山西煤层气测井解释方法研究.docx
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山西煤层气测井解释方法研究
山西煤层气测井解释方法研究
一煤层电性响应特征
煤层是一种特殊沉积岩，煤层在煤热演化过程中主要产生的副产品是甲烷和少量水，而煤的颗粒细表面积大，每吨煤在0.929×108m2以上，因此煤层具有强吸附能力，所以煤层的甲烷气含量和含氢指数很高。
由于煤层的上述特性，反映在电性曲线上的特征是“三高三低”。
三高是：
电阻率高、声波时差大、中子测井值高（图1）。
三低是：
自然伽马低、体积密度低、光电有效截面低。
根据多井资料统计，煤层的双侧向电阻率变化一般100—7000Ω·m，变质程度差的煤层电阻率一般30—350Ω·m。
测井曲线反映煤层的声波时差一般370—410μs/m；中子值30%—55%；自然伽马一般20—80API；密度测井值1.28—1.7g/cm3；光电有效截面0.35—1.5b/e之间。
不同类型的煤，在电性上的响应有较大的变化。
表1中列出了几种煤类与测井信息的响应值。
表1不同煤类骨架测井响应值
煤类
密度（g/cm3）
中子（%）
声波时差（μs/m）
岩性密度（b/e）
无烟煤
1.47
38
345
0.16
烟煤
1.24
60+
394
0.17
褐煤
1.19
52
525
0.2
图1晋1-1井煤层电性典型曲线图
二煤层工业参数解释
煤的重要参数有：
煤层有效厚度、镜质反射率、含气量、固定碳、水分、灰分、挥发分等，这些参数是研究煤层组分，评价煤层气的地质勘探、工业分析及经济效果的依据。
上述参数一般由钻井取芯后对煤层岩心进行实验测定得出。
1、煤层厚度划分
煤层有效厚度根据电性曲线对煤层的响应特征，以自然伽马和密度或声波时差曲线的半幅度进行划分（见图1），起划厚度为0.6m。
2、含气量计算
煤层含气量与煤层的厚度、煤的热演化程度、煤层深度、温度和压力等参数有密切的关系，由于煤的内表面积大，储气能力高，据国外资料统计，煤层比相同体积的常规砂岩多储1～2倍以上的天然气，相当于孔隙度为30%的砂岩含水饱和度为零时的储气能力。
据此应用气体状态方程和煤层密度计算含气量：
P1V1＝RT1
（1）
P2V2＝RT2
（2）
则V1＝T1·P2·V2/P1T2（3）
式中：
P1——地面压力，0.1MPa；
V1——地面气体体积，m3；
T1——地面绝对温度，273.15℃+15℃；
P2——地下深度压力，MPa；
V2——煤孔隙度按30%计算的体积，0.3m3/m3；
T2——地下深度的绝对温度，273.15℃+T℃；
R——气体常数。
地层温度由井温曲线读出或由地区性地温梯度计算得到。
煤层含气量：
C＝V1/DEN（4）
式中：
DEN——煤体积密度，t/m3：
C——煤层含气量，m3/t。
利用上式对晋试1井煤层的含气量进行计算，其中三号煤层计算平均含气量21.71m3/t，该层有六块岩心实验测定含气量在12.1—27.2m3/t，平均为22.07m3/t，数据对比反映出计算值误差较小。
3、固定碳、水分、灰分、挥发分计算
固定碳、水分、灰分、挥发分通常在实验室测定。
煤水分是指空气干燥状态下吸附或凝聚在煤层颗粒间毛细管中的水分，测定值称为空气干燥基水分（Mad），简称水分。
煤灰分（Aad）是指煤中所有可燃物全部燃烧，煤中的矿物质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应剩下的残渣。
挥发分（Vdaf）是指在煤高温条件下隔绝空气加热，冷却后煤质量减少的百分含量减去该煤样水分即为挥发分产率，简称挥发分。
固定碳（Fc）是煤的百分含量100%减去水分、灰分、挥发分后的值。
固定碳、水分、灰分、挥发分相互间有较好的关系。
图2是灰分与固定碳、挥发分、水分的关系图，图中数据显示，随着灰分增加，固定碳急剧降低，挥发发缓慢增大，而水分由于含量较低变化趋势近似于一条水平线。
根据图中数据间的变化规律可建立以下关系式：
固定碳与灰分关系式Fc＝-1.1222Aad+93.794（5）
挥发分与灰分关系式Vdaf＝0.1532Aad+4.2868（6）
水分与灰分关系式Mad＝-0.02Aad+2.2481（7）
图2煤层工业组分关系图
煤组分测井解释是采用交会图方法，图3是根据煤的固定碳、水分、灰分三种组分实验值与声波、密度平均响应值的关系图版，图中三种组分形成的三角形经等分后可以计算出煤的固定碳、水分和灰分的百分含量。
由图中煤层数据分析，煤质好的层固定碳含量高，水分、灰分含量低；媒质差的层灰分含量相对高。
图3煤组分声波—密度交会图
三煤层物性参数解释
煤层的裂缝较发育，主要有天然方块网状割理缝和构造缝，因此孔隙类型属裂缝—孔隙双重孔隙结构。
煤的基质是主要的储气空间，一般煤的基质孔隙度和渗透率很低，气吸附在微孔隙内表面上，在浓度差的作用下，穿过基质扩散到裂缝中，裂缝的渗透率相对较高，因此裂缝是气渗流的主要通道。
由于煤层的各向异性和强非均质性，煤层的物性参数一般采用岩心物性分析测定或由核磁测井测量来确定煤层孔隙度和渗透率。
当无岩心物性分析资料及核磁测井时，采用常规测井信息中的声波时差、体积密度、补偿中子来计算煤层的物性参数。
1、煤层孔隙度计算
煤层基质孔隙度计算采用声波时差的平均时间公式：
Φ＝（Δt－Δtma）/（Δtf－Δtma）（8）
式中Φ——煤层孔隙度，小数；
Δt——煤层声波测井值，μs/m；
Δtma——岩石骨架声波时差，380～410μs/m；
Δtf——流体声波时差，620μs/m。
煤层裂缝孔隙度采用双侧向电阻率计算：
Φf＝（Rmf（1/Rs－1/Rd））1/mf（9）
式中Φf——煤层裂缝孔隙度，小数；
Rmf——钻井泥浆滤液电阻率，0.1Ω·m；
mf——裂缝指数，1.1-1.5；
Rd——深侧向电阻率，Ω·m；
Rs——浅侧向电阻率，Ω·m。
2、煤层渗透率计算
煤层渗透率计算方程选用经验公式：
Kb=（79·Φ2.25）2/Swi2（10）
式中Kb——煤层基质渗透率，mD；
Swi——束缚水饱和度。
裂缝渗透率：
Kf=8.333×ΦfB2（11）
式中Kf——煤层裂缝渗透率，mD；
B——裂缝开度，μm。
B=2500*Rmf*（1/RLLS-1/RLLD）
或B=2500*Rmf*（1/RLLD-1/RLLS）
四煤层气测井数字处理与解释
1、煤层测井信息数字处理
根据煤层的电性响应特征和煤层参数的解释模型，采用数字处理的方法完成上述工作。
数字处理软件主要选用Geoframe或Forward中的煤层分析模块，复杂岩性处理模块以及自身研制的处理软件，同时考虑区域地质特性合理选取参数，经过精细处理获得煤层厚度、水分、灰分、挥发分、固定碳、含气量等重要参数。
通过曲线组合提供处理成果图（图4），显示井的岩性剖面、矿物含量、煤组分参数、不同岩性的孔隙度、渗透率、泥质含量等。
同时根据划分的解释层提供单井测井解释成果表（表2），详细列出各项参数数据。
图4某井煤层数字处理成果图
某井煤层气测井解释数据表
层位
层号
SDEP（m）
EDEP（m）
H（m）
Rt（Ω·m）
AC（μs/m）
DEN（g/cm3）
GR（API）
水分（%）
灰分（%）
固定碳（%）
挥发分（%）
POR（%）
PERM（mD）
含气量（m3/t）
SH（%）
结论
岩性
1
442.9
445
2.1
98
213
2.72
88.05
3.62
0.047
33.57
干层
灰岩
2
445
452.4
7.4
121
235
2.67
84.82
5.35
1.87
31.63
干层
砂岩
3
508
509.5
1.5
104
222
2.76
104.28
0.5
0
43.65
干层
灰岩
4
521.7
527
5.3
2198
392
1.41
64.97
3.31
8.45
82.9
5.34
2.98
0.023
21.71
气层
煤
5
537.8
539.7
1.9
213
234
2.5
74.91
6.99
0.965
26.61
干层
砂岩
6
550.2
552.5
2.3
38684
193
2.74
52.73
3.05
0.045
15.46
干层
灰岩
7
566.7
567.5
0.8
56
334
1.74
99.65
0
11.1
80.28
8.62
0.33
0.003
12.17
41.38
含气层
泥煤
8
571.8
579
7.2
117
220
2.63
87.53
3.03
0.187
32.93
干层
砂岩
9
589.9
592.6
2.7
29968
194
2.69
35.22
3.66
0.025
7.92
干层
灰岩
10
598.2
606.1
7.9
22579
178
2.67
51.43
1.41
0.072
14.91
干层
灰岩
11
607.2
609.2
2
6541
368
1.39
51.85
2.46
7.55
84.82
5.17
2.71
0.018
19.82
气层
煤
12
619.2
648.9
29.7
2439
159
2.7
31.52
0.46
0.01
6.64
干层
砂岩
2、煤组分及煤气层电性图版分析
利用数字处理结果得到的煤层组分及解释结论与电性数据建立交会图，分析煤组分与电性的相互关系。
图5、图6分别是灰分与自然伽马、灰分与体积密度的交会图，根据图中关系得出：
自然伽马、体积密度增高，煤层灰分含量增大；反之，灰分含量降低。
图7、图8分别是含气量与自然伽马、含气量与体积密度的交会图，图中关系显示：
自然伽马、体积密度降低，煤层含气量增高；反之，煤层含气量降低。
图9是煤层的深侧向电阻率与声波时差交会图，图中反映，结论为气层的煤层电阻率高，声波时差大；含气层结论的煤层，电阻率低，声波时差相应变小。
按数据下限划分气层电阻率大于150Ω·m，声波时差大于365μs/m。
图10是是煤层的深侧向电阻率与计算的含气量交会图，图中显示，气层的含气量一般大于19%，电阻率大于150Ω·m。
根据上述图版分析结果认为，当区域煤层的试气资料增多，层数增加后，利用电性参数和含气量参数可以建立煤层气层电性解释标准。
3、煤层产气量电性预测
利用煤层计算的孔隙度和渗透率的乘积与产气量建立交会图，分析物性参数与产能的关系，来达到产能预测的目的。
图5自然伽马与灰分交会图
图6体积密度与灰分交会图
图7自然伽马与含气量交会图
图8体积密度与含气量交会图
图9深侧向电阻率与声波时差交会图
图10深侧向电阻率与含气量交会图
图11是根据晋试1、晋1-1等6口井平均日产气量与孔隙度、渗透率乘积关系图。
图中显示气层产量与物性数据有较好的对应关系，产能增高，孔渗乘积值增大，对图版数据拟合后相关系数R=0.78。
产能预测方程：
Q=657.5Ln（x）+3192.1（12）
式中X——孔隙度、渗透率乘积；
Q——日产气量。
煤层产气量的高低与煤的孔隙体积大小、煤的热演化程度、煤的含气量大小、煤层的裂缝发育程度和裂缝连通程度等因素有关，其中煤层裂缝发育程度和裂缝的连通性对产气量有直接的影响。
因此，电性资料对裂缝的研究和裂缝渗透率计算的研究是下阶段的重点。
图11煤层气产能电性预测图版
五煤层顶底隔板层电性评价
煤层气藏的保存程度取决于煤层的顶底板层的封隔性和侧向封隔程度。
侧向封隔性主要受构造断层影响，纵向封隔性主要由封隔层岩性、物性和岩石机械力学特性等因素决定。
电性资料研究的主要是顶底隔层的封隔性。
以晋城地区井为列评价隔层的特性。
1、封隔层沉积稳定封盖性能好
晋城地区井的地层岩性剖面处理结果显示，煤层顶底板层的岩性主要是泥岩、灰岩，其次是灰质砂岩、泥质砂岩和灰质泥岩，统计各类岩性的电性有以下几点：
⑴泥岩层厚度大，沉积稳定，压实程度高
3号煤层上覆地层岩性以泥岩为主夹泥质砂岩、灰质砂岩和灰岩，厚度在15—60m之间，区域上沉积稳定。
泥岩的密度2.6—2.7g/cm3，声波时差220—250μs/m，因此压实程度较高。
3号煤层与15号煤层之间岩性也以厚层泥岩为主，15号煤层底部一般有一套厚10m左右的泥岩，泥岩的电性特征与上部泥岩相同。
泥岩下部是厚层的灰岩。
⑵砂岩、灰岩物性差，以致密层为主
砂岩类层体积密度2.55—2.7g/cm3，声波时差210—240μs/m，电阻率50—150Ω·m，泥质含量20—45%，孔隙度5—8%，渗透率0.01—1mD，数据显示为致密层。
灰岩层密度2.71—2.78g/cm3，声波时差200—225μs/m，孔隙度0—5%，渗透率小于0.5mD，解释为致密层。
上述数据说明煤层顶底板层都具有较好的封隔性能，煤层气保护条件好。
2、封隔层具有较强的弹性力学特性
利用岩石力学公式对煤层和隔板层的弹性力学参数计算，分析岩石机械弹性能。
3号和15号煤层计算的杨氏模量为（0.70—0.94）×104MPa，泊松比0.19—0.25。
3号煤层上覆泥岩的杨氏模量（2.48—3.7）×104MPa，泊松比0.32—0.33。
底部泥岩层的杨氏模量（2.57—2.99）×104MPa，泊松比0.33—0.38。
15号煤层顶部灰岩的杨氏模量（6.16—6.98）×104MPa，泊松比0.27—0.30。
底部泥岩层的杨氏模量（2.76—4.56）×104MPa，泊松比0.32—0.35。
上述岩石弹性力学参数比对显示，泥岩、灰岩的杨氏模量和泊松比数值较高而且均大于煤层，反映封隔层的机械性能较强。
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