測(cè)井技術(shù)在樊莊地區(qū)煤巖結(jié)構(gòu)識(shí)別中的應(yīng)用

張 杰 范立紅 梅 杰 馮娜娜 劉 靜

(中國(guó)石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北 062552)

測(cè)井技術(shù)在樊莊地區(qū)煤巖結(jié)構(gòu)識(shí)別中的應(yīng)用

張 杰 范立紅 梅 杰 馮娜娜 劉 靜

(中國(guó)石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北 062552)

煤巖結(jié)構(gòu)類型是影響煤層氣富集高產(chǎn)的重要因素，直接關(guān)系到煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)。基于測(cè)井響應(yīng)特征與煤巖結(jié)構(gòu)類型之間的關(guān)系，通過(guò)改進(jìn)煤巖結(jié)構(gòu)指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，并借鑒頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)，展開(kāi)對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)研究。本文提出兩種定量判識(shí)煤體結(jié)構(gòu)類型的方法，根據(jù)樊莊地區(qū)對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)敏感的測(cè)井響應(yīng)，經(jīng)大量數(shù)值模擬得到地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，效果明顯；創(chuàng)新應(yīng)用測(cè)井資料提取煤巖力學(xué)參數(shù)用于判識(shí)煤巖結(jié)構(gòu)類型，交會(huì)分析煤巖脆性指數(shù)和波阻抗，對(duì)于煤巖結(jié)構(gòu)的識(shí)別具有較好的指示作用。

煤巖結(jié)構(gòu) 測(cè)井響應(yīng)特征 數(shù)值模擬 定量識(shí)別

1 工區(qū)概況

樊莊區(qū)塊位于山西省沁水盆地的東南部，隸屬山西省晉城市，在固縣-端氏鎮(zhèn)-樊莊一帶。工區(qū)地表起伏較大，為丘陵山地，地形復(fù)雜。區(qū)內(nèi)地層平緩，為北西向傾斜地層；工區(qū)主要發(fā)育斷層為寺頭斷層；褶皺普遍發(fā)育，呈近南北向和放射狀。資源基礎(chǔ)落實(shí)，主要?dú)庠磶r為山西組3號(hào)煤和太原組15號(hào)煤，煤質(zhì)較好，變質(zhì)程度較高，屬中高階煤，是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)層系，也是沁水南部地區(qū)煤層氣研究的熱點(diǎn)煤層。

煤巖結(jié)構(gòu)通常分為：原生煤和構(gòu)造煤，為了更好地研究和預(yù)測(cè)煤儲(chǔ)層的物性特征和展布規(guī)律，在原生煤和構(gòu)造煤的基礎(chǔ)上，前人將煤巖結(jié)構(gòu)細(xì)分為：原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)研究，構(gòu)造煤受到環(huán)境影響，裂隙被填充后，降低了滲透率，減少了儲(chǔ)存空間，不利于煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)，同時(shí)在測(cè)井響應(yīng)特征上也與原生煤存在明顯差異。相比構(gòu)造煤，孔隙裂隙發(fā)育較好的碎裂煤有利于煤層氣的儲(chǔ)存和滲流，是煤層氣富集高產(chǎn)的有利因素(見(jiàn)表1)，因此本文主要研究在四類分法的基礎(chǔ)上，細(xì)分原生煤與碎裂煤的測(cè)井響應(yīng)特性。

表1 煤巖結(jié)構(gòu)類型分類

2 利用經(jīng)驗(yàn)公式識(shí)別煤巖結(jié)構(gòu)

由于取芯難度大、成本高，利用地球物理測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)煤巖結(jié)構(gòu)類型就成為一種常用的識(shí)別手段。但受到多種因素影響，使得地區(qū)的差異性，引起煤巖成熟度、組分含量、結(jié)構(gòu)類型等發(fā)生不同程度的變化。因此，單純的利用某一條或兩條測(cè)井曲線，無(wú)法準(zhǔn)確的識(shí)別劃分煤巖結(jié)構(gòu)類型。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)樊莊地區(qū)煤儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)值分布規(guī)律，碎裂煤的AC、CAL測(cè)井響應(yīng)值主要集中范圍比原生煤大，而GR、DEN的測(cè)井響應(yīng)集中值比原生煤小(圖1)。因此，優(yōu)選了以上四個(gè)測(cè)井響應(yīng)值為煤巖結(jié)構(gòu)的敏感參數(shù)(表2)，通過(guò)對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行有效組合并放大定性判識(shí)的特征，經(jīng)過(guò)大量數(shù)值模擬研究，改進(jìn)煤巖結(jié)構(gòu)指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)樊莊地區(qū)原生—碎裂煤的結(jié)構(gòu)指數(shù)分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2)，制定了樊莊地區(qū)煤巖結(jié)構(gòu)判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)：原生煤I>21；碎裂煤I<21，實(shí)現(xiàn)了定量評(píng)價(jià)煤巖結(jié)構(gòu)。

表2 樊莊地區(qū)煤巖結(jié)構(gòu)的敏感參數(shù)

建立經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(1)

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，為了避免環(huán)境因素的影響，選取7口擴(kuò)徑不明顯，夾矸不發(fā)育，煤層較厚的井

圖1 樊莊地區(qū)煤儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)值分布規(guī)律

樣品編號(hào)結(jié)構(gòu)指數(shù)I取芯結(jié)果判識(shí)結(jié)果樣品編號(hào)結(jié)構(gòu)指數(shù)I取芯結(jié)果判識(shí)結(jié)果F61-3-11792原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F64-3-32977碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F61-3-21652原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F64-3-42915碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F61-3-32921原生結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F64-3-53755碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F61-3-41615原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F66-3-32187碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F61-3-52020原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F66-3-41179原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F62-3-12056原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F66-3-51188原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F62-3-22989原生結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F66-3-61114原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F62-3-31576碎裂結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F67-3-11215原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F62-3-41612碎裂結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F67-3-22780碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F63-3-13797碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F67-3-31611碎裂結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F63-3-22054原生結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F67-3-41833原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F63-3-32454碎裂結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F67-3-52308原生結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)F63-3-41793原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F69-3-51136原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F63-3-51422原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F69-3-61696原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F64-3-21164原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)F69-3-71520原生結(jié)構(gòu)原生結(jié)構(gòu)

備注：樊莊區(qū)塊判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)：原生結(jié)構(gòu)<21，碎裂結(jié)構(gòu)>21，符合率：73.3%

圖2 樊莊地區(qū)原生—碎裂煤的結(jié)構(gòu)指數(shù)分布范圍

進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)30塊煤巖取芯資料進(jìn)行驗(yàn)證，效果明顯，符合率達(dá)到了73.3%，已經(jīng)可以滿足生產(chǎn)需要(見(jiàn)表3)。

3 利用力學(xué)參數(shù)識(shí)別煤巖結(jié)構(gòu)

前人對(duì)于我國(guó)煤層氣和頁(yè)巖氣富集特征和開(kāi)采技術(shù)的共性和差異性進(jìn)行了基礎(chǔ)性探討，并從概念出發(fā)，對(duì)煤層氣和頁(yè)巖氣進(jìn)行了比較。煤層氣儲(chǔ)層和頁(yè)巖氣儲(chǔ)層均為低孔低滲儲(chǔ)層，開(kāi)采時(shí)均需要采取儲(chǔ)層改造增滲技術(shù)，如水平井技術(shù)和儲(chǔ)層壓裂技術(shù)等。因此，可以借鑒國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)，展開(kāi)對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)研究。Rickman提出了基于彈性模量和泊松比的脆性指數(shù)BI，認(rèn)為泊松比能夠反映巖石的破壞能力，彈性模量能夠表征裂縫抗張強(qiáng)度，彈性模量越高，泊松比越低，脆性指數(shù)越強(qiáng)，越利于產(chǎn)生復(fù)雜網(wǎng)縫。而楊氏模量和泊松比可通過(guò)力學(xué)參數(shù)公式代入測(cè)井響應(yīng)值求出，基于此理論，建立煤巖脆性指數(shù)公式：

(2)

(3)

圖3 不同煤巖結(jié)構(gòu)的煤巖脆性指數(shù)分布特征

BI——煤巖脆性指數(shù);YM——彈性模量計(jì)算的脆性指數(shù);PR——泊松比計(jì)算的脆性指數(shù)。

根據(jù)煤巖取芯宏觀描述與對(duì)應(yīng)井段的煤巖脆性指數(shù)對(duì)比，原生煤與碎裂煤各自的優(yōu)勢(shì)區(qū)間明顯(見(jiàn)圖3)，均成正態(tài)分布特征。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)原生煤的煤巖脆性指數(shù)分布范圍平均在62.65至79.18之間；碎裂煤的煤巖脆性指數(shù)分布范圍平均在70.67至88.14之間(見(jiàn)表4)。由于碎裂程度的不同和測(cè)井響應(yīng)值的連續(xù)性，使得原生煤與碎裂煤的脆性指數(shù)分布范圍存在一定程度上的交叉。

表4 不同煤巖結(jié)構(gòu)的煤巖脆性指數(shù)BI范圍

隨著煤體破碎程度增加，煤巖密度降低，聲波傳播速度減小，從而碎裂煤的波阻抗一般小于原生煤的波阻抗，因此利用波阻抗大小來(lái)判識(shí)煤巖結(jié)構(gòu)類型從理論上是可行的。對(duì)于鉆遇煤層第i層用密度測(cè)井值 DENi(g/cm3)和聲波時(shí)差測(cè)井值A(chǔ)Ci(us/m)經(jīng)過(guò)單位轉(zhuǎn)換后便可計(jì)算出波阻抗值 Zi。

Zi=ρiVi

(4)

其中，ρi——密度測(cè)井值;vi——聲波傳播速度。

從公式(4)可以看出，波阻抗表征煤巖密度與聲波傳播速度之間的關(guān)系。

將煤巖層段的波阻抗值與該井段的取芯結(jié)果對(duì)比，原生煤與碎裂煤同樣具有各自的優(yōu)勢(shì)區(qū)間(見(jiàn)圖4)，且成正態(tài)分布特征。從原生煤和碎裂煤的波阻抗分布范圍統(tǒng)計(jì)表可以看出(見(jiàn)表5)，原生煤的平均波阻抗值在3100至3700之間；碎裂煤的平均波阻抗在2800至3300之間，兩者在數(shù)值分布范圍上存在一定的交叉。

圖4 不同煤巖結(jié)構(gòu)的波阻抗分布特征

井號(hào)原生結(jié)構(gòu)煤碎裂結(jié)構(gòu)煤13020～37362720～336023055～37892700～325033135～37102750～320043045～37002755～328053100～36882800～320063110～37552855～329073200～36802740～3340平均3100～37002800～3300

由于原生煤和碎裂煤的煤巖脆性指數(shù)和波阻抗分布都存在各自的交叉區(qū)間，因此單一的使用脆性指數(shù)或者波阻抗并不能明顯的劃分出界限。通過(guò)對(duì)煤巖脆性指數(shù)和波阻抗進(jìn)行交會(huì)分析，發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)性較好，對(duì)于煤巖結(jié)構(gòu)的識(shí)別具有較好的指示作用。

選取樊莊地區(qū)單井的3號(hào)煤層進(jìn)行驗(yàn)證，該井煤層總厚度為7m，其中測(cè)井深度在651.8～653.2m為碎裂煤，653.2～656.8m為原生煤，656.8～658.8為碎裂煤。從圖5可以看出，結(jié)合脆性指數(shù)和波阻抗曲線識(shí)別煤巖結(jié)構(gòu)類型，劃分結(jié)果與取芯描述基本一致。由于煤巖成熟度、組分含量、圍巖影響、擴(kuò)徑程度等對(duì)測(cè)井響應(yīng)值存在一定影響，使得4號(hào)取芯段的波阻抗值偏高，但脆性指數(shù)可以較好的指示為碎裂煤，因此，針對(duì)異常點(diǎn)還需分析研究環(huán)境因素造成的影響。

圖5 單井煤巖類型判識(shí)結(jié)果

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Application of Logging Technology in Recognizing Coal Structure in Fanzhuang Area

ZHANG Jie, FAN Lihong, ME Jie, FENG Nana, LIU Jing

(Geophysical Exploration Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company, Hebei 062552)

The coal structure is an important factor influencing the yield of coalbed methane, which is directly related to the exploration of coalbed methane. This paper evaluates the coal structures based on the relationship between the characteristics of logging response and the types of coal structures, and modifying the empirical formula of coal structure index. The evaluation technology of shale gas logging is also referenced. Two methods for quantitative identification of coal structure are proposed. Relevant empirical formula is evidently obtained by numerical simulation of the logging response of coal structure in Fanzhuang area. It also takes advantages of logging information to extract coal rock mechanics parameters for identifying the type of coal and rock, and analyzes the brittleness index and wave impedance of coal rock, which has a good indication for identifying coal body structures.

Coal structure; characteristics of logging response; numerical simulation; quantitative identification

張杰，男，從事測(cè)井方法原理和資料應(yīng)用研究工作。