（地球探测与信息技术专业论文）中深部含气储层及源岩定量评价方法研究.pdf

摘要 随着国家对能源需求的增长，中深部煤成气储层已成为我国各大油田的重点勘探 方向之一，因此在研究气源岩的基础上对中深部含气储层进行定量评价具有十分重要 的意义。 本文从煤层气源岩评价入手，统计总结了关键井煤层测井响应特征；采用中子一 密度交会法实现了对煤系地层的自动识别划分；然后对煤层组分、煤阶划分、吸附气 含量、孑l 隙度、渗透率等参数进行了定量研究；最后应用研究区地化分析资料、实验 数据和测试数据，对各评价方法的适用性进行验证，形成了一套有效的煤系气源岩测 井定量评价方法。 在此基础上对中深部含气储层进行了研究，比较了各关键井中深部含气储层与浅 部气层测井响应统计特征的异同，总结了识别气层的常规测井方法；分别用油气校正 法和交会三角形法对孔隙度进行精细评价，计算结果与岩心分析孔隙度具有较好的一 致性；利用k u k a l 方法对深层天然气饱和度计算进行了研究，并利用四口井的实验数 据对该方法进行了验证，比较其与常规方法计算结果的差异，表明利用k u k a l 方法通 过计算饱和度求取的有效孔隙度与岩心分析孔隙度相关性较好，从而间接证明该方法 的准确性。 针对以上研究内容，提出整体程序设计流程，并开发相应评价程序，在实际资料 处理中取得了较好的效果。 关键词：含气储层，煤系源岩，测井响应，评价 q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o ds t u d yo fm e d i u m d e e pg a sr e s e r v o i r a n ds o u r c er o c k w uh o n g c u i ( g e o - d e t e c t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f s h a oc a i r u i a b s t r a c t a st h en e e do fn a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t ，t h em e d i u m d e e pg a sr e s e r v o i r b e c o m e sg r a d u a l l yt h em a i nt r e n df o re x p l o r a t i o ni nm o s to i lf i e l d s t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt oe v a l u a t et h em e d i u m d e e pg a sr e s e r v o i r sq u a n t i t a t i v e l yb a s e do nt h er e s e a r c h i ng a ss o u r c er o c k s t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ee v a l u a t i o no fc o a l b e d s ，g e n e r a l i z e st h e s t a t i s t i c s c h a r a c t e r i s t i c sf o rl o g g i n gr e s p o n s e so fc o a lb e d si nk e yw e l l sa n dr e a l i z e st h ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o no fc o a lb e d sb yc r o s s p l o tm e t h o d ；t h e np r e s e n t st h eq u a n t i t a t i v ec o m p u t i n g m e t h o d sf o rp a r a m e t e r ss u c ha sc o a lc o m p o n e n t s ，p o r o s i t y , p e r m e a b i l i t y , g a sc o n t e n ta n d s oo n i t ss u g g e s t e dt h a tc o a lr a n ki sc l a s s i f i e db yc a r b o nc o n t e n ta n dt h eg a sc o n t e n ta l s o d e p e n d so nc a r b o nc o n t e n t ，s ot h el a n g m u i re q u a t i o ni sm o d i f i e d ，t h em e t h o d sv e r i f i e db y g e o c h e m i c a la n a l y s e s ，e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dw e l lt e s td a t a ，e t c b a s e do nt h i s ，as u i to f q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d sf o rc o a lb e d si sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sg o o di d e n t i f i c a t i o n r e s u l t sa n db e l i e v a b l ec o m p u t a t i o n s o nt h eb a s i so fa b o v es t u d i e s ，t h i sp a p e re v a l u a t e st h em e d i u m - d e e pg a sr e s e r v o i r s t h es t a t i s t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fl o g g i n gr e s p o n s e sa r ec o m p a r e db e t w e e nt h em e d i u m - d e e p a n ds h a l l o wg a sr e s e r v o i r s ，a n dt h ec o n v e n t i o n a lw e l ll o g g i n gi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa r e g e n e r a l i z e d t h e n ，t h ep o r o s i t yo fg a sf o r m a t i o nh a sb e e nf i n ee v a l u a t e du s i n gh y d r o c a r b o n c o r r e c t i o no rc r o s s p l o tm e t h o da c c o r d i n gt ot h el i t h o l o g yd i s t r i b u t i o n i no r d e rt oc a l c u l a t e t h eg a ss a t u r a t i o nm o r ea c c u r a t e l y , t h ek u k a lm e t h o di st e s t e db yf o u rw e l l s e x p e r i m e n t a l d a t a ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e np o r o s i t yr e c a l c u l a t e db yk u k a la n dc o r ep o r o s i t ys h o w st h a t t h e yh a v eg o o dc o r r e l a t i o na n da p p r o v e st h ea c c u r a c yo fk u k a ls a t u r a t i o ni n d i r e c t l y f i n a l l y , t h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e da n ds h o w se f f e c t i v ei np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：g a sb e a r i n gr e s e r v o i r ，c o a ls o u r c er o c k ，l o g g i n gr e s p o n s e ，e v a l u a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垒i 苎鍪日期：2 0 。g 年6 月6 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 垒i 苎翌 指导教师签名： 日期：工。口8 年 日期：砂啃年 月占 日 莎月钐日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1题目来源及研究意义 随着近年来我国能源结构不断优化，对天然气的需求不断加大，使得天然气供需 矛盾日趋突出。为了缓解这一紧张矛盾，胜利油田加大了天然气的勘探力度，天然气 勘探由中浅层向中深层拓展，近期在中深层天然气勘探方面不断有新的发现，预示着 中深层天然气勘探具有广阔的前景，是今后一段时间天然气增产上储的重要领域。 由于中深层天然气埋藏深( 大于3 5 0 0 m 1 1 ) 、成藏条件复杂、勘探开发难度大等原 因，一时难以形成有效的资源接替，因此急需摸清中深层天然气的成藏规律和相应的 勘探方法；另一方面，天然气成藏与煤层等气源岩的空间展布密切相关，因此研究煤 系地层的测井评价方法对天然气勘探具有十分重要的意义。本论文题目即来源于相关 研究课题。 天然气储层的形成与源岩有着密切关系，源岩可分为常规烃源岩和煤系源岩，煤 系源岩的识别和评价对煤成天然气成藏研究具有重要的意义。中深部含气储层存在成 岩作用和孔隙结构复杂、多为低孔低渗和测井响应微弱等复杂特性，给测井技术提出 了巨大的挑战；目前国内外中深层天然气测井评价技术主要立足于三孔隙度测井资 料，方法单一，系统性、综合性的中深层天然气测井评价技术相对薄弱。 因此，形成一套适合胜利探区中深部含气储层及煤层气源岩的测井定量评价技 术，必将为中深层天然气勘探提供有力的技术保证。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 。1 煤层气源岩测井评价研究现状 对煤层的测井识别，传统上主要依靠电阻率、密度、中子、声波时差、自然伽马 等测井曲线的响应特征【2 ，3 1 及其相互结合得到的交会图、比值、差值等方法进行研究。 a h m e d 等还提出当地球化学测井仪同时用俘获和非弹性两种模式进行记录时对煤层 的识别效果较好。当煤层较薄尤其是位于砂岩中时，用常规测井方法难以识别，s a h a 4 】 就此提出利用核磁共振与c o 测井区分含油地层和煤层且利用f m s f m i 等高分辨率 测井技术划分薄煤层。以上多为人工划分煤层，国内黄智辉等【5 】基于天然气储层评价 技术，提出了将模糊模式识别方法用于煤层识别：侯俊胜等【6 】利用人工神经网络方法 进行煤层气自动识别的研究和应用。 对煤层的定量评价主要包含两个方面：一是煤层组分的确定与煤阶的划分，煤层 第一章前言 组分通常可由煤样实验室分析、测井体积模型法以及概率模型法来确定r 7 1 ， f a s s e t t ( 1 9 7 7 ) 等提出应用多元线性回归分析方法进行煤质工业分析，随后， m u l l e n ( 1 9 8 8 ) 对该方法进行修正，以适应不同地区的实际应用【8 】；潘和平等9 1 根据深度、 声波时差、密度、自然伽马等测井资料，利用b p 神经网络预测煤质参数，取得了较 好效果；董红等研究了灰分、挥发分、固定碳和密度之间的回归关系，并建立了实 验室分析镜体反射率与深度之间的线性关系，从而划分煤阶；葛祥等【l l 】则选用声 波时差、补偿中子、补偿密度、深侧向电阻率等测井资料，建立了煤芯分析数据 与测井资料之间的多元回归关系。二是煤层孔隙度、渗透率及含气量的估算，对孔隙 度、渗透率的计算主要是基于阿尔奇理论【1 2 1 3 1 和达西定律利用双侧向测井资料进 行的；利用测井资料计算含气量的方法主要包括吸附等温线法【l5 1 、煤层气层背景值法 【1 6 1 和国内外各种经验公式【1 7 ，1 8 】等。 由于煤层储气与产气性能的独特性和复杂性，尽管目前国内外已形成较为有效的 评价技术，但不完善，许多问题有待进一步研究。 1 2 2 中深部含气储层评价研究现状 国外从上世纪八十年代初就已开始关注深层致密含气砂岩，美国科利尔大学教授 托马斯一古尔德1 9 8 2 年发表了一篇题为地球深层的气体的文章，其要点是在地 球深层存在的巨大气体储量远远超过估算的气体资源储量【l9 1 ，并开始着手进行深部勘 探；但关于其测井识别与评价的文献却很少见，1 9 8 4 年由g c k u k a l 等【2 0 】提出了“致 密含气砂岩有效测井分析的一种系统方法”，并编制t i t e g a s 处理软件系统，主要 利用中子、密度、自然伽马等测井资料计算粘土含量、含气饱和度、渗透率等参数， 并可有效地进行裂缝分析。目前对致密含气砂岩进行卓有成效开发利用的，主要局限 于美国、加拿大等少数几个国家【2 1 1 。 国内“八五 期间，胜利测井公司、勘探开发研究院廊坊分院等各自研制了天然 气测井解释软件系统，中国石油大学( 华东) 也开展了许多与天然气评价相关的研究 工作，但评价目标主要集中在浅部地层，而对中深层天然气的研究仅限于定性识别， 或者是将常规的气层识别方法用于中深部气层2 2 2 4 】；或者是在常规方法基础上进行 改进【2 5 , 2 6 ；或者是运用核磁共振测井鲫、碳氧比测井【2 8 】、脉冲中子衰减( p n d ) 测井【2 9 1 、 全波列测井【3 0 】等新技术来评价中深层天然气。 总之，对于中深部含气储层，一般具有低孔、低渗、致密、层薄等特征，属于低 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 孔低渗透非均质气藏，气层在测井曲线上的特征模糊，测井解释难度较大。目前天然 气测井识别与评价仍以常规电缆测井为主，对其孔、渗、饱等参数基本上是借助油层 的定量计算方法通过气体校正得到，因此中深层天然气定量评价还有待进一步深入研 究。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 总结分析了研究区中深部含气储层及煤层气源岩的测井响应特征 以研究区内资料丰富的关键井为重点研究对象，以前人的研究成果为基础，以特 征统计分析为手段，综合利用地质、岩心、录井、测井、测试等资料，总结出研究区 煤层及中深层天然气的测井响应特征。 ( 2 ) 利用常规测井资料评价煤层气源岩 在掌握研究区煤层气源岩测井响应特征的基础上，选用中子一密度交会三角形方 法实现对煤系地层的自动识别划分；然后建立煤层体积模型，并从煤层组分计算、煤 阶划分、吸附气含量估算、孔隙度计算、渗透率评价等五个方面对煤层的定量评价方 法进行研究；应用研究区的实际地化分析资料和岩心、测井、测试等数据，对各评价 方法的适用性进行验证分析，从而优选形成一套识别率高、参数计算可信度高的煤层 气源岩测井定量评价方法。 ( 3 ) 开展了中深部含气储层评价方法研究 在煤层气源岩评价基础上，开展了对中深部含气储层的研究。首先比较各关键井 中深部含气储层与浅部气层测井响应统计特征的异同，并对利用常规测井资料识别气 层的各种方法的有效性进行分析；然后针对研究区实际地质情况，选用油气校正法或 交会三角形法对孔隙度进行精细评价，并将计算结果与岩心分析孔隙度进行比较；优 化中深部含气储层饱和度的评价方法，通过k u k a l 方法计算饱和度，并与岩心分析值 和常规方法的计算结果进行了比较和检验。 ( 4 ) 开发了相应的解释程序，并进行了实际资料处理 针对以上研究内容，提出整体程序设计流程，开发了相应评价程序，并对实际资 料进行处理；根据实际应用情况对所存在的问题进行整改，完善算法，以提高实际资 料处理精度。 3 第二章煤系地层气源岩测井评价方法研究 第二章煤系地层气源岩测井评价方法研究 气源岩是指能提供天然气工业价值聚集的富含有机质的岩石【3 。研究表明，煤是 一种较好的气源岩，具有孔隙度低、渗透性差、微孔发育、内表面大等特点。通过地 球物理测井方法对煤层进行识别和定量评价，不仅可以间接地识别煤成气，而且可以 对煤成气量的评价提供参考依据。 2 1 煤的组成和基本特征 煤不是一种简单的化合物，而是由十分复杂的有机质和无机质组成的高分子化合 物( 见图2 1 ) 。不同地区、不同地质时代的煤，其物质组成差别很大。 图2 - 1 煤的结构简化示意图( 据r i c h a r d s o n l 3 引，2 0 0 6 ) ( 1 ) 煤的组成【3 2 】 煤的化学组成可分为有机质和无机质两大部分，是复杂的高分子有机化合物。有 机质主要由c 、h 、o 、n 、s 等元素组成，其中，碳、氢、氧占有机质的9 5 以上， 是煤的主要组成部分。此外，还有极少量的磷和其他元素。煤中有机质的元素组成， 随煤化程度的变化而有规律地变化。一般来讲，煤化程度越深，碳的含量越高( 见图 2 2 ) ，氢和氧的含量越低，氮的含量也稍有降低；唯硫的含量则与煤的成因类型有关。 不同的煤，元素组成是不同的。煤中的无机质包括矿物杂质和水分，它降低煤的利用 价值，不同的煤，无机质的数量和性质各不相同。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 不同煤化程度煤的结构示意图( 据r i c h a r d s o n ，2 0 0 6 ) ( 2 ) 工业分析 煤的工业分析是煤质评价的基础，通常包括水分、灰分和挥发分测定，另外还有 含硫、密度等参数测刘3 4 1 。一般测定的基准为空气干燥煤样。 水分指空气干燥状态下吸附或凝聚在煤层颗粒间毛细管中的水分。其测定方法： 取一定量空气干燥煤样，在一定条件下蒸发出煤样中的水分，蒸出水分占所用煤样质 量的百分数即为所分析煤的水分，即 ：堕1 0 0 ( 2 1 ) f i r 其中：m 耐一空气干燥煤样的水分，； m ，一煤样干燥后失去的质量，g ： 研一煤样的质量，g 。 灰分指煤中所有可燃物全部燃烧、煤中矿物质在一定温度下产生一系列分解、化 合等复杂反应后剩下的残渣。煤的灰分全部来自煤中的矿物质，但其组成和质量与煤 中的矿物质不完全相同。更确切的说，煤的灰分应称为灰分产率，它与矿物质含量有 一定相关性。灰分测定方法：将一定量空气干燥煤样放入高温炉中，以一定的速度加 热到8 1 5 摄氏度左右，使煤样灰化并灼烧到质量恒定，以残留物质量占煤样质量的百 分数即为灰分产率，即： 如= 堕1 0 0 ( 2 2 ) f n 其中：如一空气干燥煤样的灰分，； 肌：一残留物的质量，g ； 朋一煤样的质量，g 。 挥发分是表征煤中有机质性质的重要指标，它与煤中的水分和矿物质无关，而与 产气量存在密切关系。挥发分测定方法：用万分之一天平称取1 9 空气干燥煤样放在 带盖的坩锅中，在9 0 0 摄氏度条件下隔绝空气加热7 分钟，然后取出冷却称重。煤样 5 第二章煤系地层气源岩测井评价方法研究 质量减少的百分含量减去该煤样的水分即为挥发分，即： ：m 3x1 0 0 一 m 其中：一空气干燥煤样的挥发分，； 鸭一煤样加热后减少的质量，g ； m 一煤样的质量，g 。 固定碳：从煤中除去水分、灰分、挥发分后的残留物， 后，一般用下式计算固定碳： ( 2 3 ) 测定水分、灰分、挥发分 ( ，c ) 耐= 1 0 0 - ( + 4 耐+ ) ( 2 - 4 ) ( 3 ) 煤的结构和构造 煤的宏观结构是指煤岩成分的形态、大小所表现的特征。常见的煤的宏观结构有 下列几种：带状结构、线理状结构、透镜状结构、均一状结构、粒状结构、叶片状结 构、木质状结构、纤维状结构。 煤的次生结构是指煤层形成后受到构造应力作用产生各种次生的宏观结构。主要 有以下几种：碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构。 煤的构造是指煤岩成分空间排列和分布所表现出来的特征。它与煤岩成分自身的 大小、形态无关，而与成煤物质聚积的环境有关。煤的原生构造分为层状构造和块状 构造。 ( 4 ) 煤的物理性质 煤的物理性质包括颜色、光泽、硬度、脆度、密度、表面积、孔隙性、导电性等。 煤的物理性质是煤的化学组成和分子结构的外在表现，受到煤岩组成、煤化程度和风 化作用的影响。根据煤的物理性质，可以确定煤岩成分、成因类型、煤阶阶段，并初 步评价煤质。 2 2 煤层测井响应特征研究 煤层的组分和物理特性决定了煤层在测井曲线上具有独特的响应特征，一般表现 为“三高、三低、一扩，即高中子孔隙度、高声波时差、高电阻率；低自然伽马、 低自然电位、低体积密度；扩径明显( 见图2 3 ) 。 6 中国i 油人学( 乍东) 目学论文 图2 - 3 某a 井3 9 4 5 - 3 9 5 5 段煤层典型涮井响应示意图 ( 1 ) 较高的中子孔隙度 煤是由c 、h 、o 组成的有机化合物，除h 外其主要成分cx , p 4 , 子也是减速剂， 可看作等效含氢量较高的岩层，因此常具有较高的中子孔隙度值，一般为6 0 一8 0 左右。 对于低阶煤层中子孔隙度较大。当煤层由烟煤变质到无烟煤时，含氢量明显降低， 中子孔隙度值明显减小。一般无烟煤的含氢量虽低，中子孔隙度值最小。 ( 2 ) 高声波时差 声波铡井在煤中常常显示高声波时差。这是因为煤层的主要成分有机碳，为低速 介质：煤基质孔隙直径虽小但数量巨大孔隙q 充满的液体或气体亦为低速介质 二者将减小声速从而使声波时差增大。煤层声波时差受压实影响较大，有时增大不明 显( 见图2 - 4 中4 0 4 5 处煤层) 。 ( 3 ) 电阻率变化范围大 纯煤本身的电阻率一般较高，但受煤化程度影响，煤层电阻率有高有低( 见图2 - 4 中4 0 0 8 处煤层为高阻，4 0 4 5 处煤层为低阻) ，褐煤电阻率低，烟煤是不良导体，由褐 煤向烟煤过渡时，电阻率剧增；但瘦煤阶段电阻率又开始降低，但随着煤化过程加深， 使煤大分子结构芳构化，煤的导电性增强，电阻率降低，至无烟煤时急剧r 降从而 具良好的导电性。 ( 4 ) 低自然伽马 煤层中天然放射性元素较少，自然伽马读数较低一般为3 0 a p i 左右。由于岩浆 岩侵入体携带的物质以及一些次要矿物，有些具有一定的放射性，使接触变质的天然 焦自然伽马强度增高。无烟煤的自然伽马强度与烟煤差异较小。 苎= ! 堡墨些星墨翌兰塑苎堡竺互堡业型 因扶分中含粘土矿物，粘土矿物吸附较多的天然放射性元素，灰分含量的增加 将引起自然伽马读数的增大。其它扶成分如细砂等，通常对读数无影响。 圈2 - 4 某a 井4 0 0 0 - 4 0 5 0 段煤层测井响应特征 ( 5 ) 低自然电位1 1 5 】 在低碳化煤层和褐煤层上，由于煤层岩性较纯，泥质和其他盐类含量较低且纯 煤的电阻率较高，因此，煤层和泥浆问的电作用和动电学作用很弱，s p 常常很小甚 至没有异常，自然电位读数很低。一般不用来划分煤层。划分煤化程度较高的煤层( 直u 天然焦1 时，s p 常作为一种重要的辅助曲线，此时山于电化学活性强而产生较大的氧 化还原诈电位，s p 显示明显的正异常。但其电阻率可能非常小。无烟煤电化学活性 低，其自然电位受相邻天然焦和原生煤层的自然电位的影响，有正有负，以证极性居 多，但其值明显低于天然焦。 粘土( 灰的成分) 常常引起读数升高。这是凼为与精土伴牛的结合性导电水增多的 缘故：其他灰分，如细砂等，通常对读数无影响。 f 6 ) 低体积密度 由于煤的基质密度很低，所以密度测井显示低密度值( 高视孔隙度) 为l 3 6 9 c , 2 左 右。因此，从体积密度上较易识别煤层与围岩密度测井是识别煤层毋常用的方法。 在煤系中，煤的密度最小，岩浆岩的密度最大。煤随变质程度的加深，密度逐渐 增大一般无烟煤密度堆高，烟煤次之褐煤最低。 其它灰分如细粒石英等，对密度测井影响很大能引起密度实质性增高。 ( 7 ) 一般有明显的扩径现象 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由于煤层机械强度小，容易破碎，因此容易造成扩径现象。 基于以上分析，对某a 井的1 9 个煤层的测井响应特征进行了统计( 见表2 - 1 ) ，其 低密度、高声波等特征明显。 表2 - 1 某a 井煤层测井响应特征统计( 1 7 4 个样本) 特征分类中子密度 声波电阻率 自然伽马自然电位 m ( g c m 3 ) ( 叫s f t ) i o h m ma p im v 最人值 5 3 4 4 32 5 3 11 5 1 2 7 919 9 3 7 9 71 2 7 7 4 25 7 6 2 1 最小值 7 7 7 61 3 3 45 1 5 7 60 0 4 93 1 8 3 22 8 7 1 9 平均值 3 3 4 3 71 8 2 l9 1 0 6 61 4 2 1 4 57 5 8 4 74 0 7 3 2 标准离差 1 1 5 0 40 3 3 72 0 1 0 74 7 2 2 4 52 6 5 8 87 4 5 2 虽然煤层具有明显的特征，但随着煤化过程的进行，不同类型的煤( 褐煤、烟煤、 无烟煤、天然焦) 对应的测井特征也会发生明显变化【3 6 】( 见表2 2 ) 。 表2 2 煤的测井响应和化学组分( 据j o h n s t o n ，1 9 9 1 ) 无烟煤烟煤褐煤泥炭 密度( g c m 3 ) 1 4 71 2 41 1 91 1 4 中子孑l 隙度( ) 4 1 6 05 42 6 卢波时差( p s l f t ) 1 0 51 2 01 6 0 光电吸收截面指数 0 1 6 o 1 70 2 0o 2 5 c 重鼙比( ) 9 58 27 15 7 o 重量比( ) 1 1 02 2 3 6 h 重量比( ) 2566 2 3煤系地层自动识别划分 对煤层进行测井定量评价，首先要划分出煤层，然后才能对煤层气参数进行计算。 一般根据前面介绍的煤层测井响应特征可快速直观确定煤层，本文用计算机自动识别 煤层，基于研究区的测井响应特征，运用中子一密度交会图技术划分煤层。下面以煤 系地层和砂泥岩地层组合为例，来介绍煤系地层自动划分的基本思想和方法原理。 2 3 1 基本思想 采用中子密度交会法划分煤系地层的主要思想是：先在交会图中确定两个判定 三角形，即煤层所在三角形o a b 与砂泥岩地层所在三角形o c d ( j z n 图2 5 所示) ，o 、 a 、b 、c 、d 分别代表水点、碳点、灰点、纯砂岩骨架点与干粘土点，各项点参数需 要通过选取研究区关键井的典型纯砂岩、纯泥岩及煤层井段分别标定在中子密度交会 图上，并结合岩性理论图版来确定；然后根据样本点的中子、密度响应值，判断其落 在哪个三角形中，若落在煤层所在三角形中则采用煤系地层定量评价方法处理，若落 在砂泥岩地层所在三角形中则采用泥质砂岩定量评价方法进行处理。 9 第= 章煤系地目。i 湃岩井坪价方法 究 图2 - 5 某b 井中子一密度变会三角形示意图 2 32 方法原理 编程实现时采用矢量央角和法【”1 来自动判断样本点属于哪个三角形，其基本原理 是：样本点与三角形三个顶点共形成三个矢量v ( f - l ，2 ，3 ) ，它 f j 两两组合形成三个夹 角q ( 1 _ l ，2 ，3 ) ；按公式( 2 5 ) 来确定每个夹角的大小：采用公式( 2 6 ) 来确定央角的方 向：最后求三个矢量夹角的和，若和为零，则样本点在三角形外部，若和为2 ，则 样本点在三角形内部或边上。 q = a r c c o s ( 高) l “| = 1 ；d = q 钆一q 屯 r 2 - 5 f 2 - 6 当样本点同时在两个三角形内部或同时在两个三角形外部时的情况也是存在的， 因为两个判定三角形( 见图2 - 5 ) 的确定原则是满足大多数样本点。这种情况下，就比 较样本点距离哪个三角形的重心近，取距离较近的一方为样本点所属三角形。 233 判定三角形的确定 在中子一密度交会图上，两个判定三角形o a b 与o c d 相交于水点o ( 见图2 5 ) ， 要确定两个评价三角形只要确定五个顶点坐标即可。 对于水点o 直接取理论值0 0 0 ，l0 ) 纯砂岩骨架点c 与干粘土点d 则先根据探 井的录井岩性选取典型的纯岩石段与纯泥岩段再对其相应中子、密度值做统计分析， 一t盖￥瓤粕嚣堆 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 最后结合岩性理论图版来确定【6 5 1 ；而对于碳点a 和灰点b 的确定则比较困难，因为 即使有相应井段煤层工业分析的资料，其确定的也只是煤样各组分的质量百分数，且 这两个顶点所对应中子、密度值不同地区不同井间都有很大差别。 因此，提出以下步骤来确定碳点和灰点：第一步，统计研究区重点探井的录井煤 层段，将其显示在中子一密度交会图上：第二步，结合理论数据( 碳的密度变化范围 为1 1 8 1 8 8g c m 3 ，灰的密度变化范围【1 3 】为2 2 2 8g c m 3 ) ，并根据样本点实际分布 确定碳点和灰点的范围( 见图2 6 ) ，一般而言，碳点的密度小于灰点的密度，碳点的 中子响应值大于灰点的中子响应值，这是由于灰分主要是矿物质；第三，精细调整碳 点和灰点坐标，使判断结果更合理。 1 4 ，_ 、 g 芸 b o 涕 t - o 凸 3 蚺 ： 水点 ，f 了、净， ，1 熟辨；l l 墨；! ! “ l l 硼 0 2 0 4 0 6 0 8 c c n l c ) 图2 - 6 碳点与灰点的确定示意图 2 。4 煤层定量评价方法研究 本节从五个方面对煤层定量评价方法进行研究，包括组分计算、煤阶划分、含气 量估算、孔隙度计算、渗透率评价等。研究认为根据碳分含量来划分煤阶较合理，并 在估算煤层含气量时考虑组分因素，最后根据研究区的地质特征及对各方法适应性的 比较，确定适合该区的一套煤层定量评价方法。 2 4 1煤层组分计算及煤阶划分 对煤层进行识别后，需要对其组成进行分析和评价。利用数学方法直接由单一测 井资料计算煤岩成分相当困难；通常利用测井资料计算煤组分的方法主要有体积模型 第二章煤系地层气源岩测井评价方法研究 法和统计分析法，因为没有搜集到研究区煤的工业分析数据，所以采用体积模型法计 算煤组分，并根据碳分含量来划分煤阶。 ( 1 ) 体积组分模型 设煤由碳分、灰分和水分三部分组成，且把水分含量看成是基质孔隙度与裂缝孔 隙度的总和( = 唬+ 办) ，则体积组分模型如图2 - 7 所示：图中圪、圪、v o 分别表示 水分含量、碳分含量与灰分含量，办、九、矽分别代表裂缝孔隙度、基质孔隙度与总 孔隙度。 x 矽 囊 图2 7 煤的等效体积模型 ( 2 ) 体积组分测井响应方程 根据以上建立的体积模型，选用响应特征明显的中子、密度曲线计算煤层组分， 建立响应方程如下： l o g ) ( = 圪* m o i x + 圪宰c a r ) ( + v o 奉a s h x l o g y = m o i y + 圪 c a r y + 圪母a s h y ( 2 - 7 ) 1 = 圪+ 形+ 圪 上式中，l o g ) ( 、l o g y 分别为中子、密度测井值：m o i x 、m o i y 分别为水分 的中子、密度值；c a r ) ( 、c a r y 分别为碳分的中子、密度值；a s h x 、a s h y 分别 为灰分的中子、密度值。 通过解以上方程组就可求出碳分、灰分和水分的体积组分，计算的准确性取决于 不同组分密度和中子测井响应值的选取【3 8 】。 ( 3 ) 煤阶划分 煤阶指煤的变质程度，它直接影响煤层的生气和储气能力及裂隙发育。随煤变质 程度增加，煤的累计生气量增大，气源更加充足；同时，煤变质程度影响煤吸附气的 能力，在其它条件相同时，煤层吸附能力随煤变质程度增高而增加。因此，一般认为 煤层含气量随煤变质程度增高而增加。 煤阶划分可以通过建立测井资料和镜质体反射率足，之间的统计关系，参考我国 的煤阶划分标准3 9 1 ( 见表2 3 ) 来进行。研究表明，辽河油田东部凹陷沙三上段煤层的 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 煤阶主要受埋深控制，并利用实验室所得的煤芯镜质体反射率与测井深度进行回 归分析，建立了以下统计公式【1 0 l ： 线性公式： n o = 0 0 0 0 1 4 8 9 宰办+ 0 1 8 5 7 5 5 ( 2 8 ) 对数公式： n o = 0 3 6 5 1 1 9 l n ( h ) - 2 2 8 7 6 7 ( 2 9 ) 表2 3 我国划分煤阶的标准( 据葛祥等，2 0 0 3 ) 煤阶挥发分含碳量 镜质反射率n o 褐煤 4 57 60 5 0 7 气煤 4 5 4 08 2 0 7 0 9 肥煤 4 0 3 58 40 9 1 2 烟煤 焦煤 3 5 3 08 61 2 1 7 瘦煤 3 0 2 09 01 7 - 1 9 贫煤 2 0 1 09 l1 9 2 5 无无烟煤i i i 6 为了检验该方法在研究区的适用性，搜集到某地区a 的心实验分析数据( 见表 2 - 4 ) ，分别建立了本区镜质体反射率和深度的线性关系与对数关系，如图2 8 所示， 得到了本区统计公式： 对数公式： r o = 2 5 2 0 3 l n ( h ) - 1 9 6 7 3( 2 1 0 ) 线性公式： n o = 0 0 0 0 7 h - 1 4 3 0 5( 2 - 1 1 ) 表2 - 4 某地区a 镜质体反射系数 井号顶深底深 r o 值测点数 某i 井 3 0 1 4 3 4 03 0 2 2 2 4 0 0 7 42 5 某j 井 3 0 9 4 4 0 03 0 9 4 4 3 00 6 52 9 某j 井 3 1 3 9 5 6 03 1 3 9 6 0 05 0 27 某k 井 3 4 2 3 0 0 00 6 85 某l 井 3 6 9 2 0 0 01 0 43 8 某m 井 3 6 9 3 6 0 0o 7 22 0 某m 井 3 6 9 3 8 0 0o 8 42 0 某l 井 3 7 7 2 0 0 01 1 61 9 某l 井 3 8 5 3 0 0 01 3 53 4 某l 井 3 8 5 7 1 5 038 5 7 2 0 03 1 9 2 8 某n 井 4 0 3 8 0 0 04 0 4 1 0 0 01 2 41 7 某n 井 4 0 3 8 1 6 0 4 0 3 8 2 0 00 9 43 3 某n 井 4 3 2 9 5 0 0 1 8 01 6 某h 井 4 4 3 3 0 0 01 5 11 0 某n 井 4 9 5 4 1 4 0 4 9 5 4 1 8 01 7 73 0 1 3 第二章煤系地层气源岩测井评价方法研究 图2 - 8 对数统计公式( 左) 与线性统计公式( 右) 应用以上建立的统计公式，对某a 井各煤层段的镜质体反射率进行预测，其 结果见表2 5 。表中心1 、2 、3 、4 分别是公式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 的计算结果。 表2 - 5 某a 井两煤层段镜质体反射率如 3 8 7 2 米处煤层段4 4 8 4 米处煤层段 r o 1 r ，2r ) 34r o 1 9 0 2r 0 34 0 7 6 2 0 7 2 9 1 2 8 1 i 1 4 90 8 5 30 7 8 21 7 0 91 5 1 9 0 7 6 20 7 2 91 2 8 l1 1 4 90 8 5 30 7 8 21 7 0 91 5 1 9 0 7 6 20 7 2 91 2 8 11 1 4 90 8 5 40 7 8 21 7 0 91 5 1 9 0 7 6 20 7 2 91 2 8 l1 1 4 90 8 5 40 7 8 21 7 0 91 5 1 9 0 7 6 30 7 2 91 2 8 l1 1 4 90 8 5 40 7 8 31 7 1 31 5 2 2 0 7 6 30 7 2 9 1 2 8 1 1 1 5 00 8 5 40 7 8 31 7 1 31 5 2 2 0 7 6 30 7 2 9 1 2 8 l 1 1 5 00 8 5 40 7 8 31 7 1 31 5 2 2 0 7 6 30 7 2 91 2 8 11 1 5 00 8 5 40 7 8 31 7 1 31 5 2 2 0 7 6 30 7 2 91 2 8 l1 1 5 00 8 5 40 7 8 31 7 1 31 5 2 2 根据以上统计公式对不同井预测的相同深度的都一样，仅考虑埋深，不考虑 沉积、构造等因素，增加了预测结果的不确定性。因此，本文提出利用地球物理测井 数据求得的煤层碳分含量，结合我国煤阶划分标准及实际地化分析资料来划分本区煤 阶( 见表2 6 ) 。 表2 - 6 研究区以碳分含量划分煤阶对应表 煤阶代码l i c o碳分划分界限煤阶 lv c 8 0 无烟煤 235 = v c = 8 0 烟煤 3 2 5 = v c 3 5 褐煤 4v c 1 2 时，其计算结果会 发生异常；而第二种方法则消除了m f 选值的麻烦，通过不断迭代估算m y ，而使其 精确，即得到的裂缝孔隙度更可靠。因此，优先选用第二种方法。 2 4 4 煤层渗透率评价 煤层的渗透性是制约煤层产气能力大小的关键因素，渗透率的确定至关重要。煤 层中的割理网格是流体渗流的通道，而基质孔隙则与渗透性关系不大，因此煤层渗透 率的评价以裂缝渗透率为主。 一、煤层渗透性的影响因素【5 0 】 l 、煤体结构 煤体结构是指煤层经过地质构造变动后煤的结构和构造的保留程度。煤层遭受的 构造破坏愈强烈，煤就愈碎、煤的原生结构和构造保留的也愈差，从而使煤的渗透性 大大降低。可见，煤体结构对煤层的渗透性有直接影响；通过对煤体结构的分析研究 可以从宏观上定性地预测煤的渗透性。 2 、割理系统的发育程度 大量研究表明，对割理系统的研究，可为煤层渗透性预测提供资料。割理发育程 度主要是指割理的密度( 或间距) 、长度、高度、裂口宽度等。它们的值愈大，煤层的 渗透性愈好。 3 、原地应力 煤层渗透率对地应力最为敏感，煤层渗透率随有效应力的增大而减小。地应力对 渗透率的影响既反映了上覆地层对煤层的垂向作用力，也反映了水平构造应力的作 用。 二、裂缝渗透率评价方法 定量评价煤层的裂缝渗透性，目前常用的方法是基于双侧向测井计算煤层裂缝的 开度与间距，进而得到煤层的裂缝渗透率。 与井眼相交的垂直裂缝的开度一般由下式估算： 办，= a c ( c , 4 1 0 7 )( 2 3 4 ) 2 7 第二章煤系地层气源岩测井评价方法研究 式中a c 为深、浅侧向测井的电导率差值，a c = 一q 上d = ( 1 r 脚- 1 耽d ) ， m s m ：办厂为裂缝开度，c m ；q 为侵入流体电导率，m s m 。 假设裂缝相互平行，由裂缝孔隙度和裂缝张开度估算裂缝间距如下： k = 乃，办 ( 2 3 5 ) 其中：为裂缝间距，c m ；，为裂缝孔隙度，小数表示。 关于煤层裂缝开度和间距与渗透性之间的定量关系，美国的s c o t t 5 1 1 曾经做过研 究。他将l u c i a ( 1 9 9 3 ) 针对裂缝型碳酸盐岩储层而建立的裂缝开度和间距与储层渗透 性之间的关系应用于煤层( 图2 1 7 ) ，即： k r ：竽( 8 4 4 x05)(2-36)4x 1 0 k r = ( 8 ) r l m 式中，k 为煤层裂缝渗透率，d ( 1 d = 0 9 8 6 9 2 3 x 1 0 。1 2 m 2 ) 。 1 0 0 扣 巡1 0 搬 制 翻 裂， 士h 隧 罩，j 2 0 0 3o 51 234587 裂缝j：度“m j 1 钐 夕 ， ，| ，。o ，7 3 ， 么 胙奠； 鬈葛瓢膦舞 嚣i | 分 夕 ，鬻 蕤缫 戮嚣涮 l 擀i ：! = i ：孝j ：； 黧；囊瑟