紅石橋煤層氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋精細(xì)評(píng)價(jià)

陳 娜，王亞輝，米慧慧，吳文濤，郭珊珊

(陜西地礦物化探隊(duì)有限公司，陜西 西安 710043)

0 前言

我國(guó)當(dāng)今常規(guī)油氣資源難以滿足經(jīng)濟(jì)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(guó)儲(chǔ)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(guò)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(jì)，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?dú)狻Ｃ簩恿芽p的存在，使得煤儲(chǔ)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(chǔ)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(cè)井具有快速、高效、低成本等優(yōu)勢(shì)[15]。本次以榆林市紅石橋煤田為研究對(duì)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(chǔ)層測(cè)井解釋模型，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的定量認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)，并為后期煤層氣是否具有開發(fā)價(jià)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(tái)坳北部東緣，整體構(gòu)造簡(jiǎn)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(guò)10層，可采煤層為2#、3#、3-1#、4-1#、5#、6#、8#、f1#。經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(guó)煤階劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]，則發(fā)育的煤種以長(zhǎng)焰煤為主。儲(chǔ)層溫度范圍為13.57°～19.66°；儲(chǔ)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(chǔ)層鏡質(zhì)體最大反射率測(cè)定結(jié)果

2 煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

煤層氣儲(chǔ)層是煤層的主要載體，煤層氣資源儲(chǔ)量的高低受儲(chǔ)層空間特征和物性分布的影響。本次將煤芯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料相結(jié)合，對(duì)儲(chǔ)層的頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)特征、物性及含氣量進(jìn)行精細(xì)研究，最終建立適合本研究區(qū)的煤層氣測(cè)井解釋模型。

圖1 研究區(qū)工業(yè)組分間、固定碳與測(cè)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(duì)煤層含氣量的評(píng)價(jià)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(jī)組分，其豐度值影響含氣量的大小；灰分主要是煤層中的無(wú)機(jī)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(duì)工業(yè)組分的研究方法有巖心分析法與測(cè)井解釋法[17-18]。本次對(duì)工業(yè)組分的分析采用測(cè)井解釋法，即以煤心工業(yè)組分的測(cè)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(cè)井曲線相關(guān)聯(lián)，最終獲得煤巖工業(yè)組分的預(yù)測(cè)模型。

基于研究區(qū)10個(gè)煤樣工業(yè)測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，對(duì)各工業(yè)組分間、固定碳與補(bǔ)償密度進(jìn)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(qiáng)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(guò)補(bǔ)償密度與固定碳的散點(diǎn)分析可知：二者成較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性極強(qiáng)，因此本研究區(qū)采用補(bǔ)償密度擬合計(jì)算固定碳含量，最后確定的工業(yè)組分預(yù)測(cè)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(cè)模型與常規(guī)砂巖儲(chǔ)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(lái)確定研究區(qū)孔隙度值，其主要計(jì)算過(guò)程為：

(1)視孔隙度=(真密度-視密度)/真密度

(2)骨架密度=(補(bǔ)償密度-視孔隙度)/(1-視孔隙度)

(3)反算骨架密度值與補(bǔ)償密度交會(huì)分析，獲得預(yù)測(cè)骨架密度參數(shù)模型(圖2)

(4)預(yù)測(cè)孔隙度=(預(yù)測(cè)骨架密度-補(bǔ)償密度)/(預(yù)測(cè)骨架密度-1)(表2)。

通過(guò)預(yù)測(cè)的孔隙度值與視孔隙度值45°交會(huì)圖可知(圖3)，預(yù)測(cè)孔隙度圍繞45°線分布，說(shuō)明反算骨架密度來(lái)預(yù)測(cè)孔隙度的結(jié)果可靠。

圖2 研究區(qū)補(bǔ)償密度與骨架密度交會(huì)圖 圖3 研究區(qū)預(yù)測(cè)孔隙度與視孔隙度45°交會(huì)圖

表2 研究區(qū)預(yù)測(cè)孔隙度

2.3 煤層含氣性分析

煤層含氣量是評(píng)價(jià)煤層儲(chǔ)層重要參數(shù)之一。含氣量的預(yù)測(cè)方法有KIM、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元回歸分析等[19]。經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：多元回歸模型在各個(gè)煤田含氣量預(yù)測(cè)效果均較好。多元回歸方法多為通過(guò)優(yōu)選出煤層氣含量的敏感性測(cè)井參數(shù)[20]，再將煤芯測(cè)試的含氣量與選出的測(cè)井參數(shù)做回歸分析，建立含氣量模型，最終達(dá)到預(yù)測(cè)目的。

因此本次將研究區(qū)21個(gè)測(cè)試樣品獲得的含氣量與對(duì)應(yīng)的測(cè)井參數(shù)做散點(diǎn)分析，從而選出與含氣量較敏感的測(cè)井參數(shù)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(如圖4)：含氣量與DEN、AC、GR、Fc 和Ad相關(guān)性較強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)煤層含氣量與各測(cè)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(gè)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(cè)含氣量與實(shí)測(cè)含氣量45°交會(huì)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(jì)學(xué)意義)，則回歸方程有效。

為了對(duì)比真實(shí)值與預(yù)測(cè)值間的誤差，繪制了利用回歸模型獲得的預(yù)測(cè)含氣量與實(shí)測(cè)含氣量45°散點(diǎn)交會(huì)圖像(如圖5)，發(fā)現(xiàn)二者圍繞45°線分布，則表明預(yù)測(cè)模型有效。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

QZK231X井是研究區(qū)一口煤層氣評(píng)價(jià)井，根據(jù)上述研究成果對(duì)目的煤層進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)(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(cè)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(cè)孔隙度值為7.05%，預(yù)測(cè)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(zhǎng)焰煤、氣煤-瘦煤煤層氣儲(chǔ)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(jià)值較低。

圖6 研究區(qū)QZK2井測(cè)井綜合解釋成果

表3 研究區(qū)QZK231X井煤層氣測(cè)井預(yù)測(cè)綜合統(tǒng)計(jì)值

4 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，補(bǔ)償密度與固定碳相關(guān)性較強(qiáng)，則通過(guò)補(bǔ)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(cè)井解釋模型。

(2)通過(guò)補(bǔ)償密度反算骨架密度，進(jìn)而得到的預(yù)測(cè)孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度值關(guān)聯(lián)度較高，因此利用補(bǔ)償密度建立孔隙度預(yù)測(cè)模型有效，能定量評(píng)價(jià)煤層儲(chǔ)層的物性特征。

(3)本研究區(qū)將測(cè)試的含氣量與固定碳、灰分及測(cè)井參數(shù)做多元回歸分析，利用多元回歸式預(yù)測(cè)的含氣量與測(cè)試含氣量交會(huì)，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(jià)值。