延川南工区煤层气含量测井评价方法探讨

2015-07-05马林

油气藏评价与开发 2015年2期

马林

（中国石化华东石油工程有限公司测井分公司，江苏扬州 225007）

煤层气主要是以吸附状态赋存于基质孔隙的内表面，煤层既是储层，也是源岩[1]。煤层气储层的自身特点决定其非均质性和各向异性较强[2]。煤的物理结构是一种双重孔隙结构，即煤层中含有由基质孔隙和裂隙组成的孔隙系统。煤层中的甲烷主要吸附在基质孔隙的内表面，是吸附气[3]。煤层气的勘探开发主要围绕煤层的含气量来展开。在煤层的测井评价中，煤层含气量作为主要目标进行研究。而一般常规天然气主要是储集在岩石颗粒间的孔隙空间内，其赋存机理与煤层气差异较大。因此，传统评价常规天然气储层含气量的思路已不适应于煤层含气量的测井评价[4]。

煤层现今含气量影响因素主要包括煤质、煤阶、孔渗性、温度、压力、盖层的封闭性、水文地质条件等，潘和平等利用BP神经网络法计算含气量[4]，刘效贤等利用声波测井和密度测井组成的复合参数以及视电阻率法来确定含气量[5]，Kim A.G.[6]提出一种基于等温吸附方程和测井资料计算煤层含气量的方法，董红[7]等探讨过利用多元线性回归方法预测煤层含气量。本文通过对煤层含气量影响因素进行分析，探讨分析了多元数值回归、等温吸附等煤层含气量计算模型，并对不同算法进行适用性分析。

1 煤层含气量的影响因素

煤层含气量主要决定于煤的生气能力和储气能力。其中生气能力，如煤阶，决定于煤的变质程度，反映了煤层生气量的多少；储气能力决定于温度、压力、构造及盖层的封闭性等，反映了煤层剩余含气量的多少。

1.1 煤阶

煤阶代表了煤化作用中能达到的成熟度的级别，是煤层气的生成和煤吸附能力的重要影响因素，煤的吸附能力随着煤变质程度的增加出现有规律性的变化[8]（图1）。当镜质体反射率Ro＜3.5%时，煤的吸附能力随煤阶增高而逐渐加强。其原因主要在于低阶煤的结构松散，单位表面积上碳原子密度小，亲甲烷能力低，因而吸附能力弱。随着煤变质程度的增强，煤结构中芳环缩合度增加，分子的定向排列和各向异性明显，导致煤层的亲甲烷能力增强，从而增强了煤层的吸附能力。当镜质体反射率Ro＞3.5%时，随着煤阶升高煤中的微孔隙和比表面积逐渐减少，引起煤的吸附能力逐渐下降。作为煤层气吸附载体，煤的组成决定了煤的吸附能力，若固定碳含量高，其吸附能力则会增加（图2）。在显微组分中，壳质组和惰质组的吸附能力偏低而镜质组的吸附能力最强，主要是镜质组中发育有大量的气孔，引起孔隙比表面积增大。

图1 煤阶与煤吸附能力之间的关系Fig.1 Relation between coal rank and coal adsorption capacity

图2 2号煤层含气量与固定碳关系Fig.2 Relation between gas content and fixed carbon of 2#coal seam

1.2 温度、压力

根据Langmuir吸附理论方程[9]，随着压力的增大，煤对甲烷的吸附量总体上呈非线性增加（图3）。由于吸附作用是一个放热过程，因此当温度升高时，煤对气体的吸附能力下降。

图3 2号煤层等温吸附曲线Fig.3 Isothermal adsorption curves of 2#coal seam

1.3 顶板盖层的封闭能力

煤层顶板盖层对煤层气的封存机理与常规油气的基本相同，良好的盖层可以保持地层压力，阻止地层水的交替和煤层气散失，维持煤层气三种赋存状态之间的平衡，进而使煤层气得以保存和聚集。因此，测井评价含气量不但要考虑储层生气条件，还要分析煤层气藏的保持条件，并充分利用测井资料，进行煤层段储盖组合综合评价。

2 煤层含气量的测井评价方法

2.1 单元回归法计算含气量

图4 2号煤层含气量与密度关系Fig.4 Relation between gas content and density of 2#coal seam

由于固定碳密度值低，与灰分和围岩密度值差别较大，所以密度测井值就反映了煤层固定碳的相对含量，而固定碳又决定煤层气的生气量，同时又是煤层气吸附的主要载体，故在一定的范围内可以利用密度测井值计算煤层含气量（图4）。

式中：V为吸附量，m3/t；DEN为密度测井值，cm3/g。

2.2 多元回归法计算含气量

单元回归参数如密度测井值等易受井眼环境、仪器刻度等影响，在井眼扩径严重时其测井值就不能真实捕捉地层信息。而多参数回归是基于概率统计模型的储层评价方法，其思路是将与煤层含气量具有较好相关性的各测井参数同实验分析含气量进行多元线性回归分析，并确定各测井参数相对的权重，得到储层评价数学表达式。其相对单元回归的特点在于能够通过多条曲线来互相匹配和校正，彼此消除各曲线所受的某些环境影响，进而可以提高计算精度。

式中：RT为电阻率，Ω·m；AC为声波时差，μs/m；GR为自然伽马，API。

2.3 修正的Langmuir方程计算煤层含气量

在一定储层压力条件下，煤的吸附能力决定煤层单位含气量的高低，其解析能力则影响了煤层气的产能。而煤层气的吸附能力是温度与压力的函数，即当温度一定时，煤的甲烷吸附量与气体压力之间关系符合Langmuir等温吸附方程[9]，其表达式为：

式中：VL为Langmuir体积，m3/t；PL为Langmuir压力，MPa；P为压力，MPa。

Langmuir等温吸附方程计算含气量均为理论最大吸附量，延川南2号煤实际解析含气量与理论计算值对比发现，煤层吸附气基本上都是欠饱和的，等温吸附法计算含气量高于现今煤层含气量（图5）。所以在利用该方法计算煤层含气量时，要考虑地区煤层吸附气饱和度，修正后计算的含气量与解析含气量对比情况见图6，45°线检验发现计算精度明显提高，修正后的Langmuir等温吸附方程表达式为：

图5 校正前计算含气量与解析含气量Fig.5 Calculated gas content and analysis gas content before correction

图6 校正后计算含气量与解析含气量Fig.6 Calculated gas content and analysis gas content after correction

式中：Ash为灰分含量，%；Sb为吸附气饱和度，%；Vab为岩心解析含气量，m3/t；Vm为实验最大吸附量，m3/t。

2.4 KIM方程法计算含气量

Langmuir等温吸附法评价含气量考虑煤层的灰分、压力及温度等影响因素。KIM[6]方程在此基础上，又综合考虑了煤阶的影响因素，进而可以计算理论干燥无灰基含气量。

式中：Ash为灰分，%；Mad为水分，%；h为样品深度，m；Carb为固定碳，%；Mois为挥发分，%。

2.5 顶板盖层封闭性与含气量关系

延川南工区2号煤层顶板岩性以泥岩和砂岩为主，其中泥岩电阻率表现为低值，砂岩电阻率表现为高值。顶板泥岩越纯，电阻率值就越低，盖层的封闭性就越好，煤层气不易逸散。故引入顶板电阻率与纯泥岩标志层电阻率比值，进而能定量反映煤层顶板盖层的封闭性，同时还可以间接指示煤层含气量，延川南2号煤层顶板电阻率与纯泥岩电阻率比值与含气量交会见图7。

图7 煤层气含量与电阻率比值关系Fig.7 Relation between gas content and resistivity ratio of CBM

3 产气量的测井预测方法

煤层产气量是储层压裂改造、排采工艺选择、煤层含气量、孔渗性、裂缝发育等多种因素共同作用结果，煤层含气量决定了产气量的持续性、稳定性。在假设压裂改造效果及排采工艺效果等同的情况下，通过对研究区24口探井稳定产气量进行统计，发现研究区产气量与含气量、孔隙度、渗透率和地层压力梯度均成正比例规律。因此，利用多元回归法预测日产气量，关系式为：

式中：S日为日产气量，m3/d；V空干基为空气干燥基含气量，m3/t；Φ为孔隙度，%；K为渗透率，10-3μm2；PPG为地层压力梯度，10-2MPa/m。

利用该方法对15口排采井预测结果进行45°线检验，预测值与测试值有很好的对应性（图8）。不过由于煤层产气量受控因素众多，所以本公式对产气量的预测具有一定的条件限制。

图8 产气量预测模型精度检验Fig.8 Accuracy examine of gas content prediction model

4 应用效果分析

运用上述煤层含气量计算方法对延川南工区24口井进行处理，下面就Y3井2号煤层处理结果进行分析（图9），图中第一道为自然伽马、井径曲线，第二道为电阻率曲线，第三道为三孔隙度曲线，第四道为深度，第五道为单元和多元回归法计算含气量，均略低于实验分析含气量。第六道为修正的等温吸附理论方程和KIM方程计算含气量，与煤层实验分析含气量吻合较好，误差统计见表1。