淮南煤系地層非常規(guī)天然氣巖石物理敏感參數(shù)研究

劉可勝，劉 俊，崔 凡，劉 波，陳柏平

(1. 淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)分公司，安徽省淮南市，232000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京市海淀區(qū)，100083；3.河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038)

0 引言

煤系地層非常規(guī)天然氣主要包括煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等[1]。近年來，全球?qū)Ψ浅Ｒ?guī)天然氣開發(fā)的重視程度越來越高，得益于頁(yè)巖氣勘探和開采技術(shù)的成熟，北美實(shí)現(xiàn)由天然氣進(jìn)口國(guó)變成出口國(guó)，沖擊了世界天然氣供給格局[2-3]。我國(guó)煤炭資源豐富，非常規(guī)天然氣儲(chǔ)量也較大[3]。近20年來，我國(guó)非常規(guī)天然氣開發(fā)得到穩(wěn)定增長(zhǎng)，2018年我國(guó)的非常規(guī)天然氣占新增探明天然氣儲(chǔ)量的45%[2]。

我國(guó)淮南地區(qū)煤炭資源和煤系天然氣資源豐富，煤系天然氣地質(zhì)資源總量為979.37×108m3。淮南地區(qū)的非常規(guī)天然氣的勘探、開發(fā)工作起于20世紀(jì)80年代，但直到最近幾年才有了實(shí)際性的抽采井突破[4-5]?；茨鲜袕埣旱V鉆井資料顯示該區(qū)煤系地層具有豐富的煤層氣資源，由于非常規(guī)天然氣儲(chǔ)存特點(diǎn)及礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)沉積環(huán)境[2]，如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)含氣有利區(qū)，對(duì)礦區(qū)非常規(guī)天然氣共采具有重要的理論和指導(dǎo)意義。

目前，非常規(guī)天然氣的預(yù)測(cè)方法主要有地質(zhì)和地球物理勘探兩類，純地質(zhì)方法預(yù)測(cè)的精度不高，通常結(jié)合測(cè)井、地震資料對(duì)儲(chǔ)層的構(gòu)造、厚度、壓力、孔隙度、飽和度、滲透率等參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析、建模，進(jìn)而預(yù)測(cè)儲(chǔ)層含氣狀況[6-7]。菅笑飛等[8]通過煤層分布、裂隙發(fā)育、儲(chǔ)層壓力等儲(chǔ)層特征參數(shù)建立儲(chǔ)層模型預(yù)測(cè)了柳林地區(qū)的煤層氣狀況。近年來，地球物理勘探在煤田上的非常規(guī)天然氣的預(yù)測(cè)得到廣泛應(yīng)用。吳海波等[9]利用地震反演參數(shù)作為煤層氣甜點(diǎn)區(qū)的預(yù)測(cè)指標(biāo)，結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)際日均產(chǎn)氣量吻合較好。利用測(cè)井資料和地震資料，綜合分析含氣儲(chǔ)層的物理和彈性性質(zhì)，找尋非常規(guī)天然氣巖石物理敏感參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行綜合解釋是一種較科學(xué)的方法[10-11]。郭曉龍等[12]也指出由于煤層氣的賦存特點(diǎn)，煤層氣的巖石物理基礎(chǔ)研究是尋找預(yù)測(cè)方法的著手點(diǎn)和立足點(diǎn)。

1 地質(zhì)概況

本研究以安徽省鳳臺(tái)縣張集鄉(xiāng)張集礦為研究背景和測(cè)井、地質(zhì)數(shù)據(jù)來源。張集煤礦地處淮河中游，淮北平原南部，區(qū)內(nèi)地形平坦，地面標(biāo)高一般在+21～+26 m，西北高、東南低。張集煤礦有可采煤層14層，含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組與上、下石盒子組，主要目標(biāo)煤層5層，分別是13-1、11-2、8、6、1號(hào)煤層，平均總厚為20.1 m。

2 非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層特點(diǎn)

煤系地層非常規(guī)天然氣主要包括煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等。

煤層氣指儲(chǔ)存在煤層中的烴類氣體，以甲烷為主要成分，主要以吸附狀態(tài)附著在煤基質(zhì)顆粒表面，少部分以游離態(tài)存在于煤孔隙中，是煤的重要伴生礦產(chǎn)資源。我國(guó)煤層氣具有層系多、厚度大、含氣量高、滲透性低、欠壓、不飽和等特點(diǎn)[13]。

頁(yè)巖氣主要存在于煤系地層的頁(yè)巖當(dāng)中，且以吸附態(tài)為主，其單層厚度薄(<15 m)，但累計(jì)厚度大(可達(dá)100 m以上)[14-16]。由于我國(guó)煤系地層以粘土礦物為主，脆性比較低，抵抗壓實(shí)能力低，導(dǎo)致煤系頁(yè)巖儲(chǔ)層有低孔低滲的特征[14]。

致密砂巖氣具有低孔低滲、高毛細(xì)管的特點(diǎn)[17]，且受上覆地層的壓實(shí)作用和不同地質(zhì)作用的影響，致密砂巖氣藏與干砂巖層的特征會(huì)存在差異，致密砂巖氣藏具有較差的物性，孔隙度值一般為2.0%～13.5%，滲透率值的范圍一般為0.001～1.000 mD[18]。

總的來說，非常規(guī)天然氣改變了儲(chǔ)層原有的巖性特征和物理性質(zhì)，這為非常規(guī)天然氣的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化

眾多學(xué)者通過測(cè)井資料研究總結(jié)了關(guān)于巖石物性、彈性等規(guī)律[19-20]，而其中測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的好壞直接影響到最終的成果質(zhì)量。研究區(qū)老舊測(cè)井曲線的自然伽馬、聲波、密度測(cè)井響應(yīng)井間一致性較差。為解決該問題，本文利用測(cè)新采集的井曲線齊全且一致性較好的新謝1號(hào)井資料作為標(biāo)準(zhǔn)井，采用了模式匹配的方法對(duì)其他老井(井1～井4)進(jìn)行了校正。校正后，老井的測(cè)井曲線一致性得到很大的提高，如圖1所示。

圖1 老井一致性校正前后對(duì)比

4 非常規(guī)天然氣巖石物理敏感參數(shù)分析

巖石物理模板的理論基礎(chǔ)來源于地震巖石物理學(xué)，地震巖石物理學(xué)的主要研究方向是研究巖石彈性參數(shù)(如速度、密度、波阻抗、縱橫波速度比等)與儲(chǔ)層參數(shù)(如孔隙度、孔隙流體類型、流體飽和度等)的關(guān)系。通過建立多孔介質(zhì)巖石物理模型，利用巖石物理正演的方法獲取巖石的縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比、泊松比、楊氏模量、拉梅常數(shù)、剪切模量及脆性指數(shù)，并在此基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)巖石彈性與巖性、物性(孔隙度)、脆性之間的關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而研究非常規(guī)天然氣巖石物理敏感參數(shù)的規(guī)律。

4.1 巖石物理建模

針對(duì)非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的巖石物理建模過程如圖2所示。

圖2 巖石物理建模流程

采用了Xu 和 Payne[20]提出的流程來建立巖石物理模型，該方法是在Voigt、Reuss和Hill[21-23]提出的模量模型基礎(chǔ)上，通過數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)方法建立干巖模量，之后利用Gassmann(加斯曼)方程進(jìn)行流體置換[24]，最終建立巖石物理模型。

在選取好巖石物理模型后，將新謝1號(hào)井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，通過調(diào)整巖石物理模型的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得模型正演曲線與實(shí)測(cè)曲線匹配最佳，如圖3 所示。通過巖石物理建模正演的方法，提高了縱橫波質(zhì)量，為非常規(guī)天然氣巖石物理敏感參數(shù)分析奠定了基礎(chǔ)，最終正演完整的彈性曲線如圖4所示。

圖3 新謝1號(hào)井正演曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比圖

圖4 新謝1號(hào)井正演曲線結(jié)果

4.2 彈性與巖性關(guān)系分析

非常規(guī)天然氣的儲(chǔ)層的巖性及其彈性參數(shù)特點(diǎn)不相同，通過縱橫波速度比、縱波阻抗，可以對(duì)不同的巖性進(jìn)行有效區(qū)分?；趲r石物理模型建模正演獲得測(cè)井曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的縱波阻抗和縱橫波速度比交會(huì)圖，見圖5，煤層具有相對(duì)低波阻抗、高縱橫波速度比特征；砂巖氣層具有中高波阻抗、低縱橫波速度比特征；砂巖干層具有相對(duì)高波阻抗、低縱橫波速度比特征；頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有中等波阻抗、中低縱橫波速度比特征，與泥巖非儲(chǔ)層區(qū)分明顯。

圖5 縱波阻抗-縱橫波速度比交會(huì)圖

4.3 彈性與孔隙度關(guān)系

除巖性外，不同非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的孔隙度也不同，通過統(tǒng)計(jì)分析縱波阻抗和孔隙度的交會(huì)圖發(fā)現(xiàn)，孔隙度與彈性間的關(guān)系更好、規(guī)律性強(qiáng)，如圖6所示，煤層孔隙與波阻抗呈線性關(guān)系，頁(yè)巖及砂巖儲(chǔ)層與波阻抗呈現(xiàn)拋物線二次函數(shù)關(guān)系。

圖6 縱波阻抗與孔隙度交會(huì)圖

4.4 彈性與巖石脆性關(guān)系

巖石的脆性由泊松比和楊氏模量2個(gè)參數(shù)決定，脆性指數(shù)算式如下[20]：

式中：BI——脆性指數(shù)；

YM_BRIT——均一化后的楊氏模量，MPa；

PR_BRIT——均一化后的泊松比；

YMS——楊氏模量，MPa；

PR——泊松比。

根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算得到最大、最小脆性邊界點(diǎn)特征參數(shù)，如圖7所示。不同儲(chǔ)層的脆性指數(shù)如圖8所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤儲(chǔ)層的脆性指數(shù)最低，頁(yè)巖氣和砂巖氣儲(chǔ)層較高。

圖7 泊松比與楊氏模量交會(huì)圖

圖8 新謝1號(hào)井彈性與巖石脆性關(guān)系圖

5 結(jié)論

通過對(duì)淮南張集煤礦測(cè)井曲線的非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的巖石物理分析，得出如下結(jié)論。

(1)煤層表現(xiàn)為相對(duì)低波阻抗、高縱橫波速度比特征；砂巖氣層表現(xiàn)為中高波阻抗，低縱橫波速度比特征；砂巖干層表現(xiàn)為相對(duì)高波阻抗、低縱橫波速度比特征；頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表現(xiàn)為中等波阻抗、中低縱橫波速度比特征，與泥巖非儲(chǔ)層區(qū)分明顯，幾類儲(chǔ)層分布規(guī)律清晰。

(2)縱波阻抗與孔隙度單調(diào)關(guān)系較好，煤層孔隙與波阻抗呈線性關(guān)系，頁(yè)巖及砂巖儲(chǔ)層與波阻抗呈現(xiàn)拋物線二次函數(shù)關(guān)系。利用縱波阻抗可較好描述儲(chǔ)層物性特征。

(3)根據(jù)泊松比和楊氏模量雙參數(shù)定義巖石脆性指數(shù)，可獲得非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的最大、最小脆性邊界點(diǎn)特征參數(shù)，并且煤層氣儲(chǔ)層的脆性指數(shù)最低，頁(yè)巖氣和致密砂巖氣脆性指數(shù)較高。

可以看出儲(chǔ)層的彈性參數(shù)與儲(chǔ)層巖性、物性之間存在一定的規(guī)律，將為后期的地震解釋工作提供必要的巖石物理基礎(chǔ)，促進(jìn)非常規(guī)天然氣的預(yù)測(cè)和開發(fā)。