基于巖石物理分析的煤系地層測(cè)井曲線擴(kuò)徑影響校正?

王小玄　肖程釋　鄭翔天(.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京市海淀區(qū),00083; .東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江省大慶市,6338)

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基于巖石物理分析的煤系地層測(cè)井曲線擴(kuò)徑影響校正?

王小玄1肖程釋2鄭翔天1
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江省大慶市,163318)

摘 要山西沁水煤田南部煤層氣儲(chǔ)層主力煤層段井眼擴(kuò)徑與垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重,密度與聲波測(cè)井曲線受井眼環(huán)境影響較大。針對(duì)該問題首先采用統(tǒng)計(jì)方法分析了研究區(qū)主力煤層的井眼擴(kuò)徑與密度、聲波測(cè)井響應(yīng)失真的關(guān)系,然后基于研究區(qū)受擴(kuò)徑影響較小的測(cè)井資料與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析資料結(jié)合巖石物理分析方法對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行校正。利用校正后的測(cè)井曲線進(jìn)行井—震標(biāo)定后的結(jié)果與煤巖地層物性匹配較好,為煤層氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供可靠測(cè)井資料。

關(guān)鍵詞煤系地層 煤層氣 密度測(cè)井 聲波測(cè)井 擴(kuò)徑校正

煤巖密度測(cè)井響應(yīng)值相比其他沉積巖較低。密度測(cè)井是識(shí)別煤層與劃分煤層厚度的重要方法,同時(shí)聲波對(duì)煤層含氣量響應(yīng)比較敏感,當(dāng)煤層含氣時(shí),聲波時(shí)差曲線由于周波跳躍現(xiàn)象會(huì)明顯增大。然而煤層的機(jī)械強(qiáng)度低,在鉆進(jìn)過程中容易造成井眼垮塌,擴(kuò)徑現(xiàn)象嚴(yán)重,井壁周圍凹凸不平,這樣就使得密度與聲波測(cè)井曲線響應(yīng)發(fā)生不同程度的畸變。若不進(jìn)行擴(kuò)徑校正,勢(shì)必會(huì)影響煤層氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的精度。但是諸多針對(duì)常規(guī)地層的測(cè)井曲線擴(kuò)徑校正方法在煤系地層應(yīng)用均有局限性。鑒于此,本文在準(zhǔn)確劃分煤層段厚度的基礎(chǔ)上,從剖析研究區(qū)內(nèi)煤系地層擴(kuò)徑率與密度、聲波測(cè)井曲線的內(nèi)在關(guān)系出發(fā),結(jié)合室內(nèi)煤巖巖石物理實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù),查明擴(kuò)徑對(duì)密度與聲波測(cè)井響應(yīng)值的影響。然后利用巖石物理參數(shù)正演分析的方法建立研究區(qū)內(nèi)煤系地層的巖石物理模板來校正密度與聲波測(cè)井曲線,并制作合成地震記錄驗(yàn)證結(jié)果的可靠性,這種方法物理意義明確,計(jì)算精度較高。

1　擴(kuò)徑對(duì)密度與聲波測(cè)井影響分析

煤層在測(cè)井曲線上的響應(yīng)與其成巖過程中的物理化學(xué)成分變化有關(guān)。煤巖在熱演化過程中產(chǎn)生大量的煤層氣與水分,含氫指數(shù)非常高,總體上煤層測(cè)井響應(yīng)特征為“三高二低”,即電阻率高、聲波時(shí)差較高、中子測(cè)井值高,自然伽馬低、體積密度低。圖1為研究區(qū)內(nèi)主力煤層段的測(cè)井曲線組合圖。圖中第一列分別為自然伽馬(GR)、自然電位(SP)、井徑曲線(CAL),第二列為深度道,第三列分別為孔隙度(POR)、噸煤含氣量、深側(cè)向電阻率(RD)、沖洗帶電阻率(RXO)測(cè)井曲線,第四列分別為密度(DEN)、補(bǔ)償中子(CNL)、聲波時(shí)差(AC)測(cè)井曲線,第五列為根據(jù)測(cè)井曲線計(jì)算的巖性。由圖可見井徑曲線在主力煤層段(X60－X70之間)擴(kuò)徑明顯,密度最低值僅為1.115g/cm3,其他測(cè)井曲線均有不同程度的畸變,無法反映煤層段真實(shí)情況。這種現(xiàn)象在研究區(qū)內(nèi)煤巖地層相當(dāng)普遍,給煤層氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)工作造成困難。

圖1　研究區(qū)內(nèi)主力煤層測(cè)井響應(yīng)特征圖

1.1密度與聲波巖石物理實(shí)驗(yàn)值與測(cè)井實(shí)測(cè)值比較

為了查明研究區(qū)內(nèi)井眼垮塌擴(kuò)徑對(duì)煤系地層密度與聲波測(cè)井響應(yīng)的影響,首先對(duì)研究區(qū)內(nèi)幾口鉆井取芯獲得的主力煤層段的煤巖樣品在室內(nèi)進(jìn)行巖石物理實(shí)驗(yàn)分析,將獲得的密度值與聲波時(shí)差值作為該層段的真實(shí)值,剔除煤層內(nèi)夾矸的影響。然后對(duì)煤巖樣進(jìn)行深度歸位提取對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)處的實(shí)測(cè)密度與聲波響應(yīng)值,并利用直方圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖2、圖3所示。

圖2　研究區(qū)內(nèi)煤巖樣品密度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定與測(cè)井實(shí)測(cè)值對(duì)比直方圖

圖3　研究區(qū)內(nèi)煤巖樣品聲波時(shí)差實(shí)驗(yàn)室測(cè)定與測(cè)井實(shí)測(cè)值對(duì)比直方圖

由圖2、圖3不難看出研究區(qū)內(nèi)Q2井為聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)為異常高值,密度測(cè)井響應(yīng)為異常低值,與巖石物理實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果相差較遠(yuǎn)。與井徑曲線比對(duì)后發(fā)現(xiàn),在煤巖樣對(duì)應(yīng)深度段有明顯擴(kuò)徑,測(cè)井曲線受擴(kuò)徑影響較大。通過與Q2井類比發(fā)現(xiàn)Q3、Q4井也存在類似現(xiàn)象,測(cè)井曲線實(shí)測(cè)值受到不同程度的擴(kuò)徑影響。前人研究結(jié)果表明:密度的巖石物理實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值與煤的變質(zhì)程度并無特別相關(guān)性,所以可以排除煤質(zhì)對(duì)密度曲線的干擾。當(dāng)井眼垮塌時(shí),體積密度測(cè)井值會(huì)偏低。圖2中Q2、Q3、Q4井(Q4井8號(hào)煤樣對(duì)應(yīng)深度段有擴(kuò)徑現(xiàn)象,9號(hào)煤樣對(duì)應(yīng)深度段擴(kuò)徑不明顯)就是這種情況。1號(hào)樣品與12號(hào)樣品實(shí)測(cè)密度測(cè)井值偏高,經(jīng)過比對(duì)其巖性解釋成果發(fā)現(xiàn)該深度點(diǎn)對(duì)應(yīng)夾矸層,并非純煤巖地層,夾矸巖性一般為砂巖或泥巖層,密度比煤巖層高。在擴(kuò)徑影響較小井段,煤巖物理實(shí)驗(yàn)值與測(cè)井實(shí)測(cè)值基本一致。

1.2煤巖段測(cè)井曲線失真影響因素分析

測(cè)井曲線受井眼條件影響主要來源于兩方面:一是泥漿液的影響;二是井壁幾何形狀變化的影響。密度測(cè)井記錄的是地層散射伽馬強(qiáng)度,當(dāng)探測(cè)深度過深時(shí),地層受到泥漿液或泥餅的侵入,浸泡時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)引起地層蝕變。煤巖地層埋深一般較淺,所以受到泥漿蝕變影響較小。但是煤巖孔隙中填充有地層水,與測(cè)井泥漿液的礦化度差異過大會(huì)使測(cè)井讀數(shù)不準(zhǔn)確,這時(shí)候選取礦化度與地層水相近的泥漿液很重要。另外,實(shí)際井眼環(huán)境坍塌造成井壁不規(guī)則,坍塌造成井眼橫剖面直徑擴(kuò)大,若井內(nèi)泥漿進(jìn)入擴(kuò)徑井段,并不能正確反映地層特性,這時(shí)候測(cè)出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與泥漿液參數(shù)相近。擴(kuò)徑段的煤巖地層聲波時(shí)差會(huì)異常增大,密度值則會(huì)偏小,趨近于泥漿的密度值。聲波測(cè)井響應(yīng)值會(huì)增大,密度測(cè)井響應(yīng)值變小。

2　基于巖石物理分析方法測(cè)井曲線擴(kuò)徑影響校正

煤層段組成成分是復(fù)雜的化合物混合,宏觀上的煤層認(rèn)為是各向同性介質(zhì),可以使用Voigt-Ruess-Hill模型(VRH模型)構(gòu)建煤層段的等效介質(zhì)模型。煤層氣儲(chǔ)層為雙孔介質(zhì)儲(chǔ)層,存在原生孔隙與割理系統(tǒng),煤巖石骨架孔隙中填充流體是由許多種成分構(gòu)成的,實(shí)際上未受擴(kuò)徑影響的煤巖密度與煤巖的聲波時(shí)差所得的煤巖縱波速度有比較強(qiáng)的相關(guān)性,如圖4所示。

圖4　實(shí)測(cè)煤巖段密度與縱波速度關(guān)系

Voigt基于礦物等應(yīng)變平均模型,模型給出上限估算式為:

式中:MV——煤巖等應(yīng)變混合介質(zhì)的骨架彈性模量,GPa;

fi——煤巖第i個(gè)介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù);

Mi——第i個(gè)介質(zhì)的彈性模量,GPa。

Reuss下限估算式為:

式中:MR——煤巖等應(yīng)力混合介質(zhì)的骨架彈性模量,GPa;

Hill平均估算法利用上、下限估算的平均值求出需要的彈性模量,表達(dá)式如下:

式中:MVRH——等應(yīng)變與等應(yīng)力混合介質(zhì)骨架彈性模型的平均值,GPa。

VRH模型計(jì)算煤巖地層骨架等效彈性模量Kma、μma計(jì)算式:

式中:Kma和μma——VRH模型求出的煤巖地層骨架等效體積模量與剪切模量,GPa;

KV和μV——Voigt等應(yīng)變模型求出的體積模量與剪切模量,GPa;

KR和μR——Ruess等應(yīng)力模型求出的體積模量與剪切模量,GPa。

利用未受到擴(kuò)徑影響的測(cè)井曲線,結(jié)合Biot-Gassmann模型推算飽含流體的煤巖體積模量、剪切模量:

式中:K——飽含流體的煤巖體積模量,GPa;

Kd——干巖石骨架體積模量,GPa;

Kf——煤巖孔隙填充流體體積模量,GPa;

Km——煤巖中所含固體礦物體積模量GPa;

G——飽含流體的煤巖剪切模量,GPa;

Gd——干巖石骨架剪切模量,GPa;

ρ——煤巖密度,g/cm3;

ρm——煤巖中所含固體礦物密度g/cm3;

ρf——煤巖孔隙填充流體體積密度g/cm3;

φ——利用研究區(qū)內(nèi)未受擴(kuò)徑影響聲波曲線計(jì)算的孔隙度。

采用聲波時(shí)差時(shí)間平均公式計(jì)算煤巖基質(zhì)孔隙度:

式中:Δt——受擴(kuò)徑影響的煤層聲波時(shí)差測(cè)井值, μs/m;

Δtma——巖石骨架聲波時(shí)差測(cè)井值,取380～410μs/m;

Δtf——煤巖孔隙中填充的流體聲波時(shí)差測(cè)井值,μs/m。

用于測(cè)井曲線校正時(shí)可認(rèn)為煤巖孔隙介質(zhì)中填充的為鹽水,Kf＝2.2 GPa,ρf＝1.1 g/cm3, Δtf＝620μs/m,實(shí)際的煤巖中飽含流體若含氣則體積模量值會(huì)低于鹽水的體積模量值。

巖石彈性模量通常分布在VRH模型估算的區(qū)間內(nèi),當(dāng)測(cè)井實(shí)測(cè)的密度與聲波時(shí)差數(shù)據(jù)超過構(gòu)建模型的上下限時(shí)即需要校正。利用煤巖巖石物理參數(shù)結(jié)合未受到擴(kuò)徑影響的測(cè)井曲線數(shù)據(jù)構(gòu)建的Voigt與Ruess上下限校正模型如圖5所示。

圖5　研究區(qū)煤巖巖石物理模型擴(kuò)徑校正圖

由圖5可以看出超出模型的上下限的測(cè)井響應(yīng)值可以認(rèn)為是受擴(kuò)徑影響的異常值,實(shí)際上由Voigt模型確定的上限很少有樣本點(diǎn)能達(dá)到,仍需結(jié)合前人研究成果選取數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的井段建立密度曲線校正公式:

式中:ρ——煤巖地層密度;

a,b,c——煤系地層資料統(tǒng)計(jì)系數(shù);

Vp——由聲波時(shí)差測(cè)井計(jì)算的地層縱波速度。

研究區(qū)主力煤層段主要以貧煤、貧瘦煤、無煙煤為主,圍巖巖性主要為砂巖與泥巖。表1為根據(jù)文獻(xiàn)整理的建立測(cè)井曲線擴(kuò)徑校正巖石物理模型彈性參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。

將表中基質(zhì)礦物的彈性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值帶入上文建立的煤系地層巖石物理模型中,可以得到研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)a為－0.0000002,b為0.0019,c為－2.122。

另外聲波時(shí)差的校正公式可以采用Faust公式,由于深側(cè)向電阻率測(cè)井是貼合井壁測(cè)量,可以認(rèn)為幾乎不受不規(guī)則井眼的影響。在剔除儲(chǔ)層中流體的影響情況下,計(jì)算的縱波速度代替井眼影響的實(shí)測(cè)聲波時(shí)差值:

式中:K、Cd——為地層參數(shù),屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù),同一套沉積煤系地層參數(shù)為固定值;

H——深度;

Rt——為電阻率。

表1　巖石基質(zhì)礦物彈性參數(shù)表　GPa

Faust公式適用條件為電阻率曲線與聲波曲線具有良好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系的地層,研究區(qū)內(nèi)主力煤系地層沉積環(huán)境穩(wěn)定,煤巖頂?shù)装宄练e泥巖層與砂巖層井間對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,基本滿足Faust公式適用條件。在忽略泥漿對(duì)研究區(qū)地層蝕變影響情況下, K,Cd取值與聲波時(shí)差和深側(cè)向電阻率的取值無關(guān),所以可以使用Faust公式校正聲波時(shí)差曲線。實(shí)際的K,Cd值求取需要利用研究區(qū)內(nèi)多口未受擴(kuò)徑影響的井測(cè)井資料,通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算。這里僅列出一口井為示例,具體求取方法見表2。選取煤層段內(nèi)某一深度點(diǎn)H以及±0.05m對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差測(cè)井值Δt、深側(cè)向電阻率測(cè)井值Rt以及關(guān)系式:

以上分別帶入式(11)中,三式聯(lián)立可以解出K、Cd的一組值,選取不同的H解出多組值后計(jì)算平均值。然后,對(duì)研究區(qū)內(nèi)未受擴(kuò)徑影響的多口井相同煤層段均進(jìn)行相同的計(jì)算,并計(jì)算平均值。所得最終平均值即為研究區(qū)內(nèi)煤系地層的K、Cd值。

表2　研究區(qū)內(nèi)煤系地層模型井K,Cd值示例表

3　應(yīng)用實(shí)例分析

基于巖石物理模型確定了研究區(qū)內(nèi)測(cè)井資料的上下限后,并利用上述密度與聲波時(shí)差校正公式對(duì)工區(qū)內(nèi)Q2井受擴(kuò)徑影響的測(cè)井曲線進(jìn)行了校正(見圖6)?？蝮w內(nèi)為主力煤層段測(cè)井曲線的校正成果,DEN對(duì)應(yīng)原始密度曲線,AC對(duì)應(yīng)原始聲波時(shí)差曲線,RDEN、RAC曲線為經(jīng)過校正后的測(cè)井曲線。

圖6　研究區(qū)內(nèi)示例井密度與聲波時(shí)差曲線擴(kuò)徑校正成果圖

然后分別用原始的測(cè)井曲線與校正后的測(cè)井曲線進(jìn)行井－震標(biāo)定,制作合成地震記錄。圖7為研究區(qū)內(nèi)受擴(kuò)徑影響較嚴(yán)重的曲線校正后制作的合成地震記錄與原始井旁地震道對(duì)比。圖中框體內(nèi)為研究區(qū)內(nèi)主力煤層的地震響應(yīng),煤層的波阻抗較低,在地震剖面上表現(xiàn)為明顯的強(qiáng)軸?？梢钥闯鲈穹c井旁地震道實(shí)際振幅不匹配,校正后的數(shù)據(jù)制作的合成地震記錄與井旁道匹配效果得到了極大的改善。

圖7　研究區(qū)內(nèi)Q2井校正前后井震標(biāo)定合成記錄對(duì)比圖

4　結(jié)論

煤系地層井眼垮塌現(xiàn)象造成

了嚴(yán)重的測(cè)井曲線響應(yīng)失真。如果不進(jìn)行必要的擴(kuò)徑校正,測(cè)井曲線就喪失了其應(yīng)用于煤層氣勘探的意義。通過以上論述,使用巖石物理分析的方法對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行校正,能很大程度的改善測(cè)井資料的品質(zhì),提高井震標(biāo)定的精度。該方法適用于其他煤系地層,較好地解決了煤系地層井震標(biāo)定成果與井旁地震道不符的問題,為煤層氣勘探開發(fā)提供可靠的測(cè)井資料。

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(責(zé)任編輯郭東芝)

Expandingeffectcorrectionofcoalmeasurestrataloggingcurvesbased uponrockphysicsanalysis

WangXiaoxuan1,XiaoChengshi2,ZhengXiangtian1
(1.SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences, Beijing,Haidian,Beijing100083,China; 2.TheKeyLaboratoryofEnhancedOilandGasRecoveryofEducationalMinistry, NortheastPetroleum University,Daqing,Heilongjiang163318,China)

AbstractTheboreholeexpandingandcollapsewereseriousinmainseamsectionofcoalbed methanereservoirinsouthernQinshuiCoalfieldinShanxi,whichcausedtheinaccuratedensity andacousticloggingcurveresponses.Aimingattheproblem,theauthorsanalyzedtherelationshipbetweentheboreholeexpandinganddensityoracousticloggingresponsesusingstatistical methods.Thenbaseduponthelaboratoryexperimentanalysisandthelogginginformationthat lessaffectedbyboreholeexpanding,logginginformationcorrectionwascarriedoutbyrockphysicsanalysis.Thecorrectedloggingcurvesafterwell-to-seismiccalibration matchedpreferably withthephysicalpropertyofcoalmeasurestrata,whichprovidedreliablelogginginformationto coalbedmethanereservoirprediction.

Keywordscoalmeasurestrata,coalbedmethane,densitylogging,acousticlogging,boreholeexpandingcorrection

中圖分類號(hào)P631.81

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?國(guó)家“十二五”油氣田及煤層氣科技重大專項(xiàng)專題(2011ZX05033－004)

作者簡(jiǎn)介:王小玄(1991－),男,漢族,河北省任丘市人,碩士研究生,主要從事煤層氣地質(zhì)與勘探,儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究工作。