和順地區(qū)煤層氣工業(yè)組分與含氣量計(jì)算研究

張作清

（中國石化集團(tuán)華東石油局測井工程公司，江蘇 揚(yáng)州225007）

0 引 言

煤的工業(yè)組分包括灰分、固定碳、揮發(fā)分、水分等4部分［1］。U.Ahmed等［2］將地球化學(xué)測井引入到煤層煤質(zhì)評價(jià)，提高了測井解釋煤組分含量的精度；孫耀庭等［3］建立了煤巖實(shí)測灰分含量與測井參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；高緒晨等［4］提出針對煤層的體積模型并提出了各組分測井響應(yīng)參數(shù)的獲取方法。在煤層含氣量評價(jià)方面，早在1977年，Kim A.G.［5］就曾提出一種基于等溫吸附方程和測井資料計(jì)算煤層含氣量的方法（稱為KIM方程）；1992年，J.M.Hawkins、R.A.Schraufnagel和 A.J.Olszewsk等人使用了與Kim A.G.提出的KIM方程相同的數(shù)據(jù)集，結(jié)合Langmuir吸附等溫理論共同提出了計(jì)算煤層含氣量的蘭氏煤階方程。在國內(nèi)，潘和平等［6］通過分析華北地區(qū)煤樣煤質(zhì)、含氣量實(shí)驗(yàn)測試資料以及相應(yīng)的測井資料，發(fā)現(xiàn)煤層含氣量與煤層溫度、壓力及碳分、灰分含量具有密切關(guān)系，并建立了煤層含氣量的估算方法。董紅［7］、劉效賢［8］、高緒晨［9］、葛祥［10］等也都探討過利用多元線性回歸方法預(yù)測煤層含氣量。

本文在測井曲線重構(gòu)以及井徑擴(kuò)徑校正基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)室分析刻度，建立煤的工業(yè)組分與測井曲線的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算關(guān)系式，并對含氣量與深側(cè)向電阻率、自然伽馬、補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差等4條測井曲線進(jìn)行單相關(guān)分析，通過復(fù)合參數(shù)P建立煤層含氣量的計(jì)算公式，最終將這一研究成果應(yīng)用于和順地區(qū)煤層氣井的處理，取得了滿意的地質(zhì)效果。煤層存在的擴(kuò)徑現(xiàn)象制約了運(yùn)用測井資料評價(jià)煤層含氣量的精度。本文還探討了測井曲線重構(gòu)法和直接針對擴(kuò)徑處的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)回歸法。

1 測井資料井眼校正

1.1 測井曲線重構(gòu)法

聲波測井測量過程中一般都是居中的且具有井眼補(bǔ)償功能，因而受井壁垮塌的影響相對較小。在擴(kuò)徑不太嚴(yán)重的情況下，補(bǔ)償聲波測井可以較好地反映真實(shí)地層信息。利用聲波時(shí)差孔隙度重構(gòu)體積密度和補(bǔ)償中子測井曲線。由巖石體積模型可得

由聲波時(shí)差孔隙度重構(gòu)體積密度ρAC

由聲波時(shí)差孔隙度重構(gòu)補(bǔ)償中子φNAC

式中，Δt、Δtma、Δtsh、Δtf分別為地層、骨架、泥質(zhì)和流體聲波時(shí)差；ρma、ρsh、ρf分別為骨架、泥質(zhì)、流體體積密度；φNsh為泥質(zhì)中子測井值；ρAC、φNAC分別為體積密度、補(bǔ)償中子測井重構(gòu)值。

1.2 擴(kuò)徑處的經(jīng)驗(yàn)校正方法

本文統(tǒng)計(jì)了和順地區(qū)10口井的煤層擴(kuò)徑值與測井值的相關(guān)關(guān)系式，提出了基于擴(kuò)徑率的井徑校正方法

式中，L、Lc分別為校正前、后測井值；DCAL為井徑值；Dbits為鉆頭直徑；a、b為校正系數(shù)。

圖1 煤層井徑校正前后測井響應(yīng)對比圖

圖1為煤層井徑校正前后測井響應(yīng)對比圖。井徑校正前擴(kuò)徑嚴(yán)重的井段（如501.875～502.375m）密度測井值降低，補(bǔ)償中子測井值增大，聲波時(shí)差出現(xiàn)尖峰，這顯然是受到了擴(kuò)徑的影響；井徑校正后，各測井值均在煤層正常響應(yīng)范圍內(nèi)，消除了由于擴(kuò)徑產(chǎn)生的聲波時(shí)差測井曲線的尖峰突變。

2 煤層工業(yè)組分計(jì)算

大量巖心分析測試研究表明，煤心的體積密度與含灰量存在線性關(guān)系，含灰量又與揮發(fā)分、固定碳含量存在線性關(guān)系。依據(jù)和順地區(qū)煤層工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別建立煤心密度與灰分的線性關(guān)系、灰分與揮發(fā)分的線性關(guān)系、灰分與固定碳的線性關(guān)系（見圖2、圖3、圖4），進(jìn)而得出和順地區(qū)煤層四元工業(yè)組分（灰分、固定碳、揮發(fā)分、水分）的測井計(jì)算模型

式中，ρ為密度，g／cm3；Va為灰分含量，%；Vfc為固定碳含量，%；Vvm為揮發(fā)分含量，%；Vm為水分含量，%。

圖4 和順地區(qū)灰分與揮發(fā)分交會圖

分析測井密度與煤巖各組分的關(guān)系式可知，測井密度值與灰分呈正相關(guān)關(guān)系，即密度值越大，灰分含量越高；與固定碳呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即密度值越大，固定碳含量越低。

3 煤層氣含量計(jì)算

3.1 單相關(guān)分析

煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在于煤層微裂隙中，其賦存狀態(tài)隱蔽，對測井響應(yīng)特征的影響復(fù)雜。但是在一個(gè)井田范圍內(nèi)，在沉積環(huán)境、變質(zhì)程度、還原程度、灰分和水分相似的煤層，由于以甲烷為代表的烴類氣體在電阻率（104～109Ω·m）、密度（0.716 8mg／cm3）等測井曲線上與煙煤（電阻率100～5 000Ω·m、密度1.25～1.35g／cm3）有著明顯的區(qū)別，所以存在這樣的一般趨勢：隨甲烷氣體的增多，電阻率會增高，密度減小，反之亦然。這就為測井參數(shù)解釋煤層氣含量提供了物理基礎(chǔ)。通過解釋，初步確定了應(yīng)用深側(cè)向電阻率、自然伽馬、補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差等4條對含氣量敏感的測井曲線進(jìn)行單相關(guān)分析（見表1）。

表1 煤層氣含量與測井曲線單相關(guān)分析表

從上述單相關(guān)分析可以看出，補(bǔ)償密度與煤層含氣量相關(guān)性最好，自然伽馬次之，補(bǔ)償聲波時(shí)差較差，深側(cè)向電阻率最差，最終舍棄深側(cè)向電阻率Rt，引入組合參數(shù)P對煤層含氣量進(jìn)行評價(jià)。

3.2 應(yīng)用復(fù)合參數(shù)P計(jì)算含氣量

測井曲線與含氣量的關(guān)系研究表明，含氣量與聲波時(shí)差呈一定正相關(guān)關(guān)系，與自然伽馬、補(bǔ)償密度測井?dāng)?shù)據(jù)則呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。為克服單參數(shù)的局限性，采用逐步判別分析法測試這些參數(shù)對含氣性的貢獻(xiàn)，再結(jié)合實(shí)際儲層變化對測井分析的需要，確定利用聲波時(shí)差、自然伽馬和體積密度構(gòu)成的復(fù)合參數(shù)P，其定義為

作和順地區(qū)復(fù)合參數(shù)與含氣量的交會圖如圖5所示。由交會圖建立復(fù)合參數(shù)計(jì)算含氣量的公式為

式中，V為含氣量，m3／t；P為復(fù)合參數(shù)。

圖5 和順地區(qū)含氣量—復(fù)合參數(shù)交會圖

4 處理實(shí)例

應(yīng)用上述方法對和順地區(qū)20多口井進(jìn)行了處理。以×－1井處理結(jié)果中的22號煤層為例進(jìn)行說明（見圖6）。從處理成果可以看出，煤層運(yùn)用回歸分析法計(jì)算得到煤層工業(yè)組分（固定碳、灰分、揮發(fā)份），與煤心實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對應(yīng)較好，計(jì)算結(jié)果線與實(shí)驗(yàn)分析點(diǎn)基本重合（圖6中第1道、第2道、第3道）。圖6中第4道分別為運(yùn)用提出復(fù)合參數(shù)P計(jì)算的含氣量（圖6中綠色線）和運(yùn)用密度法計(jì)算的含氣量（圖6中藍(lán)色線）。通過與現(xiàn)場煤層氣含氣量測試結(jié)果對比（圖6中點(diǎn)線）可以看出，由綜合參數(shù)P計(jì)算的含氣量與現(xiàn)場測試結(jié)果更為吻合，說明該方法可行，精度能滿足要求。物性計(jì)算結(jié)果不理想是今后努力的方向。

從處理成果圖6可以看出，運(yùn)用回歸分析法計(jì)算的煤層工業(yè)組分與煤心實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對應(yīng)性較好，曲線與實(shí)驗(yàn)分析點(diǎn)基本能重合。含氣量分析結(jié)果表明，運(yùn)用復(fù)合參數(shù)P計(jì)算的含氣量（圖6中綠色線）較原密度法計(jì)算的含氣量（圖6中藍(lán)色線）與煤心分析結(jié)果對應(yīng)性更好，說明以上方法在對和順地區(qū)煤層工業(yè)組分和含氣量進(jìn)行研究時(shí)效果更好，精度也更高。

圖6 和×－1井一次解釋、二次解釋、實(shí)驗(yàn)分析對比圖

5 結(jié) 論

（1）煤層的擴(kuò)徑現(xiàn)象制約了運(yùn)用測井資料評價(jià)煤層的精度。利用曲線重構(gòu)法以及經(jīng)驗(yàn)公式可以對測井曲線進(jìn)行校正。

（2）煤心的體積密度與含灰量存在線性相關(guān)關(guān)系，而含灰量又與揮發(fā)分、固定碳含量存在線性相關(guān)關(guān)系。通過密度測井曲線可以建立相應(yīng)的工業(yè)組分計(jì)算公式。

（3）通過測井曲線與含氣量的單相關(guān)分析，建立復(fù)合參數(shù)P計(jì)算含氣量的計(jì)算公式，對和順地區(qū)煤層氣井進(jìn)行了處理，經(jīng)煤心實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果檢驗(yàn)，說明了該方法的有效性。有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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［2］ Ahmed U，Johnston D，Colson L.An Advanced and Integrated Approach to Coal Formation Evaluation［J］.SPE22736，1991：755－770.

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