煤層頂?shù)装鍖臃馍w性評價技術(shù)

張莉莉 蔡文淵 張兆陵 陳瓊陶

(1． 中油測井公司，北京 100101; 2． 長城鉆探工程公司測井國際業(yè)務(wù)項目部，北京 100101;

3． 中國石油華北油田第一采油廠任北作業(yè)區(qū)，河北 062552)

1 煤層頂?shù)装宸馍w能力定量評價技術(shù)

煤層封蓋層是指煤層頂、底板在一定厚度范圍內(nèi)的有效巖層，構(gòu)造上分為區(qū)域封蓋層和圈閉封蓋層。封蓋能力強弱是各種地質(zhì)因素和地質(zhì)作用過程的綜合作用結(jié)果，主要取決排驅(qū)壓力、煤層含氣壓力、煤層厚度與埋深、封蓋層巖性與厚度、構(gòu)造發(fā)育程度、巖層傾角等，這些因素直接影響著煤層甲烷氣縱向運移擴散能力的差異，以及煤層氣開發(fā)的采氣量。

以QS 盆地ZZ 區(qū)塊為研究對象，利用測井資料，結(jié)合鉆井、錄井，以及實際煤樣及分析化驗煤心含氣量為依據(jù)，對區(qū)塊煤層頂?shù)装宸馍w能力進行定量分析。結(jié)果表明，在諸多封蓋能力影響因素中，以頂?shù)装鍖訋r石類型 ( 巖性、電性、物性、含氣性等) 、厚度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等3 個因素最為重要，選用巖性比( 區(qū)塊主力煤層頂?shù)装逯饕獮榛規(guī)r時可為灰泥比) 、巖層厚度、孔隙度、電阻率、裂隙指數(shù)等5 個參數(shù)對封蓋能力進行定量評價。

圖1 煤層及頂?shù)装鍦y井響應(yīng)特征圖

1.1 巖性比

區(qū)塊煤系地層中，煤層3#煤頂?shù)装宸馍w層巖性以砂巖、泥巖、砂泥交互、夾炭質(zhì)泥巖為主，電阻率Rt 對巖性指示明顯有別于煤層( 圖1) ，定義頂?shù)装宓挠嬎憔蝺?nèi)自然伽馬最低處巖性比為0、最高處為1，以S 為1 時封蓋能力最強。通過計算主力煤層上下30m 的頂?shù)装鍖拥膸r性比，從巖性上定量的判斷頂?shù)装鍖拥暮脡?。? 是3#煤層頂?shù)装鍖訋r性比數(shù)據(jù)表，表中巖性比平均為0．57，說明頂?shù)装鍖拥膸r性主要以含砂泥巖為主。3#煤層頂、底板層封蓋性最好的井是ZS59 井，最差的井是ZS46 井。

表1 3#煤層頂?shù)装鍖訋r性比

由頂?shù)装鍘r性比等值線圖( 圖2) 分析，在ZZ 區(qū)塊，中北部、南部、西部的井的封蓋性要好于東部地區(qū)，ZS59、ZS19、ZS28 井區(qū)，3#煤頂?shù)装鍖拥姆飧羝焚|(zhì)好。ZS50、ZS46 井頂板層的封蓋品質(zhì)較差。

圖2 3#煤頂?shù)装鍖訋r性比等值線圖

1.2 物性分析(孔隙性φ、含水性)

3#煤頂、底板層的孔隙度是由核磁測井孔隙度得到的。3#煤頂、底板層的孔隙度平均值在0．24% ～4．03%之間，個別含水層段孔隙度值達到8%。底板層孔隙度要稍高于頂板層孔隙度。頂、底板層孔隙度分布( 圖3) 。

圖3 3#煤頂、底板孔隙度分布等值線圖

從整個區(qū)域來看，ZS25 井區(qū)孔隙度最大( 圖4) ，核磁測井成果圖顯示在3#煤之下的泥巖段T2譜分布以小到中孔分布，泥巖段之下的砂巖層T2譜分布為中、大孔，并且有較多的可動水指示。ZZ44 井區(qū)孔隙度次之，核磁測井成果圖( 圖5)顯示3#煤頂、底板層T2 譜分布以小到中孔分布為主，有大孔徑分布，分析認(rèn)為該井3#煤頂、底板層巖性為含砂泥巖、砂泥巖，有中孔發(fā)育。

圖4 ZS25 井3#煤及頂?shù)装鍖雍舜艤y井曲線圖

1.3 頂?shù)装辶芽p特征分析

煤層頂?shù)装逯写嬖诘牧芽p對其機械性能和縱向滲透率影響很大，能造成頂板巖石強度降低、井眼失穩(wěn)，以及煤層中甲烷氣的逸散，使整體封蓋能力減弱，不利于煤層氣的保存，從而影響煤層氣開發(fā)產(chǎn)量。綜合分析電阻率成像測井資料( 圖6) ，把區(qū)塊上煤層頂、底板裂縫發(fā)育程度總結(jié)為5 種情況( 見表2) ，由裂縫指數(shù)FI 定量表示。

1.4 頂?shù)装宓貞?yīng)力分析

地應(yīng)力是構(gòu)造裂縫發(fā)育狀況的控制因素，也控制著壓裂裂縫的高度，最小應(yīng)力方向決定壓裂裂縫擴展方向，因此對煤層壓裂注采的實施十分關(guān)鍵。地應(yīng)力大小Sh 可由常規(guī)、地層傾角、電阻率成像、陣列聲波測井資料求出。

圖6 頂、底板層有裂縫發(fā)育程度

通過對本區(qū)塊上各井中出現(xiàn)的應(yīng)力型井眼的分析統(tǒng)計，本區(qū)域主要最大主應(yīng)力方向為北西-西-南西至南東-東-北東方向，表明本地區(qū)構(gòu)造主應(yīng)力方向為南東-東-北東方向。區(qū)塊上山西、太原組地層中發(fā)育的裂縫主要方向為南東-東-北東方向( 同時存在局部應(yīng)力影響產(chǎn)生的少數(shù)裂縫) ，煤樣中裂縫狀況清楚，表明區(qū)域上主要裂縫發(fā)育方向與最大主應(yīng)力方向基本一致( 圖7) 。

圖7 裂縫發(fā)育方向與地應(yīng)力方向示意圖

通過以上關(guān)鍵參數(shù)的分析計算，得到煤層頂?shù)装宸馍w能力指數(shù)，對單井和區(qū)域的主力煤層封蓋能力SCI 作出定量計算，公式如下，與煤層結(jié)合為一個整體去評價煤層的生、儲、蓋、含氣量，有效指導(dǎo)開發(fā)層段的優(yōu)選。

SCI=A0·H +A1·S +A2·ΔRt +A3·φ +A4·FI + A5·Sh ( H: 封蓋層厚度，S: 巖性比，ΔRt: 深淺電阻率差異，φ: 孔隙度，F(xiàn)I: 裂縫指數(shù)，Sh: 地應(yīng)力; A0～A5: 經(jīng)驗系數(shù))

表2 ZZ 區(qū)塊頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度分類

圖8 ZSS54 井好煤層典型圖例

圖9 ZS49 井煤層封蓋能力降低

2 煤儲層開采層段優(yōu)選分析

煤層含氣量是評價煤層氣資源的重要參數(shù)。優(yōu)選開發(fā)層段可以減小地質(zhì)風(fēng)險，提高采氣量。

例如ZS54 井3#煤( 圖8) ，巖心分析的含氣量為28．5m3/t，測井計算為24．45m3/t，開發(fā)選擇整個3#煤，日產(chǎn)氣2238m3，水0．3m3，三者反映一致。煤層厚度大，煤質(zhì)好，灰分含量低，割理發(fā)育，頂?shù)装鍨?0 多m 厚致密泥巖，成像顯示無裂縫發(fā)育，核磁顯示無可動流體，封蓋性好。

ZS49 井3#煤( 圖9) ，巖心分析的VGAS 為5．64m3/t，測井計算為24．87m3/t，排采為層段3#煤層段，日產(chǎn)氣1281m3，水14m3。電成像資料顯示煤層存在構(gòu)造縫、整體電阻率偏低、水動力活躍，且頂板裂縫發(fā)育，常規(guī)曲線顯示頂部20#層有含氣現(xiàn)象，表明蓋層封蓋能力減低，煤層氣可能逸散至20#層，導(dǎo)致實際煤層含氣量降低，因此認(rèn)為在本煤層開采時應(yīng)同頂部蓋層同時壓開以求的高產(chǎn)。

3 結(jié)論

利用測井資料計算煤層頂?shù)装鍖拥膸r性比，成像、陣列聲波測井資料進行煤層頂?shù)装鍖恿芽p參數(shù)，地應(yīng)力大小與方向，核磁資料得到的地層有效孔隙度、束縛流體及可動流體體積、含氣含水性分析等四種方法，進行煤層及頂?shù)装鍖臃馍w性質(zhì)的定量評價，形成煤層封蓋能力的關(guān)鍵參數(shù)評價技術(shù)，對優(yōu)選煤儲層段及優(yōu)化壓裂方案能提供意見。該技術(shù)在山西沁水盆地工程示范區(qū)應(yīng)用效果好，在優(yōu)選實施的一些井中產(chǎn)氣量大幅提高，為提高煤層氣采收率、獲得更高的經(jīng)濟效益發(fā)揮了重要的作用。

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