延川南工區(qū)煤層氣含量測井評價方法探討

馬林

（中國石化華東石油工程有限公司測井分公司，江蘇 揚州 225007）

煤層氣主要是以吸附狀態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙的內(nèi)表面，煤層既是儲層，也是源巖[1]。煤層氣儲層的自身特點決定其非均質(zhì)性和各向異性較強(qiáng)[2]。煤的物理結(jié)構(gòu)是一種雙重孔隙結(jié)構(gòu)，即煤層中含有由基質(zhì)孔隙和裂隙組成的孔隙系統(tǒng)。煤層中的甲烷主要吸附在基質(zhì)孔隙的內(nèi)表面，是吸附氣[3]。煤層氣的勘探開發(fā)主要圍繞煤層的含氣量來展開。在煤層的測井評價中，煤層含氣量作為主要目標(biāo)進(jìn)行研究。而一般常規(guī)天然氣主要是儲集在巖石顆粒間的孔隙空間內(nèi)，其賦存機(jī)理與煤層氣差異較大。因此，傳統(tǒng)評價常規(guī)天然氣儲層含氣量的思路已不適應(yīng)于煤層含氣量的測井評價[4]。

煤層現(xiàn)今含氣量影響因素主要包括煤質(zhì)、煤階、孔滲性、溫度、壓力、蓋層的封閉性、水文地質(zhì)條件等，潘和平等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計算含氣量[4]，劉效賢等利用聲波測井和密度測井組成的復(fù)合參數(shù)以及視電阻率法來確定含氣量[5]，Kim A.G.[6]提出一種基于等溫吸附方程和測井資料計算煤層含氣量的方法，董紅[7]等探討過利用多元線性回歸方法預(yù)測煤層含氣量。本文通過對煤層含氣量影響因素進(jìn)行分析，探討分析了多元數(shù)值回歸、等溫吸附等煤層含氣量計算模型，并對不同算法進(jìn)行適用性分析。

1 煤層含氣量的影響因素

煤層含氣量主要決定于煤的生氣能力和儲氣能力。其中生氣能力，如煤階，決定于煤的變質(zhì)程度，反映了煤層生氣量的多少；儲氣能力決定于溫度、壓力、構(gòu)造及蓋層的封閉性等，反映了煤層剩余含氣量的多少。

1.1 煤階

煤階代表了煤化作用中能達(dá)到的成熟度的級別，是煤層氣的生成和煤吸附能力的重要影響因素，煤的吸附能力隨著煤變質(zhì)程度的增加出現(xiàn)有規(guī)律性的變化[8]（圖1）。當(dāng)鏡質(zhì)體反射率Ro＜3.5%時，煤的吸附能力隨煤階增高而逐漸加強(qiáng)。其原因主要在于低階煤的結(jié)構(gòu)松散，單位表面積上碳原子密度小，親甲烷能力低，因而吸附能力弱。隨著煤變質(zhì)程度的增強(qiáng)，煤結(jié)構(gòu)中芳環(huán)縮合度增加，分子的定向排列和各向異性明顯，導(dǎo)致煤層的親甲烷能力增強(qiáng)，從而增強(qiáng)了煤層的吸附能力。當(dāng)鏡質(zhì)體反射率Ro＞3.5%時，隨著煤階升高煤中的微孔隙和比表面積逐漸減少，引起煤的吸附能力逐漸下降。作為煤層氣吸附載體，煤的組成決定了煤的吸附能力，若固定碳含量高，其吸附能力則會增加（圖2）。在顯微組分中，殼質(zhì)組和惰質(zhì)組的吸附能力偏低而鏡質(zhì)組的吸附能力最強(qiáng)，主要是鏡質(zhì)組中發(fā)育有大量的氣孔，引起孔隙比表面積增大。

圖1 煤階與煤吸附能力之間的關(guān)系Fig.1 Relation between coal rank and coal adsorption capacity

圖2 2號煤層含氣量與固定碳關(guān)系Fig.2 Relation between gas content and fixed carbon of 2#coal seam

1.2 溫度、壓力

根據(jù)Langmuir吸附理論方程[9]，隨著壓力的增大，煤對甲烷的吸附量總體上呈非線性增加（圖3）。由于吸附作用是一個放熱過程，因此當(dāng)溫度升高時，煤對氣體的吸附能力下降。

圖3 2號煤層等溫吸附曲線Fig.3 Isothermal adsorption curves of 2#coal seam

1.3 頂板蓋層的封閉能力

煤層頂板蓋層對煤層氣的封存機(jī)理與常規(guī)油氣的基本相同，良好的蓋層可以保持地層壓力，阻止地層水的交替和煤層氣散失，維持煤層氣三種賦存狀態(tài)之間的平衡，進(jìn)而使煤層氣得以保存和聚集。因此，測井評價含氣量不但要考慮儲層生氣條件，還要分析煤層氣藏的保持條件，并充分利用測井資料，進(jìn)行煤層段儲蓋組合綜合評價。

2 煤層含氣量的測井評價方法

2.1 單元回歸法計算含氣量

圖4 2號煤層含氣量與密度關(guān)系Fig.4 Relation between gas content and density of 2#coal seam

由于固定碳密度值低，與灰分和圍巖密度值差別較大，所以密度測井值就反映了煤層固定碳的相對含量，而固定碳又決定煤層氣的生氣量，同時又是煤層氣吸附的主要載體，故在一定的范圍內(nèi)可以利用密度測井值計算煤層含氣量（圖4）。

式中：V為吸附量，m3/t；DEN為密度測井值，cm3/g。

2.2 多元回歸法計算含氣量

單元回歸參數(shù)如密度測井值等易受井眼環(huán)境、儀器刻度等影響，在井眼擴(kuò)徑嚴(yán)重時其測井值就不能真實捕捉地層信息。而多參數(shù)回歸是基于概率統(tǒng)計模型的儲層評價方法，其思路是將與煤層含氣量具有較好相關(guān)性的各測井參數(shù)同實驗分析含氣量進(jìn)行多元線性回歸分析，并確定各測井參數(shù)相對的權(quán)重，得到儲層評價數(shù)學(xué)表達(dá)式。其相對單元回歸的特點在于能夠通過多條曲線來互相匹配和校正，彼此消除各曲線所受的某些環(huán)境影響，進(jìn)而可以提高計算精度。

式中：RT為電阻率，Ω·m；AC為聲波時差，μs/m；GR為自然伽馬，API。

2.3 修正的Langmuir方程計算煤層含氣量

在一定儲層壓力條件下，煤的吸附能力決定煤層單位含氣量的高低，其解析能力則影響了煤層氣的產(chǎn)能。而煤層氣的吸附能力是溫度與壓力的函數(shù)，即當(dāng)溫度一定時，煤的甲烷吸附量與氣體壓力之間關(guān)系符合Langmuir等溫吸附方程[9]，其表達(dá)式為：

式中：VL為Langmuir體積，m3/t；PL為Langmuir壓力，MPa；P為壓力，MPa。

Langmuir等溫吸附方程計算含氣量均為理論最大吸附量，延川南2號煤實際解析含氣量與理論計算值對比發(fā)現(xiàn)，煤層吸附氣基本上都是欠飽和的，等溫吸附法計算含氣量高于現(xiàn)今煤層含氣量（圖5）。所以在利用該方法計算煤層含氣量時，要考慮地區(qū)煤層吸附氣飽和度，修正后計算的含氣量與解析含氣量對比情況見圖6，45°線檢驗發(fā)現(xiàn)計算精度明顯提高，修正后的Langmuir等溫吸附方程表達(dá)式為：

圖5 校正前計算含氣量與解析含氣量Fig.5 Calculated gas content and analysis gas content before correction

圖6 校正后計算含氣量與解析含氣量Fig.6 Calculated gas content and analysis gas content after correction

式中：Ash為灰分含量，%；Sb為吸附氣飽和度，%；Vab為巖心解析含氣量，m3/t；Vm為實驗最大吸附量，m3/t。

2.4 KIM方程法計算含氣量

Langmuir等溫吸附法評價含氣量考慮煤層的灰分、壓力及溫度等影響因素。KIM[6]方程在此基礎(chǔ)上，又綜合考慮了煤階的影響因素，進(jìn)而可以計算理論干燥無灰基含氣量。

式中：Ash為灰分，%；Mad為水分，%；h為樣品深度，m；Carb為固定碳，%；Mois為揮發(fā)分，%。

2.5 頂板蓋層封閉性與含氣量關(guān)系

延川南工區(qū)2號煤層頂板巖性以泥巖和砂巖為主，其中泥巖電阻率表現(xiàn)為低值，砂巖電阻率表現(xiàn)為高值。頂板泥巖越純，電阻率值就越低，蓋層的封閉性就越好，煤層氣不易逸散。故引入頂板電阻率與純泥巖標(biāo)志層電阻率比值，進(jìn)而能定量反映煤層頂板蓋層的封閉性，同時還可以間接指示煤層含氣量，延川南2號煤層頂板電阻率與純泥巖電阻率比值與含氣量交會見圖7。

圖7 煤層氣含量與電阻率比值關(guān)系Fig.7 Relation between gas content and resistivity ratio of CBM

3 產(chǎn)氣量的測井預(yù)測方法

煤層產(chǎn)氣量是儲層壓裂改造、排采工藝選擇、煤層含氣量、孔滲性、裂縫發(fā)育等多種因素共同作用結(jié)果，煤層含氣量決定了產(chǎn)氣量的持續(xù)性、穩(wěn)定性。在假設(shè)壓裂改造效果及排采工藝效果等同的情況下，通過對研究區(qū)24口探井穩(wěn)定產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)產(chǎn)氣量與含氣量、孔隙度、滲透率和地層壓力梯度均成正比例規(guī)律。因此，利用多元回歸法預(yù)測日產(chǎn)氣量，關(guān)系式為：

式中：S日為日產(chǎn)氣量，m3/d；V空干基為空氣干燥基含氣量，m3/t；Φ為孔隙度，%；K為滲透率，10-3μm2；PPG為地層壓力梯度，10-2MPa/m。

利用該方法對15口排采井預(yù)測結(jié)果進(jìn)行45°線檢驗，預(yù)測值與測試值有很好的對應(yīng)性（圖8）。不過由于煤層產(chǎn)氣量受控因素眾多，所以本公式對產(chǎn)氣量的預(yù)測具有一定的條件限制。

圖8 產(chǎn)氣量預(yù)測模型精度檢驗Fig.8 Accuracy examine of gas content prediction model

4 應(yīng)用效果分析

運用上述煤層含氣量計算方法對延川南工區(qū)24口井進(jìn)行處理，下面就Y3井2號煤層處理結(jié)果進(jìn)行分析（圖9），圖中第一道為自然伽馬、井徑曲線，第二道為電阻率曲線，第三道為三孔隙度曲線，第四道為深度，第五道為單元和多元回歸法計算含氣量，均略低于實驗分析含氣量。第六道為修正的等溫吸附理論方程和KIM方程計算含氣量，與煤層實驗分析含氣量吻合較好，誤差統(tǒng)計見表1。

圖9 Y3井煤層含氣量測井計算成果Fig.9 Coal seam gas content in logging of well Y3

利用回歸法建立的煤層含氣量模型反映了工區(qū)煤層氣井普遍規(guī)律，所以在井徑規(guī)則情況下單元或多元回歸法均能獲得可靠的含氣量。對于異常壓力系數(shù)井，如Y3井地層壓力系數(shù)明顯高于工區(qū)平均值，此時回歸法計算值就會偏低，等溫吸附理論方程計算結(jié)果就相對精確，各公式適用性分析見表2。

表1 Y3井測井計算含氣量誤差統(tǒng)計Table 1 Error statistic of gas content in logging of well Y3

表2 煤層含氣量測井評價方法對比分析Table 2 Contrast of logging evaluation methods of coalbed gas content

5 結(jié)論

1）本文分別利用數(shù)值回歸法和等溫吸附等方法建立了煤層含氣量的測井評價方法，并對傳統(tǒng)的等溫吸附方程進(jìn)行了灰分和吸附氣飽和度改進(jìn)，提高了煤層含氣量計算精度。

2）分析了煤層氣含量的多重因素影響，并分析探討了單元、多元回歸和等溫吸附等理論方程評價含氣量方法。提出測井評價煤層氣含量要綜合考慮多方面因素，精確掌握煤層地質(zhì)屬性和測井屬性的基礎(chǔ)上，采用最合理的方法評價煤層含氣量。

3）通過對延川南地區(qū)24口勘探井煤層地質(zhì)參數(shù)和產(chǎn)氣量分析的基礎(chǔ)上，給出了預(yù)測煤層產(chǎn)氣量的多元回歸關(guān)系式，在地質(zhì)、工程背景一定的情況下，可以取得較好的預(yù)測效果。

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