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煤层气地球物理测井研究现状及前景展望

煤层气地球物理测井研究现状及前景展望

1 研究现状

煤层气地球物理测井在生产实践中被广泛应用于煤层的识别,采集煤储层数据,计算工业组分及计算含气量等。美国、加拿大等是较早开发利用煤层气的国家,在煤层气地球物理测井研究、应用方面取得了诸多成果,而我国煤层气起步虽然较晚,在近年来同样也取得了一定的成果。

1.1 煤层气储层测井响应特征

煤层气地球物理测井研究现状及前景展望

与常规储层相比,煤储层具有其特有的测井响应特征,国内外诸多学者研究总结为“三高三低”的特征(见图1),即声波时差高、中子测井高、电阻率高、密度低、自然伽马低、自然电位低。又有人总结为“四高四低”,添加了井径高和光电吸收截面指数低。

1993年,P.L.Scholes从煤岩的矿物组成及其结构特点论述了煤岩常规测井响应机理。2003年,王敦则等详细描述了各种测井方法的响应特征、主要用途及优缺点。2010年,杨东根通过分析煤岩黏土矿物中放射性元素含量,论述了自然伽马与灰分含量的正相关关系。2011年,姚军朋等叙述了构造煤的电法测井、声波测井及放射性测井的测井响应特征。2013年,邵先杰等通过对韩城矿区12口井90个煤样的统计,研究了补偿声波时差与灰分含量、固定碳含量的响应关系,补偿密度测井与灰分含量、固定碳含量的响应关系。谢学恒等针对沁南地区山西组3#,15#煤层,制定了测井响应对煤体结构的识别表。金泽亮等论述了常用测井方法的响应特征及其响应机理。2014年,郭涛等分析了硬煤与软煤的测井响应差异。

1.2 煤层识别与划分

1983年,H. H. Rieke等应用碳氧比测井识别煤岩并用于勘探。1996年,侯俊胜等提出利用自组织神经网络,结合煤田测井数据用于煤层的自动分类。1991年,D. J. Johnston等利用地球化学测井,根据煤岩元素的变化确定煤级,并建立了不同煤岩类型的测井识别表。2003年,傅雪海等在两淮煤田利用测井曲线划分煤体结构的基础上,应用聚类分析法将煤体结构划分为原生结构—碎裂煤、碎斑煤、糜棱煤3种类型。

2005年,汤友谊等针对构造软煤分层计算机识别的特殊性,应用斜率方差分层、概率计算识别的方法,实现了利用钻孔测井曲线对构造软煤的计算机“自动”识别。Y. Yang等发现井眼扩径较为严重时,利用密度测井确定煤层,值往往偏大,可结合电阻率测井、伽马测井进行煤层的划分。2008年,乌洪翠等根据胜利油田深部煤层的测井响应特征,利用中子密度交会法实现了对煤系的自动划分。2011年,姚军朋等阐述了构造煤的岩石物理与测井响应特征,并在此基础上,利用测井资料,通过Archie公式求取孔隙结构指数m进行构造煤的定量识别。

2013年,邵先杰等根据韩城矿区岩电关系,确定了不同煤岩类型电性参数分布区间并建立了解释图版。谢学恒等根据沁水地区碎粒煤与糜棱煤的不同测井响应特征,得出煤体结构的定量判别表,统计发现了补偿密度、井径、补偿声波与煤体结构指数n的关系式,并将其作为煤体结构的判识指标。2014年,陈跃等应用韩城矿区煤样,结合深侧向电阻率测井、井径测井及自然伽马测井曲线在块煤、块粉煤、粉煤中不同的形态特征,提出了利用测井曲线组合识别煤体结构的方法。刘鹏等应用多极子阵列声波测井技术用于煤层的识别与煤层厚度的计算。冯雷等应用多极子阵列声波测井得到的纵波时差、横波时差、体积模型和泊松比等地层参数,制定纵横波比值和纵波时差交会图、泊松比和体积模量交会图识别煤层气层。郭涛等运用延川南煤气田40多口取心井的煤心观察和测井资料,建立补偿中子与井径的交会图、补偿中子与声波时差的交会图,用于识别硬煤与软煤。

1.3 煤质分析

煤岩的工业组分包括固定碳、灰分、水分及挥发分,通常由实验室测试获得。在生产实践中,测井技术广泛应用于工业组分分析与煤质评价。1989年,哈里伯顿公司的M. J. Mullen在对圣胡安盆地东北部的煤岩工业组分分析时,建立了体积密度与灰分的解释模型,并回归了灰分与固定碳、水分的解释模型。

1991年,U. Ahmed提出将地球化学测井用于煤质评价,进一步提高了测井解释煤质组分的精度。2003年,葛祥等建立了深侧向电阻率与微球电阻率比值、井径与钻头直径比值2个指标,用于识别煤质结构,并利用多元回归概率模型建立了煤岩镜质反射率的测井计算模式。2005年,潘和平对华北地区煤层气井建立了煤质参数的解释模型,并将其应用于该地区7口煤层气井,效果较好。

2011年,赵毅等确定了自然伽马求取煤岩工业组分参数定量评价的方法,并利用改进后的兰氏方程计算煤层含气量。2011年,毛志强等综合鄂尔多斯、准噶尔、松辽和沁水4个盆地6个井区的煤层气测井资料,建立了厚煤层煤阶类型识别图版。2013年,金泽亮等根据沁水盆地柿庄区块的大量测井及岩心分析资料,基于体积模型和概率统计模型,确定煤岩各工业组分含量。邵先杰等通过对韩城矿区参数煤样的统计,回归了补偿密度、声波时差测井与灰分和固定碳的关系,在此基础上,通过多元回归建立了灰分和固定碳的测井解释模型,并编制了煤层气综合测井解释软件,实际应用效果良好。2014年,黄兆辉提出:计算工业组分时,在样品数据充足的情况下,优选基于统计模型的一元或多元回归分析法能较为合理地反映测井数据与煤岩工业分析数据的关系,对于小样品数据,以测井数据为输入数据,采用BP神经网络算法模型预测未知煤岩工业组分;在缺少实验室工业分析数据时,采用基于体积模型的约束最优化算法预测煤岩工业组分。

1.4 煤储层孔、渗评价

煤储层裂隙发育状况对储层产能及开发具有重要意义,将测井技术用于煤储层裂隙评价,可以帮助预测其是否为有效储集层。1975年,W. H. Somerton等开展了应力对煤岩渗透率的影响研究实验。

1985年,A. M. Sibbit等提出,在裂缝性地层中利用双侧向测井计算裂缝的张开度。1991年,D. Hoyer证明了应用双侧向测井来分析煤层裂缝孔隙度的有效性。1994年,R. Aguilera考虑到煤岩多为垂向裂缝的特点,基于“火柴棍”模型,提出了一种利用双侧向电阻率测井计算煤岩裂缝孔隙度的迭代方法,并将裂缝评价过程进行了详细介绍。2002年,黄烈林等在简化测井解释模型的基础上,推导了利用双侧向测井资料确定裂缝等效宽度的公式,并对公式的使用条件与意义进行了探讨。

2011年,董维武选用双侧向测井,利用迭代法计算煤层裂缝孔隙度,并结合裂缝宽度评价煤层渗透率。J. Li等根据流体与煤岩密度的不同,利用密度测井资料应用公式求取煤储层有效孔隙度。2013年,王文学等应用微电阻率扫描成像测井技术,在山西沁水地区对裂缝角度、倾向进行了详细描述。2014年,刘鹏等以Biot-Rosenbaum简化理论模型为基础,利用斯通利波数据提取煤储层渗透率。冯雷等多极子阵列声波测井对煤储层裂缝发育情况进行了识别。

1.5 煤层气含量评价

煤层含气量反映了煤储层的含气性,它决定着储层的产能,也是评价其开发潜力的重要参数。1992年,J. M. Hawkins等利用Kim方程原始等温吸附数据,应用测井数据结合兰格缪尔方程评估煤层含气量。1996年,潘和平等依据密度测井资料估算煤层含气量,建立了华北地区煤层含气量方程。

2003年,陈宏亮等分析了回归法和中子、密度测井计算法2种煤层含气量计算方法,认为回归法中密度测井参数与含气量的相关性最好,而中子、密度测井计算法理论可行,可操作性差,现实意义不大。2008年,A. K. Bhanja等在对Jharia以及Barmer-Sanchore两个矿区的煤层气含量与测井参数的相关性研究时,构建了复合参数C=DT/(ρbPeGR),指出了煤层含气量与该参数的正相关关系。2009年,X.Fu等应改良的累积气体测量方法—MT-77-84解析法测定煤层气含量,将其同地球物理测井数据进行了统计分析,确定了含气量与测井资料的解释模型。

2011年,王安龙等采用逐步判别分析法,确定了复合参数P=AC/(GR·DEN),并建立了其与含气量的关系模型,在此基础上,编写了煤层气含气量及工业组分解释软件。2013年,邵先杰等通过对韩城矿区实际生产数据的分析,建立了产能预测模板,可根据补偿密度、补偿声波时差测井值预测产能。R.Chatterjee等应用Jharia煤田含气量计算经验公式,利用声波、密度、伽马及Pe值等测井数据求取含气量,并将所求值与周围煤田类比,证明了其结果的可靠性。金泽亮等根据沁水盆地柿庄区块的测井资料,利用兰氏方程与多元线性回归确定了煤层含气量计算的经验公式。2014年,黄兆辉提出以煤层平均数据为研究对象,采用多元逐步回归分析法,得到了基于对数变换形式的测井资料含气量方程。

2 煤层气测井技术存在问题

由于煤储层介质本身结构的复杂性,导致测井响应与储层地质之间的关系变得复杂化,通过大量调研分析,煤层气测井解释主要存在以下问题:

1)由于煤储层孔隙度很低,孔隙中充满水,游离气和溶解气很少,主要为吸附气,很难利用测井方法确定煤储层中是否含气。
2)在某一地区,利用测井资料计算工业组分和含气量,普遍存在误差,同时也没有考虑煤层气储集性能的横向变化。
3)煤储层具有三重孔隙介质的复杂特征,目前尚无适用的计算孔渗参数的方法。在裂缝孔隙度方面,主要借用了碳酸盐岩裂缝孔隙度分析成果,而在基质孔隙度方面研究很少。
4)由于我国煤层气测井技术最初是由国外引进和应用常规油气藏测井技术,现有的油气藏测井基础理论不太适合煤层气测井,因此,这些测井方法及测井评价技术是否适合中国煤层地质特征有待商榷。

3 前景展望

中国是煤炭资源大国,煤层气资源潜力很大,煤层气测井技术的进一步研究对其开发具有重要意义。基于我国煤层气地球物理测井的研究现状和煤层气勘探开发的需求和难点,煤层气测井技术的发展应该:

1)加深煤层气测井基础理论研究,系统全面地开展煤储层测井评价体系研究,建立煤层气测井综合评价体系。
2)发展用于煤储层测井评价的煤岩基础物理实验与设备,加强基础数据的可靠性。
3)引进适用于复杂岩性、复杂孔隙结构的新测井技术,如元素俘获谱测井、核磁共振测井、成像测井、阵列声波测井等。
4)利用现代计算机信息处理技术,开发新的煤层气储层测井解释及评价软件,使得软件具有更好的适应性和实用性。

4 结束语

煤层气地球物理测井在煤岩划分、煤质分析、煤储层孔渗及含气量评价等方面取得了诸多成果,但是,煤层气测井仍有很多不足,需要进一步研究和完善。未来煤层气地球物理测井应从夯实基础理论与设备,大力发展新技术、新方法,为我国煤层气资源的进一步开发提供强有力的帮助。

版权声明|来源:《断块油气田》;作者:乔雨朋等;版权归原作者所有。

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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