侯振学

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,河北廊坊065201)

0 引 言

煤层气田在开发过程中面临着产气量低、煤层出水等诸多问题。煤层气的产量受煤层厚度、储集性能、渗透性、煤体结构、工业组分、含气量、顶底板封隔性以及后期压裂等多种因素的控制[1-3]。对于煤层的工业组分、含气量及储集性能,前人基于常规测井资料进行了大量研究,取得了丰硕研究成果[4-6]。但是对于煤层渗透性、煤体结构、顶底板封隔性的研究,受限于常规测井分辨率较低、煤层取心资料少、破碎严重等原因,目前取得的成果相对较少。而电成像测井相对于常规测井及钻井取心,具有高分辨率、连续性强,而且具有方位特征及可视化的优势,可以为煤层的精细研究提供丰富的资料。

研究区位于鄂尔多斯盆地东北缘,石炭—二叠纪期间泻湖、沼泽发育,适宜煤层的形成与聚集[7-8]。煤层埋深多在1 700 m以下,露头及取心资料相对较少,为煤层的研究造成了一定的难度。但是该区成像测井资料丰富,因此本文试图借助电成像测井资料分辨率高(5 mm)的优势,结合部分取心资料进行标定,对煤层的精确识别及划分、煤层渗透性、煤层顶底板封隔性、地应力方向等进行了深入的研究,为煤层气的勘探开发提供依据。

1 煤层划分和渗透性评价

煤层气的产量与煤层厚度有着直接关系,所以煤层的划分是煤层气评价最基础的工作。对于井下煤层,由于不同类型的煤测井响应不完全一致,导致煤层顶底界限划分误差较大,并受到常规测井资料分辨率低、井况复杂等因素的影响,容易漏失薄煤层。

电成像测井主要测量地层电阻率的大小,经过适当处理可将其刻度为彩色等级图像,反映地层电阻率的变化,一般电阻率高则颜色亮,电阻率低则颜色暗。煤层与围岩在电成像颜色、结构上具有明显差异性,是煤层划分的一种有效手段。电成像测井图中煤层因电阻率极高,呈现明显的亮白色特征,结构为块状,而顶底的围岩因为电阻率较低,呈明显的棕褐色特征,层理发育,二者界限清晰,与岩心资料对应性一致。电成像测井相对于常规测井资料根据半幅点或者某一界限值划分界限,划分结果更加精确。

煤层的渗透性与煤层内部结构密切相关,因此内部结构识别对于评价煤层的渗透性具有重要的意义。煤层的内部结构可以分为对煤层渗透性起建设性作用的裂隙系统,以及起破坏性作用的煤矸石、黄铁矿等非吸附性矿物结核或者条带。

1.1 裂隙系统

煤层中一般具有2种裂隙系统,一种是构造运动造成的外生裂隙;另一种是煤化作用过程中,凝胶化物质受温度和压力等因素影响,体积均匀收缩而形成的割理系统。外生裂隙与割理相互交叉、切割,形成了复杂的裂隙系统,构成了煤层气渗流的主要通道[9-11]。

外生裂隙一般规模较大,在电成像上呈暗色正弦曲线,缝面较宽,不受岩性的控制,多切割层界面或者内部夹矸层,甚至延伸到顶、底板中。割理一般规模较小,多发育于2条相邻的层界面之间,与层面近似垂直,一般连续性较差。

1.2 煤矸石

煤矸石主要指夹在煤层之中的泥岩、黏土岩、炭质泥岩。煤矸石的存在使煤层结构复杂化,给开采带来一定困难,会大大降低煤层纵向上的渗透性,从而影响煤层气的产能[12]。夹矸层在成像图上显示为清晰完整的暗色条带,条带厚度较大,条带内多具有水平纹层。

1.3 黄铁矿

煤层及煤层顶、底板内常见黄铁矿结核及团块,根据矿物不吸附气的原则[13],含量较多的黄铁矿对煤层的含气量有一定的破坏性影响,当黄铁矿结核富集到一定程度或者呈大的团块状时,对煤层的渗透率也起到明显的破坏性作用。黄铁矿为高电导率矿物,因此,电成像上主要呈暗色颗粒状或者暗色斑块状特征。

2 煤体结构识别

袁崇孚[14]根据煤体的宏观架构特征,把煤体结构划分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构4种类型。从原生结构到糜棱结构,煤层的破裂程度增强。原生结构煤裂隙不发育,煤层原生结构全部保存,其渗透性取决于煤层割理的发育程度。碎裂结构煤受到一定程度的构造破坏,外生裂隙发育,煤层原生结构基本保存,而且煤层气渗流通道网络发育良好,通常具有较高的渗透率。碎粒结构、糜棱结构煤受到构造强烈破坏,原生结构不复存在,外生裂隙通常被构造错动形成的煤粉所充填或阻塞,导致煤层渗透率降低[15]。另外,碎粒煤、糜棱煤压裂形成缝壁的同时,崩离剥落的大量煤粉会堵塞缝道,致使煤层的渗透性能也得不到改善[16]。

图1 煤体结构成像测井识别模式

本文以电成像测井资料为基础,根据煤心资料进行了标定,建立了煤体结构的成像测井识别模式(见图1)。原生结构煤的煤体宏观结构呈层状、层状-块状,顺层颜色分布均匀,无明显外生裂隙[见图1(a)] ;碎裂煤的煤体宏观结构呈块状、层状-块状,见明显外生裂隙,破碎程度较轻,未对煤层宏观特征造成破坏[见图1(b)] ;碎粒煤宏观结构呈块状,见明显外生裂隙相互切割,对煤层宏观特征造成严重破坏,颜色分布不均匀[见图1(c)] ;糜棱煤电成像上呈粒粉状,见不到任何煤层内部结构[见图1(d)] 。

3 顶、底板封隔性评价

煤层产气量及产水与煤层顶、底板的封隔性密切相关。紧邻煤层的直接顶、底板的封隔性好,煤层气才不会扩散到邻近砂岩储层,也不会沟通相邻水层。顶、底板的封隔性主要与岩性、物性及裂缝发育程度有关。除物性评价之外,电成像测井在岩性及裂缝发育评价方面具有其他方法所不具备的优势[17]。

3.1 岩性分析

煤层顶、底板主要岩性有4种:泥岩、粉砂岩、砂岩及灰岩。泥岩、灰岩物性最差,具有较好的封隔性,而粉砂岩及砂岩物性相对较好,封隔性能差。对岩性的准确判断是评价封隔性的关键。不同的岩性由于沉积的水动力差异,具有不同的特征,在电成像上具有不同的颜色、沉积构造[18]。

泥岩:自然伽马高,静态图像上主要为棕色,动态图像上水平层理发育[见图2(a)] 。粉砂岩:自然伽马较高,静态图像上主要呈棕褐色,动态图像上发育波状层理[见图2(b)] 。砂岩:自然伽马较低,静态图像上主要呈暗色,动态图像上发育高角度交错层理、块状层理[见图2(c)] 。灰岩:自然伽马较低,静态图像上主要呈亮色层状特征[见图2(d)] 。

3.2 裂缝发育情况

顶、底板主要发育2种类型的裂缝,一种为天然裂缝,主要为构造运动形成,电成像为呈暗色正弦曲线;另一种为诱导缝,主要为地应力造成,电成像上呈阵列状,多成组出现,出现在对称的两侧。一般对顶、底板封隔性起破坏性作用的主要为天然裂缝,诱导缝对封隔性的影响较小。

图2 电成像测井岩性识别

以B井煤层为例(见图3),该套煤层厚度较大,直接顶板自然伽马高,电成像上呈棕色,水平层理发育,为1套厚层泥岩。老顶板自然伽马低,电成像上呈暗褐色,常规测井解释为1套含水砂岩层。直接顶板内发育1条明显的天然裂缝(见图3放大图像),如果压裂煤层很有可能沟通煤层与老顶板水层,判断顶板封隔性较差。直接底板整体伽马较高,局部降低,电成像上呈棕色,块状层理、水平层理发育,富集暗色黄铁矿颗粒,局部为亮色条带,为1套泥岩夹薄层灰质条带。老底板低自然伽马,电成像呈亮色,为1套致密灰岩层。直接底板未见明显裂缝发育,老底板不含水,综合判断底板封隔性好。

图3 B井煤层顶、底板封隔性评价

4 煤层地应力分析

前人研究表明,煤储层裂隙系统与地应力关系密切[19]。地应力方向对于裂隙系统的影响主要在于二者方向是否一致。当现今地应力方向与外生裂隙的方向一致,则外生裂隙在地下为开启状态,对于煤层的渗透性非常有利。而当二者方向垂直或者斜交,则割理或外生裂隙在地下为闭合状态,对于煤层的渗透性具有破坏性的影响。

地应力在致密的煤层不易衰减,当煤层被钻开,为其间的地应力释放提供了条件。随着地应力的释放,易脆的煤层将产生一组与之相关的诱导缝。在电成像图像上显示为2组呈180°或接近180°对称分布的阵列状缝,裂缝面较为平直,裂缝宽窄变化较均匀,无任何溶蚀扩大现象(见图4)。钻井诱导缝的走向就是最大水平主应力的方向。

5 煤层综合评价

5.1 煤层级别划分

(1)I类煤层。煤层厚度较大(一般大于10 m),煤质含气量高(大于25 m3/t),煤层内外生裂隙发育,夹矸层分布少且相对较薄,无黄铁矿等非吸附性矿物,煤体结构为碎裂结构,直接顶底板岩性为封闭性好的泥岩、灰岩等,老顶底板无可动水,直接顶底板内裂缝不发育,煤层内外生裂隙方向与地应力方向一致。该类煤层经过压裂测试日产气一般大于5 000 m3/d。

图4 煤层诱导缝特征及地应力方向

(2)II类煤层。煤层厚度较大(5～10 m),煤质含气量较高(20～25 m3/t),煤层内外生裂隙较发育,夹矸层分布相对变多变厚,黄铁矿等非吸附性矿物不发育或斑点状颗粒发育,煤体结构主要为原生、碎裂结构。直接顶底板岩性为粉砂岩,老顶底板含水少。直接顶底板内裂缝不发育或小规模发育,煤层内外生裂隙方向与地应力方向有一定夹角。该类煤层经过压裂测试日产气一般在1 000～5 000 m3。

(3)III类煤层。煤层厚度较薄(小于5 m),煤质含气量低(小于20 m3/t),煤层内外生裂隙不发育或者发育网状外生裂隙且被煤粉充填,夹矸层多且厚度较大,黄铁矿等非吸附性矿物发育,多为团块状,煤体结构主要为碎粒、糜棱结构。直接顶底板岩性为砂岩,含有可动水,直接顶底板内裂缝发育,煤层内外生裂隙方向与地应力方向基本垂直。该类煤层经过压裂测试日产气一般小于1 000 m3。

5.2 实例分析

L井为研究区1口煤层气评价井,根据以上研究成果对目的煤层进行了详细分析。成像测井显示该井煤层深度在1 903.7～1 908.5 m段,煤层厚度5.2 m,常规测井解释含气量22.5 m3/t,煤层内外生裂隙不发育,夹矸层较发育且厚度较薄,含有较少的黄铁矿颗粒(见图5放大图像)。直接顶板为泥岩,粉砂岩,直接底板为泥岩,老底板为含气性较差的砂岩层。直接顶底板内裂缝不发育,顶底板封隔性较好,综合评价为II类煤层(见图5)。该套地层经过后期压裂测试,日产气3 000 m3,与综合评价结论相符。

图5 L井煤层综合评价成果图

6 结束语

(1)利用成像测井资料对煤层内部结构、煤体结构、顶底板封隔性、地应力方向等多方面进行了详细研究,并根据其对煤层的影响,建立了研究区煤层划分级别。电成像测井具有高分辨率,可视化的优点,在煤层划分以及煤层精细描述方面具有其他方法无法比拟的优势,能够有效指导煤层的评价工作,为煤层气勘探开发提供帮助。

(2)成像测井技术在煤层气中的应用还有待进一步发展和深化,电成像测井高分辨率、可视化的优势尚需深入挖掘。另外,研究区当前进行电成像测井的煤层气井仅少数井进行了压裂测试,缺少煤层产量资料的支撑也是当前研究面临的实际问题,需要后续资料的补充完善及深入研究。