利用測井資料評價(jià)煤層含氣量的新方法

編譯:張妮 (西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院)

劉仲敕 (西安石油大學(xué))

薛媛 (長慶油田蘇里格研究中心)

審校:譚成仟 (西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院)

利用測井資料評價(jià)煤層含氣量的新方法

編譯:張妮 (西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院)

劉仲敕 (西安石油大學(xué))

薛媛 (長慶油田蘇里格研究中心)

審校:譚成仟 (西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院)

確定煤層原地基含氣量是評價(jià)煤層氣資源中非常關(guān)鍵的一步。目前認(rèn)為,煤層含氣量與煤層氣中的有機(jī)成分和無機(jī)成分這兩個(gè)獨(dú)立成分的相對豐度具有函數(shù)關(guān)系。在有些煤田內(nèi)有機(jī)成分幾乎不變,而無機(jī)成分可能在橫向和垂向上變化顯著。因此,從理論上講測井響應(yīng)能夠反映煤層氣中無機(jī)成分的變化,并通過測井響應(yīng)有效評價(jià)煤層含氣量。然而,目前通用的評價(jià)方法是密度測井,效率比較低,不是將聲波測井、光電吸收指數(shù)、伽馬測井等一起應(yīng)用,實(shí)際上這幾種測井響應(yīng)也可反映煤層中無機(jī)成分的變化。本文提到的新方法,主要是用上述的三種測井方法聯(lián)合密度測井推導(dǎo)每一個(gè)煤心樣品的復(fù)合數(shù)值 C。不同深度的 C值曲線與實(shí)測煤層含氣量具有較好的相關(guān)性。實(shí)踐證明C值曲線和煤心化驗(yàn)測得的含氣量曲線吻合得很好,它們之間相差常數(shù) K。而 K值的確定只取決于煤層的性質(zhì)。因此,評價(jià)一定深度煤層含氣量只需簡單地用 C值加上 K值。印度2個(gè)不同的煤田已經(jīng)使用了這種方法。試驗(yàn)證明,綜合應(yīng)用多種測井響應(yīng)推導(dǎo)的結(jié)果是合理而精確的。這一技術(shù)為不同性質(zhì)的煤田計(jì)算其含氣量提供了可靠的方法。

煤田 煤層含氣量 測井響應(yīng)無機(jī)成分 純灰分

1 引言

目前,用于評價(jià)煤層含氣量的方法,多數(shù)是用密度測井推算灰分含量和其他近似的參數(shù)值。我們知道測井體積密度與煤層含氣量具有較好的相關(guān)性,特別是在煤階較高的煤層中,但是這種關(guān)系不是始終簡單、線性的。因此,通常先建立測井體積密度與無機(jī)成分含量的關(guān)系,然后將無機(jī)成分含量與煤層含氣量相關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)在所用的方法都是用測井體積密度與灰分含量的關(guān)系來估算煤層含氣量,不過這些方法不一定適用于各種類型的煤田,主要是因?yàn)樗鼈冞^分依賴像密度測井這樣的單一測井方法,加之參數(shù)選擇的不準(zhǔn)確性,從而產(chǎn)生累計(jì)誤差,導(dǎo)致煤層氣評價(jià)過程中存在主觀性。

一個(gè)煤田中煤層含氣量的變化更多地依賴無機(jī)成分與有機(jī)成分比值大小而不是某個(gè)單一成分。實(shí)際上,含氣量不同主要是由于無機(jī)成分含量和儲(chǔ)層條件改變的結(jié)果。雖然無機(jī)成分既不能生成氣體也不能儲(chǔ)存氣體,但是同一煤層中無機(jī)成分與有機(jī)成分相對值的改變會(huì)直接影響煤層含氣量,即使在有機(jī)成分穩(wěn)定的情況下。這類似于當(dāng)聲音質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)信噪比也隨之改變,無機(jī)成分就相當(dāng)于噪音,同樣對總的含氣量產(chǎn)生顯著影響。在目標(biāo)體或儲(chǔ)集空間中無機(jī)成分比例的相對變化直接影響實(shí)際儲(chǔ)存氣體的含量。換句話說,無機(jī)成分的改變以及由此引起的含氣量改變也會(huì)影響各種測井響應(yīng)。

考慮到以上各個(gè)方面,綜合應(yīng)用多種測井方法的新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。常規(guī)的方法主要是用測井體積密度和其他近似參數(shù)評價(jià)煤層含氣量,而新方法直接用含氣量與多種測井響應(yīng)的關(guān)系評價(jià)煤層含氣量。

這種新方法采用四種常規(guī)測井 (體積密度測井、聲波測井、伽馬測井、巖性密度測井)得到累計(jì)測井響應(yīng),如果某一測井響應(yīng)的異常不明顯,可用其他測井響應(yīng)補(bǔ)償,從而增強(qiáng)測井響應(yīng)與煤層含氣量的聯(lián)系。無論在煤田性質(zhì)不同還是煤階不同的地區(qū)這種新方法都適用。

2 評價(jià)煤層含氣量的常規(guī)方法

評價(jià)煤層含氣量的常規(guī)方法都是利用測井體積密度和實(shí)測灰分的回歸分析計(jì)算灰分含量。目的是獲得不含氣體的純煤密度 (ρcoal)以及純灰分的密度(ρa(bǔ)sh),進(jìn)而估算每個(gè)煤層取心樣品的灰分含量。

接著,用估算的灰分含量按照下列步驟估算其他近似體積參數(shù),即固定碳、水分、揮發(fā)分。

灰分體積 (VASH)=(ρb–ρcoal)/(ρa(bǔ)sh–ρcoal),由測井體積密度與實(shí)測灰分的回歸分析計(jì)算。固定碳體積 (VFC)由固定碳與實(shí)測灰分的回歸分析計(jì)算。水分體積(VMOIS)由水分與實(shí)測灰分的回歸分析計(jì)算。揮發(fā)分體積VVOL=1-(VASH+VFC+VMOIS)。

計(jì)算煤層氣含量,可用 Kim方程、Langmuir方程、Mullen方程或者 Mavor方程、Close &McBaner方程等。

在煤階較高的煤層中,測井體積密度與煤層含氣量具有較好的相關(guān)性;但是,在煤階較低的煤層中,由于密度值簇生在一起,相關(guān)性并不明顯。

常規(guī)測井評價(jià)方法不可能得到純煤和純灰分的密度值,然后再用其評價(jià)煤層含氣量也就不精確。另外,目前流行的方法過分依賴像密度測井這樣的單一測井方法,加之參數(shù)選擇過程中的不準(zhǔn)確性,從而產(chǎn)生累計(jì)誤差,導(dǎo)致煤層氣評價(jià)過程中存在主觀性。

3 新方法

綜合應(yīng)用六種常規(guī)測井 (體積密度測井、伽瑪測井、聲速測井、巖性密度測井、電阻率測井、中子測井)形成了評價(jià)煤層含氣量的新方程。分析上述所有測井響應(yīng)與煤層含氣量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn),電阻率測井響應(yīng)和中子測井響應(yīng)不能用到新方程中。因?yàn)殡娮杪蕼y井響應(yīng)與煤層含氣量之間的相關(guān)性較差,測井所得的電阻率變化幅度相當(dāng)大并且與煤層的變化趨勢相反。電阻率這種急劇變化并不是由于灰質(zhì)中黏土礦物發(fā)生較小變化引起的,而是由泥質(zhì)或泥漿濾液侵入煤層夾板 (裂縫)中引起的,因此,電阻率測井響應(yīng)不能反映煤層含氣量變化較小的情況。通常,由于煤層段含氫量較高,中子測井解釋的視孔隙度偏高 (Jhonson,1990)。在儀器敏感性最差的地方,孔隙度讀數(shù)卻是高值,這是因?yàn)槊簩雍瑲馀c不含氣,其視孔隙度在理論上僅僅相差約3 p.u,加之沒有實(shí)際測井響應(yīng),因而用它估算煤層含氣量也是不可能的。

剩下的四種測井方法中,密度測井、伽馬測井、巖性密度測井響應(yīng)均與煤層含氣量成反比 (基于原地儲(chǔ)層條件下),而聲波測井響應(yīng)與煤層含氣量成正比?？紤]到這些物理特性,綜合運(yùn)用多種測井方法所得的方程如下:

煤層含氣量∝ dt/(ρb×Pe×GR)

上式可改寫為煤層含氣量∝C

復(fù)合數(shù) C=dt/(ρb×Pe×GR)

注意,dt的單位是μs/ft,ρb的單位是g/cm3,Pe的單位是b/e,GR的單位是API,煤層含氣量的單位是cm3/g。

單一測井響應(yīng)不能反映它與煤層含氣量之間的真實(shí)匹配關(guān)系,而綜合應(yīng)用多種測井響應(yīng)得到的C值則較好地反映了測井響應(yīng)與煤層含氣量之間的線性關(guān)系,如圖1、圖2所示。

圖1 復(fù)合數(shù)C與煤層含氣量具有較好的線性關(guān)系

圖2 復(fù)合數(shù)C與煤層含氣量具有較好的線性關(guān)系

在印度2個(gè)完全不同的煤田,即Jharia煤田(煙煤)和Barmer-Sanchore煤田 (褐煤),C值與含氣量的回歸曲線斜率約為1,但2條曲線的截距卻完全不同,Jharia煤田曲線截距約10.5,Barmer-Sanchore煤田曲線截距約3.5。作煤心樣品的C值與對應(yīng)深度的交會(huì)圖 (圖3、圖4)。結(jié)果顯示,煤心實(shí)測含氣量曲線與綜合測井響應(yīng)推導(dǎo)的C值曲線匹配得相當(dāng)好,之間相差常數(shù) K,同時(shí)也證實(shí)了圖1、圖2中的回歸分析結(jié)果。常數(shù) K主要隨煤田性質(zhì)的改變而改變。

最終,每個(gè)煤心的預(yù)測含氣量就等于對應(yīng)的C值加上常數(shù) K,預(yù)測含氣量與實(shí)測含氣量如圖5、6所示。

將上述得到的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)按趨勢向兩側(cè)延伸就能得到每一深度點(diǎn)的預(yù)測含氣量,從而獲得整個(gè)區(qū)域煤層的預(yù)測含氣量曲線。

圖3 對比實(shí)測含氣量與測井資料推導(dǎo)的含氣量,相差常數(shù) K

圖5 對比同一深度預(yù)測含氣量和實(shí)測含氣量

圖6 對比同一深度預(yù)測含氣量和實(shí)測含氣量

4 實(shí)例應(yīng)用

選擇代表性的煤心樣品是非常重要的,因?yàn)橐盟鼈兘⑼盒暮瑲饬恐g的可靠關(guān)系。必須注意,不是所有的煤心含氣量數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)都是完全正確的。原因如下:獲得的煤心含氣量數(shù)據(jù)在某些層段可能是錯(cuò)誤的,甚至和區(qū)域內(nèi)的曲線完全不符,這也許由地球物理測量造成,或者鉆探取心的煤層深度發(fā)生偏移;同樣,測井?dāng)?shù)據(jù)在某些點(diǎn)也存在錯(cuò)誤,可能由井眼問題或其他技術(shù)和儀器的限制以及深度偏移造成。如果要用實(shí)測煤心數(shù)據(jù)做實(shí)際應(yīng)用分析,煤心數(shù)據(jù)與測井?dāng)?shù)據(jù)的深度偏移問題將是所有問題中最大的問題。

5 結(jié)果與討論

印度2個(gè)完全不同類型的煤田 (Jharia煤田和Barmer-Sanchore煤田)已經(jīng)采用了這種新方法。選擇了6口井進(jìn)行研究,其中Jharia煤田的4口井離得很近,而Barmer-Sanchore煤田的2口井相距較遠(yuǎn)。

將同一深度的 C值和實(shí)測煤層含氣量進(jìn)行對比,其目的是獲得該區(qū)域的 K值,接著用新方程估算煤層含氣量。

Jharia煤田主力煤層是岡瓦納古陸煤系,以較高階的瀝青質(zhì)煤為主。煤田內(nèi)的4口井位于煤性相同的區(qū)塊且相距較近,其灰分含量高達(dá)40%而水分含量則較低 (＜1%)。試驗(yàn)表明該區(qū)塊 K值變化范圍為9～11。

Barmer-Sanchore煤田的主力產(chǎn)煤層是中Tharad地層,該地層以褐煤為主,具有煤階低、煤化作用弱的特點(diǎn)。其主要幾個(gè)厚煤層的產(chǎn)煤量均較差,且灰分含量較低 (＜10%),但水分含量較高 (＞10%)。該煤田的這2口井位于不同的勘探區(qū)塊,距離相對較遠(yuǎn),盡管都是褐煤但煤質(zhì)不同。其中一口井在被厚層泥巖分開的深淺2個(gè)煤層單元中,其 K值完全不同。另一口井的厚煤層中 K值約為2.0。該煤田 K值的范圍約為1.5～3.5。

評價(jià)煤層含氣量可選用不同的方程,即修正的Kim方程、Mullen方程、Mavor方程、Close方程、McBane方程,然后將以下公式計(jì)算的結(jié)果同用新方程計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。

修正的 Kim方程:

式中w——水分質(zhì)量分?jǐn)?shù),即水分體積 (VM);

a——灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù),即灰分體積 (VA);

Vw——濕煤體積分?jǐn)?shù);

Vd——干煤體積分?jǐn)?shù);

Vw/Vd——0.75(濕煤和干煤的比值);

k0(常數(shù)) =0.8(VFC/VVM)+5.6;

n0(常數(shù)) =0.315–0.01(VFC/VVM);

b(常數(shù)) =0.14;

d——深度,m。

Mullen方程:

VGas=32.87–16.92ρb單位:cm3/g式中 ρb——體積密度。

Mavor方程:

式中 ad(干燥基灰分) =(ρb–ρcoal)/(ρa(bǔ)sh–ρcoal)=a/(1–w)=VA/(1–VM)

如圖7和圖8所示,對比常規(guī)方程計(jì)算的煤層含氣量和新方程的計(jì)算結(jié)果,很明顯,在煤階較高的煤層中,除了Mavor方程,大多數(shù)常規(guī)方程需要進(jìn)一步的修正才能用于目標(biāo)區(qū)域。但是,如果煤階較低,那么這些常規(guī)方程根本不能用于任何有價(jià)值的計(jì)算。

圖7 對比不同方程計(jì)算的煙煤含氣量

圖8 對比不同方程計(jì)算的褐煤含氣量

6 結(jié)論

Jharia(煙煤):

◇用Mullen方程推導(dǎo)Jharia煤田煤層含氣量是不合適的。

◇盡管 Kim方程僅適用于煙煤地層,但是在Jharia煤田它并不適用于計(jì)算煤層含氣量。

◇在Jharia煤田,用Mavor方程相對能較好地推導(dǎo)煤層含氣量。

◇用新方程推導(dǎo)的煤層含氣量與實(shí)測煤層含氣量吻合得最好,尤其適合Jharia煤田評價(jià)煤層含氣量。

Barmer-Sanchore(褐煤):

◇Mullen方程主要依賴測井體積密度,而Mavor方程主要依賴灰分含量的變化,它們都不適合估算煤層含氣量,不能得到真實(shí)的體積密度與含氣量的關(guān)系,以及體積密度與灰分的關(guān)系。

◇Kim方程僅適用于煙煤地層,因此也不能用它估算Barmer-Sanchore煤田煤層含氣量。

◇在Barmer-Sanchore煤田的褐煤地層中評價(jià)煤層含氣量,只能用新方程,新方程能較好地反映煤層含氣量。

7 總結(jié)

目前,常規(guī)評價(jià)煤層含氣量的方法,主要是用密度測井估算灰分和其他近似參數(shù)。這些方法并不適用于任何類型的煤田,因?yàn)樗鼈冞^多地依賴像密度測井這樣的單一測井技術(shù)。這就不可能得到不含氣體的純煤和純灰分的密度范圍。同一煤田中煤層含氣量的變化更多地依賴無機(jī)成分與有機(jī)成分的比值大小而不是某個(gè)單一成分。在目標(biāo)體或儲(chǔ)集空間中無機(jī)成分比例的相對變化直接影響實(shí)際儲(chǔ)存氣體的數(shù)量。無機(jī)成分對含氣量影響很大,即無機(jī)成分的改變以及由此引起的含氣量改變也會(huì)影響各種測井響應(yīng)。

這種新方法利用四種測井?dāng)?shù)據(jù)得到優(yōu)效的累積測井響應(yīng),進(jìn)而得到測井響應(yīng)與煤層含氣量的可靠關(guān)系。如果一種測井響應(yīng)的異常不明顯,可用其他測井響應(yīng)來補(bǔ)償。

印度2個(gè)完全不同類型的煤田 (Jharia煤田和Barmer-Sanchore煤田)已經(jīng)采用了這種新方法。研究證明,綜合多種測井響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果是合理而精確的。這一技術(shù)為不同性質(zhì)不同類型的煤田計(jì)算其含氣量提供了可靠的方法。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.015

資料來源于美國《SPE 115563》

2009-01-05)