陳 娜，王亞輝，米慧慧，吳文濤，郭珊珊

(陜西地礦物化探隊有限公司，陜西 西安 710043)

0 前言

我國當(dāng)今常規(guī)油氣資源難以滿足經(jīng)濟的快速發(fā)展，非常規(guī)油氣資源的勘探與開發(fā)受到重視[1-3]。煤層氣作為一種非常規(guī)油氣資源，在我國儲量豐富且具有廣闊的勘探與開發(fā)前景[4-7]，因此開展煤層氣研究具有十分的必要性與緊迫性。

煤層氣是煤的伴生資源，是煤層在煤化的過程中生成的以吸附狀為主[8]，主要賦存于基質(zhì)孔隙中的天然氣資源[9-11]。此外，煤層氣還以游離態(tài)、溶解態(tài)存在，在高變質(zhì)煤體中，這兩種氣體占比小，可忽略不計，但在中低變質(zhì)煤中，需考慮游離與溶解態(tài)的氣體含量。其成分以甲烷為主，其次為重?zé)N類與氮氣。煤層裂縫的存在，使得煤儲層具雙重孔隙結(jié)構(gòu)即基質(zhì)孔隙與裂縫孔隙的[12]；其中，基質(zhì)孔隙擁有較大的比表面積，是甲烷吸附的主要載體，而裂縫不但構(gòu)成煤層氣的滲流通道[13]，且裂縫孔隙中充填的地層水，還為煤儲層提供壓力。煤層含氣量與埋深、厚度、溫壓、變質(zhì)程度、煤質(zhì)成分、煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性、裂縫發(fā)育程度等多種因素相關(guān)聯(lián)[14]。

在煤層氣的研究中，測井具有快速、高效、低成本等優(yōu)勢[15]。本次以榆林市紅石橋煤田為研究對象，開展煤層氣工業(yè)組分、物性及含氣量的精細(xì)研究，建立煤層氣儲層測井解釋模型，以期實現(xiàn)對煤層氣儲層的定量認(rèn)識與評價，并為后期煤層氣是否具有開發(fā)價值提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況

紅石橋煤田位于陜甘寧臺坳北部東緣，整體構(gòu)造簡單，為一向西傾斜的單斜體，其中發(fā)育褶皺構(gòu)造和脆性斷裂(帶)。含煤地層為石炭二疊系的延安組和富縣組，含煤層超過10層，可采煤層為2#、3#、3-1#、4-1#、5#、6#、8#、f1#。經(jīng)統(tǒng)計研究區(qū)煤體鏡質(zhì)體反射率發(fā)現(xiàn)(表1)，其Ro值主要分布在0.45～0.61之間，根據(jù)我國煤階劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]，則發(fā)育的煤種以長焰煤為主。儲層溫度范圍為13.57°～19.66°；儲層壓力0.85～4.25 MPa，壓力梯度0.34～0.96 MPa/100m；地應(yīng)力2.85～5.19 MPa，應(yīng)力梯度1.05～1.46 MPa/100m。

表1 研究區(qū)可采煤層儲層鏡質(zhì)體最大反射率測定結(jié)果

2 煤層氣儲層評價

煤層氣儲層是煤層的主要載體，煤層氣資源儲量的高低受儲層空間特征和物性分布的影響。本次將煤芯實驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場測井資料相結(jié)合，對儲層的頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)特征、物性及含氣量進行精細(xì)研究，最終建立適合本研究區(qū)的煤層氣測井解釋模型。

圖1 研究區(qū)工業(yè)組分間、固定碳與測井曲線相關(guān)性分析

2.1 煤質(zhì)特征

煤質(zhì)特征即為煤巖工業(yè)組分特征，煤層工業(yè)組分不僅能反應(yīng)煤層質(zhì)量，還對煤層含氣量的評價具有重要意義。其主要包括固定碳、灰分、揮發(fā)分及水分。固定碳是煤層中的有機組分，其豐度值影響含氣量的大??；灰分主要是煤層中的無機組分即礦物和雜質(zhì)等，其含量大小與含氣量呈負(fù)相關(guān)性；水分和揮發(fā)分的存在不利于煤層氣的吸附。目前對工業(yè)組分的研究方法有巖心分析法與測井解釋法[17-18]。本次對工業(yè)組分的分析采用測井解釋法，即以煤心工業(yè)組分的測試數(shù)據(jù)為依托，分析各組分間以及固定碳、灰分與密度測井曲線相關(guān)聯(lián)，最終獲得煤巖工業(yè)組分的預(yù)測模型。

基于研究區(qū)10個煤樣工業(yè)測試分析的基礎(chǔ)上，對各工業(yè)組分間、固定碳與補償密度進行相關(guān)性分析(圖1)。結(jié)果表明：固定碳與灰分、揮發(fā)分具較強相關(guān)性，與水分相關(guān)性較弱；灰分與揮發(fā)分、水分的相關(guān)性均較弱。通過補償密度與固定碳的散點分析可知：二者成較強的負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性極強，因此本研究區(qū)采用補償密度擬合計算固定碳含量，最后確定的工業(yè)組分預(yù)測模型為：

Fc=-71.411·DEN+150.11

Ad=-1.1173·Fc+69.23

Vdaf=-0.603 6·Fc+69.858

Mad=-0.416 7·Vdaf+20.943

2.2 煤層物性特征

煤層物性特征是指孔隙度與滲透率。煤層特殊的雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致孔滲預(yù)測模型與常規(guī)砂巖儲層的孔滲研究有較大差異。

為了獲得煤層孔隙度參數(shù)，引入反算骨架密度法，來確定研究區(qū)孔隙度值，其主要計算過程為：

(1)視孔隙度=(真密度-視密度)/真密度

(2)骨架密度=(補償密度-視孔隙度)/(1-視孔隙度)

(3)反算骨架密度值與補償密度交會分析，獲得預(yù)測骨架密度參數(shù)模型(圖2)

(4)預(yù)測孔隙度=(預(yù)測骨架密度-補償密度)/(預(yù)測骨架密度-1)(表2)。

通過預(yù)測的孔隙度值與視孔隙度值45°交會圖可知(圖3)，預(yù)測孔隙度圍繞45°線分布，說明反算骨架密度來預(yù)測孔隙度的結(jié)果可靠。

圖2 研究區(qū)補償密度與骨架密度交會圖 圖3 研究區(qū)預(yù)測孔隙度與視孔隙度45°交會圖

表2 研究區(qū)預(yù)測孔隙度

2.3 煤層含氣性分析

煤層含氣量是評價煤層儲層重要參數(shù)之一。含氣量的預(yù)測方法有KIM、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元回歸分析等[19]。經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：多元回歸模型在各個煤田含氣量預(yù)測效果均較好。多元回歸方法多為通過優(yōu)選出煤層氣含量的敏感性測井參數(shù)[20]，再將煤芯測試的含氣量與選出的測井參數(shù)做回歸分析，建立含氣量模型，最終達到預(yù)測目的。

因此本次將研究區(qū)21個測試樣品獲得的含氣量與對應(yīng)的測井參數(shù)做散點分析，從而選出與含氣量較敏感的測井參數(shù)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(如圖4)：含氣量與DEN、AC、GR、Fc 和Ad相關(guān)性較強。

圖4 研究區(qū)煤層含氣量與各測井參數(shù)相關(guān)性分析

設(shè)含氣量VGAS，經(jīng)相關(guān)性分析，可以利用上述五個參數(shù)做多元回歸分析，最終建立的含氣量模型為：

VGAS=0.001396AC+0.001036GR-2.8729DEN-0.00217Ad-0.0398Fc+5.5332

圖5 研究區(qū)預(yù)測含氣量與實測含氣量45°交會圖分析

R=0.68；F=6.39，P=0.002(P<=0.01，則結(jié)果具有極其顯著統(tǒng)計學(xué)意義)，則回歸方程有效。

為了對比真實值與預(yù)測值間的誤差，繪制了利用回歸模型獲得的預(yù)測含氣量與實測含氣量45°散點交會圖像(如圖5)，發(fā)現(xiàn)二者圍繞45°線分布，則表明預(yù)測模型有效。

3 應(yīng)用實例分析

QZK231X井是研究區(qū)一口煤層氣評價井，根據(jù)上述研究成果對目的煤層進行詳細(xì)評價(表3、圖6)。煤層頂?shù)装鍘r性比值較高，則封蓋性良好；預(yù)測的工業(yè)組分中固定碳、灰分、揮發(fā)分和水分均值分別為40.79%、22.02%、45.42%和2.69%；預(yù)測孔隙度值為7.05%，預(yù)測含氣量值0.28 mL/g。

研究區(qū)煤層頂?shù)装宸馍w性較好，但煤層變質(zhì)程度低，鏡質(zhì)組組分含量較低，煤的生氣能力較差，造成煤層含氣量偏低，小于《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》(GB/T29119-2012)褐煤-長焰煤、氣煤-瘦煤煤層氣儲量估算的下限標(biāo)準(zhǔn)1 m3/t，故井田內(nèi)煤層氣資源開發(fā)利用的價值較低。

圖6 研究區(qū)QZK2井測井綜合解釋成果

表3 研究區(qū)QZK231X井煤層氣測井預(yù)測綜合統(tǒng)計值

4 結(jié)語

(1)經(jīng)統(tǒng)計，補償密度與固定碳相關(guān)性較強，則通過補償密度與固定碳、固定碳與其他工業(yè)組分間的相關(guān)性，最終建立了工業(yè)組分測井解釋模型。

(2)通過補償密度反算骨架密度，進而得到的預(yù)測孔隙度與實測孔隙度值關(guān)聯(lián)度較高，因此利用補償密度建立孔隙度預(yù)測模型有效，能定量評價煤層儲層的物性特征。

(3)本研究區(qū)將測試的含氣量與固定碳、灰分及測井參數(shù)做多元回歸分析，利用多元回歸式預(yù)測的含氣量與測試含氣量交會，其值圍繞45°線展布，則表明該模型有效。

(4)研究區(qū)煤層變質(zhì)程度低、鏡質(zhì)組組分含量較低，因此煤層的生氣能力較差，造成煤層含氣量偏低，不具有商業(yè)開采價值。