的深淺側(cè)向電阻率測(cè)井值差異，給出了人工估算裂縫孔隙度的反演公式及相應(yīng)的計(jì)算方法；Aguilera[6]將煤巖裂縫分為火柴棍模型、板狀模型和立方體模型3種計(jì)算模型；侯俊勝[7]基于達(dá)西定律推導(dǎo)出裂縫寬度、裂縫孔隙度與裂縫滲透率之間的關(guān)系式；Albright[8]提出利用斯通利波反演裂縫型儲(chǔ)層滲透率的方法。這些方法主要適用于沿特定方向發(fā)育的常規(guī)裂縫型儲(chǔ)層，對(duì)發(fā)育正交裂縫的煤層評(píng)價(jià)效果不好。本文基于高階煤層的氣水賦存特點(diǎn)與電阻率測(cè)井響應(yīng)特征，首次將阿爾奇公式應(yīng)用于煤層割理孔隙度評(píng)價(jià)，并與前人提出的基于雙側(cè)向電阻率測(cè)井評(píng)價(jià)方法進(jìn)行比較，基于阿爾奇公式的評(píng)價(jià)方法更加適合煤層割理孔隙度，利用其計(jì)算的煤層割理滲透率與煤層氣井實(shí)際產(chǎn)量具有高度相關(guān)性。

1 原理與方法

煤層孔隙度由基質(zhì)孔隙度和割理孔隙度兩部分組成。高階煤層由于熱演化程度較高，基質(zhì)孔隙為孔徑很小的納米孔，對(duì)煤層滲透率幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)；割理孔隙度較高，是高階煤層的主要滲流通道。高階煤層滲透率主要是割理(裂縫)滲透率，割理由兩組近似正交且垂直的面割理、端割理組成，割理間距從毫米到厘米不等[9-10]。高階煤層的獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)特征決定了其流體賦存狀態(tài)，甲烷主要以吸附狀態(tài)吸附于基質(zhì)孔隙表面，幾乎不占據(jù)割理孔隙，地層水完全充滿割理孔隙系統(tǒng)。煤層是一種有機(jī)巖，其成分主要由復(fù)雜的碳?xì)浠衔镆约吧倭康酿ね恋V物、石英、方解石、金屬硫化物等組成，煤層骨架一般不導(dǎo)電，除非熱演化程度很高發(fā)生石墨化，煤層骨架電阻率才急劇降低。煤層的電阻率高低主要取決于割理孔隙度大小、地層水礦化度高低以及煤層割理孔隙系統(tǒng)連通性。

1.1 割理孔隙度

1)基于雙側(cè)向電阻率方法。

前人研究表明，深淺側(cè)向兩條電阻率曲線的分離可為計(jì)算裂縫孔隙度提供可靠的依據(jù)。因此，采用基于上述理論的雙側(cè)向電阻率模型計(jì)算煤層的割理孔隙度。假設(shè)地層基質(zhì)塊電阻率不受鉆井液侵入的影響，Boyeldieu等[3]在阿爾奇公式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出利用深淺側(cè)向電阻率計(jì)算裂縫孔隙度的公式：

(1)

式(1)中：φf(shuō)為地層裂縫孔隙度，小數(shù)；mf為裂縫膠結(jié)指數(shù)，常數(shù)；Rm為鉆井液濾液電阻率，Ω·m；RLLS和RLLD分別為地層淺側(cè)向電阻率和深側(cè)向電阻率，Ω·m。

Boyeldieu模型主要存在兩方面的缺陷：①裂縫膠結(jié)指數(shù)受裂縫曲折度及孔徑影響，其值在1～2之間變化，難以得到確定值；②模型不能計(jì)算(RLLD

水平裂縫(RLLD

(2)

垂直裂縫(RLLD

(3)

式(2)、(3)中：φf(shuō)h為地層水平裂縫孔隙度，小數(shù)；φf(shuō)v為地層垂直裂縫孔隙度，小數(shù)。

利用上述方法對(duì)實(shí)際煤層氣井測(cè)井資料處理解釋表明，由于不同于一般裂縫型地層沿特定方向發(fā)育，煤層割理由兩組近似正交且垂直的面割理、端割理組成，兩種正交裂縫造成深淺側(cè)向電阻率測(cè)井值差異相互抵銷(xiāo)[11]，由此計(jì)算得到的割理孔隙度明顯偏低。

2)基于阿爾奇公式方法。

由于傳統(tǒng)的基于雙側(cè)向電阻率的裂縫孔隙度計(jì)算方法不適用于正交割理發(fā)育的煤層。煤層的割理系統(tǒng)通常充滿地層水，可以看作飽含水純凈砂巖地層系統(tǒng)。含水純凈砂巖地層總孔隙度與地層電阻率之間存在著良好的函數(shù)關(guān)系，阿爾奇通過(guò)巖石電阻率實(shí)驗(yàn)得到了公式[12]：

(4)

式(4)中：Rt為地層電阻率，Ω·m；Rw為地層水電阻率，Ω·m；σw為巖石含水飽和度，小數(shù)；n為飽和度指數(shù)，常數(shù)。由于甲烷以吸附態(tài)存在于煤層表面，割理孔隙中充滿地層水(含水飽和度為100%)，煤層的電阻率高低主要取決于割理孔隙度大小、地層水礦化度高低以及煤層割理孔隙系統(tǒng)連通性[13]。根據(jù)阿爾奇公式可以推導(dǎo)出煤層割理孔隙度與電阻率、地層水電阻率的關(guān)系為

(5)

式(5)中：φf(shuō)為煤層割理孔隙度，小數(shù)；a為巖性指數(shù)，一般為1；mf為割理(裂縫)膠結(jié)指數(shù)，常數(shù)。

地層膠結(jié)指數(shù)(m)主要由巖石孔隙結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)決定，反映了煤巖割理孔隙的連通性。對(duì)于一個(gè)沉積環(huán)境恒定的地區(qū)，m可以認(rèn)為是恒定的。對(duì)于大型開(kāi)放式裂縫地層，m值為1.0；對(duì)于非常大的球形孔隙，m值約增大到1.3；對(duì)于小孔隙的常規(guī)儲(chǔ)層中，m值通常介于1.8和2.2之間；由于煤層氣儲(chǔ)層的割理系統(tǒng)類(lèi)似于孔徑較小的開(kāi)放式裂縫，因此m值一般低于常規(guī)儲(chǔ)層的范圍，但高于大型開(kāi)放式裂縫地層的范圍。通過(guò)實(shí)際地區(qū)煤巖電阻率實(shí)驗(yàn)獲得，研究區(qū)煤層割理膠結(jié)指數(shù)(mf)在1.41～1.75之間，取平均值為1.62。

1.2 割理滲透率

煤層割理滲透率主要決定于割理孔隙度和割理寬度大小，根據(jù)侯俊勝[7]所做的研究，煤巖割理可以歸納成以下3種模型和相應(yīng)的割理滲透率計(jì)算公式。

單組系裂縫模型(板狀模型)：

Kf=8.50×10-4w2φf(shuō)

(6)

多組系裂縫模型(火柴桿狀模型)：

Kf=4.24×10-4w2φf(shuō)

(7)

網(wǎng)狀裂縫模型(立方體模型)：

Kf=5.66×10-4w2φf(shuō)

(8)

式(6)～(8)中：Kf為裂縫滲透率，mD；w為裂縫寬度，μm；φf(shuō)為裂縫孔隙度，小數(shù)。

在煤層割理孔隙度相同時(shí)，割理寬度越大，割理滲透率越高。割理寬度一般受煤階的影響，隨煤階的增加而割理寬度減小[10]。通常情況下，某一區(qū)塊煤層割理寬度數(shù)據(jù)很難獲得。通過(guò)使用有限元的方法，模擬了巖石天然裂縫的雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng)特征，F(xiàn)aivre和Sibbit[14]得出了利用雙側(cè)向電阻率測(cè)井資料計(jì)算裂縫寬度的公式。

水平裂縫(RLLD

(9)

垂直裂縫(RLLD>RLLS)：

(10)

式(9)、(10)中：CLLD和CLLS分別為深淺側(cè)向電導(dǎo)率，S；Cm為鉆井液濾液電導(dǎo)率，S；Cb為圍巖電導(dǎo)率，近似等于CLLD，S；CLLD、CLLS、Cm和Cb分別為深側(cè)向電阻率RLLD、淺側(cè)向電阻率RLLS、鉆井液電阻率Rm及圍巖電阻率Rb的倒數(shù)。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水盆地東南部的柿莊南區(qū)塊，鉆井揭示太原組和山西組含煤16層，煤層總厚度最大達(dá)23.6 m，其中太原組15號(hào)煤層和山西組3號(hào)煤層在全盆地穩(wěn)定分布，主采煤層為3號(hào)煤層，割理系統(tǒng)十分發(fā)育(圖1)。根據(jù)研究區(qū)3號(hào)煤層產(chǎn)量情況，將煤層氣井劃分為3類(lèi)：Ⅰ類(lèi)為中高產(chǎn)氣低產(chǎn)水煤層，平均日產(chǎn)氣量大于1 000 m3，日產(chǎn)水量小于2 m3；Ⅱ類(lèi)為低產(chǎn)氣低產(chǎn)水煤層，平均日產(chǎn)氣量小于400 m3，日產(chǎn)水量小于2 m3；Ⅲ類(lèi)為低產(chǎn)氣高產(chǎn)水煤層，平均日產(chǎn)氣量小于400 m3，日產(chǎn)水量大于2 m3。目前，研究區(qū)塊內(nèi)大部分煤層氣井平均日產(chǎn)氣量較低，而且不同位置產(chǎn)量差異大，產(chǎn)量變化的控制因素認(rèn)識(shí)不清制約著煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)[15]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置及地層發(fā)育剖面

2.2 測(cè)井響應(yīng)特征分析

通過(guò)典型煤層氣井平均日產(chǎn)氣量與測(cè)井響應(yīng)之間的關(guān)系表明：Ⅰ類(lèi)煤層深側(cè)向電阻率曲線值大于1 000 Ω·m，深淺側(cè)向電阻率曲線差異大，自然電位曲線幅度負(fù)差異(淡水鉆井液)大，其平均日產(chǎn)氣量大于1 000 m3(圖2a)；Ⅱ類(lèi)煤層深側(cè)向電阻率曲線值大于1 000 Ω·m，且略高于Ⅰ類(lèi)煤層，深淺側(cè)向電阻率曲線差異較小，自然電位曲線幅度負(fù)差異大，其平均日產(chǎn)氣量介于400至1 000 m3(圖2b)；Ⅲ類(lèi)煤層深側(cè)向電阻率曲線值大于10 000 Ω·m，深淺側(cè)向電阻率曲線幾乎無(wú)差異，自然電位曲線幅度負(fù)差異較小，其平均日產(chǎn)氣量小于400 m3(圖2c)。一般地，在研究區(qū)鉆井液總礦化度基本不變情況下，高產(chǎn)氣煤層具有深淺側(cè)向電阻率曲線值較低，側(cè)向電阻率曲線差異較大，自然電位曲線幅度負(fù)差異(淡水鉆井液)較大等測(cè)井響應(yīng)特征；低產(chǎn)氣煤層具有深側(cè)向電阻率曲線值高，深淺側(cè)向電阻率曲線幾乎無(wú)差異，自然電位曲線幅度負(fù)差異(淡水鉆井液)較小等測(cè)井響應(yīng)特征。

注：第1道為自然伽馬、自然電位與井徑曲線；第2道為測(cè)量深度；第3道為深、淺側(cè)向電阻率曲線；第4道為體積密度曲線；第5道紅色線為阿爾奇公式法計(jì)算割理孔隙度，藍(lán)色線為雙側(cè)向法計(jì)算割理孔隙度；第6道為藍(lán)色線為雙側(cè)向法計(jì)算割理寬度曲線，黑色桿線為CT掃描觀察割理寬度；第7道紅色線為阿爾奇公式法割理孔隙度計(jì)算割理滲透率，藍(lán)色線為雙側(cè)向法割理孔隙度計(jì)算割理滲透率

2.3 割理孔隙度與滲透率計(jì)算

分別利用基于阿爾奇公式方法與雙側(cè)向電阻率方法計(jì)算煤層割理孔隙度，其中地層水電阻率由實(shí)際產(chǎn)出地層水分析資料計(jì)算得到，鉆井液濾液電阻率由測(cè)井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，煤層膠結(jié)指數(shù)由實(shí)際煤巖電阻率實(shí)驗(yàn)獲得，介于1.41～1.75之間，取平均值1.62。

為獲取煤巖割理寬度數(shù)據(jù)，使用μ-CT技術(shù)對(duì)研究區(qū)煤巖樣品進(jìn)行切片掃描[16-17]，為了更清晰觀察煤巖樣品CT掃描圖中割理系統(tǒng)，提取割理信息進(jìn)行三維重建(圖3)，可以清晰地觀測(cè)到煤巖的割理系統(tǒng)，即面割理和端割理；面割理延伸較遠(yuǎn)，端割理分布在面割理之間、與面割理正交，割理寬度約為6～16 μm。利用此數(shù)據(jù)對(duì)雙側(cè)向電阻率曲線計(jì)算的裂縫寬度結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，從而得到煤巖割理寬度曲線，最終采用網(wǎng)狀裂縫模型計(jì)算煤巖割理滲透率。

圖3 PS7D樣品煤巖CT掃描割理系統(tǒng)三維重建圖

經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果(圖2)，Ⅰ類(lèi)煤層割理孔隙度、割理寬度及割理滲透率值最大；Ⅱ類(lèi)煤層割理孔隙度、割理寬度及割理滲透率次之；Ⅲ類(lèi)煤層割理孔隙度、割理寬度及割理滲透率最低。在Ⅰ類(lèi)煤巖割理發(fā)育，基于阿爾奇方法計(jì)算的割理孔隙度略大于雙側(cè)向兩種方法計(jì)算的割理孔隙度；在Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)煤巖割理不發(fā)育時(shí)，基于阿爾奇方法計(jì)算的割理孔隙度明顯大于雙側(cè)向方法計(jì)算的割理孔隙度，由于正交割理對(duì)深淺側(cè)向測(cè)井值的影響更大，所以不能準(zhǔn)確反映煤層割理孔隙度大小。

2.4 割理滲透率與產(chǎn)量關(guān)系分析

利用上述方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)80口煤層氣開(kāi)發(fā)井進(jìn)行測(cè)井資料處理解釋?zhuān)@得3號(hào)煤層割理滲透率參數(shù)(圖4)。分析表明：在煤層含氣量相差不大情況下，煤層氣井平均日產(chǎn)氣量與煤層割理滲透率具有較好的相關(guān)性，煤層割理越發(fā)育，割理孔隙度與割理滲透率值越高，越有利于煤層排采產(chǎn)氣，煤層氣井平均日產(chǎn)氣量越高。因此，利用上述方法計(jì)算割理滲透率，進(jìn)而可以預(yù)測(cè)煤層氣井產(chǎn)氣量。

圖4 研究區(qū)煤層氣井平均日產(chǎn)氣量與割理滲透率關(guān)系

3 結(jié)論

1)煤巖割理發(fā)育程度是控制高階煤層孔隙度和滲透率的主要因素，對(duì)認(rèn)識(shí)煤層物性與產(chǎn)能具有重要意義。由于煤層主要發(fā)育正交裂縫，傳統(tǒng)的基于雙側(cè)向電阻率方法計(jì)算裂縫孔隙度方法不適用，提出了一種基于阿爾奇方法計(jì)算煤巖割理孔隙度的方法。

2)煤層割理滲透率主要決定于割理孔隙度和割理寬度，經(jīng)過(guò)煤巖CT掃描割理三維重建圖標(biāo)定，基于雙側(cè)向電阻率曲線計(jì)算煤巖割理寬度，利用網(wǎng)狀裂縫模型計(jì)算公式對(duì)高階煤巖割理滲透率具有較好的評(píng)價(jià)效果。

3)上述方法用于沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊太原組3號(hào)煤層，計(jì)算得到的割理滲透率與實(shí)際煤層氣井日產(chǎn)氣量具有較好的相關(guān)性，表明該方法的有效性。在煤巖含氣量變化不大情況下，割理滲透率越高，越有利煤層氣井排水采氣，排采速率越高，煤層氣產(chǎn)量越高。