澳大利亚博文盆地薄煤层含气量测井评价方法及应用

2017-05-14仲米虹

测井技术 2017年5期

仲米虹

(中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心, 北京 100028)

0 引言

煤层含气量是判断煤层气资源潜力必不可少的关键指标之一[1]。国内外学者提出了多种含气量计算方法,如KIM法[2-3]、兰氏煤阶方程计算方法[4-5]、BP神经网络预测法[6]和灰色关联分析法[7]等。实践证明,在煤层厚度大、展布连续的情况下,上述方法对于煤层含气量的评价具有较好的应用效果。澳大利亚昆士兰州博文盆地二叠系的煤层薄、层数多且横向上连续性差,在薄煤层处的测井响应会受到围岩的影响而发生畸变,偏离地层真值[8],严重影响含气量的评价准确性。因此,上述经典的含气量计算方法不能直接应用在研究区特殊的地层条件下,需要开展参数优选和方法对比。本文利用大量岩心分析资料和测井数据,采用回归分析法、等温吸附法和等温吸附校正法,分别建立含气量预测模型,对比优选出适用于薄煤层含气量评价的方法和参数类型,为博文盆地薄煤层测井评价工作提供参考依据。

1 区域地质概况

博文盆地位于澳大利亚昆士兰州东部,总体为北北西—南南东向展布,是早古生代变质岩与岩浆岩基底上发展起来的弧后前陆盆地,面积大约15×104km2[9]。二叠纪末期,整个盆地基本以陆相沉积为主,发育辫状河和曲流河,煤层广泛沉积。研究区位于盆地中部偏北Comet隆起部位,主要目的层为晚二叠纪的Rangal煤组,其次是Burngrove组和Fair Hill组[9],岩性组合为砂岩、泥岩和煤的互层,沉积环境由河流-湖泊向沼泽-湖泊过渡。研究区内主力煤组Rangal组埋深100～880 m,镜质体反射率1.5%～2.5%,属于中高阶煤,平均含气量为12 m3/t。单井煤层总厚度平均16 m,单煤层平均厚度1.43 m,厚度小于1 m的近50%,小于0.5 m的近20%[10-11]。博文盆地煤层气资源富集,研究区煤层成熟度较高,含气量高,具有单煤层薄、层数多的特点,因此,研究区薄煤含气量的准确评价是该区块勘探决策的重要依据。

2 评价模型参数优选

当目的层厚度小于1 m时,大部分常规测井仪器因纵向分辨率低,其测井响应极易受到围岩影响而出现较大偏差,常用的对策是采用高分辨率的测井仪器或将测井原始信号进行处理校正以提高纵向分辨率[8,12-13],但对于研究区而言,上述方法并不适用。因此,通过筛选纵向分辨率高的常规测井曲线和受地层岩性影响小的属性参数,用于煤层含气量的评价模型建立,以提高薄煤层测井评价精度。

通过对研究区测井系列进行对比分析(见表1)发现,光电吸收截面指数可以识别0.2 m厚的地层,纵向分辨率最高,其次是补偿密度,可最小识别0.37 m厚的地层,这2种测井曲线对岩性的敏感性好,适用于研究区薄煤层含气量的测井评价。若用补偿声波和中子测井等测井曲线,最小只能分辨0.6 m的地层,则会漏掉研究区近20%的煤层,其含气量更无法准确评价。

除了测井曲线外,一些地层及煤层属性也是评价含气量的重要参数,如地层温度、地层压力、深度、煤层工业组分、成熟度等,这些属性参数与煤层含气量之间均有着直接或间接的相关关系,且不受围岩岩性的影响,也可用于薄煤层的测井评价。

3 煤层含气量评价模型

基于17口煤层气井的测井资料以及700余个包括含气量、等温吸附、工业组分等在内的实验数据样品点,采用回归分析法、等温吸附法和等温吸附校正法3种方法,分别建立了煤层含气量评价模型。

3.1 回归分析法

研究区内煤层为中高阶煤,微孔较为发育,煤层气主要以吸附态吸附在煤基质微孔的内表面上,微孔比表面积大,有效吸附面积大, 因此,煤层解吸量主要受控于微孔的发育程度[15-16]。而这种微孔的发育程度除了与煤级的关系密切外,还与灰分和固定碳有关系[17-18],研究区煤层含气量与固定碳之间有显著的正相关关系[见图1(a)]。同时,根据单井煤层实测含气量与埋深之间的关系可以看出,含气量随埋深增加呈增大趋势[见图1(b)]。另外,根据上文分析,补偿密度测井的分辨率较高[14-19],且含气量与补偿密度之间也具有较好的相关性[1][见图1(c)]。因此,选用含气量与固定碳、密度及埋深进行多元线性回归[3],得出的含气量解释模型为

表1 常规测井系列纵向分辨率及煤层值域[14]

*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.308 4 m,下同

VG=-1.841DEN+0.261VFC+0.006D+0.657

R2=0.838

(1)

式中,VG为含气量,m3/t;DEN为密度,kg/m3;VFC为固定碳含量,%;D为埋深,m。

由回归分析法得出的含气量模型拟合优度较高,R2为0.838,实测含气量与测井计算的含气量在交会图中分布在45°线两侧,吻合度较高[见图1(d)]。

图1 含气量与固定碳、密度和埋深的交会图及回归分析法预测含气量与实测含气量的交会对比图

3.2 等温吸附法

煤的吸附能力决定了煤层的储集能力,兰氏等温吸附模型可以较好地描述煤层的吸附能力随温度升高而降低、随压力升高而增强这一特性[20]。研究区主要目的层Rangal组的含气饱和度普遍较高,平均含气饱和度为98%,即含气量与最大吸附量相近,可利用兰氏方程[见式(2)]计算含气量[17-21],且建模参数受煤层围岩岩性的影响小,更适用于薄煤层。

VG/VL=p/(p+pL)

(2)

VL=0.292VFC+2.642R2=0.9

pL=0.382p-0.049T+1.939R2=0.73

(3)

式中,VG为含气量,m3/t;p为地层压力,MPa;VL为兰氏体积,m3/t;pL为兰氏压力,MPa;T为地层温度, ℃;VFC为固定碳含量,%。

对于兰氏方程,兰氏体积和兰氏压力是2个关键参数。研究发现,兰氏体积和兰氏压力与固定碳、地层温度、地层压力和埋深等因素有关[18,22-23],而这些因素也适用于薄煤层的测井评价。因此,利用研究区200余个等温吸附试验数据与相关影响因素进行相关性分析,发现兰氏体积与固定碳之间、兰氏压力与地层温度之间呈现显著的正相关关系(见图2),则这2个关键参数可通过式(3)求取,拟合优度较好,继而利用式(2)得到含气量。

由等温吸附法得出含气量与实测含气量对比发现[见图3(a)],在含气量小于20 m3/t时,两者匹配关系较好,吻合度较高,均集中在45°线两侧,表明该方法较为适用。但当含气量大于20 m3/t时,预测含气量普遍小于实测含气量,需要对等温吸附法进行校正。

3.3 等温吸附校正法

国内外的学者已经针对兰氏方程预测的含气量与实测值有偏差的情况进行了研究。U.Ahmed利用煤层吸附量与灰分、固定碳、温度和压力的关系对Langmuir方程进行了改进[24]

VG=(1-VAad)VLp/(p+pL)

VL=f(VFC,T)

pL=f(VFC,T)

(4)

潘和平等把式(4)调整为

Vcc=650Vc(1.145-0.0058T)

pcc=pVc(0.645+0.0142T)

(5)

图2 兰氏体积与固定碳及兰氏压力与地层温度交会图

图3 等温吸附法和等温吸附校正法预测的含气量与实测含气量对比交会图

赵毅等通过研究验证了用式(5)预测的含气量更接近实测值。

本文综合分析了前人研究成果,根据研究区的实际情况,在等温吸附法公式的基础上,加入了灰分的校正量以及地区经验系数,形成了适用于研究区的等温吸附校正公式为

VG=A(1-VAad)B(VLp)C/(p+pL)D

VL=f(VFC)

pL=f(p,T)

(6)

式中,VG为含气量,m3/t;VAad为灰分含量,%;VFC为固定碳含量,%;VL为兰氏体积,m3/t;pL为兰氏压力,MPa;p为地层压力,MPa;T为地层温度, ℃;VC为碳的相对体积(含量),小数;Vcc为经温度校正后的似单层体积;pcc为与地层压力、碳含量、温度有关的量;A、B、C、D为地区经验系数。

利用研究区等温吸附、工业组分等实验数据和测井曲线,进行优化拟合,求解出地区经验系数,判定系数R2达0.775,拟合效果较好,得到的含气量解释模型为

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VG=4.19(1-VAad)0.87(VLp)0.27/(p+pL)-0.097

R2=0.775

(7)

由等温吸附校正法得出的测井计算含气量与实测含气量进行对比可以看出[见图3(b)],在含气量大于20 m3/t时,相对于图3(a),数据点已经明显向45°线靠拢,说明校正有效。

利用该方法对研究区内煤层气井目的层的含气量进行处理解释(见图4),以D井为例可看出,研究区的煤层多、薄且分散,而预测的含气量测井曲线对薄煤层的分辨极为敏感,受围岩岩性影响小,能够较准确的评价薄煤层的含气性,与岩心含气量实测值吻合度高,效果很好。

3 模型对比

为进一步对比上述3种评价模型对博文盆地研究区煤层含气量的预测效果,利用10个未参与建模的实测样品点,分别采用3种模型预测含气量,进行误差分析,开展方法对比(见表2)。结果显示,在3种评估模型中,等温吸附校正法的预测平均值与实测平均值最接近,绝对误差和相对误差均较低,相对误差的平均值为5.74%,预测精度较高。除此之外,含气量与温度和压力的关系密切,研究区内的等温吸附实验数据丰富,且等温吸附校正公式对研究区有更强的适用性,因此,等温吸附校正法是优选出的评价模型。回归分析法和等温吸附法的预测精度次于等温吸附校正法,两者整体误差水平相当,但回归分析法的操作更为快捷,可将其作为辅助验证的评价模型,而等温吸附法因其在含气量较高的煤层段预测误差较大,在研究区内不建议使用。

表2 多种方法预测含气量误差分析对比表

图4 D井煤层含气量测井解释成果

图5 多种方法实测含气量与预测含气量频率直方图对比

4 讨论

通过实测含气量及3种模型计算的预测值的频率直方分布图分析得出(见图5),这3种评价模型对于高含气量的煤层预测结果普遍略低。

实测岩心样品以含气量15～19 m3/t的居多,也有20余个含气量大于20 m3/t的样品,但包括等温吸附校正法在内的3种模型的含气量预测值以18～20 m3/t最多,而大于20 m3/t的预测点显著减少,推测是模型对高含气量的煤层预测结果偏低,使得含气量在18～20 m3/t的范围内集中分布。分析其原因,考虑可能是游离气在高含气量的煤层段贡献较大,使得预测出现误差,然而由于资料的限制,目前还无法确定,尚待进一步工作证实。

5 结论

(1) 对于薄煤层而言,选择纵向分辨率高的补偿密度和光电吸收截面指数测井曲线,以及受围岩岩性影响小的地层温度、地层压力、深度等属性参数建立含气量测井评价模型可减少评价误差。

(2) 对于澳大利亚博文盆地二叠纪薄煤层含气量的测井评价方法,加入了灰分和地区经验系数的等温吸附校正法应用效果最好,计算精度较高,也更适用于研究区薄煤层与泥岩、砂岩互层的地层特征;回归分析法可作为辅助模型用于验证;未校正的等温吸附法在含气量较高的煤层段误差较大,具有局限性。

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