基于煤層“三結(jié)構(gòu)”的煤巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)*

郭廣山 柳迎紅 王存武 呂玉民 朱學(xué)申 韓 剛

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

煤層氣作為非常規(guī)能源之一，是常規(guī)油氣的有力補(bǔ)充。自20世紀(jì)70年代中國(guó)第一口地面煤層氣井鉆探以來(lái)，截至2020年底，中國(guó)累計(jì)各類煤層氣鉆井20 000余口，累計(jì)煤層氣探明儲(chǔ)量7 259.12億方。2020年中國(guó)地面開(kāi)發(fā)煤層氣產(chǎn)量為58.2億方，較2019年產(chǎn)量增長(zhǎng)6.5%。隨著煤層氣勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷深入，相關(guān)學(xué)者已逐漸認(rèn)識(shí)到煤層氣儲(chǔ)層是影響煤層氣產(chǎn)能內(nèi)在因素，新工藝對(duì)煤儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)程度的要求日益提高[1]。簡(jiǎn)單的煤儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)已無(wú)法滿足煤層氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的需要，亟需打破常規(guī)的、簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)，從原理出發(fā)，創(chuàng)新精細(xì)表征方法和評(píng)價(jià)體系，提升煤儲(chǔ)層參數(shù)認(rèn)識(shí)程度。提升煤層氣儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)重要一環(huán)是對(duì)煤巖品質(zhì)的評(píng)價(jià)，煤巖品質(zhì)評(píng)價(jià)主要包括煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)和宏觀煤巖類型結(jié)構(gòu)等參數(shù)[2]。煤巖是氣體吸附的載體，煤層厚度是煤層氣資源的基礎(chǔ)保障；煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)和宏觀煤巖類型結(jié)構(gòu)共同決定了煤巖品質(zhì)[3]。煤層結(jié)構(gòu)和宏觀煤巖類型結(jié)構(gòu)主要受成煤環(huán)境的影響，煤體結(jié)構(gòu)受地質(zhì)構(gòu)造演化影響[4-5]。前人對(duì)宏觀煤巖類型、煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)分別建立了多種解釋模型，形成了以煤巖描述為基礎(chǔ)、以測(cè)井和地震資料為手段的評(píng)價(jià)方法[6-17]，但針對(duì)“三結(jié)構(gòu)”(煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)和宏觀煤巖類型結(jié)構(gòu))綜合研究相對(duì)較少。同時(shí)，未見(jiàn)有將“三結(jié)構(gòu)”有機(jī)結(jié)合綜合評(píng)價(jià)煤巖品質(zhì)的研究。

筆者以沁水盆地南部SZB區(qū)塊3號(hào)煤層為例，依托27口煤層氣參數(shù)井巖心描述和常規(guī)測(cè)井資料，描述影響煤巖品質(zhì)的“三結(jié)構(gòu)”，分別建立了基于測(cè)井響應(yīng)的煤巖“三結(jié)構(gòu)”評(píng)價(jià)參數(shù)定量表征方法，形成了一套煤巖品質(zhì)定量化評(píng)價(jià)體系。該研究方法不僅可指導(dǎo)煤層氣井位部署、射孔選層以及排采制度制定，還可以應(yīng)用于煤層氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量和可采性評(píng)估等，為煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

SZB區(qū)塊位于沁水盆地南端，構(gòu)造上屬于沁水復(fù)向斜的東翼，是典型高煤階煤層氣田。研究區(qū)目前主要開(kāi)發(fā)目的煤層為下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，山西組是一套三角洲平原沉積體系下發(fā)育的含煤地層。3號(hào)煤層埋藏深度800～1 500 m；煤層厚度4.34～8.03 m，平均5.97 m；含氣量6.0～21.6 m3/t，平均14.0 m3/t；煤層滲透率普遍較低，基本上在0.1 mD以下；煤層頂?shù)装逡阅鄮r、粉砂質(zhì)泥巖為主，整體保存條件較好。

2 煤巖三結(jié)構(gòu)定量化評(píng)價(jià)及分布

2.1 煤層結(jié)構(gòu)定量化評(píng)價(jià)及分布

煤層結(jié)構(gòu)是指煤層中包含煤分層和巖石夾層的層數(shù)及厚度的特征。煤層中的巖石夾層俗稱夾矸。夾矸一般為黏土巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖。不含夾矸層的煤層稱為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，含有夾矸層的煤層稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。煤層結(jié)構(gòu)直接影響煤層氣井鉆進(jìn)軌跡、煤儲(chǔ)層改造射孔層位優(yōu)選以及排采制度制定。一般情況下，煤層結(jié)構(gòu)通過(guò)夾矸的巖性、數(shù)量和厚度來(lái)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)作業(yè)具有重要的指導(dǎo)作用[6]。

研究區(qū)鉆井揭示3號(hào)煤層頂?shù)装逯饕陨百|(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖為主，發(fā)育穩(wěn)定且厚度較大，夾矸主要以泥巖為主(圖1a)。根據(jù)煤層氣參數(shù)井巖心描述結(jié)果，結(jié)合常規(guī)測(cè)井曲線響應(yīng)特征，精細(xì)刻畫(huà)煤層結(jié)構(gòu)特征。頂?shù)装鍘r性、煤層及夾矸三者表現(xiàn)出不同的測(cè)井響應(yīng)特征，尤其以自然伽馬和體積密度測(cè)井結(jié)果差異最為明顯，因此本次評(píng)價(jià)煤層結(jié)構(gòu)主要依據(jù)自然伽馬和體積密度測(cè)井。GR和DEN測(cè)井曲線交會(huì)圖(圖1b)表明頂?shù)装鍘r性表現(xiàn)出高密度(>2.0 g/cm3)、高自然伽馬(>85 API)等特征；煤層表現(xiàn)出低密度(<1.5 g/cm3)、低自然伽馬(<50 API)等特征；夾矸表現(xiàn)出中—低密度(1.2～1.6 g/cm3)，中—高自然伽馬(60～110 API)特征。單井煤層結(jié)構(gòu)劃分結(jié)果表明3號(hào)煤層在中下部發(fā)育一層厚度相對(duì)穩(wěn)定的夾矸。根據(jù)參數(shù)井煤層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果，采用普通克里金算法，利用線性模型繪制煤層結(jié)構(gòu)平面分布圖。研究區(qū)夾矸厚度分布0.7～1.0 m，平均厚度0.94 m；南部和東北部夾矸厚度較小，一般在0.75 m以下，厚度占比在12%以下；北部和東南部夾矸厚度相對(duì)較大，一般在1.0 m以上，厚度占比在15%以上(圖1c、d)。

2.2 煤體結(jié)構(gòu)定量化評(píng)價(jià)及分布

煤體結(jié)構(gòu)是指煤層經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)后煤的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的保留程度。不同結(jié)構(gòu)煤體發(fā)育不同的裂隙系統(tǒng)，直接影響煤層滲透率、含氣量以及煤粉產(chǎn)出等因素。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 30050-2013《煤體結(jié)構(gòu)分

圖1 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層煤層結(jié)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)圖

類》，煤體結(jié)構(gòu)劃分為4種類型，即原生結(jié)構(gòu)、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。目前，國(guó)內(nèi)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤體結(jié)構(gòu)的判別方法主要依靠參數(shù)井取心描述、測(cè)井解釋和地震屬性反演等評(píng)價(jià)方法。不同結(jié)構(gòu)煤體在井眼穩(wěn)定性、測(cè)井曲線響應(yīng)特征表現(xiàn)出差異較大的特征。原生結(jié)構(gòu)煤井眼完整，基本不擴(kuò)徑；低自然伽馬、低體積密度、高電阻率、高聲波時(shí)差和高補(bǔ)償中子；煤心成柱狀和塊狀。碎裂煤井眼基本完整，少量擴(kuò)徑；低自然伽馬、電阻率大于3 000 Ω·m、低體積密度、高聲波時(shí)差和高補(bǔ)償中子；煤心成塊狀特征。碎粒煤井眼不完整，存在明顯擴(kuò)徑；低自然伽馬、中電阻率、三孔隙度曲線受井眼擴(kuò)徑影響嚴(yán)重；煤心破碎嚴(yán)重。糜棱煤井眼不完整，嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑；低自然伽馬、電阻率普遍低于1 000 Ω·m、三孔隙度曲線受井眼擴(kuò)徑影響嚴(yán)重；煤成粉末狀。

依托煤層氣參數(shù)井巖心描述結(jié)果，利用不同煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井響應(yīng)特征定量判別煤體結(jié)構(gòu)，是一種行之有效的方向。由于成煤環(huán)境、構(gòu)造演化背景造成的煤巖成熟度、煤巖性質(zhì)等不同，每個(gè)地區(qū)煤體結(jié)構(gòu)判別方法有所不同[7-16]。筆者在整理研究區(qū)27口煤層氣參數(shù)井巖心描述的基礎(chǔ)上，分4步對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)描述：①建立參與評(píng)價(jià)的井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行深度校正和井徑校正。由于儀器重量、形狀、井壁特征和摩擦等外因都會(huì)導(dǎo)致測(cè)井值發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，首先需要對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行深度校正；由于鉆進(jìn)過(guò)程中煤層段容易出現(xiàn)坍塌，導(dǎo)致擴(kuò)徑，尤其在井眼擴(kuò)徑嚴(yán)重的井段，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)井值的真實(shí)性，需要在深度校正的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行井徑校正。②利用SPSS分析軟件，采用主成分分析法確定選取參與計(jì)算的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為井徑、電阻率、體積密度和自然伽馬。③結(jié)合單井煤體結(jié)構(gòu)描述結(jié)果，劃分出不同煤體結(jié)構(gòu)參與計(jì)算的測(cè)井值范圍，建立測(cè)井值劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。④構(gòu)建煤體結(jié)構(gòu)判別指數(shù)T，并利用未參與評(píng)價(jià)的井進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果符合率超85%，說(shuō)明具有可行性。煤體結(jié)構(gòu)判別指數(shù)T計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：d為井徑 ,cm；R為電阻率測(cè)井值，Ω·m；ρ為補(bǔ)償密度測(cè)井值，g/cm3；GR為自然伽馬，API；d0、R0、ρ0、GR0分別為井徑、電阻率測(cè)井、補(bǔ)償密度測(cè)井和自然伽馬特征值，單位分別為cm、Ω·m、g/cm3、API。

表1 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層不同煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井值及判別指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of different coal structures in No.3 coal seam of SZB block

按照煤體結(jié)構(gòu)判別公式(1)對(duì)研究區(qū)3號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采用普通克里金算法，利用線性模型，繪制煤體結(jié)構(gòu)平面分布圖。 研究區(qū)主要發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤和碎粒煤，碎裂煤次之。原生結(jié)構(gòu)煤主要發(fā)育在研究區(qū)的東部及北部，厚度占比40%～80%(圖2)，中部和西部以發(fā)育碎裂煤為主。煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征整體表現(xiàn)為東部、北部好，中部、西部相對(duì)較差。

2.3 宏觀煤巖類型結(jié)構(gòu)定量化評(píng)價(jià)及分布

宏觀煤巖類型是指按照宏觀煤巖成分在煤層中的總體相對(duì)光澤強(qiáng)度劃分的煤巖類型。不同宏觀煤巖類型通過(guò)表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)[17]，影響著煤儲(chǔ)層含氣性、可改造性和滲流條件等，進(jìn)而影響著煤層氣井產(chǎn)氣效果。按照同一變質(zhì)程度煤的相對(duì)光澤強(qiáng)度和光亮煤巖成分比例，把宏觀煤巖類型劃分為光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。

圖2 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)圖

在成煤環(huán)境過(guò)程中，由于成煤物質(zhì)、煤相等因素，造成宏觀煤巖類型不同，物理性質(zhì)差異較大，其中灰分含量、密度、礦物含量和內(nèi)生裂隙發(fā)育程度等參數(shù)決定著測(cè)井曲線響應(yīng)變化特征，這些響應(yīng)變化特征是建立宏觀煤巖類型判別模型的理論依據(jù)[18-19]。對(duì)研究區(qū)不同宏觀煤巖類型測(cè)井響應(yīng)特征分析表明，光亮煤表現(xiàn)出低伽馬、低密度、高聲波時(shí)差和高電阻的測(cè)井響應(yīng)特征；暗淡煤則表現(xiàn)出高伽馬、高密度、低聲波時(shí)差和低電阻的測(cè)井響應(yīng)特征；半亮煤和半暗煤介于兩者之間。選擇自然伽馬、補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差和深側(cè)向測(cè)井響應(yīng)值建立宏觀煤巖類型指數(shù)DHMLZ(以下簡(jiǎn)稱指數(shù)DHMLZ)為

(2)

式(2)中：RLLD為深側(cè)向測(cè)井值，Ω·m；Δt為聲波時(shí)差測(cè)井值，μs/m；ρ為補(bǔ)償密度測(cè)井值，g/cm3；GR為自然伽馬測(cè)井值，API。

根據(jù)研究區(qū)27口煤層氣參數(shù)井煤巖綜合測(cè)井圖，結(jié)合3號(hào)煤層宏觀煤巖類型描述結(jié)果，劃分出不同宏觀煤巖類型評(píng)價(jià)測(cè)井值范圍(表2)，利用建立的指數(shù)DHMLZ分別計(jì)算出煤巖類型分區(qū)范圍。研究區(qū)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為DHMLZ≥20.0為光亮煤、10.0≤DHMLZ<20.0為半亮煤、5.5≤DHMLZ<10.0為半暗煤、DHMLZ<5.5為暗淡煤。

表2 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層不同宏觀煤巖類型測(cè)井值及判別指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)表Table 2 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of marcolithotype in No.3 coal seam of SZB block

依據(jù)判別指數(shù)DHMLZ對(duì)研究區(qū)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型分布進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明研究區(qū)主要發(fā)育光亮煤和半亮煤，半暗煤和暗淡煤發(fā)育較少。依據(jù)評(píng)價(jià)井判別結(jié)果采用普通克里金算法，利用線性模型，建立宏觀煤巖類型厚度分布圖。研究區(qū)光亮煤整體較厚，厚度1.5～3.5 m，局部不發(fā)育；半亮煤全區(qū)發(fā)育，厚度1.0～4.5 m，僅在東北部厚度小于1 m；半暗煤呈現(xiàn)南北薄，中間厚，厚度0.5～3.0 m，在東北部不發(fā)育；暗淡煤僅在西南部發(fā)育，厚度0.2～0.8 m(圖3)。

圖3 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層不同宏觀煤巖類型厚度分布圖

3 煤巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

3.1 定量評(píng)價(jià)模型

煤巖品質(zhì)定量評(píng)價(jià)遵循以下流程和原則：①依據(jù)影響因素總體劃分為兩級(jí)評(píng)價(jià)階段，篩選出每級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)，每級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)賦予不同分?jǐn)?shù)值以區(qū)分重要性(表3)。②在一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，確定二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。煤層結(jié)構(gòu)主要采用夾矸厚度和夾矸厚度占比兩個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)；原生結(jié)構(gòu)和碎裂煤對(duì)煤層氣生產(chǎn)起到積極的作用，煤體結(jié)構(gòu)采用原生結(jié)構(gòu)+碎裂煤厚度及厚度占比兩個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)；光亮煤和半亮煤有利于煤層氣生產(chǎn)，宏觀煤巖結(jié)構(gòu)選取光亮煤和半亮煤厚度合及厚度合占比兩個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)?；诟髟u(píng)價(jià)參數(shù)與煤層氣資源性、可壓性及可采性的關(guān)系，賦予各評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重，權(quán)重也可以根據(jù)不同區(qū)塊的勘探開(kāi)發(fā)程度和階段進(jìn)行調(diào)整。③對(duì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的煤層氣井的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化，按照賦予的權(quán)重分別計(jì)算，最終建立煤巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型U，計(jì)算公式如下

U=0.3S1+0.2S2+0.3S3+0.2S4

(3)

式(3)中：S1、S2、S3和S4分別為煤層總厚度、煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)和煤巖結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)得分，無(wú)量綱；U為煤巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)得分，無(wú)量綱。

表3 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層煤巖品質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)及權(quán)重表Table 3 Statistical table of coal and rock quality evaluation parameters and weights in No.3 coal seam of SZB block

3.2 煤巖品質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)煤巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)3號(hào)煤層開(kāi)展評(píng)價(jià)，并參考姚艷斌 等[20]研究成果，得出煤巖品質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。I類區(qū)為優(yōu)質(zhì)煤巖品質(zhì)分布區(qū)(U≥80)，主要表現(xiàn)為煤層厚度大、夾矸基本不發(fā)育或者發(fā)育較薄，以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主，光亮煤和半亮煤發(fā)育，基本上不發(fā)育暗淡煤，主要分布在東北部和南部大部分地區(qū)；II類區(qū)為良好煤巖品質(zhì)分布區(qū)(70≤U<80)，表現(xiàn)為發(fā)育一套厚度相對(duì)較薄的夾矸，以碎裂煤發(fā)育為主，半亮煤發(fā)育，分布在北部、中部和西南部；III類為較差煤巖品質(zhì)分布區(qū)(U<70)，主要表現(xiàn)出夾矸較發(fā)育，碎粒煤發(fā)育，半暗煤較發(fā)育，分布在西部(圖4)。

圖4 SZB區(qū)塊3號(hào)煤層煤巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)圖

4 結(jié)論

1) 煤巖品質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)鍵要素為煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)和宏觀煤巖類型結(jié)構(gòu)，以沁水盆地南部SZB區(qū)塊3號(hào)煤層為例，分別建立了基于測(cè)井響應(yīng)的煤巖“三結(jié)構(gòu)”定量表征方法，結(jié)合煤層厚度等參數(shù)，建立一套煤巖品質(zhì)定量化評(píng)價(jià)體系。

2) 依據(jù)煤巖品質(zhì)定量化評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)SZB區(qū)塊3號(hào)煤層。結(jié)果表明：I類優(yōu)質(zhì)煤巖主要分布在東北部和南部大部分地區(qū)；II類良好煤巖分布在北部、中部和西南部；III類較差煤巖品質(zhì)分布在西部。

3) 本次煤巖品質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)、表征方法和定量化評(píng)價(jià)體系是建立在已有大量煤層氣參數(shù)井巖心描述和測(cè)井資料基礎(chǔ)上的。測(cè)井曲線要進(jìn)行深度矯正和擴(kuò)徑矯正。每個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)評(píng)價(jià)要充分考慮測(cè)井響應(yīng)機(jī)理。同時(shí)，評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)煤巖品質(zhì)的影響各有所側(cè)向，在最終評(píng)價(jià)過(guò)程中要有所針對(duì)性，不同的區(qū)塊要根據(jù)煤巖成熟度、沉積環(huán)境、構(gòu)造背景建立不同的評(píng)價(jià)體系。