煤巖參數(shù)測(cè)井解釋方法——以韓城礦區(qū)為例

邵先杰，孫玉波，孫景民，湯達(dá)禎，胥昊，董新秀，呂玉民

（1. 燕山大學(xué)石油工程系；2. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院；3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京））

0 引言

20世紀(jì)80年代，隨著煤田數(shù)字測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，煤田地質(zhì)測(cè)井及解釋技術(shù)不斷完善，其對(duì)煤層厚度、煤質(zhì)的評(píng)價(jià)日趨完善，基本可滿足煤礦開采的需求。但隨著近10多年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層氣的開發(fā)，對(duì)煤儲(chǔ)集層的測(cè)井解釋精度要求越來(lái)越高，指標(biāo)數(shù)量也越來(lái)越多，原先為煤層開采建立的測(cè)井解釋系統(tǒng)和方法已不能滿足煤層氣開發(fā)的需要[1]。

韓城地區(qū)主要發(fā)育石炭-二疊系煤層，主要含煤層位為3#、5#、11#3個(gè)煤層，埋藏深度一般400～1 000 m，單層厚度1.5～10.0 m，地層壓力系數(shù)0.6～0.8，孔隙度 1.5%～8.0%，滲透率 0.01×10?3～2.50×10?3μm2，含氣量3.51～14.13 m3/t。以瘦煤、貧煤為主，部分為焦煤，主要特點(diǎn)是低壓、低滲、高含氣。截至2011年底，韓城地區(qū)已有各類生產(chǎn)井近千口，是中國(guó)煤層氣開發(fā)規(guī)模較大、生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、資料最豐富的地區(qū)之一[2]，為開展煤儲(chǔ)集層綜合研究奠定了基礎(chǔ)。

1 煤巖參數(shù)測(cè)井解釋原理

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于煤的測(cè)井解釋方法基本上沿用了砂巖儲(chǔ)集層的測(cè)井解釋方法，即把煤儲(chǔ)集層看作由固定碳、揮發(fā)分、灰分（包括泥質(zhì)和其他礦物）、水分（孔隙中充滿的水）4部分組成，根據(jù)各組分對(duì)補(bǔ)償密度、補(bǔ)償中子、聲波速度的貢獻(xiàn)，建立響應(yīng)方程[3]，求出煤巖參數(shù)，然后利用煤巖參數(shù)與含氣量之間的關(guān)系，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或其他方法求出煤層氣含氣量[4]。由于揮發(fā)分的物理參數(shù)不易得到，故把揮發(fā)分與固定碳合并為一種組分進(jìn)行計(jì)算，但是固定碳和揮發(fā)分的物理參數(shù)對(duì)測(cè)井響應(yīng)差別非常大，合并為一種組分求出的煤巖工業(yè)組分有很大誤差；同時(shí)，對(duì)固定碳、灰分的物理參數(shù)測(cè)試存在一定困難，故采用的也是近似估算值；建立模型時(shí)忽略了甲烷組分?；谏鲜鲈颍蟪龅拿簩託夂瑲饬空`差很大。筆者通過(guò)對(duì)韓城礦區(qū)大量煤樣密度和聲波速度參數(shù)的測(cè)定，采用枚舉法準(zhǔn)確標(biāo)定固定碳、灰分、揮發(fā)分的密度和聲波速度值；研究煤巖工業(yè)組分之間的關(guān)系及其對(duì)補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)，建立煤儲(chǔ)集層工業(yè)組分、孔隙度和含氣量解釋模型；編制測(cè)井解釋軟件，并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)效果。

2 煤巖實(shí)驗(yàn)及工業(yè)組分物理參數(shù)標(biāo)定

按照《煤的工業(yè)分析方法》[5]、《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》[6]和《巖石聲波特性的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定》[7]等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供的技術(shù)方法，筆者分別測(cè)定了韓城礦區(qū)煤巖的工業(yè)組分、含氣量、密度、孔隙度和聲波速度參數(shù)。由于煤巖易碎，制樣比較困難，因此本實(shí)驗(yàn)共采樣165塊，成功樣品90塊，成功率54.5%，其中各項(xiàng)參數(shù)齊全的樣品28個(gè)（見表1）。測(cè)試結(jié)果表明：煤層的灰分含量為5.91%～75.25%，平均為21.87%；固定碳含量為14.44%～81.45%，平均為64.57%；揮發(fā)分含量為8.75%～20.27%，平均為12.98%；干燥基總含氣量為1.12～16.91 m3/t，平均為8.34 m3/t；密度為1.40～1.80 g/cm3，平均為 1.54 g/cm3；聲波速度為2 182.94～2 759.35 m/s，平均為2 367.67 m/s（為了模擬地下實(shí)際情況，聲波速度在煤巖飽含水條件下測(cè)定）。

測(cè)井上常用的“巖石體積模型”是根據(jù)巖石的組成，按其物理性質(zhì)的差異，把單位體積巖石劃分成幾個(gè)部分[8-9]，然后研究每一部分對(duì)宏觀巖石響應(yīng)物理量的貢獻(xiàn)，并把巖石的宏觀物理量響應(yīng)看成是各部分貢獻(xiàn)之和[10-11]。

煤巖工業(yè)組分中的揮發(fā)分是煤樣在隔絕空氣的條件下，加熱到900±10 ℃時(shí)揮發(fā)掉的部分，用實(shí)驗(yàn)方法不可能直接測(cè)出揮發(fā)分的密度、聲波速度等物理參數(shù)。灰分、固定碳的聲波速度直接測(cè)定也存在很大困難和誤差，因?yàn)榈玫降幕曳趾凸潭ㄌ荚僦谱鞒蓽y(cè)量聲波速度的樣品時(shí)就會(huì)改變其結(jié)構(gòu)，影響測(cè)試結(jié)果[12]。

雖然煤巖各工業(yè)組分的物理參數(shù)不能直接測(cè)試得到[13]，但在長(zhǎng)期實(shí)踐中摸索出了依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用枚舉法間接計(jì)算煤巖工業(yè)組分物理參數(shù)的方法，實(shí)踐證明結(jié)果能夠滿足煤儲(chǔ)集層參數(shù)解釋的精度要求。

假定干燥煤巖樣品的密度為灰分、固定碳、揮發(fā)分和水分（內(nèi)在水）各組分貢獻(xiàn)之和，即：

依據(jù)表 1中的數(shù)據(jù)采用枚舉法標(biāo)定結(jié)果為：灰分密度為2.47 g/cm3，固定碳密度為1.39 g/cm3，揮發(fā)分密度1.05 g/cm3，所有樣品的平均相對(duì)誤差為2.0%，精度較高。

表1 韓城地區(qū)煤儲(chǔ)集層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

同樣，假定煤巖樣品的聲波速度等于灰分、固定碳、揮發(fā)分、水分（內(nèi)在水）和孔隙水各組分貢獻(xiàn)之和（聲波速度實(shí)驗(yàn)時(shí)，孔隙中飽含水，此時(shí)工業(yè)組分的百分含量要與孔隙水和內(nèi)在水一起重新?lián)Q算，使之總和為100%），即：

依據(jù)表 1中的數(shù)據(jù)采用枚舉法標(biāo)定結(jié)果為：灰分聲波速度為3 480 m/s，固定碳聲波速度為2 310 m/s，揮發(fā)分聲波速度為1 770 m/s，所有樣品的平均相對(duì)誤差為 3.9%。由此可知，3者的測(cè)井聲波時(shí)差分別為287.36 μs/m、432.90 μs/m 和 564.97 μs/m。

根據(jù)表 1實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合煤巖密度與固定碳、灰分含量關(guān)系，結(jié)果顯示（見圖 1、圖 2），煤巖密度與灰分含量呈正相關(guān)，與固定碳含量呈負(fù)相關(guān)。由于固定碳疏松多孔，密度低，煤巖的聲波速度與固定碳含量呈負(fù)相關(guān)（見圖3），與灰分含量呈正相關(guān)（見圖4）。

圖1 煤巖密度與灰分含量關(guān)系圖

圖2 煤巖密度與固定碳含量關(guān)系圖

3 煤巖工業(yè)組分的測(cè)井響應(yīng)

韓城礦區(qū)目前主要進(jìn)行了補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波、補(bǔ)償中子、深淺側(cè)向、自然電位、自然伽馬、井徑等測(cè)井，上述測(cè)井系列在一定程度上能夠反映巖性、煤巖性質(zhì)、孔隙度、含氣狀況，也可以用于間接估算滲透率[14]。

圖3 煤巖聲波速度與固定碳含量關(guān)系圖

圖4 煤巖聲波速度與灰分含量關(guān)系圖

煤層相對(duì)于圍巖測(cè)井曲線特征差異較大，測(cè)井曲線突出表現(xiàn)為：密度低、自然伽馬低、自然電位負(fù)異常、聲波時(shí)差大、補(bǔ)償中子孔隙度高、電阻率高，即具有“三高三低”特點(diǎn)。結(jié)合煤層擴(kuò)徑率較高的特點(diǎn)，通?？刹捎萌斯そ忉尩姆椒▌澐置簩?，或采用模式識(shí)別方法自動(dòng)劃分煤層、識(shí)別巖性。

通過(guò)對(duì)12口井90個(gè)樣品的準(zhǔn)確歸位，統(tǒng)計(jì)了各樣品層段的補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井值?？紤]到樣品歸位時(shí)可能存在誤差，對(duì)于測(cè)井曲線跳躍比較大的層段取鄰近幾個(gè)樣品的平均值作為樣品的測(cè)井響應(yīng)值。

密度測(cè)井可以定量解釋不同巖層的密度。由于不同煤層的組分不同，密度存在差異，密度測(cè)井曲線上的響應(yīng)也存在一定差異。根據(jù)取心井資料統(tǒng)計(jì)了灰分含量、固定碳含量與補(bǔ)償密度測(cè)井參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明：隨著灰分含量增加、固定碳含量降低，補(bǔ)償密度測(cè)井值增大（見圖 5、圖 6）。同時(shí)，工業(yè)組分含量與聲波測(cè)井值之間也存在一定關(guān)系：隨著灰分含量降低、固定碳含量增加，補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井值增大（見圖 7、圖 8）。煤儲(chǔ)集層工業(yè)組分與測(cè)井響應(yīng)之間的良好關(guān)系為建立測(cè)井解釋模型奠定了基礎(chǔ)。

4 煤儲(chǔ)集層工業(yè)組分、孔隙度、含氣量測(cè)井解釋模型

圖5 補(bǔ)償密度測(cè)井與灰分含量關(guān)系圖

圖6 補(bǔ)償密度測(cè)井與固定碳含量關(guān)系圖

圖7 補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井與灰分含量關(guān)系圖

圖8 補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井與固定碳含量關(guān)系圖

前已述及，隨著灰分含量的增加，煤巖補(bǔ)償密度測(cè)井值增大、補(bǔ)償聲波時(shí)差值降低；相反，隨著固定碳含量的增加，補(bǔ)償密度測(cè)井值降低、補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井值增加。上述關(guān)系都存在較好的相關(guān)性，因此，可以以這兩種測(cè)井曲線為基本參數(shù)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系，通過(guò)多元回歸分析，分別建立灰分和固定碳含量的測(cè)井解釋模型。

灰分含量多元回歸模型為：Sad=?6.480 3?0.099 9 Δt+45.396 7ρDEN，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.924 3；固定碳含量多元回歸模型：lnSfcd=?31.245 0 + 11.204 7 lnΔt + 1.846 1 lnρDEN?0.886 8(lnΔt)2?3.425(lnρDEN)2，復(fù)相關(guān)系數(shù) R=0.954 2。

根據(jù)測(cè)井學(xué)上常用的體積模型法[15]，把煤儲(chǔ)集層看作是由固定碳、灰分、揮發(fā)分、內(nèi)在水、孔隙水和吸附甲烷等 6部分構(gòu)成，依據(jù)補(bǔ)償密度測(cè)井和聲波時(shí)差測(cè)井可以列出如下方程組：

上述方程組中，Sfcd、Sad已求出，內(nèi)在水含量Smad一般小于1%，韓城地區(qū)平均為0.65%，可忽略不計(jì)，甲烷在地下呈凝聚態(tài)（或液態(tài)）吸附在基質(zhì)顆粒表面，其密度ρg取 0.375 g/cm3，聲波時(shí)差值 Δtg取757 μs/m。固定碳、灰分、揮發(fā)分的密度和聲波時(shí)差前述實(shí)驗(yàn)已經(jīng)標(biāo)定，分別為ρfcd=1.39 g/cm3、Δtfcd=432.90 μs/m、ρa(bǔ)d=2.47 g/cm3、Δtad=287.36 μs/m、ρvdaf=1.05 g/cm3、Δtvdaf=564.97 μs/m，內(nèi)在水和孔隙水的密度ρmad=ρw=1.0 g/cm3、聲波時(shí)差Δtmad=Δtw=666.67 μs/m。這樣就只有揮發(fā)分含量Svdaf、孔隙水含量Sw和吸附態(tài)甲烷含量Sg3個(gè)未知數(shù)，通過(guò)解上述方程組，就可以求出這3個(gè)參數(shù)。Sw、Sg之和即為孔隙度，Sg為單位體積的煤在地下吸附態(tài)的含氣量，地下凝聚態(tài)（液態(tài)）甲烷密度為0.375 g/cm3，地面條件下甲烷氣體的密度為6.756×10?4g/cm3[16-17]，通過(guò)換算可得到地面每噸煤的含氣量Sg′：

上述方法確定的固定碳、灰分、揮發(fā)分含量是在整個(gè)煤儲(chǔ)集層中的比例，即各自在全部 6組分中的比例，可通過(guò)換算求出各自在干燥煤樣中的百分含量。

5 應(yīng)用實(shí)例

筆者利用上述研究成果編制了一套煤層氣測(cè)井解釋軟件，對(duì)研究區(qū)內(nèi)部分新取心井進(jìn)行了測(cè)井解釋，將結(jié)果與巖心實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（見表 2、圖 9），結(jié)果表明，灰分含量、固定碳含量、揮發(fā)分含量、含氣量、孔隙度平均相對(duì)誤差分別為 3.38%、2.33%、7.64%、3.68%、5.55%，測(cè)井解釋精度較高，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

表2 HHS2井測(cè)井解釋結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖9 HHS2井煤儲(chǔ)集層參數(shù)解釋結(jié)果

6 結(jié)論

煤層含氣量、密度及聲波時(shí)差特性受煤巖工業(yè)組分的影響比較明顯，隨著固定碳含量增加、灰分含量降低，煤層測(cè)井密度值降低，聲波時(shí)差值增大。筆者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，采用枚舉法標(biāo)定煤巖各工業(yè)組分的密度、聲波速度，在理論上依據(jù)充分，實(shí)際應(yīng)用中可操作性強(qiáng)，結(jié)果精度高。該方法解決了煤巖各組分物理參數(shù)無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)定的難題，為準(zhǔn)確建立測(cè)井解釋模型奠定了基礎(chǔ)。將統(tǒng)計(jì)分析法與理論模型法相結(jié)合，建立研究區(qū)煤儲(chǔ)集層工業(yè)組分、含氣量、孔隙度解釋模型，進(jìn)而編制了煤層氣綜合測(cè)井解釋軟件，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

符號(hào)注釋：

ρ——煤巖密度，g/cm3；ρa(bǔ)d——灰分密度，g/cm3；Sad——灰分相對(duì)含量，%；ρfcd——固定碳密度，g/cm3；Sfcd——固定碳相對(duì)含量，%；ρvdaf——揮發(fā)分密度，g/cm3；Svdaf——揮發(fā)分相對(duì)含量，%；ρmad——水分（內(nèi)在水）密度，取1.0 g/cm3；Smad——水分（內(nèi)在水）相對(duì)含量，%；v——煤巖聲波速度，m/s；vad——灰分聲波速度，m/s；vfcd——固定碳聲波速度，m/s；vvdaf——揮發(fā)分聲波速度，m/s；vmad——內(nèi)在水聲波速度，取1 500 m/s；vw——孔隙水聲波速度，m/s；Sw——孔隙水相對(duì)含量，%；ρw——孔隙水密度，g/cm3；Sg——吸附態(tài)甲烷相對(duì)含量，%；ρg——吸附態(tài)甲烷密度，

g/cm3；Δt——煤巖聲波時(shí)差，μs/m；Δtfcd——固定碳的聲波時(shí)差，μs/m；Δtad——灰分的聲波時(shí)差，μs/m；Δtvdaf——揮發(fā)分的聲波時(shí)差，μs/m；Δtmad——內(nèi)在水的聲波時(shí)差，μs/m；Δtw——孔隙水的聲波時(shí)差，μs/m；Δtg——吸附態(tài)甲烷的聲波時(shí)差，μs/m；Sg′——地面每噸煤的含氣量，m3/t；GR——自然伽馬，API；SP——自然電位，mV；ρDEN——補(bǔ)償密度，g/cm3；φCNL——補(bǔ)償中子孔隙度，%；RLLD——深側(cè)向電阻率，?·m；RLLS——淺側(cè)向電阻率，?·m；R——復(fù)相關(guān)系數(shù)。

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