余吾-古城區(qū)塊基于測井參數(shù)的煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測

王 瑞

（山西潞安金源煤層氣開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 長治 046204）

在煤層氣開發(fā)過程中，儲層特性對煤層氣的高效開發(fā)起著至關(guān)重要的作用，從開發(fā)前的儲層的滲透性、含氣量到生產(chǎn)開發(fā)時的壓裂方式及排采工作制度，煤體結(jié)構(gòu)一直是制約煤層氣產(chǎn)量的主要因素。隨著科技的進(jìn)步，測井技術(shù)也不斷地革新，目前應(yīng)用于煤層氣開發(fā)的測井方式主要有：自然電位測井、電阻率測井、雙感應(yīng)測井和雙向測井等等。隨著大量的測井技術(shù)的更新，利用巖芯描述和測井響應(yīng)相結(jié)合的手段對目的煤層及頂?shù)装宓拿后w結(jié)構(gòu)的判別越來越準(zhǔn)確。余吾-古城區(qū)塊煤層瓦斯壓力高且含量大，不僅對安全生產(chǎn)造成巨大隱患，并且對煤層氣資源未能形成有效利用，因此在地面提前部署地面煤層氣井刻不容緩[1]。為了更高效地進(jìn)行地面煤層氣開發(fā)，在區(qū)塊內(nèi)對7 口煤層氣井進(jìn)行測井解釋，獲得更多的煤層煤體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以便于優(yōu)化煤層氣開發(fā)方案。

1 煤層氣開發(fā)的測井方式及技術(shù)原理

1.1 自然電位測井

在鉆穿地層的過程中，地層與鉆井液接觸，產(chǎn)生擴(kuò)散和吸附，在鉆井液與地層的接觸面產(chǎn)生自然電位。因此，所采用的測井技術(shù)稱為自然電位測井。對于自然電位測井技術(shù)，首先需要對自然電位曲線形狀進(jìn)行研究和分析，如圖1 所示。可以計算出井軸上各點(diǎn)的自然電位的數(shù)值UM，并繪制出自然電位的理論曲線。然后，根據(jù)自然電場的分布，可以定性地分析自然電位曲線的形狀[2]。

圖1 井內(nèi)自然電場分布和自然電位曲線形狀

在砂巖井壁、泥巖井壁以及砂泥巖接觸面上，存在著自然電動勢，沙子、泥巖和鉆井液是導(dǎo)電的，并形成一個閉環(huán)，形成一個自然電流。SP 測井記錄了鉆井液剖面中自然電流的電位降。在遠(yuǎn)離砂巖的泥巖中（如a 點(diǎn)以上），自然電流非常小，幾乎沒有變化，因此在大段泥巖上的SP 曲線基本上是一條直線。在點(diǎn)a 之后，電流強(qiáng)度逐漸增加，并且當(dāng)Cw＞Cmf時，SP 逐漸減小，并且曲線向負(fù)方向偏轉(zhuǎn)。在b 點(diǎn)，在泥巖層和砂巖層的界面處，井內(nèi)自然電流強(qiáng)度最大，電位變化也最大，SP 曲線向負(fù)方向急劇偏轉(zhuǎn)。在形成界面之后，電流密度逐漸降低，電勢繼續(xù)降低。在地層的中心c，電流強(qiáng)度最小，SP曲線幾乎平行于井軸。在砂巖層的下部，自然電流強(qiáng)度逐漸增加，自然電位逐漸增加，曲線向正方向偏轉(zhuǎn)。SP 曲線的特點(diǎn)是鉆井液均勻，巖石巖性相同，SP 曲線與滲透率層中心對稱。當(dāng)?shù)貙虞^厚時，地層邊界可以由曲線半寬點(diǎn)確定。測量的SP 振幅是由井中的自然電流產(chǎn)生的電位降，該電位降總是小于自然電流回路的總電動勢?？蓾B透砂巖的天然潛力主要取決于地層水和鉆井液濾液的相對鹽度，可滲透砂巖可偏轉(zhuǎn)到泥巖基線的左側(cè)或右側(cè)[3]。

1.2 電阻率測井

在電測井中，測量介質(zhì)電阻率的測井方法包括：一般電阻率測井、微電極測井、微側(cè)向測井、球面聚焦測井、相鄰側(cè)向測井、雙側(cè)向測井和感應(yīng)測井。電阻率測井是常規(guī)測井方法之一，屬于電測井的范疇，包括微電極測井、微側(cè)向測井、相鄰側(cè)向測井和微球聚焦測井。微電阻率測井主要用于劃分薄層，計算地層有效厚度，確定沖刷帶電阻率。微球聚焦測井和雙側(cè)向測井包括淺、中、深探測深度。深側(cè)視電阻率RLLD 主要反映地層電阻率的變化，淺側(cè)視電阻率RLLS 主要反映侵入帶電阻率的變化；微球聚焦測井視電阻率RMSFL 主要反映沖刷帶電阻率。利用它們測得的三條視電阻率曲線，可以快速直觀地判斷煤層、氣、水層[4]。

1.3 巖芯描述和測井響應(yīng)相結(jié)合的測井

巖芯描述是指巖芯鉆探工具在鉆探過程中從地面提取的巖石樣本。目前，取芯主要采用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，因此取芯為圓柱形。我國煤炭鉆井的巖芯直徑一般為90～120 mm，個別情況下取直徑160 mm 的巖芯。巖芯的直徑是根據(jù)地質(zhì)學(xué)家的需要以及鉆井機(jī)械的能力和水平來確定的。由于巖芯用于各種分析和研究，很明顯，小直徑的巖芯無法滿足各種分析的需要。巖芯的直徑很大，從巖芯中觀察和收集的數(shù)據(jù)越來越全面。然而，只有在特殊需要的情況下，才能從單個測井中提取大直徑巖芯。巖芯數(shù)據(jù)是地下巖層特征和煤層氣特征的最直接反映，通過對巖芯的觀察、分析，研究巖性和巖相特征。沉積環(huán)境是結(jié)合重礦物、粒度和薄片鑒定等測試技術(shù)確定的。研究古生物化石及其分布特征，確定地層年代，進(jìn)行地層對比。通過對巖芯的觀察和分析，可以發(fā)現(xiàn)煤層氣，并可以觀察和描述巖芯的煤層和煤體，明確煤層分布，合理劃分煤層、砂巖組和煤層氣。研究井下煤體煤層，建立煤層氣參數(shù)圖，確定和劃分有效厚度和層段標(biāo)準(zhǔn)，為儲量計算和煤層氣開發(fā)方案設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)。研究儲層的巖性、物性、電性與含氣量的關(guān)系，從定性和定量兩個方面進(jìn)行解釋。研究地層產(chǎn)狀、地層接觸關(guān)系、裂隙、洞穴、斷層發(fā)育等，檢查開發(fā)效果，研究不同開發(fā)階段的水洗特征和水淹層的效率。研究了水淹層的巖電關(guān)系，并進(jìn)行了定性和定量解釋，它為鉆井泥漿、可鉆性和煤層氣開采過程中的壓裂酸化提供了巖石的物理和化學(xué)數(shù)據(jù)。隨著大量測井技術(shù)的更新，通過巖芯描述和測井響應(yīng)等手段識別目標(biāo)煤層及頂?shù)装宓拿航Y(jié)構(gòu)越來越準(zhǔn)確[5]。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

該區(qū)塊位于潞安礦區(qū)西部，地處山西省長治市屯留區(qū)境內(nèi)。區(qū)塊內(nèi)公路較為發(fā)達(dá)，交通條件便利?？傮w構(gòu)造形態(tài)為走向北北東～南北向西緩傾的單斜，地層傾角3°～13°，一般為6°，在此基礎(chǔ)上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20 m 的斷層和一定數(shù)量斷距小于20 m 的斷層及陷落柱。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖活動。

3 基于GSI 的煤體結(jié)構(gòu)的定量表征

GSI 巖體分類體系由E.Hoek 首先提出，是基于原巖力學(xué)性質(zhì)和巖體觀察結(jié)果估算巖體強(qiáng)度的方法。通過對GSI 巖體分類系統(tǒng)的不斷補(bǔ)充和完善，GSI 巖體分類系統(tǒng)同樣適用于煤巖的分類，根據(jù)煤巖塊度大小以及不連續(xù)面的破壞情況，進(jìn)行巖體系統(tǒng)的分類并賦值，將傳統(tǒng)煤巖分類中的“四分法”“五分法”等等定義進(jìn)行了定量的精細(xì)化描述。GSI 值的引入使得煤體結(jié)構(gòu)的表征具有量化表征的特點(diǎn)，不僅可以快速對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類判別，并且使得煤體結(jié)構(gòu)的判別標(biāo)準(zhǔn)趨于統(tǒng)一化[6]。目前修正量化過的GSI 圖版如圖2 所示。

圖2 修正量化的GSI 圖

4 主要煤層測井解釋及煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測

測井技術(shù)主要通過對巖層四性“電性”“巖性”“物性”“含氣性”進(jìn)行解釋評價，從而實現(xiàn)對目標(biāo)巖層的巖性分析。在對煤層氣井進(jìn)行測井解釋時，常用到的測井參數(shù)有：深、淺側(cè)向電阻率、密度、補(bǔ)償中子、自然伽馬、自然電位、滲透率。利用不同的測井參數(shù)在目的煤層及頂?shù)装鍘r層的波動范圍不同，在選取測井參數(shù)對煤層進(jìn)行解釋時，單一測井參數(shù)的測井解釋無法保證測井結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，選擇相關(guān)性較大且對煤巖層及頂?shù)装鍏^(qū)分度較高的參數(shù)對煤層進(jìn)行判斷，不僅可以減少測井計算的工作量，同時可以保證測井結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，常用來解釋煤體結(jié)構(gòu)的參數(shù)有：

1）聲波時差響應(yīng)

在均勻各向同性介質(zhì)中，縱波速度與彈性模量和密度的關(guān)系表達(dá)：

式中：Vp為縱波速度，m/s；E為彈性模量，N/m2；σ為泊松比；ρ為密度；F/A為應(yīng)力（F為力，A為面積）；ΔL/L為應(yīng)變。

對于不同的巖層與煤層的聲波時差響應(yīng)，由于煤體或巖石的結(jié)構(gòu)變化而引起的密度變化相對較小，不同煤體結(jié)構(gòu)的密度介于1.3～1.6 之間，不同巖石的密度介于1.8～2.1 之間，但由于不同煤巖體的彈性模量差異較大，所以不同煤巖之間的波速差異主要由于彈性模量差異大小而引起。通常情況下，巖石彈性模量大于煤巖彈性模量；煤體結(jié)構(gòu)越差，抵抗變形的能力越差，則變形越大，彈性模量越小，聲波時差越大。因此，聲波時差曲線可以作為判斷煤巖頂?shù)装寮懊后w結(jié)構(gòu)好壞的一項標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)測井曲線中有聲波時差曲線時，可利用聲波時差來判斷煤體結(jié)構(gòu)的好壞。

2）自然伽馬響應(yīng)

自然伽馬的響應(yīng)主要是通過接收煤巖裂隙單位中的放射性物質(zhì)的多少來判斷煤體結(jié)構(gòu)。在連續(xù)煤巖介質(zhì)中，煤巖的破碎程度與裂隙發(fā)育程度相關(guān)，裂隙越發(fā)育煤巖破碎程度越大，可被檢測到的放射性物質(zhì)就越少，自然伽馬值就會降低。因此，煤體結(jié)構(gòu)越破碎，自然伽馬越低

3）密度響應(yīng)

密度測井對煤體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)原理同密度對孔隙度的響應(yīng)類似，煤體結(jié)構(gòu)越破碎，孔裂隙增加，其密度降低，密度測井響應(yīng)有利于識別煤層中的分層或夾矸現(xiàn)象，對于密度響應(yīng)異常的區(qū)段可通過與其他曲線結(jié)合判斷巖性。

4）自然電位響應(yīng)

隨著煤體破壞程度的增加，煤的鏡質(zhì)組反射率增加，氧化反應(yīng)增強(qiáng)，所帶正電荷增多，自然電位顯示出明顯的正異常。因此，構(gòu)造煤比原生結(jié)構(gòu)煤有更高的自然電位。

5）視電阻率電位響應(yīng)

隨著煤體破壞程度的增加，煤的孔隙率增大，吸附并保存了更多的瓦斯氣體，視電阻率相應(yīng)增大，視電阻率電位也增高。

根據(jù)以上不同測井響應(yīng)在不同煤體結(jié)構(gòu)中的判別影響，對余吾-古城區(qū)塊的7 口測井?dāng)?shù)據(jù)中3#煤層的測井平均響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計，如表1 所示。

根據(jù)測井曲線的統(tǒng)計結(jié)果，將7 口測井?dāng)?shù)據(jù)中的3#煤層段以0.25 m 為間隔，共提取72 個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)的測井響應(yīng)判斷，判斷結(jié)果如圖3 所示。

圖3 研究區(qū)3#煤層煤體結(jié)構(gòu)GSI 的測井響應(yīng)

由相關(guān)性分析可知，煤體結(jié)構(gòu)GSI 表征值同聲波時差和補(bǔ)償中子成負(fù)相關(guān)，同補(bǔ)償密度和自然伽馬成正相關(guān)。其中GSI 與聲波時差和補(bǔ)償密度的相關(guān)性較好，補(bǔ)償中子次之，自然伽馬最差。

根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)表征值的測井回歸方程：

GSI=aDT24+bGR+cDEN+dCNCF+e（3）

通過擬合計算出各系數(shù)分別為：a=-0.609，b=0.181，c=0.033，d=-0.438，e=134.085， 相 關(guān) 系數(shù)R2=0.856。

因此根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)測井回歸方程，預(yù)測余吾-古城礦區(qū)7 口地面瓦斯抽采井的煤體結(jié)構(gòu)：

從圖4 中可以看出：煤層的煤體結(jié)構(gòu)差異較大，其中LACG-030 井與LACG-037 井的煤體結(jié)構(gòu)屬于硬煤-軟煤-硬煤的組合方式；LACG-031 屬于硬煤-軟煤組合方式；LACG-032 井屬于軟煤-硬煤-軟煤的組合方式；LACG-033 與LACG-LACG-034 屬于軟硬煤互層組合方式。

圖4 煤體結(jié)構(gòu)示意圖

通過測井參數(shù)對煤體結(jié)構(gòu)的預(yù)測，與現(xiàn)場取芯的結(jié)果相同，因此利用測井參數(shù)對煤層煤體結(jié)構(gòu)的預(yù)測較為準(zhǔn)確。通過對煤體結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)判別，可以為后期地面瓦斯抽采井的壓裂提供一定的技術(shù)支持，選擇合適的煤層段進(jìn)行壓裂將有利于煤層氣產(chǎn)量的提高。

5 結(jié)論

1）研究在煤體結(jié)構(gòu)GSI 表征的基礎(chǔ)上，通過GSI 表征值與測井的相關(guān)性分析，建立煤體結(jié)構(gòu)GSI 表征值的測井解釋模型，從而實現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)的定量表達(dá)。

2）通過聲波時差、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度和自然伽馬等測井參數(shù)對煤體結(jié)構(gòu)的預(yù)測值與現(xiàn)場實際取芯結(jié)果相符，說明可以利用測井資料對煤體結(jié)構(gòu)GSI 值進(jìn)行預(yù)測，從而獲得整個煤層段的煤體結(jié)構(gòu)特征，為后期煤層氣壓裂開發(fā)奠定基礎(chǔ)。