煤層氣地球物理測井研究現(xiàn)狀及前景展望

喬雨朋，邵先杰，霍夢穎，謝啟紅，張珉，時(shí)培兵

（燕山大學(xué)石油工程系，河北 秦皇島 066004）

煤層氣地球物理測井研究現(xiàn)狀及前景展望

喬雨朋，邵先杰，霍夢穎，謝啟紅，張珉，時(shí)培兵

（燕山大學(xué)石油工程系，河北 秦皇島 066004）

地球物理測井在煤層氣儲層分析和評價(jià)方面具有經(jīng)濟(jì)、快捷等優(yōu)點(diǎn)，是煤層氣開發(fā)過程中不可或缺的內(nèi)容。在煤層氣勘探開發(fā)過程中，煤層氣地球物理測井是識別煤層、分析煤質(zhì)特征、評價(jià)煤儲層孔滲特性及含氣量的重要手段。在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)外煤層氣地球物理測井的研究、應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，總結(jié)了煤層氣地球物理測井在各方面取得的新成果，指出了煤層氣地球物理測井面臨的問題，并分析了其發(fā)展趨勢。

煤層氣；測井評價(jià)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1　研究現(xiàn)狀

煤層氣地球物理測井在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用于煤層的識別，采集煤儲層數(shù)據(jù)，計(jì)算工業(yè)組分及計(jì)算含氣量等。美國、加拿大等是較早開發(fā)利用煤層氣的國家，在煤層氣地球物理測井研究、應(yīng)用方面取得了諸多成果，而我國煤層氣起步雖然較晚，在近年來同樣也取得了一定的成果［1］。

1.1煤層氣儲層測井響應(yīng)特征

與常規(guī)儲層相比，煤儲層具有其特有的測井響應(yīng)特征，國內(nèi)外諸多學(xué)者研究總結(jié)為“三高三低”的特征（見圖1），即聲波時(shí)差高、中子測井高、電阻率高、密度低、自然伽馬低、自然電位低。又有人總結(jié)為“四高四低”，添加了井徑高和光電吸收截面指數(shù)低。1993年，P.L.Scholes［2］從煤巖的礦物組成及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)論述了煤巖常規(guī)測井響應(yīng)機(jī)理。2003年，王敦則等［3］詳細(xì)描述了各種測井方法的響應(yīng)特征、主要用途及優(yōu)缺點(diǎn)。2010年，楊東根［4］通過分析煤巖黏土礦物中放射性元素含量，論述了自然伽馬與灰分含量的正相關(guān)關(guān)系。2011年，姚軍朋等［5］敘述了構(gòu)造煤的電法測井、聲波測井及放射性測井的測井響應(yīng)特征。2013年，邵先杰等［6］通過對韓城礦區(qū)12口井90個煤樣的統(tǒng)計(jì)，研究了補(bǔ)償聲波時(shí)差與灰分含量、固定碳含量的響應(yīng)關(guān)系，補(bǔ)償密度測井與灰分含量、固定碳含量的響應(yīng)關(guān)系。謝學(xué)恒等［7］針對沁南地區(qū)山西組3#，15#煤層，制定了測井響應(yīng)對煤體結(jié)構(gòu)的識別表。金澤亮等［8］論述了常用測井方法的響應(yīng)特征及其響應(yīng)機(jī)理。2014年，郭濤等［9］分析了硬煤與軟煤的測井響應(yīng)差異。

圖1　煤巖測井響應(yīng)特征

1.2煤層識別與劃分

1983年，H.H.Rieke等［10］應(yīng)用碳氧比測井識別煤巖并用于勘探。1996年，侯俊勝等［11］提出利用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合煤田測井?dāng)?shù)據(jù)用于煤層的自動分類。1991年，D.J.Johnston等［12］利用地球化學(xué)測井，根據(jù)煤巖元素的變化確定煤級，并建立了不同煤巖類型的測井識別表。2003年，傅雪海等［13］在兩淮煤田利用測井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用聚類分析法將煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤、碎斑煤、糜棱煤3種類型。2005年，湯友誼等［14］針對構(gòu)造軟煤分層計(jì)算機(jī)識別的特殊性，應(yīng)用斜率方差分層、概率計(jì)算識別的方法，實(shí)現(xiàn)了利用鉆孔測井曲線對構(gòu)造軟煤的計(jì)算機(jī)“自動”識別。Y.Yang等［15］發(fā)現(xiàn)井眼擴(kuò)徑較為嚴(yán)重時(shí)，利用密度測井確定煤層，值往往偏大，可結(jié)合電阻率測井、伽馬測井進(jìn)行煤層的劃分。2008年，烏洪翠等［16］根據(jù)勝利油田深部煤層的測井響應(yīng)特征，利用中子密度交會法實(shí)現(xiàn)了對煤系的自動劃分。2011年，姚軍朋等［5］闡述了構(gòu)造煤的巖石物理與測井響應(yīng)特征，并在此基礎(chǔ)上，利用測井資料，通過Archie公式求取孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m進(jìn)行構(gòu)造煤的定量識別。2013年，邵先杰等［17］根據(jù)韓城礦區(qū)巖電關(guān)系，確定了不同煤巖類型電性參數(shù)分布區(qū)間并建立了解釋圖版。謝學(xué)恒等［7］根據(jù)沁水地區(qū)碎粒煤與糜棱煤的不同測井響應(yīng)特征，得出煤體結(jié)構(gòu)的定量判別表，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)了補(bǔ)償密度、井徑、補(bǔ)償聲波與煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)n的關(guān)系式，并將其作為煤體結(jié)構(gòu)的判識指標(biāo)。2014年，陳躍等［18］應(yīng)用韓城礦區(qū)煤樣，結(jié)合深側(cè)向電阻率測井、井徑測井及自然伽馬測井曲線在塊煤、塊粉煤、粉煤中不同的形態(tài)特征，提出了利用測井曲線組合識別煤體結(jié)構(gòu)的方法。劉鵬等［19］應(yīng)用多極子陣列聲波測井技術(shù)用于煤層的識別與煤層厚度的計(jì)算。馮雷等［20］應(yīng)用多極子陣列聲波測井得到的縱波時(shí)差、橫波時(shí)差、體積模型和泊松比等地層參數(shù)，制定縱橫波比值和縱波時(shí)差交會圖、泊松比和體積模量交會圖識別煤層氣層。郭濤等［9］運(yùn)用延川南煤氣田40多口取心井的煤心觀察和測井資料，建立補(bǔ)償中子與井徑的交會圖、補(bǔ)償中子與聲波時(shí)差的交會圖，用于識別硬煤與軟煤。

1.3煤質(zhì)分析

煤巖的工業(yè)組分包括固定碳、灰分、水分及揮發(fā)分，通常由實(shí)驗(yàn)室測試獲得。在生產(chǎn)實(shí)踐中，測井技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)組分分析與煤質(zhì)評價(jià)。1989年，哈里伯頓公司的M.J.Mullen［21］在對圣胡安盆地東北部的煤巖工業(yè)組分分析時(shí)，建立了體積密度與灰分的解釋模型，并回歸了灰分與固定碳、水分的解釋模型。1991年，U.Ahmed［22］提出將地球化學(xué)測井用于煤質(zhì)評價(jià)，進(jìn)一步提高了測井解釋煤質(zhì)組分的精度。2003年，葛祥等［23］建立了深側(cè)向電阻率與微球電阻率比值、井徑與鉆頭直徑比值2個指標(biāo)，用于識別煤質(zhì)結(jié)構(gòu)，并利用多元回歸概率模型建立了煤巖鏡質(zhì)反射率的測井計(jì)算模式。2005年，潘和平［24］對華北地區(qū)煤層氣井建立了煤質(zhì)參數(shù)的解釋模型，并將其應(yīng)用于該地區(qū)7口煤層氣井，效果較好。2011年，趙毅等［25］確定了自然伽馬求取煤巖工業(yè)組分參數(shù)定量評價(jià)的方法，并利用改進(jìn)后的蘭氏方程計(jì)算煤層含氣量。2011年，毛志強(qiáng)等［26］綜合鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、松遼和沁水4個盆地6個井區(qū)的煤層氣測井資料，建立了厚煤層煤階類型識別圖版。2013年，金澤亮等［8］根據(jù)沁水盆地柿莊區(qū)塊的大量測井及巖心分析資料，基于體積模型和概率統(tǒng)計(jì)模型，確定煤巖各工業(yè)組分含量。邵先杰等［6］通過對韓城礦區(qū)參數(shù)煤樣的統(tǒng)計(jì)，回歸了補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差測井與灰分和固定碳的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，通過多元回歸建立了灰分和固定碳的測井解釋模型，并編制了煤層氣綜合測井解釋軟件，實(shí)際應(yīng)用效果良好。2014年，黃兆輝［27］提出：計(jì)算工業(yè)組分時(shí)，在樣品數(shù)據(jù)充足的情況下，優(yōu)選基于統(tǒng)計(jì)模型的一元或多元回歸分析法能較為合理地反映測井?dāng)?shù)據(jù)與煤巖工業(yè)分析數(shù)據(jù)的關(guān)系，對于小樣品數(shù)據(jù)，以測井?dāng)?shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型預(yù)測未知煤巖工業(yè)組分；在缺少實(shí)驗(yàn)室工業(yè)分析數(shù)據(jù)時(shí)，采用基于體積模型的約束最優(yōu)化算法預(yù)測煤巖工業(yè)組分。

1.4煤儲層孔、滲評價(jià)

煤儲層裂隙發(fā)育狀況對儲層產(chǎn)能及開發(fā)具有重要意義，將測井技術(shù)用于煤儲層裂隙評價(jià)，可以幫助預(yù)測其是否為有效儲集層。1975年，W.H.Somerton等［28］開展了應(yīng)力對煤巖滲透率的影響研究實(shí)驗(yàn)。1985年，A. M.Sibbit等［29］提出，在裂縫性地層中利用雙側(cè)向測井計(jì)算裂縫的張開度。1991年，D.Hoyer［30］證明了應(yīng)用雙側(cè)向測井來分析煤層裂縫孔隙度的有效性。1994年，R.Aguilera［31］考慮到煤巖多為垂向裂縫的特點(diǎn)，基于“火柴棍”模型，提出了一種利用雙側(cè)向電阻率測井計(jì)算煤巖裂縫孔隙度的迭代方法，并將裂縫評價(jià)過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。2002年，黃烈林等［32］在簡化測井解釋模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了利用雙側(cè)向測井資料確定裂縫等效寬度的公式，并對公式的使用條件與意義進(jìn)行了探討。2011年，董維武［33］選用雙側(cè)向測井，利用迭代法計(jì)算煤層裂縫孔隙度，并結(jié)合裂縫寬度評價(jià)煤層滲透率。J.Li等［34］根據(jù)流體與煤巖密度的不同，利用密度測井資料應(yīng)用公式求取煤儲層有效孔隙度。2013年，王文學(xué)等［35］應(yīng)用微電阻率掃描成像測井技術(shù)，在山西沁水地區(qū)對裂縫角度、傾向進(jìn)行了詳細(xì)描述。2014年，劉鵬等［19］以Biot-Rosenbaum簡化理論模型為基礎(chǔ)，利用斯通利波數(shù)據(jù)提取煤儲層滲透率。馮雷等［20］多極子陣列聲波測井對煤儲層裂縫發(fā)育情況進(jìn)行了識別。

1.5煤層氣含量評價(jià)

煤層含氣量反映了煤儲層的含氣性，它決定著儲層的產(chǎn)能，也是評價(jià)其開發(fā)潛力的重要參數(shù)。1992年，J.M.Hawkins等［36］利用Kim方程原始等溫吸附數(shù)據(jù)，應(yīng)用測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合蘭格繆爾方程評估煤層含氣量。1996年，潘和平等［37］依據(jù)密度測井資料估算煤層含氣量，建立了華北地區(qū)煤層含氣量方程。2003年，陳宏亮等［38］分析了回歸法和中子、密度測井計(jì)算法2種煤層含氣量計(jì)算方法，認(rèn)為回歸法中密度測井參數(shù)與含氣量的相關(guān)性最好，而中子、密度測井計(jì)算法理論可行，可操作性差，現(xiàn)實(shí)意義不大。2008年，A.K.Bhanja等［39］在對Jharia以及Barmer-Sanchore兩個礦區(qū)的煤層氣含量與測井參數(shù)的相關(guān)性研究時(shí)，構(gòu)建了復(fù)合參數(shù)C= DT/（ρbPeGR），指出了煤層含氣量與該參數(shù)的正相關(guān)關(guān)系。2009年，X.Fu等［40］應(yīng)改良的累積氣體測量方法——MT-77-84解析法測定煤層氣含量，將其同地球物理測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，確定了含氣量與測井資料的解釋模型。2011年，王安龍等［41］采用逐步判別分析法，確定了復(fù)合參數(shù)P=AC/（GR·DEN），并建立了其與含氣量的關(guān)系模型，在此基礎(chǔ)上，編寫了煤層氣含氣量及工業(yè)組分解釋軟件。2013年，邵先杰等［17］通過對韓城礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，建立了產(chǎn)能預(yù)測模板，可根據(jù)補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差測井值預(yù)測產(chǎn)能。R.Chatterjee等［42］應(yīng)用Jharia煤田含氣量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，利用聲波、密度、伽馬及Pe值等測井?dāng)?shù)據(jù)求取含氣量，并將所求值與周圍煤田類比，證明了其結(jié)果的可靠性。金澤亮等［8］根據(jù)沁水盆地柿莊區(qū)塊的測井資料，利用蘭氏方程與多元線性回歸確定了煤層含氣量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。2014年，黃兆輝［43］提出以煤層平均數(shù)據(jù)為研究對象，采用多元逐步回歸分析法，得到了基于對數(shù)變換形式的測井資料含氣量方程。

2　煤層氣測井技術(shù)存在問題

由于煤儲層介質(zhì)本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致測井響應(yīng)與儲層地質(zhì)之間的關(guān)系變得復(fù)雜化，通過大量調(diào)研分析［2，44］，煤層氣測井解釋主要存在以下問題：

1）由于煤儲層孔隙度很低，孔隙中充滿水，游離氣和溶解氣很少，主要為吸附氣，很難利用測井方法確定煤儲層中是否含氣。

2）在某一地區(qū)，利用測井資料計(jì)算工業(yè)組分和含氣量，普遍存在誤差，同時(shí)也沒有考慮煤層氣儲集性能的橫向變化。

3）煤儲層具有三重孔隙介質(zhì)的復(fù)雜特征，目前尚無適用的計(jì)算孔滲參數(shù)的方法。在裂縫孔隙度方面，主要借用了碳酸鹽巖裂縫孔隙度分析成果，而在基質(zhì)孔隙度方面研究很少。

4）由于我國煤層氣測井技術(shù)最初是由國外引進(jìn)和應(yīng)用常規(guī)油氣藏測井技術(shù)，現(xiàn)有的油氣藏測井基礎(chǔ)理論不太適合煤層氣測井，因此，這些測井方法及測井評價(jià)技術(shù)是否適合中國煤層地質(zhì)特征有待商榷。

3　前景展望

中國是煤炭資源大國，煤層氣資源潛力很大，煤層氣測井技術(shù)的進(jìn)一步研究對其開發(fā)具有重要意義?；谖覈簩託獾厍蛭锢頊y井的研究現(xiàn)狀和煤層氣勘探開發(fā)的需求和難點(diǎn)，煤層氣測井技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該：

1）加深煤層氣測井基礎(chǔ)理論研究，系統(tǒng)全面地開展煤儲層測井評價(jià)體系研究，建立煤層氣測井綜合評價(jià)體系。

2）發(fā)展用于煤儲層測井評價(jià)的煤巖基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)與設(shè)備，加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性。

3）引進(jìn)適用于復(fù)雜巖性、復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的新測井技術(shù)，如元素俘獲譜測井、核磁共振測井、成像測井、陣列聲波測井等。

4）利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，開發(fā)新的煤層氣儲層測井解釋及評價(jià)軟件，使得軟件具有更好的適應(yīng)性和實(shí)用性。

4　結(jié)束語

煤層氣地球物理測井在煤巖劃分、煤質(zhì)分析、煤儲層孔滲及含氣量評價(jià)等方面取得了諸多成果，但是，煤層氣測井仍有很多不足，需要進(jìn)一步研究和完善。未來煤層氣地球物理測井應(yīng)從夯實(shí)基礎(chǔ)理論與設(shè)備，大力發(fā)展新技術(shù)、新方法，為我國煤層氣資源的進(jìn)一步開發(fā)提供強(qiáng)有力的幫助。

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（編輯王淑玉）

Progress and prospect of CBM geophysical logging

QIAO Yupeng，SHAO Xianjie，HUO Mengying，XIE Qihong，ZHANG Min，SHI Peibing
（Department of Petroleum Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

With economic and efficient advantages in coalbed methane reservoir analysis and evaluation，CBM geophysical logging is an integral part of the process of coalbed methane development.In the process of CBM exploration and development，geophysical well logging is an important method to identify the coal seam，analyze the coal quality characteristics，and evaluate the porosity and permeability of coal reservoir.Based on a large amount of research，the research and application of CBM geophysical logging in domestic and abroad were summarized.New achievements of the CBM geophysical logging in different aspects were discussed，and some problems of the CBM geophysical logging were pointed out.Finally the development trend of CBM well logging technology was analyzed.

CBM；log evaluation；new progress；developing trend

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05038）

TE122.2+4；P631

A

10.6056/dkyqt201602010

2015-11-20；改回日期：2016-01-20。

喬雨朋，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事油藏描述方面的研究。E-mail：qiaoyupeng@126.com。

引用格式：喬雨朋，邵先杰，霍夢穎，等.煤層氣地球物理測井研究現(xiàn)狀及前景展望［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：181-184. QIAO Yupeng，SHAO Xianjie，HUO Mengying，et al.Progress and prospect of CBM geophysical logging［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：181-184.