郝麗萍，郭祥光，馬建坡，王 偉，吳存艷，尚 勇，胡 博

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司天津分公司，天津市濱海新區(qū)，300280)

0 引言

當(dāng)前，以綠色低碳為方向的新一輪能源革命正在全球蓬勃興起，煤炭地下氣化作為一種煤炭原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)，變物理采煤為化學(xué)采煤，具有安全性高、環(huán)境友好、高效等特點(diǎn)[1-3]。煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,UCG)是指通過一定的工藝技術(shù)，在原位條件下，將地層中的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，使其在熱作用及化學(xué)作用下產(chǎn)生可燃燒氣體(包括CH4、H2、CO等)的過程[4-7]。煤炭地下氣化是一門融多學(xué)科為一體的綜合性能源生產(chǎn)技術(shù)，涉及到地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、鉆井技術(shù)、點(diǎn)火燃燒控制技術(shù)、產(chǎn)品氣加工利用技術(shù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)等一系列技術(shù)[8]，其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用需要不同學(xué)科協(xié)同合作，測(cè)井作為地球物理探測(cè)技術(shù)之一可以為煤炭地下氣化工程提供一定的技術(shù)支撐。從國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還沒有取得規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的原因分析可見，地質(zhì)選區(qū)過程中論證不充分為主要原因之一，如因地層水大量涌入氣化腔導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)停止等；另外，煤炭地下氣化過程中，當(dāng)涌水量增加到一定量時(shí)，水分會(huì)帶走氣化工作面大量熱量，使得溫度急劇下降，導(dǎo)致煤氣熱值大大降低，甚至迫使氣化停止[9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤炭地下氣化工程的可行性開展研究較多，對(duì)水文地質(zhì)條件作為可行性研究的一部分進(jìn)行了綜述，具體利用測(cè)井資料對(duì)煤系地層含水性識(shí)別及進(jìn)行含水量預(yù)測(cè)研究較少。本文在煤巖及煤巖頂?shù)装蹇紫督Y(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，利用測(cè)井資料進(jìn)行煤系地層含水性識(shí)別及含水量預(yù)測(cè)，為煤炭地下氣化選址工作提供一定的技術(shù)支撐，對(duì)相似井田的煤炭地下氣化工程提供借鑒和指導(dǎo)。

1 氣化目標(biāo)煤巖及頂?shù)装鍘r石孔隙結(jié)構(gòu)分析

1.1 不同煤階煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分析

煤巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而煤巖孔隙中的水分布與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，同時(shí)也是進(jìn)行煤巖含水量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。煤巖孔隙中的水包括吸著水(強(qiáng)結(jié)合水)、薄膜水(弱結(jié)合水)、重力水、毛細(xì)水、氣態(tài)水5類。其中，吸著水和薄膜水都是受分子引力和靜電引力作用而吸附于巖石顆粒表面的水，不傳遞靜水壓力，統(tǒng)稱結(jié)合水。重力水和毛細(xì)水均可傳遞靜水壓力，統(tǒng)稱液態(tài)水，是煤儲(chǔ)層地下水滲流研究的主要對(duì)象[10]。氣態(tài)水隨氣體流動(dòng)而流動(dòng)，并在一定溫度、壓力條件下與液態(tài)水相互轉(zhuǎn)化，保持動(dòng)平衡[11]。蘇聯(lián)學(xué)者霍多特(Ходот，B.B.)將煤孔隙分成大孔( 孔徑>1 000 nm )、中孔(孔徑100～1 000 nm )、小孔(孔徑10～100 nm)和微孔(孔徑<10 nm)[12]。其中微孔和小孔在煤儲(chǔ)層中所占比例較大，提供了煤層氣的吸附空間；中孔和大孔提供了游離氣的空間，同時(shí)也是煤儲(chǔ)層液態(tài)水儲(chǔ)集的空間[13]。

樣品核磁共振測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室較為準(zhǔn)確進(jìn)行煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分析的手段之一。為了分析不同煤階煤巖孔隙特征，實(shí)驗(yàn)室選取不同煤階煤巖樣品，將樣品置于配置好的飽和鹽水中，在真空條件下飽和24 h以上進(jìn)行核磁共振測(cè)試，獲得飽和水狀態(tài)下不同煤階核磁共振T2譜特征分布。由于弛豫機(jī)制和弛豫速度的差異[14]，不同孔徑孔隙中的流體將有不同的觀測(cè)弛豫速度，出現(xiàn)在T2譜的不同位置上，因此可以用飽和水T2譜表征煤巖孔隙結(jié)構(gòu)，不同煤階核磁共振T2譜特征分布如圖1所示。

由圖1可以看出，弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)不同的孔徑大小，孔徑越大，T2譜弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，譜峰面積越大，所代表的孔隙越多。圖1(a)中雙峰不連續(xù)分布，左峰譜峰面積明顯大于右峰譜峰面積，微小孔所占比例高；圖1(b)中雙峰連續(xù)分布，微小孔減少，中孔比例增加；圖1(c)中三峰連續(xù)分布，微小孔更少，中大孔比例增加。煤巖孔隙結(jié)構(gòu)和煤巖組分及煤分子結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，煤孔隙結(jié)構(gòu)隨著煤階段的不同而變化，隨著煤演化程度的加強(qiáng)，大孔受物理壓實(shí)作用使大孔破碎，水分排出，使得原生孔隙減少[15]。因此，低階煤的結(jié)構(gòu)松散，孔隙體積大，中、大孔占一定比例；中階煤大孔隙減少，中、小孔較發(fā)育；高階煤孔隙體積小，微孔占主導(dǎo)地位。

圖1 不同煤階核磁共振T2譜特征分布

1.2 氣化目標(biāo)煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分析

氣化目標(biāo)研究區(qū)為侏羅系發(fā)育西山窯組和八道灣組2套煤層，陸相成煤，面積大、厚度大、發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定；其中西山窯組煤層埋深在1 500 m以淺，鏡質(zhì)體反射率Ro普遍小于0.6%，煤階以中低煤階為主，屬褐煤-長(zhǎng)焰煤，是氣化優(yōu)勢(shì)煤種。針對(duì)研究區(qū)氣化煤巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室核磁共振測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 測(cè)試井煤巖樣品核磁共振T2譜特征分布

由圖2可以看出，不同樣品孔隙度有所差異，導(dǎo)致譜峰幅度高低有所不同，但不同樣品孔隙結(jié)構(gòu)基本相似，均為三峰連續(xù)分布，與低階煤孔隙結(jié)構(gòu)一致，可見研究區(qū)煤巖為低階煤。

1.3 氣化煤巖頂?shù)装鍘r石孔隙結(jié)構(gòu)分析

研究區(qū)西山窯組煤層頂板巖性以泥巖、碳質(zhì)泥巖為主。取頂板6塊巖樣在實(shí)驗(yàn)室做飽和水核磁共振實(shí)驗(yàn)，獲得的T2譜如圖3所示。

圖3 測(cè)試井頂板巖石核磁共振T2譜特征分布

由圖3可以看出，6塊巖樣的核磁共振T2譜形態(tài)基本一致，均呈單峰分布，譜峰位置在0.01～0.1 ms 之間，以微小孔為主，中大孔不發(fā)育，不含可動(dòng)水。

研究區(qū)西山窯組煤層底板巖性以泥質(zhì)粉砂巖或細(xì)砂巖為主。取底板9塊巖樣在實(shí)驗(yàn)室做飽和水核磁共振實(shí)驗(yàn)，獲得的T2譜如圖4所示。

圖4 測(cè)試井底板巖石核磁共振T2譜特征分布

由圖4可以看出，底板巖樣的核磁共振T2譜圖形與頂板巖樣相比有明顯不同，首先T2譜圖形連續(xù)不間斷分布，從1號(hào)-9號(hào)樣品，譜圖逐漸寬緩，表明其孔隙結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化；1號(hào)樣和2號(hào)樣譜圖基本重疊，窄單峰明顯，表明這2個(gè)樣品和頂板巖性基本一致，為泥巖特征；3號(hào)樣和4號(hào)樣譜圖基本重疊，譜峰分布比1號(hào)樣和2號(hào)樣靠右，表明泥質(zhì)含量有所減少，砂質(zhì)含量有所增加；5號(hào)～9號(hào)樣，譜峰更加靠右，譜圖右邊信號(hào)逐漸增多，表明砂質(zhì)含量更多，孔隙結(jié)構(gòu)變好，微小孔減少，中大孔增多，可動(dòng)水含量增加。

2 含水性識(shí)別及含水量預(yù)測(cè)

2.1 煤巖含水量預(yù)測(cè)

由上文煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分析可見，研究區(qū)煤巖為低階煤，中大孔占一定比例，中孔和大孔提供了游離氣的儲(chǔ)集空間，同時(shí)也是煤儲(chǔ)層液態(tài)水儲(chǔ)集的空間。要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤巖含水量，首先需要確定游離氣含量。本文收集整理了70余塊次低階煤煤芯實(shí)驗(yàn)室含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其含氣量與深度關(guān)系見圖5。

由圖5可以看出，煤巖含氣量與深度相關(guān)關(guān)系并不明顯，深度在1 300 m以內(nèi)，低階煤空氣干燥基含氣量基本小于7.0 cm3/g。研究區(qū)測(cè)試井氣化煤層在地層中埋深約1 000 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試井資料確定的地層壓力梯度為0.912，計(jì)算氣化煤層深度地層壓力約為9 MPa。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)研究區(qū)測(cè)試井煤芯進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)壓力為9 Mpa時(shí)吸附含氣量為9.2 cm3/g，如圖6所示，遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的低階煤總含氣量7.0 cm3/g，說明研究區(qū)測(cè)試井煤儲(chǔ)層在原始狀態(tài)下，煤層氣處于吸附狀態(tài)，孔隙中游離氣含量很少，可以認(rèn)為煤儲(chǔ)層孔隙都是被地層水所填充，即煤儲(chǔ)層含水飽和度為100%。

圖5 煤巖含氣量與深度關(guān)系

圖6 測(cè)試井等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試

預(yù)測(cè)煤層含水量，需要考慮煤層中的全部水，包括結(jié)合水和液態(tài)水；結(jié)合水主要分布在孔隙直徑小于100 nm 的微小孔中，液態(tài)水主要分布在大于100 nm 的大孔和裂隙中[11]。核磁共振測(cè)井是一種可以準(zhǔn)確測(cè)量包括微小孔和大孔在內(nèi)的煤層總孔隙度的測(cè)井方法，總孔隙度為巖石樣品中所有孔隙空間體積與該巖樣總體積的比值。煤層的非均質(zhì)性可以用孔隙度進(jìn)行表征，隨著深度變化，孔隙度發(fā)生變化，核磁共振測(cè)井可以提供一條隨深度變化的連續(xù)的總孔隙度曲線。假設(shè)煤層厚度為Hm，按測(cè)井采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)為0.125 m/點(diǎn)，則每個(gè)厚度為0.125 m的煤層單元其孔隙度均不同。本文研究區(qū)煤層孔隙里全部充填水，通過容積法可計(jì)算單位面積的煤層總含水量，見式(1)：

(1)

式中：Gm——單位面積的煤層總含水量，m3；

Hm——煤層厚度，m；

j——采樣點(diǎn)，無量綱；

A——煤層面積，設(shè)為1 m2；

Φj——第j個(gè)0.125 m厚度煤層總孔隙度， %。

2.2 煤巖頂?shù)装鍘r層含水性識(shí)別及含水量預(yù)測(cè)

2.2.1 含水性識(shí)別

中子測(cè)井能夠測(cè)量地層對(duì)中子的減速能力，測(cè)量結(jié)果主要反映地層的含氫量。為了方便，在中子測(cè)井中把淡水的含氫量規(guī)定為一個(gè)單位，用它來衡量地層中所有其它巖石或礦物的含氫量。1 cm3的任何巖石或礦物中氫核數(shù)與同樣體積的淡水中氫核數(shù)的比值，稱為該巖石或礦物的含氫指數(shù)，用HI表示[16]。按此規(guī)定，淡水(純水)含氫指數(shù)為1，而任何其它物質(zhì)的含氫指數(shù)將與其單位體積內(nèi)的氫核數(shù)成正比，即：

(2)

式中：HI——含氫指數(shù)，無量綱；

K——比例常數(shù)，無量綱；

ρ——介質(zhì)密度，g/cm3；

x——介質(zhì)分子中的氫原子數(shù)，無量綱；

M——介質(zhì)的分子量，無量綱。

補(bǔ)償中子孔隙度測(cè)井是在貼井壁的滑板上安裝同位素中子源和遠(yuǎn)、近2個(gè)熱中子探測(cè)器，用遠(yuǎn)、近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值來測(cè)量地層含氫指數(shù)的一種測(cè)井方法[17]，其測(cè)量的是地層中所有氫的含量響應(yīng)，包括地層孔隙可動(dòng)流體中氫的含量、束縛水中氫的含量以及巖石結(jié)晶水中氫的含量響應(yīng)[18]。對(duì)于氣化煤巖頂?shù)装鍍?chǔ)層，考慮到儲(chǔ)層內(nèi)可能含水含氣的特征，按體積模型計(jì)算儲(chǔ)層總含水孔隙度CN見式(3)和式(4)：

(4)

式中：CN——儲(chǔ)層總含水孔隙度， %；

Hma——巖石骨架含氫指數(shù)，無量綱；

φ——地層孔隙度， %；

Hw——儲(chǔ)層孔隙中水的含氫指數(shù)，無量綱；

Sw——孔隙中含水飽和度， %；

Hg——儲(chǔ)層孔隙中天然氣的含氫指數(shù)，無量綱；

φw——地層含水孔隙度， %。

假設(shè)儲(chǔ)層巖性很純，泥質(zhì)含量很少，不考慮泥質(zhì)的影響，儲(chǔ)層骨架含氫指數(shù)為零(Hma=0)，儲(chǔ)層中水的含氫指數(shù)接近于1(Hw≈1)，儲(chǔ)層中天然氣的含氫指數(shù)很小也近似于零(Hg≈0)，則式(3)結(jié)合式(4)可以變換為式(5)，即補(bǔ)償中子測(cè)井曲線測(cè)量數(shù)值約等于儲(chǔ)層總含水孔隙度。

(5)

對(duì)于泥巖而言，地層中主要是束縛水，補(bǔ)償中子測(cè)井測(cè)量的是束縛水孔隙度。自然伽馬測(cè)井能夠反映儲(chǔ)層泥質(zhì)含量，理論上自然伽馬曲線數(shù)值高低與儲(chǔ)層泥質(zhì)含量多少呈線性相關(guān)關(guān)系。因此選取與目標(biāo)儲(chǔ)層相鄰近的純泥巖層作為標(biāo)志層，讀取其補(bǔ)償中子測(cè)井曲線數(shù)值(CN泥巖)和自然伽馬測(cè)井曲線數(shù)值(GR泥巖)，依據(jù)表征泥質(zhì)含量的自然伽馬曲線，通過線性關(guān)系計(jì)算，構(gòu)建目標(biāo)儲(chǔ)層束縛水孔隙度(CN束縛)，見式(6)：

(6)

式中：CN束縛——儲(chǔ)層束縛水孔隙度， %；

GR——儲(chǔ)層自然伽馬測(cè)井曲線數(shù)值，API；

GR泥巖——純泥巖層自然伽馬測(cè)井曲線數(shù)值，API；

CN泥巖——純泥巖層補(bǔ)償中子測(cè)井曲線數(shù)值， %。

儲(chǔ)層可動(dòng)水孔隙度用CC表示，為儲(chǔ)層總含水孔隙度CN和儲(chǔ)層束縛水孔隙度CN束縛二者差值，見式(7)：

CC=CN-CN束縛

(7)

式中：CC——儲(chǔ)層可動(dòng)水孔隙度， %。

通過計(jì)算，若CC>0，說明儲(chǔ)層中含有可動(dòng)水，且數(shù)值越大可動(dòng)水體積越大，由此進(jìn)行儲(chǔ)層含水性識(shí)別。

2.2.2 含水量預(yù)測(cè)

評(píng)價(jià)煤巖頂?shù)装鍍?chǔ)層含水量，首先通過測(cè)井巖性及物性資料判別儲(chǔ)層有效性，對(duì)于無效儲(chǔ)層，微小孔中所含可動(dòng)水量很少，不予考慮；對(duì)于有效儲(chǔ)層，重點(diǎn)考慮儲(chǔ)集于中大孔中的可動(dòng)水，核磁共振測(cè)井可提供反映中大孔的有效孔隙度。同時(shí)需要考慮到儲(chǔ)層可能含氣或是含油，必須先準(zhǔn)確計(jì)算儲(chǔ)層含水飽和度，方可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)層含水量。本文在研究區(qū)取煤巖頂?shù)装鍘r樣20塊，以阿爾奇(Archie)公式為基礎(chǔ)，通過取芯樣品的巖電實(shí)驗(yàn)測(cè)量，計(jì)算出頂?shù)装鍍?chǔ)層的含水飽和度。為了預(yù)測(cè)煤巖頂?shù)装鍍?chǔ)層含水量，利用容積法計(jì)算單位面積的儲(chǔ)層總含水量GC，見式(8)：

(8)

式中:Gc——單位面積的儲(chǔ)層總含水量，m3；

Hc——儲(chǔ)層厚度，m；

A——儲(chǔ)層面積，設(shè)為1 m2；

PORj——第j個(gè)0.125 m厚度儲(chǔ)層的有效孔隙度， %；

Swj——第j個(gè)0.125 m厚度儲(chǔ)層的含水飽和度， %。

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用煤系地層含水性識(shí)別及含水量預(yù)測(cè)測(cè)井評(píng)價(jià)方法對(duì)研究區(qū)測(cè)試井進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖7所示。

圖7 測(cè)試井煤系地層含水性識(shí)別及含水量預(yù)測(cè)測(cè)井評(píng)價(jià)成果

由圖7可見，第1列為地層深度；第2列為巖性測(cè)井曲線；第3列為電阻率測(cè)井曲線；第4列為孔隙度測(cè)井曲線；第5列為核磁共振測(cè)井標(biāo)準(zhǔn)T2譜，可以評(píng)價(jià)煤層及頂?shù)装鍍?chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)；第6列為可動(dòng)水孔隙度曲線，可以對(duì)頂?shù)装迳皫r進(jìn)行含水性識(shí)別；第7列為煤層及頂?shù)装搴壳€，可以對(duì)含水量進(jìn)行預(yù)測(cè)；第8列為巖性剖面；第9列為測(cè)井解釋結(jié)論。從第5列核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜可見，煤層三峰連續(xù)分布，第1個(gè)譜峰幅度較高，微孔所占比例較大，第2個(gè)譜峰和第3個(gè)譜峰幅度較低，中大孔所占比例雖然小于微孔，但也比較發(fā)育，與低階煤孔隙結(jié)構(gòu)一致，可以判定研究區(qū)發(fā)育為低階煤。應(yīng)用本文研究方法對(duì)煤層進(jìn)行含水量預(yù)測(cè)，煤層單位面積內(nèi)累積含水量約為22 m3；煤層底板發(fā)育一套砂巖，從核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜可知，該層基本呈單峰分布，譜峰靠后，孔隙結(jié)構(gòu)好，以中大孔為主，孔隙內(nèi)束縛流體少，以可動(dòng)流體為主；應(yīng)用本文研究方法對(duì)該層進(jìn)行含水性識(shí)別，計(jì)算可動(dòng)水孔隙度為5%～10%,結(jié)合巖性曲線、電阻率曲線及孔隙度曲線，認(rèn)為煤層底板儲(chǔ)層為水層，單位面積內(nèi)累積含水量約為17 m3。煤層頂板為大套厚泥巖分布，從核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜可知，泥巖譜峰靠左，基本以束縛流體為主，可動(dòng)水很少。

4 結(jié)論

(1)通過煤巖核磁共振實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，明確了變質(zhì)程度較高的煤(高階煤)基本以微小孔隙為主；變質(zhì)程度較低的煤(中階煤)微小孔減少，中孔比例增加；低階煤(褐煤、長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤)微小孔更少，中大孔比例增加；研究區(qū)煤巖為低階煤典型特征，為煤炭地下氣化優(yōu)勢(shì)煤巖。

(2)研究區(qū)煤巖頂板巖層孔隙基本呈微小孔分布，泥巖特征，不含可動(dòng)水；煤巖底板孔隙結(jié)構(gòu)好，束縛流體少，可動(dòng)水含量高。

(3)利用實(shí)驗(yàn)室煤芯等溫吸附實(shí)驗(yàn)和含氣量測(cè)試結(jié)果綜合判定研究區(qū)煤巖煤層氣處于吸附狀態(tài)，孔隙中游離氣含量很少，認(rèn)為煤儲(chǔ)層孔隙都是被地層水填充，通過容積法計(jì)算煤巖含水體積，預(yù)測(cè)煤巖含水量；利用補(bǔ)償中子測(cè)井測(cè)量原理，通過體積模型計(jì)算煤巖底板儲(chǔ)層可動(dòng)水體積，可以較為準(zhǔn)確判斷研究區(qū)煤巖底板含水性；利用實(shí)驗(yàn)室?guī)r石實(shí)驗(yàn)確定巖電參數(shù)，準(zhǔn)確求取底板巖層含水飽和度，通過容積法計(jì)算儲(chǔ)層含水體積，從而預(yù)測(cè)煤巖底板含水量。