利用自然伽馬曲線確定煤層粘土礦物含量

張杰偉，王 力

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

利用自然伽馬曲線確定煤層粘土礦物含量

張杰偉，王 力

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

文章通過制定科學(xué)的參數(shù)井選井原則，在巖心歸位的基礎(chǔ)上分析了柿莊南、柿莊北區(qū)塊3號煤自然伽馬曲線與粘土礦物、灰份、井徑的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)利用自然伽馬曲線通過一元回歸、多元回歸、約束最優(yōu)化模型等計(jì)算方法計(jì)算煤層工業(yè)組分并不準(zhǔn)確。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合找出了自然伽馬曲線與粘土礦物含量在該區(qū)的經(jīng)驗(yàn)線性關(guān)系，并利用該經(jīng)驗(yàn)公式確定了目的煤層中粘土礦物的含量，為該區(qū)后期完井工藝的改進(jìn)及分析提供了依據(jù)。

自然伽馬曲線 粘土礦物 灰份 井徑 煤層

1 引言

煤層氣測井是獲取地下煤層信息的重要手段，目前煤層氣開發(fā)井目的儲層定性定量研究主要依據(jù)于煤層氣測井解釋。自然伽馬測井曲線作為煤層氣測井系列組合中的主要項(xiàng)目之一，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場地層劃分、室內(nèi)煤層工業(yè)參數(shù)及相關(guān)計(jì)算分析和沉積相分析。

關(guān)于煤層工業(yè)組分的計(jì)算通常采取做法是利用測井參數(shù)與煤工業(yè)組分參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建灰分與水分、揮發(fā)分、固定碳的四組份煤層模型，綜合運(yùn)用一元回歸、多元回歸、約束最優(yōu)化模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法計(jì)算，求得相應(yīng)組分的含量。

但是從煤層的天然放射性角度來講，自然伽馬曲線并不適用上述模型。上述模型組份中水份不含放射性，而固定碳、揮發(fā)分只提供了自身很低的天然放射量，同時灰分含量與自然伽馬值大小之間不存在密切線性關(guān)系。因此作者認(rèn)為自然伽馬值的變化直接反映的是煤層中粘土礦物含量的高低，而非模型中將其用于分析煤質(zhì)優(yōu)劣的灰分組分，同時自然伽馬曲線的應(yīng)用還受煤層擴(kuò)徑因素的制約。

2 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，文章對某煤層氣區(qū)塊參數(shù)井3號煤層測井?dāng)?shù)據(jù)和煤芯樣品測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行探討。

2.1 井位優(yōu)選

為確保分析結(jié)果的普遍適應(yīng)性性和準(zhǔn)確可靠性，井位選取首先應(yīng)保證在區(qū)內(nèi)均勻分散，全區(qū)覆蓋；其次應(yīng)剔除位于斷層、陷落柱等構(gòu)造附近的井位，保證煤層的原生結(jié)構(gòu)，防止因構(gòu)造造成的外部組分侵入干擾；最后排除煤層擴(kuò)徑比較大的參數(shù)井，確保自然伽馬對地層的射線計(jì)數(shù)效果不受煤層井徑的垮塌影響，優(yōu)選具體條件如下：

(1)全區(qū)范圍內(nèi)井位均勻分布、覆蓋全區(qū)；

(2)剔除已明構(gòu)造附近500m以內(nèi)的井；

(3)排除井徑擴(kuò)大超過25%的井。

2.2 巖芯歸位

由于現(xiàn)場取芯與測井深度可能存在一定偏差，因此在建立GR曲線與相關(guān)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系前需要對測井、鉆井取芯進(jìn)行深度矯正。

圖1 鉆井與測井深度矯正

由圖1鉆井煤層頂?shù)装迳疃扰c取樣深度對應(yīng)測井后的幾何關(guān)系可得：

(1)

通過上式得到對應(yīng)深度后，利用灰分含量和密度之間的線性關(guān)系來進(jìn)一步驗(yàn)證巖芯歸位的準(zhǔn)確性。

2.3 對應(yīng)取值

由于煤芯樣品測試都是芯長度內(nèi)的平均值，因此GR值在對應(yīng)深度也應(yīng)取平均值，最終得到關(guān)于煤樣編號、灰分含量、粘土礦物含量、自然伽馬值、井徑的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

考慮到擴(kuò)徑會對自然伽馬曲線產(chǎn)生較大的影響(圖2)，圖2中圓圈范圍內(nèi)為擴(kuò)徑嚴(yán)重井，與井眼質(zhì)量合格井比較，擴(kuò)徑嚴(yán)重的井對應(yīng)的自然伽馬值明顯偏小，一些自然伽馬曲線值甚至完全失真。因此在進(jìn)行相關(guān)分析前對此類擴(kuò)徑嚴(yán)重的井首先進(jìn)行了剔除。

圖2 粘土礦物含量與煤層自然伽馬相關(guān)關(guān)系

根據(jù)以上選井、取值結(jié)果，將所有符合條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

圖3 粘土礦物含量與灰分含量相關(guān)關(guān)系

圖4 自然伽馬與灰分含量相關(guān)關(guān)系

圖5 粘土礦物含量與自然伽馬相關(guān)關(guān)系

根據(jù)圖3、4和5可以看出在該區(qū)塊內(nèi)灰分含量與粘土礦物含量并無關(guān)系，自然伽馬數(shù)值的變化和灰分含量的高低亦不存在線性關(guān)系，而自然伽馬值和粘土礦物含量之間存在良好的對數(shù)線性關(guān)系：

GR=14.779ln(V)+23.29

(2)

式中， GR—自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)，API； V—粘土礦物含量×100，適用區(qū)間[1—20]。

2.5 粘土礦物含量確定的意義

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知自然伽馬曲線并不能簡單地應(yīng)用于目前測井解釋所用煤層模型，自然伽馬曲線反映原始煤層微組分里的粘土礦物含量。

粘土礦物對于煤層來講，含量雖少，但是其對煤層氣的產(chǎn)出影響是不可忽視的。

煤層由于基質(zhì)自身滲透率很低，因而煤層氣產(chǎn)出通道主要依靠基質(zhì)內(nèi)的微裂隙、割離及其之間的連通通道滲流產(chǎn)出。根據(jù)沉積巖中粘土礦物X衍射分析方法可知，區(qū)內(nèi)煤層中含有的粘土礦物主要為高嶺石和伊利石兩種，而高嶺石其晶間結(jié)構(gòu)比較松，在流體的沖刷下容易隨流體移動，堵塞、分割孔隙和吼道，尤其在細(xì)小割離中，影響很大，是重要的速敏礦物；伊利石的吸水膨脹性為中等強(qiáng)度；有機(jī)質(zhì)與粘土礦物通過化學(xué)鍵鍵合或相互吸附而形成復(fù)合體，綜上兩種粘土礦物作用結(jié)果必然會對煤層氣產(chǎn)出產(chǎn)生不利影響，因此更好的計(jì)算煤層中粘土礦物的含量對煤儲層產(chǎn)氣能力有很好的評價，同時針對煤層中粘土礦物含量改進(jìn)完井工藝也很有意義。

3 結(jié)論及認(rèn)識

(1)通過對柿莊南、柿莊北區(qū)塊內(nèi)3號煤實(shí)

驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)整理，合理的驗(yàn)證了作者所提出的觀點(diǎn)，即自然伽馬曲線并不能簡單地應(yīng)用于目前測井解釋所應(yīng)用的煤層模型。

(2)GR曲線數(shù)值變化反映的為煤層中粘土礦物的多少而非灰分含量的高低，因此選取自然伽馬曲線在煤層氣測井解釋過程中的解釋應(yīng)用時，應(yīng)考慮曲線實(shí)際反映情況對測井解釋模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高煤層氣測井解釋的準(zhǔn)確性。

(3)GR曲線受井徑擴(kuò)徑影響顯著，井徑出現(xiàn)擴(kuò)徑時，曲線反映地層情況出現(xiàn)失真。因此，煤層氣井?dāng)U徑井中GR曲線的定量應(yīng)用應(yīng)盡量避免。

(4)所選區(qū)塊內(nèi)煤層段GR曲線與對應(yīng)粘土礦物含量相關(guān)性高，可通過二者相關(guān)性直接對煤層段粘土礦物含量進(jìn)行定量計(jì)算，有助于煤層產(chǎn)能評價，以及為壓裂施工設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

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(責(zé)任編輯 丁 聰)

Determination of Clay Mineral Content in Coal Seams by Using Natural GR Curve

ZHANG Jiewei, WANG Li

(Jincheng Branch of China United Coalbed Methane Co., Ltd., Shanxi 048000)

Through setting the scientific principles of parameters of wells, the paper analyzes the relationships between the GR curve and the clay minerals, coal ash content and borehole diameter of No.3 coal seam in Southern and Northern Shizhuang Blocks based on the core location. It is found that it is inaccurate to calculate the components of coal seam by using natural GR curve with calculation methods of nivariate regression, multiple regression constrained optimization models. Empirical linear relation between natural GR and the content of clay minerals can be obtained by statistical data in this area, and using the empirical formula, the content of clay minerals in coal seam can be determined, which will provide reference for the improvement and analysis of the completion technique in the future.

GR curve; clay mineral; ash; borehole diameter; coal seam

張杰偉，男，1987年生，本科，現(xiàn)就職于中聯(lián)煤層氣晉城分公司，從事煤層氣現(xiàn)場測井、地質(zhì)工作。