電成像測(cè)井在煤層氣儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

侯振學(xué)

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北廊坊065201)

0 引 言

煤層氣田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨著產(chǎn)氣量低、煤層出水等諸多問(wèn)題。煤層氣的產(chǎn)量受煤層厚度、儲(chǔ)集性能、滲透性、煤體結(jié)構(gòu)、工業(yè)組分、含氣量、頂?shù)装宸飧粜砸约昂笃趬毫训榷喾N因素的控制[1-3]。對(duì)于煤層的工業(yè)組分、含氣量及儲(chǔ)集性能,前人基于常規(guī)測(cè)井資料進(jìn)行了大量研究,取得了豐碩研究成果[4-6]。但是對(duì)于煤層滲透性、煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装宸飧粜缘难芯?受限于常規(guī)測(cè)井分辨率較低、煤層取心資料少、破碎嚴(yán)重等原因,目前取得的成果相對(duì)較少。而電成像測(cè)井相對(duì)于常規(guī)測(cè)井及鉆井取心,具有高分辨率、連續(xù)性強(qiáng),而且具有方位特征及可視化的優(yōu)勢(shì),可以為煤層的精細(xì)研究提供豐富的資料。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣,石炭—二疊紀(jì)期間瀉湖、沼澤發(fā)育,適宜煤層的形成與聚集[7-8]。煤層埋深多在1 700 m以下,露頭及取心資料相對(duì)較少,為煤層的研究造成了一定的難度。但是該區(qū)成像測(cè)井資料豐富,因此本文試圖借助電成像測(cè)井資料分辨率高(5 mm)的優(yōu)勢(shì),結(jié)合部分取心資料進(jìn)行標(biāo)定,對(duì)煤層的精確識(shí)別及劃分、煤層滲透性、煤層頂?shù)装宸飧粜浴⒌貞?yīng)力方向等進(jìn)行了深入的研究,為煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 煤層劃分和滲透性評(píng)價(jià)

煤層氣的產(chǎn)量與煤層厚度有著直接關(guān)系,所以煤層的劃分是煤層氣評(píng)價(jià)最基礎(chǔ)的工作。對(duì)于井下煤層,由于不同類型的煤測(cè)井響應(yīng)不完全一致,導(dǎo)致煤層頂?shù)捉缦迍澐终`差較大,并受到常規(guī)測(cè)井資料分辨率低、井況復(fù)雜等因素的影響,容易漏失薄煤層。

電成像測(cè)井主要測(cè)量地層電阻率的大小,經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可將其刻度為彩色等級(jí)圖像,反映地層電阻率的變化,一般電阻率高則顏色亮,電阻率低則顏色暗。煤層與圍巖在電成像顏色、結(jié)構(gòu)上具有明顯差異性,是煤層劃分的一種有效手段。電成像測(cè)井圖中煤層因電阻率極高,呈現(xiàn)明顯的亮白色特征,結(jié)構(gòu)為塊狀,而頂?shù)椎膰鷰r因?yàn)殡娮杪瘦^低,呈明顯的棕褐色特征,層理發(fā)育,二者界限清晰,與巖心資料對(duì)應(yīng)性一致。電成像測(cè)井相對(duì)于常規(guī)測(cè)井資料根據(jù)半幅點(diǎn)或者某一界限值劃分界限,劃分結(jié)果更加精確。

煤層的滲透性與煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān),因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)識(shí)別對(duì)于評(píng)價(jià)煤層的滲透性具有重要的意義。煤層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為對(duì)煤層滲透性起建設(shè)性作用的裂隙系統(tǒng),以及起破壞性作用的煤矸石、黃鐵礦等非吸附性礦物結(jié)核或者條帶。

1.1 裂隙系統(tǒng)

煤層中一般具有2種裂隙系統(tǒng),一種是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的外生裂隙;另一種是煤化作用過(guò)程中,凝膠化物質(zhì)受溫度和壓力等因素影響,體積均勻收縮而形成的割理系統(tǒng)。外生裂隙與割理相互交叉、切割,形成了復(fù)雜的裂隙系統(tǒng),構(gòu)成了煤層氣滲流的主要通道[9-11]。

外生裂隙一般規(guī)模較大,在電成像上呈暗色正弦曲線,縫面較寬,不受巖性的控制,多切割層界面或者內(nèi)部夾矸層,甚至延伸到頂、底板中。割理一般規(guī)模較小,多發(fā)育于2條相鄰的層界面之間,與層面近似垂直,一般連續(xù)性較差。

1.2 煤矸石

煤矸石主要指夾在煤層之中的泥巖、黏土巖、炭質(zhì)泥巖。煤矸石的存在使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,給開(kāi)采帶來(lái)一定困難,會(huì)大大降低煤層縱向上的滲透性,從而影響煤層氣的產(chǎn)能[12]。夾矸層在成像圖上顯示為清晰完整的暗色條帶,條帶厚度較大,條帶內(nèi)多具有水平紋層。

1.3 黃鐵礦

煤層及煤層頂、底板內(nèi)常見(jiàn)黃鐵礦結(jié)核及團(tuán)塊,根據(jù)礦物不吸附氣的原則[13],含量較多的黃鐵礦對(duì)煤層的含氣量有一定的破壞性影響,當(dāng)黃鐵礦結(jié)核富集到一定程度或者呈大的團(tuán)塊狀時(shí),對(duì)煤層的滲透率也起到明顯的破壞性作用。黃鐵礦為高電導(dǎo)率礦物,因此,電成像上主要呈暗色顆粒狀或者暗色斑塊狀特征。

2 煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別

袁崇孚[14]根據(jù)煤體的宏觀架構(gòu)特征,把煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)4種類型。從原生結(jié)構(gòu)到糜棱結(jié)構(gòu),煤層的破裂程度增強(qiáng)。原生結(jié)構(gòu)煤裂隙不發(fā)育,煤層原生結(jié)構(gòu)全部保存,其滲透性取決于煤層割理的發(fā)育程度。碎裂結(jié)構(gòu)煤受到一定程度的構(gòu)造破壞,外生裂隙發(fā)育,煤層原生結(jié)構(gòu)基本保存,而且煤層氣滲流通道網(wǎng)絡(luò)發(fā)育良好,通常具有較高的滲透率。碎粒結(jié)構(gòu)、糜棱結(jié)構(gòu)煤受到構(gòu)造強(qiáng)烈破壞,原生結(jié)構(gòu)不復(fù)存在,外生裂隙通常被構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)形成的煤粉所充填或阻塞,導(dǎo)致煤層滲透率降低[15]。另外,碎粒煤、糜棱煤壓裂形成縫壁的同時(shí),崩離剝落的大量煤粉會(huì)堵塞縫道,致使煤層的滲透性能也得不到改善[16]。

圖1 煤體結(jié)構(gòu)成像測(cè)井識(shí)別模式

本文以電成像測(cè)井資料為基礎(chǔ),根據(jù)煤心資料進(jìn)行了標(biāo)定,建立了煤體結(jié)構(gòu)的成像測(cè)井識(shí)別模式(見(jiàn)圖1)。原生結(jié)構(gòu)煤的煤體宏觀結(jié)構(gòu)呈層狀、層狀-塊狀,順層顏色分布均勻,無(wú)明顯外生裂隙[見(jiàn)圖1(a)] ;碎裂煤的煤體宏觀結(jié)構(gòu)呈塊狀、層狀-塊狀,見(jiàn)明顯外生裂隙,破碎程度較輕,未對(duì)煤層宏觀特征造成破壞[見(jiàn)圖1(b)] ;碎粒煤宏觀結(jié)構(gòu)呈塊狀,見(jiàn)明顯外生裂隙相互切割,對(duì)煤層宏觀特征造成嚴(yán)重破壞,顏色分布不均勻[見(jiàn)圖1(c)] ;糜棱煤電成像上呈粒粉狀,見(jiàn)不到任何煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)[見(jiàn)圖1(d)] 。

3 頂、底板封隔性評(píng)價(jià)

煤層產(chǎn)氣量及產(chǎn)水與煤層頂、底板的封隔性密切相關(guān)。緊鄰煤層的直接頂、底板的封隔性好,煤層氣才不會(huì)擴(kuò)散到鄰近砂巖儲(chǔ)層,也不會(huì)溝通相鄰水層。頂、底板的封隔性主要與巖性、物性及裂縫發(fā)育程度有關(guān)。除物性評(píng)價(jià)之外,電成像測(cè)井在巖性及裂縫發(fā)育評(píng)價(jià)方面具有其他方法所不具備的優(yōu)勢(shì)[17]。

3.1 巖性分析

煤層頂、底板主要巖性有4種:泥巖、粉砂巖、砂巖及灰?guī)r。泥巖、灰?guī)r物性最差,具有較好的封隔性,而粉砂巖及砂巖物性相對(duì)較好,封隔性能差。對(duì)巖性的準(zhǔn)確判斷是評(píng)價(jià)封隔性的關(guān)鍵。不同的巖性由于沉積的水動(dòng)力差異,具有不同的特征,在電成像上具有不同的顏色、沉積構(gòu)造[18]。

泥巖:自然伽馬高,靜態(tài)圖像上主要為棕色,動(dòng)態(tài)圖像上水平層理發(fā)育[見(jiàn)圖2(a)] 。粉砂巖:自然伽馬較高,靜態(tài)圖像上主要呈棕褐色,動(dòng)態(tài)圖像上發(fā)育波狀層理[見(jiàn)圖2(b)] 。砂巖:自然伽馬較低,靜態(tài)圖像上主要呈暗色,動(dòng)態(tài)圖像上發(fā)育高角度交錯(cuò)層理、塊狀層理[見(jiàn)圖2(c)] ?；?guī)r:自然伽馬較低,靜態(tài)圖像上主要呈亮色層狀特征[見(jiàn)圖2(d)] 。

3.2 裂縫發(fā)育情況

頂、底板主要發(fā)育2種類型的裂縫,一種為天然裂縫,主要為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成,電成像為呈暗色正弦曲線;另一種為誘導(dǎo)縫,主要為地應(yīng)力造成,電成像上呈陣列狀,多成組出現(xiàn),出現(xiàn)在對(duì)稱的兩側(cè)。一般對(duì)頂、底板封隔性起破壞性作用的主要為天然裂縫,誘導(dǎo)縫對(duì)封隔性的影響較小。

圖2 電成像測(cè)井巖性識(shí)別

以B井煤層為例(見(jiàn)圖3),該套煤層厚度較大,直接頂板自然伽馬高,電成像上呈棕色,水平層理發(fā)育,為1套厚層泥巖。老頂板自然伽馬低,電成像上呈暗褐色,常規(guī)測(cè)井解釋為1套含水砂巖層。直接頂板內(nèi)發(fā)育1條明顯的天然裂縫(見(jiàn)圖3放大圖像),如果壓裂煤層很有可能溝通煤層與老頂板水層,判斷頂板封隔性較差。直接底板整體伽馬較高,局部降低,電成像上呈棕色,塊狀層理、水平層理發(fā)育,富集暗色黃鐵礦顆粒,局部為亮色條帶,為1套泥巖夾薄層灰質(zhì)條帶。老底板低自然伽馬,電成像呈亮色,為1套致密灰?guī)r層。直接底板未見(jiàn)明顯裂縫發(fā)育,老底板不含水,綜合判斷底板封隔性好。

圖3 B井煤層頂、底板封隔性評(píng)價(jià)

4 煤層地應(yīng)力分析

前人研究表明,煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)與地應(yīng)力關(guān)系密切[19]。地應(yīng)力方向?qū)τ诹严断到y(tǒng)的影響主要在于二者方向是否一致。當(dāng)現(xiàn)今地應(yīng)力方向與外生裂隙的方向一致,則外生裂隙在地下為開(kāi)啟狀態(tài),對(duì)于煤層的滲透性非常有利。而當(dāng)二者方向垂直或者斜交,則割理或外生裂隙在地下為閉合狀態(tài),對(duì)于煤層的滲透性具有破壞性的影響。

地應(yīng)力在致密的煤層不易衰減,當(dāng)煤層被鉆開(kāi),為其間的地應(yīng)力釋放提供了條件。隨著地應(yīng)力的釋放,易脆的煤層將產(chǎn)生一組與之相關(guān)的誘導(dǎo)縫。在電成像圖像上顯示為2組呈180°或接近180°對(duì)稱分布的陣列狀縫,裂縫面較為平直,裂縫寬窄變化較均勻,無(wú)任何溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。鉆井誘導(dǎo)縫的走向就是最大水平主應(yīng)力的方向。

5 煤層綜合評(píng)價(jià)

5.1 煤層級(jí)別劃分

(1)I類煤層。煤層厚度較大(一般大于10 m),煤質(zhì)含氣量高(大于25 m3/t),煤層內(nèi)外生裂隙發(fā)育,夾矸層分布少且相對(duì)較薄,無(wú)黃鐵礦等非吸附性礦物,煤體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu),直接頂?shù)装鍘r性為封閉性好的泥巖、灰?guī)r等,老頂?shù)装鍩o(wú)可動(dòng)水,直接頂?shù)装鍍?nèi)裂縫不發(fā)育,煤層內(nèi)外生裂隙方向與地應(yīng)力方向一致。該類煤層經(jīng)過(guò)壓裂測(cè)試日產(chǎn)氣一般大于5 000 m3/d。

圖4 煤層誘導(dǎo)縫特征及地應(yīng)力方向

(2)II類煤層。煤層厚度較大(5～10 m),煤質(zhì)含氣量較高(20～25 m3/t),煤層內(nèi)外生裂隙較發(fā)育,夾矸層分布相對(duì)變多變厚,黃鐵礦等非吸附性礦物不發(fā)育或斑點(diǎn)狀顆粒發(fā)育,煤體結(jié)構(gòu)主要為原生、碎裂結(jié)構(gòu)。直接頂?shù)装鍘r性為粉砂巖,老頂?shù)装搴?。直接頂?shù)装鍍?nèi)裂縫不發(fā)育或小規(guī)模發(fā)育,煤層內(nèi)外生裂隙方向與地應(yīng)力方向有一定夾角。該類煤層經(jīng)過(guò)壓裂測(cè)試日產(chǎn)氣一般在1 000～5 000 m3。

(3)III類煤層。煤層厚度較薄(小于5 m),煤質(zhì)含氣量低(小于20 m3/t),煤層內(nèi)外生裂隙不發(fā)育或者發(fā)育網(wǎng)狀外生裂隙且被煤粉充填,夾矸層多且厚度較大,黃鐵礦等非吸附性礦物發(fā)育,多為團(tuán)塊狀,煤體結(jié)構(gòu)主要為碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)。直接頂?shù)装鍘r性為砂巖,含有可動(dòng)水,直接頂?shù)装鍍?nèi)裂縫發(fā)育,煤層內(nèi)外生裂隙方向與地應(yīng)力方向基本垂直。該類煤層經(jīng)過(guò)壓裂測(cè)試日產(chǎn)氣一般小于1 000 m3。

5.2 實(shí)例分析

L井為研究區(qū)1口煤層氣評(píng)價(jià)井,根據(jù)以上研究成果對(duì)目的煤層進(jìn)行了詳細(xì)分析。成像測(cè)井顯示該井煤層深度在1 903.7～1 908.5 m段,煤層厚度5.2 m,常規(guī)測(cè)井解釋含氣量22.5 m3/t,煤層內(nèi)外生裂隙不發(fā)育,夾矸層較發(fā)育且厚度較薄,含有較少的黃鐵礦顆粒(見(jiàn)圖5放大圖像)。直接頂板為泥巖,粉砂巖,直接底板為泥巖,老底板為含氣性較差的砂巖層。直接頂?shù)装鍍?nèi)裂縫不發(fā)育,頂?shù)装宸飧粜暂^好,綜合評(píng)價(jià)為II類煤層(見(jiàn)圖5)。該套地層經(jīng)過(guò)后期壓裂測(cè)試,日產(chǎn)氣3 000 m3,與綜合評(píng)價(jià)結(jié)論相符。

圖5 L井煤層綜合評(píng)價(jià)成果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)利用成像測(cè)井資料對(duì)煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装宸飧粜?、地?yīng)力方向等多方面進(jìn)行了詳細(xì)研究,并根據(jù)其對(duì)煤層的影響,建立了研究區(qū)煤層劃分級(jí)別。電成像測(cè)井具有高分辨率,可視化的優(yōu)點(diǎn),在煤層劃分以及煤層精細(xì)描述方面具有其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),能夠有效指導(dǎo)煤層的評(píng)價(jià)工作,為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供幫助。

(2)成像測(cè)井技術(shù)在煤層氣中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步發(fā)展和深化,電成像測(cè)井高分辨率、可視化的優(yōu)勢(shì)尚需深入挖掘。另外,研究區(qū)當(dāng)前進(jìn)行電成像測(cè)井的煤層氣井僅少數(shù)井進(jìn)行了壓裂測(cè)試,缺少煤層產(chǎn)量資料的支撐也是當(dāng)前研究面臨的實(shí)際問(wèn)題,需要后續(xù)資料的補(bǔ)充完善及深入研究。