測井評價煤層氣藏面臨的挑戰與發展方向

黃科，萬金彬，苗秀英，李玲芝

（中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

中國非常規油氣資源中煤層氣可采資源量為10.9×1012m3［1－3］。目前在煤層氣勘探開發過程中，煤層氣儲層測井資料的采集和評價基本上沿用石油天然氣工業測井采集技術與儲層評價方法。煤層氣儲層具有低孔隙度低滲透率、非均質性強，雙重孔隙結構、割理發育且易碎等特點，給測井評價技術帶來了極大的挑戰［4－5］。煤層氣測井評價技術在煤層工業分析、含氣量、物性參數的計算和煤階判別與結構分析等方面取得了一定的效果［6－19］?？傮w而言，煤層氣儲層測井評價技術還不夠成熟，研究不夠深入，且缺乏系統性，難以滿足煤層氣勘探開發的需求。本文系統論述了目前常規測井方法在煤層氣藏評價過程中的局限性，并提出了煤層氣儲層測井評價技術的新方法與新思路。

1 測井評價煤層氣藏面臨的挑戰

1.1 測井數據采集

1.1.1 井眼環境

圖1 擴徑段煤層測井曲線圖

煤層氣藏開發主要采用井眼鉆孔和地面采集的方式進行開發［5］。由于煤層極易破碎，在鉆井過程中容易造成煤層段井眼垮塌，影響測井儀器井下數據采集，導致測井儀器測量值的不準確。圖1為擴徑段煤層測井曲線圖。對于貼井壁的儀器影響更加明顯，由于儀器無法很好地推靠在井壁上，測量值主要反映井內流體性質，給煤層氣儲層參數測井評價帶來很大誤差。對于反映井壁信息的電成像測井以及測量沖洗帶的核磁共振測井等成像測井儀，擴徑會直接導致測井資料失真。對于大斜度井以及水平井等定向井，煤層（尤其是構造煤）井壁穩定性差，容易造成垮塌堵塞井眼，導致測井儀器無法正常在井眼內運動。

1.1.2 儀器參數

1.1.2.1 縱向分辨率

煤層厚度是煤層氣儲量計算的關鍵參數之一。在泥炭堆積過程中，沼澤基底在較短時間內下降速度超過了植物遺體堆積速度而被其他沉積物所代替，形成了煤中的泥巖、粉砂巖等夾矸層［20］。在煤層氣儲量計算過程中，煤層夾矸需要從煤層總厚度中扣除。但是煤層夾矸厚度普遍較薄，有的甚至低于0.4m，常規測井縱向分辨率偏低，難以準確劃分夾矸層，導致儲量計算的誤差。圖2為煤層夾矸測井曲線圖，從煤層段自然伽馬和密度測井曲線上看，夾矸發育并且普遍較薄，在常規測井曲線上難以準確劃分夾矸層厚度。更高縱向分辨率的電成像測井儀由于井眼垮塌和成本等因素，也難以大范圍應用。

1.1.2.2 測量精度

度量煤層中含甲烷多少的指標是含氣量，用單位重量煤的可燃質所含甲烷在標準狀態（1個大氣壓，0℃）下的體積表示，單位為 m3／t［21］。密度測井作為一種常用測井方法在煤層評價過程中應用廣泛，煤層含氣量的低豐度對密度測井測量精度提出了挑戰。高緒晨［22］在理論上分析了煤層含氣在密度測井上的響應，假設煤層氣成分為甲烷，甲烷含氣量在密度響應上的增量如表1所示。

表1 不同甲烷含氣量在密度響應上的增量

中國煤層含氣量普遍低于25m3／t，部分煤層甚至低于10m3／t［5］。中國密度測井儀測量精度普遍為0.03g／cm3，中國石油集團測井有限公司最新研制的高精度巖性密度測井儀器精度可達到0.015g／cm3［23］。由表1可知，國內煤田含氣量導致密度響應的增量在儀器誤差范圍內，難以利用現有密度測井儀準確計算煤層含氣量。

圖2 煤層夾矸測井曲線圖

1.2 煤層氣儲層評價

煤層氣儲層測井評價面臨著諸多挑戰，主要有低孔隙度、超低滲透率、與常規氣藏完全不同的氣體賦存狀態等問題。

1.2.1 孔隙度測井

常規儲層評價基于巖石物理體積模型，利用密度、中子和聲波等3條測井曲線計算儲層孔隙度。在煤層氣儲層評價過程中，基于巖石物理體積模型的孔隙度測井在諸多方面存在較大局限性。

（1）低孔隙度?；趲r石物理體積模型，由于孔隙度變低，孔隙內流體對測井響應的貢獻相對骨架的貢獻變小，同樣孔隙度測井響應值的誤差會導致孔隙度計算誤差成倍增加，其中孔隙度越低，誤差放大倍數越大［24］。

（2）非均質性強。煤巖在煤化過程中會排出大量的氣體和水，其中H元素和O元素的原子個數降低、C元素的原子個數增加，不同煤化程度煤層的骨架礦物成分、孔隙結構差異明顯，相應測井響應值變化明顯［20］?？紤]不同煤質煤層，基于巖石物理體積模型的多礦物測井骨架值難以準確獲得，最終導致孔隙度計算的失敗。

（3）有機質骨架。一般認為，常規儲層巖石骨架不含H核，對中子減速明顯的H核全部來自孔隙流體。在煤層中，高中子測井響應主要是由于煤層有機質的貢獻，煤層有機質中含有大量H核。不同煤階不同煤質煤巖有機質中所含H核不同，導致中子測井難以計算孔隙度。

1.2.2 飽和度測井

常規儲層評價過程中地層電阻率是確定孔隙流體飽和度最常用也是最有效的方法。最經典的模型是基于Archie公式的測井定量計算油氣飽和度模型［25］。煤層氣儲層氣體主要吸附在煤顆粒表面，不同煤階煤層骨架電性特征復雜，Archie公式在這里已不適用。

煤層氣主要吸附在煤顆粒的表面，有些甚至以固態的晶體形式存在于煤基質中［26－27］，常規儲層飽和度的概念在煤層氣儲層評價中是不是應該沿用都值得商榷。氣體賦存狀態的不同導致煤層骨架電性特征復雜，基于電阻率測井的氣體飽和度計算方法已不適用于煤層氣儲層評價。

2 測井評價煤層氣藏新方法與新思路

煤層氣儲層評價應該從以下2個大的方面進行研究，一是進行基礎理論研究，發展配套巖石物理實驗與裝備，奠定測井評價基礎；二是建立在測井新技術基礎上研究新方法、發展新思路。

2.1 基礎理論與實驗裝備

雖然測井評價煤層氣儲層工業分析、含氣量以及孔隙度等參數上取得了一定的成果，但是這些進展主要是利用概率統計方法或者神經網絡等線性／非線性方法［6－10］。測井評價煤層氣儲層基礎理論依然沒有取得突破，依然需要進行攻關研究。本文從煤心實驗裝備、數字巖心技術、解釋等3個方面進行闡述。

2.1.1 煤心實驗裝備

目前國內煤心實驗主要利用煤田勘探開發的實驗技術，難以滿足石油天然氣工業煤層氣儲層評價的需求。煤層具有雙重孔隙結構，包括煤層的基質孔隙和割理孔隙，其中，煤層氣主要吸附在基質孔隙的表面。要判斷煤層氣儲層好壞，重點在于煤層基質孔隙、割理孔隙、含氣量以及煤層的滲透率等關鍵參數。煤層氣儲層基礎理論的進步需要煤心實驗裝備的支撐，需要新的實驗裝備與手段。①煤層基質孔隙測量：基質主要為納米級孔隙，常規孔隙度測量裝備難以準確測井煤層基質孔隙，急需新的孔隙度或者面孔率實驗測量裝備。②含氣量的準確測量：含氣量測量主要利用煤自然解吸測量，裝備測量誤差普遍較大，難以滿足研究的需求。③孔隙結構的研究以及孔隙結構對吸附／解吸的影響：不同煤巖類型、顯微組分與礦物質的煤層孔隙結構的研究，不同孔隙結構煤層氣吸附／解吸特征以及吸附／解吸對煤層孔隙結構的影響等。④煤層割理滲流能力：煤層割理在煤層氣儲層開發過程中起到重要的滲流通道，找準有利儲層，需要先進的裂縫導流能力測定裝備，用于測試分析割理對煤心滲透率的貢獻。⑤應力對煤層物性和解吸的影響：不同應力情況下基質收縮對于煤層割理孔隙和割理滲透率的影響還不夠深入等?？傊?，煤層氣儲層基礎理論的進步離不開煤心實驗裝備的發展。

2.1.2 數字巖心技術

隨著計算機技術的發展，可以根據巖石微觀結構信息重建反映巖石真實孔隙空間的三維數字巖心，基于三維數字巖心借助于數值算法可以進行巖石物理實驗模擬［28－30］。數字巖心技術正是基于此逐漸發展起來，目前可以進行巖石的電、聲、核、核磁共振以及滲流特性等數值模擬實驗。在非常規油氣領域，數字巖心技術已成功用于頁巖氣儲層孔隙結構、有機質分布以及孔隙連通性等方面評價［31］。

數字巖心技術主要利用高倍光學顯微鏡、掃描電鏡或者CT成像儀等高精度儀器對實際巖心進行測量得到數字巖心，分辨率可以達到納米級。煤層氣在煤層基質孔隙空間主要是納米尺度孔隙，再加上煤層易碎，取心難度大，煤層低孔隙度、超低滲透率給巖石物理研究帶來諸多困難。利用高分辨率的三維數字巖心技術有望在煤層氣儲層評價過程中發揮獨特優勢。煤層氣儲層評價利用數字巖心技術可以實現：①孔隙系統分析，包括連通孔隙、孤立孔隙、有機質孔隙以及割理孔隙；②顯微組分以及有機質含量分析、元素分析與煤階判別；③滲流能力、氣水兩相相對滲透率分析；④基質吸附能力與解吸分析，包括甲烷等溫吸附、注CO2開發以及氣體解吸對煤層物性影響等?；跀底謳r心技術可以進行巖石物理模擬實驗，進行煤層測井理論基礎研究。

2.1.3 解釋評價模型

煤層氣儲層氣體豐度低對測井響應貢獻小以及氣體主要以吸附態存在于煤顆粒表面等特殊問題存在，導致常規測井解釋評價方法和模型無法適用于煤層氣儲層含氣量評價。研究表明，煤層氣的吸附態是通過分子間的引力實現的，滿足Langmuir方程［32］

式中，Vgas為含氣量，m3／t；VL為吸附達到飽和時所吸附的氣體體積，又稱蘭氏體積，m3／t；pL為吸附量達到飽和吸附量一半時的壓力，又稱蘭氏壓力，MPa；p為地層壓力，MPa。Langmuir方程是評價煤層含氣量的基本模型，其中蘭氏壓力和蘭氏體積決定著煤巖的吸附能力。煤層氣主要以吸附態存在于煤基質孔隙的內表面，微孔越發育則煤層吸附能力越強，其中微孔發育程度與煤巖類型、顯微組分、礦物質含量等諸多因素有關。此外，地層溫度等外界因素也影響著煤吸附能力。通過不同煤階、不同煤巖組分等溫吸附實驗，找準影響煤層吸附能力的主要因素，建立蘭氏壓力和蘭氏體積的計算模型評價煤層含氣量是下一步研究的重點。

2.2 發展測井新技術與新方法

2.2.1 煤層氣版測井儀器

由于煤層氣儲層面臨的特殊問題，常規測井儀器已不能充分適應煤層氣儲層測井數據采集和儲層評價，需要根據煤層氣儲層特點開發新的測井儀器。①煤層易破碎，容易造成井眼嚴重垮塌，常規測井儀器不能準確測量地層真實信息，需要在儀器探頭、貼井壁方式等方面進行特殊設計以使儀器探頭能夠靠近煤層，實現井眼垮塌下的數據采集；②煤層氣儲層勘探開發深度大都小于1 500m［5］，對于測井儀器的溫度和壓力指標相對于常規油氣儲層要低，對于大范圍使用的煤層氣測井儀器，可以適當降低儀器溫度和壓力指標，以有效降低成本；③儀器的測量范圍不適用于煤層氣儲層，以密度測井為例，由于煤層密度很低，接近密度測井儀器下限，導致密度測井儀器誤差偏大，需要調整密度測井測量范圍，適應煤層氣儲層的特點；④需要提高測井縱向分辨率和測量精度以滿足煤層氣儲層評價的需求。

2.2.2 元素俘獲譜測井

元素俘獲譜（ECS）測井方法在世界范圍內非常規儲層的使用正呈現強勁增長趨勢。元素俘獲譜儀器通過晶體探測器探測并記錄非彈性散射伽馬能譜和元素俘獲伽馬能譜，經過解譜得到H、Cl、Si、Ca、Te、S、Ti、Gd、Mg和C等地層元素的相對產額，通過氧化物閉合模型定量求取礦物類型和含量，提供了一種地層評價的新技術［33］。

在煤層氣儲層評價中，元素俘獲測井有明顯優勢，①多種礦物組分（方解石、黃鐵礦、砂質、黏土、菱鐵礦等）、灰分、有機質含量的確定，有效解決煤層非均值強的難題；②依據測量H和C等元素含量，可以有效判別煤階類型，指示煤層成熟度；③確定黏土礦物類型，分析沉積環境等；④對于煤層氣儲層精細評價中關鍵參數以及煤粉產出敏感參數的挖掘具有獨一無二的優勢。

元素俘獲譜測井可以直接得到多種地層元素的含量，從而擺脫了多礦物巖石物理體積模型的局限性。對于元素俘獲譜測井提供的信息尚未充分利用，還需要充分挖掘，發展相應的評價技術。

2.2.3 電成像測井

電成像測井可以清晰地反映井壁特征，具有較高的縱向分辨率，在裂縫、縫洞以及薄互層評價等具有突出優勢。微電阻率掃描成像測井可以有效判斷裂縫性油藏的裂縫和儲集性能；進行高分辨率薄層評價（有效劃分砂泥巖薄互層儲層）、復雜巖性油藏參數的正確評價及地層沉積環境分析、地層層內結構分析和地質構造分析等。

利用電成像測井可準確劃分夾矸層的厚度、分析頂底板裂縫發育情況、評價煤層裂縫以及煤層結構定性評價等，但是電成像測井豐富的地層信息依然沒有充分提取和利用。在利用成像測井資料研究地層應力方向、分析煤層沉積環境、建立煤層結構電成像特征庫都還需要系統地研究與完善。

2.2.4 核磁共振測井

核磁共振（NMR）測井在常規儲層評價中可以提供用于地層評價的孔隙度、束縛水飽和度、滲透率、孔徑分布以及流體類型等豐富的地層信息。NMR測井主要測量地層中H核在磁場中的響應，煤層中有機質、氣體和水中都含有大量H核。有機質中H核弛豫時間短，不能被觀測到，NMR測井所得到的信息主要來自于氣體和水的信息，可以用來計算孔隙度和流體信息，并在煤層氣儲層評價中計算孔隙度、孔徑分布以及滲透率等方面取得明顯效果［34－35］。煤層氣在煤中賦存狀態的多樣性、氣體含氫指數低、不同流體在不同煤質表面弛豫等關鍵問題沒有得到更好的解決，以及核磁共振測井探測深度淺、煤層極易垮塌、成本等因素，極大地限制了核磁共振測井在煤層解釋評價中的應用。

核磁共振測井可以提供與骨架無關的地層流體信息，在煤層氣儲層評價中的作用依然值得深入研究。該方法依然是一種有效評價煤層孔隙度、流體類型、孔徑以及割理特征的有效手段。

2.2.5 陣列聲波測井

多極子陣列聲波測井可以得到地層縱波、橫波以及斯通濾波等信息，可以計算巖石力學參數、計算破裂壓力、判斷地層各向異性以及地層應力分析等，近年來在儲層壓裂施工、鉆井指導等工程方面發揮越來越大的作用［36］。

在煤層氣儲層鉆井、評價、壓裂以及開采過程中，陣列聲波測井都能提供豐富的信息指導煤層氣藏勘探與開發。①泥漿比重的選擇：由于煤層極易破碎，在鉆井過程中對于泥漿比重的選擇尤其需要注意，陣列聲波測井可以根據井眼周圍應力情況對于泥漿比重的選擇給出合理的范圍，既能保證井眼不垮塌又能保證煤層不被破壞。②預測裂縫高度，指導煤層氣儲層壓裂：煤層滲透率極低，開采過程中需要進行壓裂；由于煤層較軟，容易被壓開，破裂壓力不明顯，如果壓裂過程中壓力選擇不恰當，容易把上下圍巖壓開，開采過程中會導致上下圍巖中的水通過壓裂縫竄到煤層，增加煤層氣的解吸時間，降低了煤層氣儲層排采效率。③鉆井軌跡優化：陣列聲波測井可以提供地層應力大小與方向，對鉆井軌跡提供技術支持。④定量評價煤層頂底板：陣列聲波測井可以計算煤層頂底板巖石力學參數，定量評價頂底板巖石機械特性，對煤層及頂底板進行綜合評價。隨著非常規天然氣儲層開發的深入，研究重心越來越偏向工程技術，陣列聲波測井利用其在工程技術方面的獨特優勢將在煤層氣儲層勘探開發過程中發揮更大作用。

3 結論與認識

（1）煤層易碎造成井眼垮塌、夾矸發育、氣體響應不明顯等問題，對常規測井儀器測量方式、縱向分辨率和測量精度都提出了嚴峻的挑戰。煤層具有低孔隙度、非均質強、有機質骨架以及氣體賦存狀態多樣等特點，在常規儲層評價中形成的成熟理論、方法和模型已不適用于煤層氣儲層評價，急需發展新的測井技術和方法。

（2）現有的煤心實驗裝備在測量方法和測量精度上都難以滿足煤層氣儲層評價的需要，針對煤層氣儲層關鍵問題，發展新的煤心實驗裝備將極大推動測井評價技術的進步。數字巖心技術由于其獨特的優勢，為煤層氣儲層基礎理論研究提供了一種有效的途徑。

（3）考慮煤層的測井響應特征、測量環境以及成本等因素，常規測井儀器已不適用于煤層氣儲層勘探開發，需要發展煤層氣版的測井儀器。測井新技術如元素俘獲譜測井、電成像測井、核磁共振測井以及陣列聲波測井與常規測井相比具有獨特的技術優勢，它們在煤層氣儲層評價和工程應用方面都能發揮明顯的作用。但是這些新技術和方法在煤層氣儲層評價的研究還不夠深入，還需要不斷的發展和完善。

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