（地球探测与信息技术专业论文）煤层气储层测井评价方法研究.pdf

s t u d y o nw e l l l o g g i n g e v a l u a t i o nm e t h o d sf o r c o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d o n gw e i w u s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ng a n g h u a s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( h u ad o n g ) 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： 日期：厶，年月日 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 指导教师签名： 日期：2 0i f 年厂月7日 日期：舢，年厂月e l 摘要 随着当今社会对新能源需求的增加，煤层气资源的开发日益受到人们的重视。测井 资料具有准确、连续、可靠的特点，在煤层气储层评价中发挥着重要作用。 本文针对煤储层测井资料受扩径影响较为严重的问题，提出了一种基于扩径率的煤 层测井数据编辑校正方法，在一定程度上消除煤层扩径对测井资料的影响。通过分析研 究区煤层气储层测井响应特征，并结合岩屑录井资料建立了含煤地层岩性识别方法。以 研究区测井、录井及煤心实验测试数据为基础，分析总结了该区煤层煤质、煤阶、渗透 性及含气性特点及其影响因素，建立了煤层煤质、煤阶的地区性统计模型，并分别运用 煤系地层和非煤系地层的体积模型，计算地层组分含量。煤层气储集空间结构复杂，在 常规测井资料中选用了双侧向测井，利用迭代法计算煤层裂缝孔隙度，结合裂缝宽度， 进而评价煤层渗透率。基于包含温度和压力校正的兰氏等温吸附线方程预测煤层含气 量，同时分析了煤层含气量的影响因素，并建立了研究区煤层含气量的多参数非线性回 归预测模型。此外，本文还尝试了将b p 神经网络、支持向量机、遗传算法等人工智能 处理技术应用于煤层气储层测井评价，简化了储层参数建模过程，避免了合理选取解释 参数的难题，提高了储层参数预测精度。 基于上述方法，编制了相应的计算机程序，对研究区十余口井进行了煤层气储层综 合测井评价，取得了良好的实际应用效果。 关键词：煤层气储层，煤质分析，割理渗透率，含气量，遗传b p 神经网络 s t u d yo nw e ul o g g i n ge v a l u a t i o nm e t h o d s f o r c o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i r d o n gw e i w u ( g e o - d e t e c t i n o na n d i 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 yp r o f c h e ng a n g h u a a b s t r a c t w i t ht o d a y si n c r e a s i n gd e m a n df o rn e we n e r g ys o u r c e s ，c o a lb e dm e t h a n ed e v e l o p m e n t h a sb e e ng o tm o r ea t t e n t i o n w e l ll o n g i n gd a t a , 、) i ，i t hi t sa c c u r a c y , c o n t i n u a t i o n , a n dr e l i a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i re v a l u a t i o n b ea i m e da tt h ep r o b l e mt h a tt h ei n f o r m a t i o no nc o a lf o r m a t i o ni ss e r i o u s l ya f f e c t e db y t h eh o l ee n l a r g e m e n t , a ne d i t i n gc o r r e c t i o nm e t h o db a s e do ne x p a n d i n gr a t ei sp r o p o s e di n t h i sp a p e r , w h i c hc a ne l i m i n a t et h ei m p a c to fl o g g i n gd a t at os o m ee x t e n t b ya n a l y z i n ga n d s u m m a r i z i n gt h el o gr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a l b e dm e t h a n e r e s e r v o i ri nt h es t u d ya r e a , a c o a l b e a t i n gf o r m a t i o nl i t h o l o g yi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d w a se s t a b l i s h e dc o m b i n e d 、析t hc u t t i n g l o g g i n gd a t a b a s e do nw e l ll o g g i n gd a t a , c u t t i n gl o g g i n gd a t aa n dc o a l c o r et e s td a t a , t h i s p a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so f c o a lq u a l i t y ，c o a l r a n k ，g a sc o n t e n ta n dp e r m e a b i l i t yi nt h ea r e a , a n de s t a b l i s h e sr e g i o n a ls t a t i s t i c a lm o d e l s ， w h i c hc a nc a l c u l a t ep a r a m e t e r so fc o a lq u a l i t ya n dd i v i d ec o a lr a n ku s i n gl o gd a t a i na d d i t i o n ， c o a ls t r a t av o l u m em o d e la n dn o n - c o a ls t r a t av o l u m em o d e li sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h es t r a t a c o m p o n e n tc o n t e n t t h ec o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i rh a sc o m p l e xs p a c es 仃u c t u r e ，a n dt h ed u a l l a t e r a lr e s i s t i v i t yl o gw a ss e l e c t e df r o mr o u t i n el o g g i n gt od e c i d et h ec o a lf r a c t u r ep o r o s i t y a n dc r a c kw i d t h 丽t l lai t e r a t i v em e t h o d ，a n dt h e ne v a l u a t et h ec o a ls e a mp e r m e a b i l i t y t h i s p a p e ru s e sl a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o na d j u s t e db yt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r et o p r e d i c tc o a lg a sc o n t e n t ，a n dam u l t i - p a r a m e t e rn o n l i n e a rr e g r e s s i o np r e d i c t i n gm o d e lo fg a s c o n t e n ti se s t a b l i s h e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o a lb e dg a sc o n t e n t m o r e o v e r , t h i sp a p e ra l s ot r i e dt oa p p l ya r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s u c ha s b pn e u r a ln e t w o r k s ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e sa n dg e n e t i ca l g o r i t h m s ，t ot h ee v a l u a t i o no f c o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i r , w h i c hc a ns i m p l i f ym o d e l i n gp r o c e s s ，a v o i dr e a s o n a b l ys e l e c t i n g i n t e r p r e t a t i o np a r a m e t e r s ，a n di m p r o v et h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo f r e s e r v o i rp a r a m e t e r s b a s e do nt h ea b o v em e t h o d ，c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a mw a sd e v e l o p e d ，a n d c o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i rw a se v a l u a t e do fad o z e no fw e l l si nt h es t u d ya r e au s i n gw e l l l o g g i n gd a t a , w h i c hh a sa c h i e v e dg o o dp r a c t i c a lr e s u l t s k e yw o r d s ：c o a l b e dm e t h a n er e s e r v o i r , c o a la n a l y s i s ，c l e a tp e r m e a b i l i t y , g a sc o n t e n t , g e n e t i c 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内外研究进展2 1 2 2 存在的问题与难点4 1 3 本文的研究内容及技术路线5 1 3 1 主要研究内容：5 1 3 2 研究技术路线6 第二章煤层气及煤层气储层基本特征7 2 1 研究区概况7 2 2 煤层气储层特征8 2 2 1 煤的组成8 2 2 2 煤储层的孔隙和裂隙特征8 2 3 煤层气的成因9 2 4 煤层气的赋存状态及产出机理1 0 2 4 1 煤层气的赋存状态1 0 2 4 2 煤层气的等温吸附特性1 0 2 4 3 煤层气的产出机理1 3 第三章含煤地层测井响应特征及其识别方法1 5 3 1 含煤地层测井响应特征1 5 3 1 1 煤层测井响应特征1 5 3 1 2 研究区地层岩性特征1 6 3 2 支持向量分类机识别地层岩性1 7 3 2 1 支持向量分类机基本理论1 7 3 2 2 支持向量机参数优选1 9 3 2 3s v c 测井岩性识别软件设计2 0 第四章煤层煤质及煤阶的测井评价2 3 4 1 统计模型法计算煤质参数2 3 4 1 1 灰分含量与自然伽马相关性机理分析2 3 4 1 2 灰分含量与体积密度相关性机理分析2 3 4 2 体积模型法计算煤质参数2 4 4 3 遗传神经网络评价煤质参数2 5 4 3 1 遗传算法优化b p 神经网络权值及阈值2 5 4 3 2g a - b p 神经网络在煤质测井评价中的应用2 6 4 3 3g a - b p 神经网络储层参数预测软件设计2 6 4 4 煤层煤阶的划分2 7 第五章煤层孔、渗参数的测井评价3 0 5 1 煤层孔隙度的测井评价3 0 5 1 1 双侧向迭代法计算裂缝孔隙度3 0 5 1 2 数值模拟法计算裂缝孔隙度3 2 5 2 煤层渗透率的测井评价3 3 5 2 1 煤层割理宽度的计算3 3 5 2 2f - s 法计算裂缝渗透率3 4 5 2 3 达西定律法的计算裂缝渗透率3 4 5 2 4g a - b p 神经网络预测煤层总渗透率3 6 第六章煤层含气量的测井评价3 7 6 1 煤层含气量及其影响因素3 7 6 2 基于测井资料计算煤层含气量3 8 6 2 1k i m 方程及其修正形式3 8 6 2 2 吸附等温线法计算煤层吸附气量3 9 6 2 3 多元统计回归法计算煤层含气量4 0 6 2 4 支持向量机预测煤层含气量4 0 第七章研究区煤储层测井评价实例4 2 7 1 测井资料的预处理4 2 7 1 1 测井曲线深度校正4 2 7 1 2 煤层扩径影响校正4 3 7 1 3 测井资料标准化4 6 7 2 含煤地层岩性识别4 9 7 3 煤层煤质及地层组分分析5 3 7 3 1 统计模型法评价煤层煤质5 3 7 3 3 遗传b p 神经网络法评价煤层煤质5 6 7 3 2 体积模型法进行煤质及地层组分分析5 7 7 4 煤层孔、渗特性的测井评价5 9 7 5 煤层含气量的测井评价6 3 7 5 1k i m 方程法及吸附等温线法计算含气量6 3 7 5 2 多元统计回归法计算含气量6 6 7 5 3 支持向量机预测含气量6 8 7 6 煤层及其顶底板分析7 0 7 7 煤层气储层测井综合评价图7 2 结论7 4 参考文献7 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 9 致谢8 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究的目的及意义 煤层气俗称煤层甲烷或煤层瓦斯，是有机质在煤化作用过程中生成的、主要以吸附 状态赋存于煤层及其围岩中的可燃气体，其主要成分是甲烷，其次为二氧化碳、氮气等。 煤层气是一种自生自储式的天然气资源，与石油及常规天然气藏有所区别，故称为非常 规天然气。 在过去的几十年里，作为一种新型绿色能源，煤层气资源受到世界各国的重视，许 多国家相继加大了对煤层气资源的勘探开发力度。美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯及 英国等国家是较早的将煤层气作为天然气能源进行开发和利用的国家。其中，美国是世 界上开采煤层气最早、煤层气商业性开发最为成功、也是产量最高的国家。 我国煤层气资源丰富，分布广泛，图1 1 为我国主要含气区煤层气资源分布情况。 但是，由于我国煤层气勘探开发尚处于起步阶段，煤层气勘探程度普遍偏低。煤岩的组 成组分较为复杂，且各组分含量变化较大，被认为是最复杂的岩石，加之其基质孔隙 裂缝的双重孔隙系统，共同导致煤层具有很强的非均质性，这给测井解释带来了更大的 多解性和不确定性。 乒3 0 0 0 0 o 罂2 0 0 0 。 妪 旷 遗1 0 0 0 0 蝼 0 铆誓梦搿意誓意 图i - i 我国主要含气区带煤层气资源分布直方图( 据张新民等，2 0 0 3 ) 测井方法被广泛应用于煤层气勘探开发过程，主要用于划分煤体宏观结构( 确定煤 层深度、厚度及夹矸层等) ，进行煤质分析，确定煤体的物理参数( 孔隙度、渗透率、 地层孔隙压力及温度等) ，以及结合室内煤心分析化验资料计算煤层含气量等。目前， 第一章前言 我国煤层气测井评价水平整体较低，加强对煤层气储层测井评价的基础研究工作，提高 煤层气储层测井解释精度，对我国煤层气资源的开发和利用具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究进展 ( 1 ) 煤层气测井数据采集方面。目前，我国尚没有专门针对煤层气储层评价的测 井方法和仪器设备，基本还是使用常规油气藏测井技术。常用的测井方法包括自然伽马、 井径、井温、补偿密度、补偿中子、声波时差、深浅侧向以及微球形聚焦电阻率测井等。 与常规天然气储层相比，煤层气储层具有明显的测井响应特征，即低密度、低伽马、低 俘获截面、高中子、高声波时差、高电阻率等。其中，体积密度测井是识别煤层的首选 测井方法。对于关键井，还应加测伽马能谱、偶极子声波( 或阵列声波) 、微电阻率扫 描成像测井等，从而可以更加准确地进行煤质、孔渗、地层机械性能分析。 ( 2 ) 煤层识别方面。煤层的划分是煤层气储层评价的前提，通常使用体积密度测 井划分煤层厚度。侯俊生( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 等【l 】提出利用自组织神经网络、b p 神经网络、 模糊判别分析等方法，综合利用多条测井曲线，实现煤层气储层自动识别和划分。乌洪 翠( 2 0 0 8 ) 掣2 】借鉴c r a 程序思想，利用中子密度交会三角形实现了煤系地层的自动 划分。潘和平( 1 9 9 3 ) 等 3 1 将常规天然气储层识别方法应用于煤层气储层，包括电阻率 比值法、孔隙差异法、空问模量差比法以及声波差值法等方法。 ( 3 ) 煤质分析方面。煤的工业分析组分包含灰分、固定碳、挥发份和水分四部分， 通常是在实验室测试获得。测井方法引入煤炭及煤层气资源的勘探开发过程中后，人们 开始使用测井资料评价煤质。早在上世纪八十年代末，哈里伯顿公司的m j m u l l e n 在对 美国新墨西哥州和科罗拉多州圣胡安盆地煤层气资源进行勘探过程中，就研究过煤心实 验分析资料与测井响应资料的相关关系，并建立了地区性的评价煤质及煤层含气量的测 井解释模型，取得了较好的应用效果1 4 。九十年代初，斯伦贝谢公司的u a h m e d 等【5 】 人又提出将地球化学测井应用于煤层煤质及含气量的评价，从而提高了测井解释煤质组 分含量的精度。在煤质分析方面，国内的学者也做了大量尝试，高绪晨等f 6 j ( 2 0 0 3 ) 详 细分析了煤层体积组分模型，并提出各组分测井响应参数的获取方法；孙耀庭等1 1 q ( 2 0 0 5 ) 利用煤层刻度测井计算灰分含量，建立了煤岩实测灰分含量与测井参数的经验关系；胡 素华等【8 1 ( 2 0 0 8 ) 提出分别针对煤系地层及非煤系地层的体积模型；董红等1 9 ( 2 0 0 1 ) 采用统计分析法( 多元线性回归) 建立辽河油田东部凹陷煤层煤组分、煤阶测井解释模 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 型：孙新华【l o 】( 1 9 9 1 ) 提出基于电阻率测井、密度测井以及物质平衡方程的c w a 法计 算煤质参数，并将最优化测井解释方法引入到煤质评价中；满建康1 1 1 1 ( 2 0 0 8 ) 、吴东平 1 1 2 ( 2 0 0 0 ) 、侯俊胜等( 1 9 9 9 ) 分别采用模糊数学、人工神经网络技术等现代非线性 方法进行煤质评价，避免了选取煤层组分测井响应参数的难题。 ( 4 ) 煤层孔、渗物性评价方面。o f a i v r e 和a m s i b b i t ( 1 9 8 5 ) 两位学者利用有限 元数值模拟法，得到裂缝性地层双侧向测井响应方程，并提出裂缝宽度( 裂缝张开度) 及裂缝渗透率的计算公式【1 4 1 。d a r r e l lh o y e r ( 1 9 9 1 ) 将上述方法应用于煤层，并用交会 图技术证实了用双侧向电阻率测井资料计算煤层裂缝宽度的有效性。r a g u i l e r a 1 6 1 ( 1 9 9 4 ) 针对煤层气储层特点，基于煤层柱状体积模型( 火柴棒模型) ，提出一种利用 双侧向电阻率测井资料计算煤层裂缝孔隙度的迭代方法，该方法可以自动确定裂缝孔隙 度指数，从而避免了人工难以合理选取的难题。国内方面，杨东根【l 7 】( 2 0 1 0 ) 利用三维 有限元分析法针对煤储层进行了双侧向测井数值模拟，得到了煤层裂缝孔隙度数值计算 模型。陈振宏等【1 8 】( 2 0 0 8 ) 尝试将核磁共振方法应用于煤样的孔隙度和渗透率实验室测 试中。测试结果表明，核磁共振法煤样孔渗的测试结果与其实测结果能够很好的匹配， 说明了此法的可行性。 ( 5 ) 煤层含气量评价方面。煤层含气量通常是将井场钻取的煤心放入密封罐，在 实验室用解析仪测得的。此外，还可以根据测井资料及等温吸附理论估算。 早在1 9 7 7 年，k i m ，a g 【1 9 】就曾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( 称为m 方程) 。该方法首先利用测井资料计算煤质组分含量，再根据固 定碳含量与挥发份含量的比值确定等温吸附参数，进而预测煤层含气量。1 9 9 2 年，j m h a w k i n s 、r a s c h r a u f n a g e l 和a j o l s z e w s k 三人使用了与k i m ，a g 提出m 方程相同 的数据集，结合l a n g m u i r 吸附等温理论，共同提出了计算煤层含气量的兰氏煤阶方程。 该方法将兰氏常数( 兰氏体积和兰氏压力) 与煤质组分参数联系起来，并包含了对煤层 灰分、水分、温度和压力的校正，使得计算的含气量更加准确。a k b h a n j a 等1 2 0 j 在研究 印度j h a r i a 和b a r m e r - s a n c h o r e 煤田煤层含气量和测井参数的相关关系时，提出了一个 新的复合参数c = a t ( 见x 见g r ) ，它与煤层含气量之间具有很好的线性关系。 u a h m e d 等【2 l 】提出了一种利用元素俘获谱测井及体积密度测井计算煤层含气量的方法。 国内方面，潘和平等【2 2 通过分析华北地区煤样煤质、含气量实验测试资料以及响应 的测井资料，发现煤层含气量与煤层温度、压力及碳分、灰分含量具有密切关系，并建 立了煤层含气量的估算方法。高利民、谭延栋等【2 3 】提出利用煤层气储层背景值计算含气 3 第一章前言 量的新方法。连承波、赵永军等t 2 4 1 将支持向量机引入煤层含气量的评价中。董红【2 5 1 、刘 效贤口6 】、高绪晨 2 7 1 、葛祥f 2 8 1 等也都探讨过利用多元线性回归方法预测煤层含气量。 ( 6 ) 测井新技术应用方面。张莉莉等 2 9 1 ( 2 0 0 9 ) 提出采用了多种成像测井新方法 对沁水煤层气田郑庄区块煤层气储层进行了综合评价：利用微电阻率扫描成像测井的高 分辨率特点进行煤层内部结构的分析和精细描述，分析煤层及其顶底板裂缝发育状况； 利用核磁共振测井实现煤层及其顶底板孔、渗物性的定量评价；利用交叉偶极子阵列声 波测井提取的纵波、横波、斯通利波信息，计算杨氏模量、弹性模量、泊松比等岩石力 学参数，从而分析评价煤层力学特性及井眼稳定性，为钻井、压裂及开采等方面提供参 考依据。 美国斯伦贝谢公司是世界上著名的跨国石油服务公司，在煤层气资源的勘探开发领 域一直处于国际领先水平。在煤质评价方面，该公司根据岩性密度，中子和自然伽马测 井资料进行煤质近似分析，在密度及其它测井资料受井眼的影响比较大的情况下，配合 使用元素俘获谱测井( e c s ) 进行煤质组分评价，从而消除了扩径的影响，提高了煤质 分析精度；在含气量估算方面，根据煤质近似分析结果评估煤级，再根据煤级、压力、 温度和适当的吸附等温线确定含气量。 1 2 2 存在的问题与难点 ( 1 ) 煤的机械强度比较低，造成煤层的钻井扩径比较严重，使得一些需贴井壁测 量的测井方法产生较大误差，这限制了核磁共振测井的使用，同时也给煤心物性的实验 室测量带来了困难。 ( 2 ) 目前，尚无针对煤层气储层复杂双重孔隙介质系统的定量计算煤储层孔、渗 参数的评价方法，现今评价方法大多依赖于双侧向电阻率测井，其计算方法也只是将碳 酸盐岩等裂缝性地层裂缝参数的计算方法搬到煤层使用，煤层孔隙度和渗透率的评价精 度还有待提高。 ( 3 ) 煤层气含量的多少所引起的测井响应的差异非常小，很难直接利用测井资料 计算煤层含气量。目前，只能通过间接手段估算含气量，如建立含气量与测井参数之间 的回归统计关系或基于兰格缪尔吸附等温线预测含气量等。含气量的回归公式具有地区 局限性，很难广泛使用，且估算含气量的精度还有待提高。另外，由于煤层气绝大多数 是以吸附状态存在于煤层微孔表面中的，只有少部分以游离状态存在于煤层孔隙及割理 中，因而煤层的含气量与孔隙度之间不再具有紧密的相关性，加大了煤层含气量的评价 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的难度。 1 3 本文的研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容： ( 1 ) 测井资料的预处理方法研究 内容包括：测井曲线深度校正、煤心资料的深度归位、煤层扩径校正、测井曲线的 标准化处理等。其中，煤层扩径影响校正是预处理方法研究的重点。 ( 2 ) 煤层测井响应特征及其识别方法研究 总结煤层气储层测井响应特征，研究含煤地层的岩性识别方法。本文将着重探讨支 持向量分类机技术在测井岩性识别中的应用。 ( 3 ) 煤层气储层煤质参数的测井评价方法研究 分别探讨煤层体积模型法、统计模型法和人工神经网络模型法计算煤储层煤质参 数。 ( 4 ) 煤层气储层孔隙度、渗透率解释模型研究 总结归纳裂缝性储层孔、渗物性测井评价方法，针对煤层气储层复杂的双重孔隙系 统的特点，初步建立煤层孔隙度、渗透率测井解释模型。 ( 5 ) 探索煤层气储层含气量解释模型 探讨兰格缪尔吸附等温理论在预测煤层含气量方面的应用；以研究区煤心测试资料 及测井资料为基础，研究煤心实测含气量与测井参数的相关性，并建立研究区煤层含气 量的多元回归预测模型；探索使用支持向量回归机预测煤储层含气量。 ( 6 ) 研究区实际资料的处理与评价 5 第一章前言 1 3 2 研究技术路线 本文研究技术路线如下( 图1 - 2 ) - 测井资料预处理 深度校正煤层扩径校正 标准化处理 关键井研究 煤层测井响 应特征及其 识别方法研 究 煤质、煤阶参 数与测井参 数相关性分 析 双侧向测井 资料在煤层 孔、渗参数评 价的应用 等温吸附方 程、支持向量 机预测煤层 含气量研究 非线性处理 技术在煤层 测井评价中 的应用 基于支持向量分类 机的含煤地层岩性 识别技术 煤层气储层测井评价方法 煤气层储层参数定量 评价方法( 基于煤层 体积模型、统计模型 及神经网络模型) 煤层气储层煤 质、煤阶测井评 价方法 煤层气储层孔 隙度、渗透率测 井评价方法 非煤系储层参数评 价方法( 以含特殊 岩性的砂泥岩剖面 处理) 煤层气储层含 气量测井评价 方法 成果输出 图1 2 煤层气储层测井评价技术流程图 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章煤层气及煤层气储层基本特征 2 1 研究区概况 研究区位于沁水盆地东北部，构造上位于阳泉寿阳单斜带、东部单斜带以及榆社 武乡构造带交汇地区。该区块以褶皱构造为主，地层走向总体显示为北北东，倾向北西 西，区内地层平缓。 区块内及周边赋存的地层有第四系全新统、更新统；新生界新近系上新统；三叠系 中统二马营组、和尚沟组、刘家沟组；二叠系上统石千峰组、上石盒子组、下统下石盒 子组、山西组；石炭系上统太原组、中统本溪组；奥陶系中统峰峰组、上马家沟组、下 马家沟组。主要含煤地层为二叠系、石炭系。 本区块发育煤层1 7 层，其中山西组6 层，自上而下编号为1 、2 、3 、4 、5 、6 号煤 层；太原组共1 l 层，自上而下编号为8 上、8 、9 上、9 、1 1 、1 2 、1 2 下、1 3 、1 4 、1 4 下、 1 5 号煤层。其中，太原组1 5 号煤层是煤层气勘探的主要目标。研究区取芯显示：1 5 号 煤层变质程度高，煤级为贫煤至无烟煤，宏观煤岩类型主要为半亮半暗型，黑色，黑 色划痕，玻璃光泽，色泽较亮，质纯，性脆，轻微污手。 煤层实钻埋深及厚度对比表明该区煤层埋深符合东南浅，西北深的趋势。3 号煤层 厚度普遍较薄、变化较大，分布不稳定。1 5 号煤层则普遍厚度大，分布稳定，变化不大。 据煤层瓦斯含量及成分统计显示，该区块煤层气含量较高，但含气量变化较大。在 平面上，3 号煤层含气量总体呈东低西高的变化趋势；1 5 号煤层含气量东低西高的变化 趋势则不明显，表现出南北向的分带性特征，即南部、北部较低，中部较高的分布特征。 在垂向上，煤层含气量变化规律不明显，甚至出现1 5 号煤层含气量小于3 号煤层含气 量的异常表现。 该区煤层气气体组分分析显示甲烷含量高，达到9 5 以上，煤层气质量好，显微组 分结果显示煤层煤岩显微组分均以镜质组为主，镜质组含量基本达到7 0 以上，其次为 惰质组和壳质组，显示煤储层物性较好，生气潜力很大。 该区块各主要煤层的顶底板岩性多为泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩类，属于封闭 性能较好的岩层，且泥岩、砂质泥岩多致密，节理、裂隙不发育，具有很好的封盖能力， 利于煤层气的储存。 7 第二章煤层气及煤层气储层基本特征 2 2 煤层气储层特征 2 2 1 煤的组成 煤是由无机质和有机质两大部分组成的。无机质包括矿物杂质( 粘土矿物、石英、 长石等) 和水分；有机质为复杂的高分子有机化合物，主要由c 、h 、o 、n 、s 、p 等 元素组成。其中，c 、h 、o 三者总和约占有机质总量的9 5 以上，是煤的主要组成元 素。有机质的元素组成会随煤的变质程度的变化而变化。一般来说，随着煤化程度的加 深，碳的含量增高，氢、氧的含量降低，氮的含量也会有所降低，有机质含量整体增高。 煤中硫可分为有机硫和无机硫两大类，其含量与煤化程度没有太大联系，而与煤的成因 类型有关【3 0 1 。 2 2 2 煤储层的孔隙和裂隙特征 煤层既是煤层气的产气源岩，又是其储集层。煤储层是一种双重孔隙介质结构，包 含基质孔隙和裂隙孔隙，且具有独特的割理系统刚。 基质微孔隙发育于煤体基块中，具有极大的内表面积，是煤层气主要的储集空间。 按其孔径大小可分为：大孔( 5 0 n m ) 、中孔( 2 n m 5 0 n t o ) 、过渡孔 ( 0 8 n m 2 n m ) 和微孔( 0 8 n m ) 。煤的基质孔隙特征受控于煤化程度、显微 组分、矿物含量以及煤体结构等因素口2 1 。 割理是煤层在煤化、岩化以及构造作用等一系列过程形成的内生裂隙系统，按其延 伸长度不同分为面割理( 连续性较强、延伸较远) 和端割理( 分布于面割理之间) ，如 图2 1 所示。煤储层割理系统是流体产出的主要渗流通道，是影响煤渗透率的重要因素。 割理的发育程度受煤阶、煤岩组分、显微组分、煤层厚度以及煤体结构等因素影响【3 3 】。 酬理 d 一 图2 - 1 煤层割理系统示意图( 据a h m e da i - j u b o r i 等，2 0 0 9 ) 8 愿躐罐 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 煤层气的成因 煤层气是煤层在漫长的煤化作用过程中与煤共生的、主要以吸附状态赋存于煤系地 层中天然气资源。煤层气的主要成分是甲烷，另外，还有少量重烃( c 2 + ) 和其它气体 ( n 2 、c 0 2 、h 2 及惰性气体等) 。其成因类型包括生物成因、热成因、混合成因和无机 成因四类，其中，生物成因和热成因是煤层气的主要成因类型【蚓。 1 ) 生物成因气。是在微生物作用下，有机质( 泥炭等) 发生降解而形成的煤层气， 根据其形成阶段，可分为早期生物成因气和次生生物成因气。生物气形成需具备以下三 个条件：具备丰富的有机质作为产气的物质基础；具备微生物( 甲烷菌等) 生存和 繁殖的环境条件；具备发生生物化学反应所需的外界条件，如温度、压力、氧气浓度 等。早期生物成因气主要形成于低煤化程度阶段( 粕 0 5 ) ，次生生物成因气形成于煤 层发生抬升后，煤阶越低，越有利于次生生物气的生成。 2 ) 热成因气。随着煤层埋深的加深，温度和压力随之增加，煤的变质程度不断增 强。当进入长焰煤一瘦煤阶段( 0 5 r o ，。 ，。_ 恻能 r 莲 j 蕾 昏 3 空气干燥基干燥无灰基 v 夕 ot234荸e78a 压力pim p a 图2 4 研究区a l 井1 5 号煤层煤样实测等温吸附线 实验结果表明，煤层的吸附能力受煤的变质程度( 煤阶) 、温度、压力及水分含量 的影响较为明显。一般情况下，煤层最大吸附气量随煤的变质程度的增强而增大，如图 2 5 所示。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 露戤 瑟憾 摹联 萎我 域 菇找 = 毒 蠢戥 矿 蠹 c 。 一一，一 厂，二 ，- ，一 _ _ _ 一 ( 一 一= 萼碍发缮爆l r l ， 一 矿。 一赛? 妻发压磊矗 一 甍零发短蔗j l 压力。簿i 鑫 图2 5 相同温度下不同变质程度煤的等温吸附线( 据a h m e da i - j u b o r i 等，2 0 ) 2 4 3 煤层气的产出机理 煤层气的产出过程大致可分为以下三个阶段f 3 8 4 川( 图2 6 ) ： 离开并筒的距离 t 勇 1 0 相 对 渗 透 率 0 0 图2 - 6 煤层甲烷产出的三个阶段 ( 1 ) 单相流动阶段：在煤层气开采的过程中，煤储层压力会不断降低。在储层压 力达到临界解吸压力之前，煤层气不会发生解吸，煤层水会由裂缝( 割理) 系统进入井 筒排除，此时产出液均为水，这个阶段称为单相流动阶段。 ( 2 ) 非饱和单相流动阶段：随着煤层水的不断排出，储层压力进一步下降，当其 下降到低于临界解吸压力时，甲烷分子开始从煤颗粒表面解吸，形成游离气( 图2 7 ) 。 煤层气解吸后，由于浓度差的存在，会使其由基质向割理系统扩散。在解吸的初期，由 1 3 第二章煤层气及煤层气储层基本特征 于气泡的产生，会使水的相对渗透率下降，但由于气泡数量有限，还不能形成连续的气 体流动，这一阶段称为非饱和单相流动阶段。 解析前解吸时 图2 - 7 煤层解吸过程照片( 据j o h np o p e ，2 0 0 6 ) ( 3 ) 气、水两相流动阶段：随着压力的更进一步降低，大量的气体从煤基质中解 析出来，并扩散至裂缝系统，由于压差的存在，引起气体沿裂缝向井筒流动。水中溶解 气达到饱和，气泡互相连接，形成连续气流。此时，气水两相同时产出，这一阶段称为 气、水两相流动阶段。煤层气运移过程如图2 8 所示。 气体从煤颗粒内 表面解吸气蔫磊蒿毒尹和 囊童藉金尹篱器 微孔扩散 缝( 割理) 网络 图2 8 煤层气运移过程示意图( 据a h m e da i - j u b o r i 等，2 0 0 9 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章含煤地层测井响应特征及其识别方法 3 1 含煤地层测井响应特征 3 1 1 煤层测井响应特征 总体来说，煤层测井响应特征较为明显，主要表现为“四高四低 的特点，即自然 伽马低、自然电位低或特征不明显、补偿密度低、光电俘获截面指数低、井径扩径大、 补偿中子高、声波时差大、视电阻率高。上述特征是识别煤层及确定煤层厚度的主要依 据。图3 1 为研究区典型煤层测井响应特征。 岩哟眚示曲线电阻辜曲线孔磙受曲线 自然耄位器镌向鱼鞋宰 补偿中干 深0(api) 5 01 0 围麟j 2 0 0 06 0 e 奄l o 忡 浚囊舟垒陬睾 6 0 0 黼1 0 0 攀 1 5 厘米j 6 0 6 0l ot 萄强鲥t 2 0 0 0啦 阵 度自然马 徽孽电器辜 lf 克抵30 ( a p i 2 5 01 0 i 亩0 刚 2 0 0 0 | 1 s ，。k _ r 厂 二 ， ) ： 、 ： ： e ! 一 ， j o 、， 【 ， 1 ， 一 n ， 哼 cz 、 ， l 一 。气， i ( 1 i 、 砧l 1 1 ： 一 ， 、 ， r 一 _ ，一 ， 、， _ r - ，肇 - - 、 一 o 疆 h ， 【j l f 2 ， 、 ， j i ：jl t ， ：j 一 第三章含煤地层测井响应特征及其识别方法 表3 - 1 研究区l o 口井煤层测井响应特征统计表 统计g rc a ld e nc n la cr l l dr l l s 参数( a p i )( c m )( g c l t l 3 ) u )( u s m )( q m )( q m ) 最小值 1 0 5 2 2 3 1 1 21 9 23 l o 43 8 63 0 8 最大值1 6 5 35 3 42 3 87 2 1 6 0 8 28 3 5 7 4 8 0 8 3 6 中位数 5 9 82 7 41 5 9 4 8 14 1 8 42 7 1 5 2 3 1 5 平均值 6 4 22 9 31 5 64 8 44 0 8 27 7 1 36 5 1 9 3 1 2 研究区地层岩性特征 岩屑录井资料表明，研究区地层主要岩性为泥岩、粉细砂岩、粗砂岩、泥质砂岩、 砂质泥岩