大寧—吉縣區塊8號煤層薄層夾矸螺旋CT掃描精細表征

田豐華,李小剛,朱文濤,戴瑞瑞,師斌斌,洪 星,任 勇,陳國輝,何 睿

(1.中石油煤層氣有限責任公司 勘探開發建設分公司,陜西 西安 710068; 2.北京潤澤創新科技有限公司,北京 100120)

我國煤層氣資源豐富,埋深2 000 m以淺煤層氣地質資源量為30.05×1012m3,占全球煤層氣資源總量的11.6%,資源潛力巨大,前景可期[1]。近年來,國家加快能源轉型,要求天然氣“增儲上產”,煤層氣是其中的重要組成部分[2]。

煤層氣富集因素包括埋深、含氣量、厚度等[3-6],然而通過長期開發實踐,逐漸發現煤層氣“富集”部位并不一定代表“高產”。近年來,研究關注點開始從煤層氣“富集”影響因素逐漸轉向煤層氣“高產”因素的研究,追求以“可采性”為核心的可采地質模式研究[7]。前人在煤層氣高產的地質影響因素方面已有一定認識和成果,趙欣[8]認為煤層厚度、地下水流體勢、含氣量、滲透率和臨儲比是煤層氣產能的主要地質影響因素;閆霞等[9]認為深部微構造是影響煤層氣高產“甜點區”的重要因素;宋巖等[10]提出了3種煤層氣高產區形成模式:斜坡區含氣量和滲透率優勢疊合富集高產模式、脆韌性過渡帶煤層氣富集高產模式和相對構造高部位煤層氣富集高產模式。

前人研究多從宏觀尺度對煤層的地質結構進行剖析和分類,對研究煤層氣“甜點區”的宏觀分布具有一定指導意義,但因研究方法精度有限,在單井產能影響因素評價方面存在局限性。煤層及夾矸在單井縱向上的分布特征是尋找工程甜點位及高產的重要一環,厚層夾矸對于煤層氣的開采有較多不利因素,夾矸的存在使煤的灰分增高,并且使煤層結構復雜化,會加劇煤層氣藏的不均一性,給工業開采帶來一定困難[11-12]。但薄層夾矸通常伴生很多層理縫,是煤層氣運移、聚集通道,對于煤層氣壓裂是有利因素。本文利用螺旋CT掃描技術實現了煤層結構的精細三維表征,研究成果對煤層氣單井儲層精細評價及高產因素研究具有指導意義。

1 區域概況

研究區大寧—吉縣區塊位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶南端與伊陜斜坡東南緣,主要目的層為山西組5號煤和本溪組8號煤[13]。其中,8號煤主體埋深2 000～2 400 m,埋深大于1 500 m的區域煤層厚度4～12 m,主體厚度8～10 m,平均厚7.8 m,為深層煤層氣主要勘探目的層[14]。本次研究選取本溪組8號煤巖心進行螺旋CT全視域掃描,獲取大尺寸高精度的煤巖三維結構信息。

2 實驗方法及原理

螺旋CT掃描是醫療診斷中的常用手段,近年來逐漸在石油勘探行業得到應用[15]。與微米CT掃描相比,螺旋CT掃描具有全巖心大視域的優勢,特別適用于直徑8～12 cm完整的米級巖心分析。此前學者運用三維CT掃描技術對煤儲層的研究主要基于非全直徑巖心[16-18],但觀察范圍小,在代表性上較為局限,有必要引進螺旋CT對完整煤心進行表征。

螺旋CT掃描三維建模技術基于樣品內部物質對X射線的吸收衰減,在X射線穿過巖心時,部分被礦物吸收、能量衰減,采用數學二值法求解衰減數值在煤巖和夾矸掃描樣品剖面的二維分布矩陣,進一步轉化為圖像畫面上的灰度分布,從而實現巖心的三維重構。

3 煤層結構精細識別表征方法

煤層夾矸是沉積過程中由于沉積環境的變化與煤層伴生的一種含碳量低、比煤巖密度高的巖層,呈層狀、似層狀或透鏡體狀,巖性多為泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖。

夾矸識別是煤層氣勘探中一項難度大但重要的工作,夾矸表面風化色與煤巖十分接近,在巖心觀察中,通過肉眼很難將夾矸與其上下相鄰的煤巖區分開來,部分經驗豐富的地質工作者,通過巖心質量估測夾矸位置,但人為因素影響較大,無法多組對比,且無法精確劃分夾矸在煤層段中具體位置。利用測井曲線組合特征可識別煤層中夾矸[19],但由于縱向分辨率的限制,厚度小(小于25 cm)或泥質含量相對低的夾矸層在常規測井曲線上很難識別[20]。

本次研究適用的多能譜螺旋CT掃描儀在縱向上分辨率達到0.8 mm,能夠更加精細地識別煤層結構,同時具有獲取米級大尺度巖心全貌的能力,本次實驗的方法及步驟如下。

3.1 掃描灰度圖像橫切片獲取

將研究區實驗巖心在螺旋CT上掃描成像,獲取巖心掃描灰度圖像橫切片,構建巖心三維模型?；叶葓D像是一種計算機存儲圖像,像素點顯示從最暗的黑色到最亮的白色。巖心密度越大,X射線透過率越低,灰度圖像越接近白色,灰度值越大;巖心密度越小,X射線透過率越高,灰度圖像越接近黑色,灰度值越小。煤巖、夾矸、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等礦物密度差異很大,使得掃描成像后在灰度顯示上差異明顯(圖1)。而從現場巖心實物照片觀察(圖1),煤層段外表面風化色幾乎均為黑褐色,無論是錄井描述還是取心描述,均未能對煤層段內夾矸進行識別和劃分。

3.2 灰度圖像橫切片預處理

利用專業數字巖心分析軟件PerGeos對掃描灰度橫切片數據進行處理。選取感性區域,裁切掉數據體中未被巖心充填的部分,以保證后續計算能完全反映巖心內部特征。計算每張橫切片總像素點的灰度平均值,公式如下:

(1)

式中,μ為單張橫切片灰度平均值;n為單張橫切片的總像素點;Xi為切片中第i個像素點對應的灰度值(圖2)。

圖1 研究區D10井螺旋CT掃描巖心三維模型Fig.1 Spiral CT scanning core 3D model of No.D10 well in the study area

圖2 單張橫切面(n個像素點)灰度顯示示意Fig.2 Single cross section(n pixel points) grayscale display diagram

3.3 生成煤層段灰度平均值曲線

首先將掃描橫切片序列轉換為巖心實際深度點值,轉換公式如下:

Di=Dt+i×Rv

(2)

式中,Di為第i張切片序列對應的實際深度點值;Dt為該段巖心頂深;i為切片序列;Rv為掃描縱向分辨率。

將橫切片總像素點灰度平均值作為橫坐標,對應的巖心深度點作為縱坐標,生成煤層段灰度平均值曲線。

3.4 確定煤巖灰度基線及夾矸灰度值范圍

煤層中主要伴生礦物質密度多超過2.5 g/cm3,硫化物類礦物密度達4.8 g/cm3,而均質煤的密度一般為1.3～1.7 g/cm3,密度相差較大(表1)。

表1 煤層中主要礦物質及密度Tab.1 Main minerals and density in coal seam

基于密度上的變化,煤巖和夾矸在灰度平均值曲線上差異明顯。煤巖灰度平均值低,曲線平緩;夾矸灰度平均值較高,曲線呈箱形、齒形和指形。以此為依據確定煤巖灰度基線,即煤層段中灰度平均值低、平緩分布的一條均值線,代表掃描中巖心密度最低的煤巖的分布。如研究區D10井巖心煤巖灰度基線確定為灰度值650的一條垂直線(圖3)。

對曲線中灰度值突變且具有代表性的位置進行巖性標定。對于較易識別的巖性,如灰巖,巖性標定可直接參考錄井描述和鉆井取心描述;對于不易識別的煤層夾矸,則可通過取樣薄片鑒定進行巖性標定。通過取樣點巖性標定,驗證煤系地層中夾矸、頂板灰巖等煤層中常見巖性灰度值范圍。如研究區D10井夾矸灰度值范圍為1 350～1 850,頂板灰巖灰度值大于2 200(圖3)。

3.5 縱向劃分單層夾矸

確定煤層灰度基線和夾矸灰度值范圍后,采用1/4幅值法在縱向上劃分單層夾矸,夾矸頂部界限卡在煤巖基線與曲線交點向下部鄰近灰度曲線波峰變化的1/4幅值處,夾矸單層底部界限則卡在煤巖基線與曲線交點向上部鄰近灰度曲線波峰變化的1/4幅值處(圖4)。

4 煤層結構精細分類及評價

通過對大寧—吉縣地區實驗井煤層段夾矸的精準劃分,即可得到井段中煤層夾矸的層數(n)和單層夾矸厚度(hi),計算得到夾矸的平均厚度(H)和煤層中夾矸累積厚度占比(R),作為煤層結構精細分類和評價的重要參數。以夾矸平均厚度3 cm和累積厚度占比25%為2個關鍵參數,進而將研究區煤層結構類型劃分為4種類型(表2,圖5)。

圖3 研究區D10井煤層段夾矸劃分綜合圖版Fig.3 Comprehensive map of gangue division in coal seam section of No.D10 well in the study area

圖4 1/4幅值法夾矸劃分示意Fig.4 Schematic diagram for dividing gangue by 1/4 amplitude method

表2 研究區全直徑螺旋CT掃描煤層結構類型劃分Tab.2 Classification of coal seam structure by full diameter spiral CT scanning in the study area

A類煤層結構,煤層段中夾矸厚且少,壓裂試氣選層過程中,可適當避開厚層段夾矸進行壓裂,以達到儲層改造最佳效果。

B類煤層結構,煤層段夾矸厚且多,夾矸厚度占比高導致煤層灰分增加,加劇煤層氣藏不均一性,不利于煤儲層改造。

C類煤層結構,煤層段中夾矸薄且少,是好的煤儲層地質甜點,有利于煤儲層改造,但伴生的水平裂縫較少,可適當加大壓裂改造規模。

D類煤層結構,煤層段中夾矸薄且多,夾矸累積厚度高灰分增加,但其伴生水平縫發育對煤儲層改造是有利因素,其改造效果需在后續生產實踐中繼續探索證明。

5 結論

(1)將螺旋CT掃描技術運用到煤層結構表征中,其分辨率達到毫米級且具有獲取米級大尺度巖心全貌的能力,可實現單井煤層結構的高精度可視化重建,對煤層氣單井儲層精細評價及高產因素研究具有指導意義。

(2)運用螺旋CT掃描技術,生成巖心段灰度平均值曲線,確定煤巖灰度基線和夾矸灰度值范圍,用1/4幅值法精準劃分煤層中夾矸,實現煤層結構的精細定量表征。

(3)通過對研究區實驗井的螺旋CT掃描,獲取精細的煤層結構特征,以夾矸平均厚度3 cm和煤層中夾矸累積厚度占比25%作為煤層結構精細分類和評價的2個重要參數,將研究區煤層結構類型劃分為4種模式。

(4)研究區劃分的4類煤層結構中,A類夾矸厚且少,儲層改造應避開厚層段夾矸進行壓裂;B類夾矸厚且多,不利于煤儲層改造;C類夾矸薄且少,是煤儲層有利地質甜點;D類夾矸薄且多,儲層改造效果需在后續生產實踐中繼續探索證明。