鄂東氣田煤層氣儲層測井綜合評價方法研究

劉之的，楊秀春，陳彩紅，張繼坤

（1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引 言

鄂爾多斯盆地東緣煤層埋深適中、煤層厚、含氣量高，且原始滲透率較高，以肥、焦煤為主，有少量瘦、貧煤，具有適合煤層氣開發(fā)的優(yōu)質(zhì)地質(zhì)條件［1］。煤層氣儲層是否優(yōu)質(zhì)是由多個儲層參數(shù)綜合表征的［2－3］。煤層氣儲層的儲氣性受地下多個地質(zhì)因素的相互影響。譬如含氣量高的煤層，可能因為煤層很薄、滲透率低而難以開采；又如煤層含氣量低的儲層，會因滲透率高、煤層厚，且割理發(fā)育而易于開采。綜合考慮各個儲層參數(shù)，尤其是影響儲層優(yōu)質(zhì)程度的主控參數(shù)，并充分挖掘測井資料中所蘊含的煤層氣儲層信息，利用模糊數(shù)學(xué)方法對煤層氣儲層進(jìn)行綜合評價，從而更為全面、準(zhǔn)確地為煤層氣開發(fā)決策和選區(qū)部署提供依據(jù)。

1 煤層氣儲層測井綜合評價指標(biāo)優(yōu)選

煤層氣儲層綜合評價方法從儲層的多種參數(shù)出發(fā)，包括儲層定性和定量的性質(zhì)，找出它們與儲層煤層氣儲量和產(chǎn)能的內(nèi)在關(guān)系，并用相對的概念估計其貢獻(xiàn)的大小，從而對儲層好壞做出等級分類和產(chǎn)能估計。因此在綜合評價中，應(yīng)采用足夠多的信息，包括測井、地質(zhì)、鉆井和測試等資料，把影響儲層好壞的各種因素都考慮到，例如，煤巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂縫狀態(tài)、儲集類型、孔隙度、含氣量、滲透率和有效厚度等。然后，對反映這些因素的信息，根據(jù)它們對地質(zhì)因素反映的可信度和地質(zhì)因素對儲層好壞貢獻(xiàn)的大小，賦予相應(yīng)的權(quán)值，并用一定的計算式計算這種權(quán)值大小的各種儲層評價指標(biāo)，最后用一定的數(shù)學(xué)方法將這些指標(biāo)綜合起來作為最終評價儲層的指標(biāo)［4］。

通過綜合分析前人已提出的裂縫性儲層評價指標(biāo)，并結(jié)合煤層氣儲層綜合評價的特點，給出6個評價指標(biāo)。

1.1 煤巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)指標(biāo)Lx

煤巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)主要取決于煤體本身的物理－機械特征及煤層所受的構(gòu)造破壞程度［5］。構(gòu)造煤因其呈粉末狀、糜棱狀，裂隙已不復(fù)存在，僅有的顆?？紫兑脖桓?xì)的煤粉所充填，以至于煤層滲透率特低。碎裂結(jié)構(gòu)煤的裂隙較發(fā)育，故碎裂煤儲層的滲透率一般較高；而原生結(jié)構(gòu)煤的裂隙發(fā)育雖較碎裂結(jié)構(gòu)煤差，但易于實施壓裂或注氣提高采收率等增產(chǎn)措施。

對于煤層氣儲層剖面，通常認(rèn)為不含雜質(zhì)的純煤層巖性和結(jié)構(gòu)較好，故令其巖性和結(jié)構(gòu)指標(biāo)L′x＝1；其他煤層巖性和結(jié)構(gòu)次之。當(dāng)煤層含有泥、灰質(zhì)時，儲集物性明顯變差，因此必須考慮泥、灰質(zhì)含量，于是巖性和結(jié)構(gòu)指標(biāo)Lx可表示為

式中，Vsh為泥、灰質(zhì)含量，小數(shù)。

1.2 裂縫發(fā)育程度指標(biāo)I

對于煤層氣開發(fā)，煤儲層中發(fā)育的裂隙和割理系統(tǒng)構(gòu)成了氣、水產(chǎn)出的主要通道。因此，準(zhǔn)確評價裂隙和割理發(fā)育程度對于煤層氣儲層物性特征的評價至關(guān)重要［6－7］。在煤儲層中發(fā)育較好、對滲透性貢獻(xiàn)較大的是內(nèi)生裂隙（割理）系統(tǒng)，因此，在煤層氣勘探開發(fā)中，人們更關(guān)注煤層氣儲層中割理的發(fā)育特征，因為對于高產(chǎn)煤層氣預(yù)測及最佳開發(fā)策略的制定，割理滲透率是影響煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵因素之一［1，4］。

裂隙起著溝通裂隙與孔隙的作用，其發(fā)育的連通性好壞對儲層滲透率的影響較大。如果大裂隙的連通性較差，即使裂隙再發(fā)育，也起不到溝通裂隙與孔隙的作用，對滲透率貢獻(xiàn)較小。微裂隙是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁，其發(fā)育程度影響儲層的滲透性能。

通常利用巖石破裂系數(shù)作為裂縫發(fā)育程度指標(biāo)，即

式中，E為煤巖體的動彈性模量，可利用測井資料求得；Ema為煤巖石骨架的動彈性模量，由理論求得。

1.3 裂縫孔隙度指標(biāo)F

由于孔隙中充填有氣、水及其混合物，其電阻率比原狀煤層電阻率大，因此可通過雙側(cè)向測井和密度測井計算孔隙度。煤層孔隙度的計算一般是指計算其裂縫孔隙度。還可利用中子、密度和聲波三孔隙度測井定性判斷煤層氣的孔隙度。煤層的總孔隙度越大，密度值就越小，密度測井和聲波時差測井值就越大。

煤的裂縫孔隙系統(tǒng)是煤層氣滲流的必經(jīng)通道，裂縫孔隙發(fā)育程度會影響煤層氣的滲流能力。裂縫孔隙度的大小對煤儲層的滲透性意義重大，因此這里選取裂縫孔隙度作為煤儲層綜合評價的另一個重要參數(shù)。

裂縫孔隙度指標(biāo)F定義為

式中，φf為裂縫孔隙度，%；φt為煤巖的總孔隙度，%。

1.4 滲透率指標(biāo)P

煤層滲透率高低取決于其總孔隙度（即割理、外生裂隙和微孔隙）的發(fā)育程度。煤層基質(zhì)孔隙主要儲集煤層氣，煤層割理則作為煤層氣的流動通道［8］。

根據(jù)自然伽馬、自然電位、側(cè)向測井以及井徑測井等測井曲線在滲透層和非滲透層一般變化規(guī)律可知，自然伽馬在滲透層表現(xiàn)為低值；自然電位在滲透層表現(xiàn)為絕對值高值；深淺雙側(cè)向曲線在滲透層有幅度差；井徑測井表現(xiàn)為縮徑，從而根據(jù)綜合測井曲線可定性判斷煤層的滲透性。

儲層的滲透率是反映煤層中氣、水的流體滲透性能的重要參數(shù)，它反映了開采過程中煤儲層對解吸甲烷的滲流能力，高滲透率是煤層氣井高產(chǎn)的重要條件，它是煤儲層物性評價中最直接和最重要的評價指標(biāo)。

滲透率指標(biāo)P定義為

式中，Kt為利用測井資料計算出的煤儲層總滲透率，mD＊；Ke為有效滲透率下限值，mD。

1.5 煤層氣含量指標(biāo)G

煤儲層中氣體主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的微孔表面內(nèi)，因此含氣性是儲層應(yīng)具備的基本條件，是評價儲層優(yōu)劣的基本指標(biāo)。一般以單位質(zhì)量煤的氣含量（m3／t），即（原位）含氣量評價煤儲層的含氣性。含氣量主要通過鉆井現(xiàn)場和實驗室的巖心罐解吸實驗獲得，主要包括吸附氣、損失氣和殘余氣等。對于成藏的影響因素，煤儲層的含氣量大小是最重要的因素，是煤層氣富集的體現(xiàn)。

煤層含氣量是煤層氣勘探和開發(fā)中一個關(guān)鍵參數(shù)［9－10］。分別將煤層含氣量與其對應(yīng)的測井曲線進(jìn)行相關(guān)性分析，包括煤層含氣量與深側(cè)向電阻率、聲波時差、補償中子、體積密度、自然伽馬等測井值進(jìn)行交會圖分析，其中，體積密度、自然伽馬相對值與含氣量相關(guān)性較好。

煤層氣含量指標(biāo)G定義為

式中，Vg為利用測井資料計算出的煤層氣含氣量；Ge為煤層氣儲層有效含氣量下限值。

1.6 有效厚度指標(biāo)H

在全井產(chǎn)量達(dá)到儲量起算的產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)時，在現(xiàn)有工藝技術(shù)允許的生產(chǎn)壓差條件下，具有煤層氣生產(chǎn)能力的那部分煤層厚度，稱為有效厚度［4］。就每個單層而言，其獨自的產(chǎn)量并不一定要達(dá)到起算產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)。由于各氣田的地質(zhì)、技術(shù)、經(jīng)濟條件不盡一致，最低工業(yè)氣流產(chǎn)量各異，所以不同地區(qū)有效厚度的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。決定起算標(biāo)準(zhǔn)的具體參數(shù)主要有煤層的孔隙度、滲透率、煤層含氣量、單層厚度等。煤層氣儲層有效厚度在儲量計算、氣田開發(fā)中具有重要意義。

將有效厚度指標(biāo)H定義為

式中，ht為利用測井資料計算出的煤層有效厚度，m；he為有效厚度的下限值，m。

2 煤層氣儲層綜合評價模型構(gòu)建

模糊綜合評判方法是應(yīng)用廣泛的多因素綜合評價方法之一，它對用模糊數(shù)表示的不確定性評價因素體系有著良好的處理能力［1］。

煤層氣儲層的品質(zhì)與儲層參數(shù)有關(guān)，各個儲層參數(shù)對其品質(zhì)的影響各不相同，為此，難以利用常規(guī)方法對煤層氣儲層的優(yōu)劣做出準(zhǔn)確評價。然而，模糊數(shù)學(xué)研究的客觀事物中各種不確定現(xiàn)象及其相互關(guān)系。其中的模糊綜合評價方法是在對某一現(xiàn)象進(jìn)行評價時，對引起這一現(xiàn)象的各種因素（其中的各因素均帶模糊性）進(jìn)行評價，最終獲得對原現(xiàn)象的評價值。為此，本文試圖利用模糊數(shù)學(xué)解決煤層氣儲層綜合評價問題。

2.1 基本原理

模糊綜合評判是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，在考慮與被評價相關(guān)多種因素的影響下，對某事物作出綜合決斷（評判）。

設(shè)有2個有限論域，即

式中，論域U代表模糊綜合評判因素所組成的集合，稱為因素集，ui為被考慮的第i個因素；論域V代表模糊綜合評判評語所組成集合，稱為評判集或評語集，vj為第j種評判結(jié)果。

設(shè)W＝（w1，w2，…，wn）是因素集U上的一個模糊向量，B＝（b1，b2，…，bm）是評判集V上的一個模糊向量，R是從U到V的一個模糊映射，如果用矩陣表示，有

式中，R為模糊矩陣；rij為模糊矩陣元素。

分析rij可以看出，它實際上可以看作僅從單一因素ui考慮，確定該事物對評判結(jié)果vj的隸屬度，所以R又可稱為隸屬度矩陣。那么從W到B的變換為

2.2 模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)模糊綜合評判方法的基本原理，利用模糊綜合評判方法進(jìn)行多測井參數(shù)煤層氣綜合評判（識別）可歸結(jié)為如下數(shù)學(xué)問題，即

式中，B（1）為模糊綜合評判向量為模糊綜合評判向量元素；W（1）＝（）1×n為權(quán)系數(shù)向量（矩陣），或為權(quán)系數(shù)（矩陣）元素；W（1）＝（）1×n為隸屬度矩陣，為隸屬度矩陣元素。

關(guān)于模糊綜合評判算法，可采用加權(quán)平均法和以加代替最大法等。

（1）加權(quán)平均法

（2）以加代替最大法

（3）以乘代替最小法

根據(jù)最大隸屬原則，若

則待識別對象屬于第L類儲層。

分析上述3種評判計算方法可知，加權(quán)平均法為加權(quán)平均型的模糊綜合評判，依模糊權(quán)系數(shù)的大小對所有因素均衡兼顧，適用于要求總和最大的情形；以加代替最大法為主因素決定型的模糊綜合評判，其評判結(jié)果只取決于在總評價中起主要作用的那個因素，而忽略了其他因素；以乘代替最小法為主因素突出型模糊綜合評判，它與取大取小法很相似，但是要精細(xì)些，不僅突出了主要因素，而且也兼顧了其他因素。

3 煤層氣儲層測井綜合評價實例分析

基于前述煤層氣儲層測井綜合評價方法的研究，利用測井資料計算了研究區(qū)6口井3個主力煤層的煤巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)指標(biāo)Lx、裂縫發(fā)育程度指標(biāo)I、裂縫孔隙度指標(biāo)F、滲透率指標(biāo)P、煤層氣含量指標(biāo)G、有效厚度指標(biāo)H（見表1）。

利用模糊綜合評判方法，對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出不同井、不同煤層氣儲層的品質(zhì)優(yōu)良與否。研究發(fā)現(xiàn)，以加代替最大法和加權(quán)平均法2種方法對最優(yōu)評判的結(jié)果一致，但對良好層和較差層的評判并不對應(yīng)，為此，研究參考了以乘代替最小法綜合確定?；谇笆?種模糊綜合評判方法綜合評價5號煤層中，韓試10、韓試11、韓試19井最優(yōu)，韓試3、韓試4井次之，韓試12井則較差。11號煤層中，韓試10、韓試11綜合評判結(jié)果最優(yōu)，韓試12、韓試19井次之，韓試4井則較差。

表1 煤層氣儲層測井綜合評價指標(biāo)的模糊集

圖1是韓試10井單井綜合評價成果圖。該井5號煤層室內(nèi)分析化驗可知，水分、灰分、揮發(fā)分均比較低，水分含量0.62%～0.95%，平均為0.83%；灰分含量17.17%～43.52%，平均為27.83%；揮發(fā)分9.93%～14.70%，平均為11.76%；從5號煤層的3個煤樣等溫吸附結(jié)果來看，該區(qū)煤層總體吸附能力強，5號煤層原煤的理論最大吸附量11.84～25.29m3／t，平均為19.42m3／t，蘭氏壓力總體上較小，5號煤層蘭氏壓力1.59～2.15MPa，平均為1.88MPa；煤層含氣量7.85～9.64m3／t，平均8.94m3／t。如前所述，該井5號煤層含氣量較高，水分含量較低，灰分含量較高，顯微組分以鏡質(zhì)組為主，礦物含量較低，含氣飽和度較高，臨界解吸壓力較高，煤層總體吸附能力強，煤層氣含量高。利用本文所述方法將該井5號煤層綜合評價為Ⅰ類儲層，局部夾Ⅱ類儲層，與室內(nèi)測試分析的各項參數(shù)所表征的煤層氣儲層性能均具有較好的一致性。

圖1 韓試10井綜合評價圖

從圖1可知，該井11號煤層較厚，測井解釋的煤層含氣量較高，滲透性較好，裂縫孔隙度較大，而且彈性模量反映割理較為發(fā)育，利用本文所述模糊綜合評判方法評價為Ⅰ類儲層，與煤儲層性能參數(shù)所反映的儲層優(yōu)質(zhì)程度較為吻合。

4 結(jié) 論

（1）煤層氣儲層綜合評價不僅涉及到反映煤層氣儲集能力的含氣量等參數(shù)，而且必須包含反映煤層氣產(chǎn)出能力的滲透率、孔隙度、割理和裂隙等參數(shù)，進(jìn)而才能利用測井技術(shù)對煤層氣儲層做出較為合理的綜合評價。

（2）從測井的角度，對鄂爾多斯盆地東部進(jìn)行了煤層氣測井綜合評價，為該地區(qū)的煤層氣勘探與開發(fā)提供了可靠的測井技術(shù)支持。

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