煤層氣資源開發(fā)現(xiàn)狀及測井技術(shù)攻關(guān)方向

趙培華，楊玲，萬金彬

（1.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京100028；2.中國石油集團測井有限公司油氣評價中心，陜西 西安710077）

0 引 言

煤層氣是賦存在煤層中以甲烷為主要成分的烴類氣體和少量非烴類氣體，主要以吸附形式存在于煤基質(zhì)表面，少部分以游離形式存在于煤孔隙、裂隙空間或溶解于煤層水中［1－3］。全世界煤層氣資源量巨大，加拿大、中國、美國和澳大利亞資源量均超過10×1012m3。地球物理測井和儲層評價是煤層氣勘探開發(fā)的配套技術(shù)，但是資料采集和評價基本沿用常規(guī)石油天然氣的技術(shù)方法，鑒于煤層氣的組分、形成機理和儲集方式的獨特性，這些傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足煤層氣高效勘探開發(fā)的需求。本文在了解國內(nèi)外煤層氣資源量和開發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，論述了煤層氣儲層測井評價目前所存在的局限性，并提出了測井技術(shù)下一步發(fā)展的需求和方向。

1 全球煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)國際能源機構(gòu)IEA2009年統(tǒng)計，全世界煤層氣資源量可達(dá)268×1012m3，其中90%的煤層氣主要分布在俄羅斯、加拿大、中國、美國、澳大利亞等12個主要產(chǎn)煤國［4］。

1.1 國外煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

國外已經(jīng)投入煤層氣勘探和開發(fā)的國家以美國、加拿大和澳大利亞為主要代表，年總產(chǎn)量約為700×108m3。

美國煤層氣研究始于20世紀(jì)50年代，煤層氣總資源量約為21.19×1012m3。美國是世界上開采煤層氣最早和最成功的國家，也是世界上煤層氣產(chǎn)量最高的國家。美國的煤層氣分布于13個盆地中，其中位于西部的盆地以圣胡安盆地為代表［5］，煤層厚度較大，煤階較低，物性較好，含氣量也較高。位于東部的盆地以黑勇士盆地為代表，煤層層數(shù)多，埋深較淺，煤階相對較高，物性也較好，含氣量高。20世紀(jì)80年代，在重點對圣胡安和黑勇士2個盆地進行大量現(xiàn)場和實驗研究的基礎(chǔ)上，煤層氣開發(fā)取得了重大突破。2011年，美國煤層氣產(chǎn)量約570×108m3，煤層氣已成為重要的能源資源（見圖1）。

圖1 美國歷年煤層氣產(chǎn)量

加拿大煤層氣勘探始于20世紀(jì)70年代，總資源量約76×1012m3。煤層氣資源主要集中在西部地區(qū)的阿爾伯塔省，目的層位主要是馬蹄谷組和曼維爾組。東部地區(qū)煤田規(guī)模較小，除局部地區(qū)外，資源量比較有限。煤層氣生產(chǎn)井類型包括垂直井、單分支和多分支水平井，其中垂直井以連續(xù)油管氮氣壓裂作為增產(chǎn)措施。2002年，煤層氣開始規(guī)模性開發(fā)，到2005年末，阿爾伯塔省的煤層氣資源量為209×108m3，比之前增長了181%，投入生產(chǎn)的煤層氣井達(dá)3 200口，占總數(shù)的90%。2006年底，阿爾伯塔省的煤層氣井總數(shù)為1.0723萬口，其中6 905口投入生產(chǎn)。截止到2009年第一季度，加拿大共有煤層氣井1.55萬口，主要目的層是阿爾伯塔省的馬蹄谷組和腹部河組，其他為曼維爾組和阿德雷組。再到2011年，煤層氣生產(chǎn)井?dāng)?shù)達(dá)2萬口，產(chǎn)量約100×108m3。

澳大利亞煤層氣勘探工作也始于20世紀(jì)70年代，總資源量約14×1012m3。煤層氣資源主要分布在東部沿海地區(qū)的鮑恩、悉尼、加里里和莫爾頓－蘇拉特等4個煤盆。煤層埋深大多小于1 000m，滲透率多為（1～10）×10－3μm2，含氣量平均為0.8～16.8m3／t，灰分和含硫量低。在充分吸收美國煤層氣勘探開發(fā)成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對本國煤層氣特點，澳大利亞在煤層氣勘探、鉆井、排采等方面積累了豐富的經(jīng)驗并形成自己的特色技術(shù)，優(yōu)先引進和推廣從地表到煤層的水平鉆井技術(shù)，提高了鉆井的安全性和煤層氣產(chǎn)量，并且減小了開發(fā)成本。1998年，煤層氣產(chǎn)量僅0.56×108m3，到2004年增加到10×108m3，此時煤層氣已經(jīng)進入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段［5］。到2005年，煤層氣生產(chǎn)井?dāng)?shù)達(dá)1 300口，產(chǎn)量約12×108m3，2011年產(chǎn)量已超過60×108m3。

1.2 中國煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

中國從1952年開始礦井煤層氣抽放，到1989年，通過引進煤層氣專業(yè)設(shè)備及軟件，在煤層氣資源評價、開采技術(shù)等方面取得較大進展。中國的煤層氣鉆探井已經(jīng)涉及30多個地區(qū)，并且在沁水、大寧、韓城等地區(qū)取得重要成果。先后在沁南潘河、沁南潘莊、晉城寺河、沁南棗園、阜新鄧地區(qū)開展煤層氣勘探開發(fā)試驗。截至2006年底，中國已登記的煤層氣區(qū)塊共98個，面積超過6.5×104km2。從事煤層氣開發(fā)的企業(yè)有中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司、中國石油天然氣股份有限公司、中國石油化工集團公司、山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司等。

中國42個主要含氣盆地埋深2 000m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36.8×1012m3，其中可供開發(fā)利用的資源量為（14.12～25.29）×1012m3，可采資源量為（4.08～7.56）×1012m3，在層系上主要分布于早中侏羅紀(jì)、石炭紀(jì)和二疊紀(jì)煤層中（占總量的90%）。從埋深看，1 000m以淺、1 000～1 500m、1 500～2 000m的煤層氣地質(zhì)資源量分別為14.3×1012m3、10.6×1012m3和11.9×1012m3，分別占全國的38.8%、28.8%和32.4%。從煤階看，中國高、中、低煤階煤層的資源量分別為7.8×1012m3、14.3×1012m3和14.7×1012m3［6］，其中中高煤階煤層氣以沁水為代表，中低煤階以保德為代表。中國煤層氣主要分布于華北、西北及東北等地區(qū)［7］，其中山西、陜西、新疆、內(nèi)蒙古和云貴川地區(qū)資源總量約占全國總量的90%。鄂爾多斯、沁水等8個資源量大于1×1012m3的主要煤層氣盆地資源量合計占全國的76%，具備規(guī)模開發(fā)的資源基礎(chǔ)。鄂爾多斯盆地煤層氣資源量最大，為9.9×1012m3，占全國的27%；沁水盆地資源量為4.0×1012m3，占全國的11%。其他資源量相對較小的盆地（群）有川南黔北、陰山、遼西等。

中國煤層氣產(chǎn)業(yè)從2008年起邁入商業(yè)開發(fā)階段。到2012年底，累計鉆井超過1.2萬口（2012年新增超過3 500口），探明儲量5 600×108m3，建成年生產(chǎn)能力30×108m3，在建年產(chǎn)能約50×108m3，2012年產(chǎn)量26.2×108m3。截止2013年底，累計鉆井超過1.25萬口，探明儲量5 911×108m3，建成年生產(chǎn)能力30×108m3，在建年產(chǎn)能約50×108m3，2013年產(chǎn)量29.8×108m3，預(yù)計2015年產(chǎn)量可達(dá)40×108m3（見圖2）。

2 煤層氣儲層測井技術(shù)攻關(guān)方向

煤層氣儲層具有低孔隙度、超低滲透率、非均質(zhì)性和各項異性強、氣體主要以吸附狀態(tài)賦存、易擴徑等特點，使得煤層氣儲層性質(zhì)與測井響應(yīng)之間的關(guān)系復(fù)雜［8－10］，不僅影響測井?dāng)?shù)據(jù)采集的質(zhì)量和精度，還給測井解釋評價帶來多解性和不確定性。

2.1 研發(fā)適合的測井裝備

煤層具有易擴徑、低密度、高含氫、低Pe等特點，針對常規(guī)油氣藏開發(fā)的測井儀器在測量精度、分辨率等方面難以適應(yīng)煤層氣儲層的準(zhǔn)確評價要求，需要研發(fā)適合煤層特點的新儀器。以密度測井為例，由于煤層密度和含氣量低，現(xiàn)有密度測井儀器范圍不合適，測量結(jié)果精度較低［11］，需調(diào)整儀器的測量范圍和提高測量精度，滿足煤層準(zhǔn)確評價的需要。另外，目前許多煤層氣井已經(jīng)采用空氣鉆井，常規(guī)熱中子孔隙度測量儀器也無法適用，需要研發(fā)超熱中子孔隙度測量方法。

此外，為實現(xiàn)煤層的生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測，分析層間的連通性，需對煤層氣井進行產(chǎn)液剖面測試。但煤層產(chǎn)氣量低，井筒和井下環(huán)套空間小，測試儀器精度不夠且入井困難。非集流渦輪式流量計法、流量傘法等常規(guī)測試方法亦不能滿足煤層氣井分層測試的要求。因此，需研制滿足煤層氣測試要求的高精度、小型化的測試儀器。

2.2 研究測井解釋新理論及方法

（1）規(guī)范煤層氣儲層解釋評價流程。煤層氣儲層評價主要圍繞物性、含氣性、含水性、可采性、可壓裂性等5個方面，最終達(dá)到綜合評價煤層氣系統(tǒng)的目的。解釋評價流程主要包括煤層識別劃分、煤層參數(shù)的定量計算（如物性、工業(yè)組分、含氣量等）、煤層結(jié)構(gòu)分析、頂?shù)装宸馍w性評價、煤層系統(tǒng)綜合評價等。中國煤層氣儲層解釋評價流程已基本建立。針對煤層氣儲層的特點，應(yīng)明確影響煤層氣產(chǎn)能的主控因素，有效解決產(chǎn)能預(yù)測難題，優(yōu)選合適的開采和壓裂工藝，更科學(xué)和規(guī)范的煤層解釋評價流程還需深入研究。

（2）雙重孔隙解釋模型研究。傳統(tǒng)的利用聲波、密度和中子測井資料計算油氣層孔隙度和飽和度方法是以儲層均質(zhì)性和晶間孔隙為地層孔隙作基礎(chǔ)的。煤層孔隙包括基質(zhì)部分的微孔和割理系統(tǒng)的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)為雙孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，成因復(fù)雜，非均質(zhì)性和各向異性強；煤層中的氣體主要以吸附形式存在于顆粒表面，只有少數(shù)以游離態(tài)和溶解態(tài)存在于孔隙中，不依賴于是否發(fā)育儲集氣體的圈閉。煤層氣儲層的結(jié)構(gòu)、成因及儲集機理等方面都不同于常規(guī)油氣層，利用計算常規(guī)油氣儲層參數(shù)的方法計算煤層參數(shù)會導(dǎo)致計算結(jié)果誤差較大。此外，煤層的骨架參數(shù)值也很難通過實驗得到，使得煤層物性測井響應(yīng)關(guān)系式難以建立。

（3）滲透率評價。滲透率是影響煤層氣儲層產(chǎn)能的關(guān)鍵因素，其大小主要取決于煤層割理發(fā)育程度、煤體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力等［12］。割理指煤體中的天然裂縫系統(tǒng)，是煤歷史演化過程中變質(zhì)作用的結(jié)果。一般煤的割理發(fā)育程度越高，其滲透率就越高，反之越低。通常情況下，中等變質(zhì)程度的煤比低和高變質(zhì)程度的煤割理密度要高，滲透率要好。另一方面，煤層按煤體結(jié)構(gòu)常分為原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤（包括碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤），原生結(jié)構(gòu)煤一般比構(gòu)造煤滲透性較好，構(gòu)造煤中碎裂煤的滲透性常好于碎粒煤和糜棱煤。原因是適度的構(gòu)造作用會使煤層產(chǎn)生裂縫，增加其滲透率，但當(dāng)構(gòu)造作用過度，將煤層破壞為顆粒甚至粉狀時，煤層的滲透率會變差。當(dāng)煤層的地應(yīng)力較大時，煤層的滲透率會降低，反之升高。

按常規(guī)油氣層評價方法計算的煤層滲透率精度較低，缺乏有效的評價方法，需創(chuàng)新理論和方法，為儲層有效性及產(chǎn)能預(yù)測提供準(zhǔn)確參數(shù)。

（4）含氣量計算。煤層含氣量是煤層氣儲層評價的關(guān)鍵參數(shù)之一。Langmuir方程［13］是評價煤層含氣量的基本模型，通過計算可直接得到煤層的含氣量，其中的蘭式壓力和蘭式體積反映煤巖體的吸附能力大小。煤層主要以吸附狀態(tài)存在于煤顆粒表面，微孔的發(fā)育直接決定了煤巖含氣量的多少。煤基質(zhì)微孔的發(fā)育程度取決于煤巖類型、顯微組分、地層溫度、壓力等多個方面。通過不同煤級、不同顯微組分的煤巖在不同的溫度、壓力等條件下的等溫吸附實驗，尋找影響煤巖吸附能力的關(guān)鍵因素，完善蘭式壓力和蘭式體積計算含氣量的模型將是下步研究的重要方面。

煤層的孔隙度本身較低（常低于5%），煤層孔隙中充滿水，游離氣和溶解氣很少，測井值大小很難直接反映煤層中含氣量。間接用測井曲線值與煤層含氣量建立關(guān)系的方法計算含氣量所得到的結(jié)果顯然不合適，且這種方法也沒有考慮到煤層氣儲層儲集性能的橫向變化。充分挖掘直接反映含氣量的測井信息，梳理二者之間的復(fù)雜關(guān)系，提高計算精度是亟需解決的技術(shù)難題。

（5）產(chǎn)水量評價。煤層氣的特殊儲集機制決定了其特殊的產(chǎn)出過程，即排水—降壓—解析—擴散—滲流—產(chǎn)出［14－15］，可見，排水是煤層氣產(chǎn)出的必經(jīng)階段?，F(xiàn)場開采實踐表明，煤層氣井日產(chǎn)水量大小影響因素復(fù)雜，受到構(gòu)造、埋深、頂?shù)装?、水文狀況、壓裂工藝等多種條件的聯(lián)合控制，井間差異較大。如何利用測井資料合理預(yù)測煤層氣井產(chǎn)水量，明確產(chǎn)水量主控因素和煤層產(chǎn)水規(guī)律，對優(yōu)選壓裂工藝、優(yōu)化生產(chǎn)壓差和壓裂液配方以控制排水速度，進而高效開采煤層氣具有重要意義。

（6）應(yīng)用非線性信息處理方法。煤層氣儲層的復(fù)雜性決定了測井信息與儲層參數(shù)之間關(guān)系的非線性特征。常規(guī)油氣層測井評價中常采用的線性模型及方法已不適用于煤層，在現(xiàn)代各種非線性化高分辨率成像儀器快速發(fā)展的情況下，引入最優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等非線性處理方法，通過開展煤心地球物理性質(zhì)研究和參數(shù)建模，建立測井信息與煤層參數(shù)之間的非線性關(guān)系，可成為探索煤層測井解釋新方法的一個方向。

2.3 測井新技術(shù)應(yīng)用

煤層氣儲層的自生自儲、雙重孔隙結(jié)構(gòu)和“三低一高”物性特點，常規(guī)測井技術(shù)在煤層氣儲層的測井資料采集和評價方面存在很多局限性。適用于復(fù)雜巖性和復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)等非均質(zhì)儲層的電成像測井、核磁共振測井、元素俘獲測井和陣列聲波測井等測井新技術(shù)具有各自獨特的優(yōu)勢［16－19］，可以在煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫（見圖3）、頂?shù)装辶芽p發(fā)育描述、孔隙度和流體評價、礦物組分確定、煤層機械特性研究等方面彌補常規(guī)測井評價的不足［11］。開展煤層氣勘探開發(fā)參數(shù)井研究，用電成像測井、核磁共振測井等資料刻度常規(guī)測井，能夠有效提高煤層評價的精度并使煤層氣測井技術(shù)定量化成為可能。

2.4 發(fā)展井間地球物理技術(shù)

圖3 利用成像測井資料刻畫煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

無論是常規(guī)測井技術(shù)，還是電成像測井、核磁共振測井等測井新方法，由于儀器探測深度的限制，只能對井壁或其周圍地層的性質(zhì)進行描述。隨著煤層氣儲層勘探開發(fā)的不斷深入，要解決現(xiàn)場煤層產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量、有利區(qū)預(yù)測等技術(shù)難題，需要對井間煤層的孔隙度、滲透率、含氣量、裂縫發(fā)育情況等進行充分了解，從這個角度分析，目前的測井技術(shù)存在一定的局限性。井間地震、井間電磁波、井間聲波等井間地球物理技術(shù)［9，20－21］可以突破這一局限，獲得井間煤層的地質(zhì)信息，進而實現(xiàn)井間煤層特征的精細(xì)刻畫。井間地球物理技術(shù)與目前的測井技術(shù)有效結(jié)合，使得采集信息可以覆蓋整個研究區(qū)塊，實現(xiàn)煤層氣儲層的三維精細(xì)描述，為整個區(qū)塊的綜合評價提供有利條件，并指導(dǎo)煤層氣的勘探和開發(fā)。

3 結(jié) 論

（1）針對常規(guī)油氣藏開發(fā)的測井儀器在測量精度、分辨率等方面難以適應(yīng)煤層氣儲層的準(zhǔn)確評價要求，需要研發(fā)適合煤層特點的新儀器。除了測井資料的有效采集，關(guān)于煤層氣儲層基礎(chǔ)理論和解釋方法研究方面，需要形成適合煤層特點的解釋方法、理論和模型，包括規(guī)范煤層氣儲層解釋評價流程，研究雙重孔隙解釋模型，尋求新的滲透率、含氣量和產(chǎn)水量評價方法及應(yīng)用非線性信息處理方法等。

（2）電成像測井、核磁共振測井、元素俘獲測井和陣列聲波測井等測井新技術(shù)可以在煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫、頂?shù)装辶芽p發(fā)育描述、孔隙度和流體評價、礦物組分確定、煤層機械特性研究等方面彌補常規(guī)測井的不足，提高煤層評價的精度。此外，目前的測井技術(shù)在井間煤層特征的刻畫方面存在局限性，而井間地球物理技術(shù)則可以突破這一局限，實現(xiàn)井間煤層的精細(xì)評價。因此，煤層測井評價引入井間地球物理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤層氣儲層的三維精細(xì)描述，為整個區(qū)塊的綜合評價提供有利條件。

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