（地球探测与信息技术专业论文）煤心刻度测井技术及测井响应特征研究.pdfVIP

r e s e a r c ho nc o a lc o r e - s c a l el o g g i n g t e c h n i q u e a n dl o g r e s p o n s ec h a r a c t e 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 ：y a n gd o n g g e n s u p e r v i s o r ：p r o f f a ny i r e n c o l l e g eo f g e o - r e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o n c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 5 3舢08 7m7，iiii洲y 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：聿幻量! 翌譬日期：加汐年易月7 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：盔丛童：韭 指导教师签名： 日期：加乃年占月7 同 r 期：加汐年多月7r 摘要 煤层气是一种由煤层生成、主要以吸附状态储集于煤层中的非常规天然气，煤层气 储层的非均质性复杂程度及勘探难度远远超出其它常规的油气型储层。煤心刻度测井技 术研究是煤层气储层测井评价方法研究的重要基础和前提。针对煤层气储层性质、吸附 气的测井响应特征不敏感的特点，实施煤心刻度测井技术，在以煤心的实验室分析基础 之上，针对性地实施不同煤质、煤阶的煤心的煤质、煤阶以及含气量参数的实验测量数 据分析，结合测井响应特征，提取煤层气储层测井特征参数，建立煤岩储层参数解释模 型。 以和顺地区的煤心实验数据为基础，总结该区的煤质、煤变质程度以及含气量的主 要分布特征，分析煤岩岩性、物性以及含气性之间的关系。得到煤工业组分中灰分含量 与固定碳含量、水分和挥发分之间线性关系；煤岩变质程度与煤质组分之间的线性关系。 结合该区的测井响应特征，提取对煤层气储层参数反应敏感的测井参数如d e n 、g r 、 三孔隙度曲线、电阻率曲线，利用统计回归分别建立了储层识别方法、煤工业各组分含 量、煤阶( 镜质组反射率) 以及含气量的测井评价方法。验证该方法在和顺地区的适用性， 并指出了该方法的区域局限性。 针对煤层气储层裂隙发育特点，利用三维有限元方法，系统地进行储层裂隙双侧向 测井响应的数值模拟研究。展开单一裂隙、交叉裂隙以及裂隙组的双侧向测井响应数值 模拟，分析得到双侧向响应随着裂隙张开度的增大而减小、随基岩电阻率的增大而增大、 随裂隙内流体电导率以及裂隙孔隙度增大呈现线性减小的关系、随侵入半径和井眼尺i ， 增大而减小、随着裂隙倾角变化而变化的响应特征，总结双侧向响应随不同影响因素的 变化规律。 通过大量储层裂隙双侧向测井响应的数值模拟，总结利用双侧向资料计算裂隙孔隙 度和渗透率的计算方法。用计算得到的裂隙孔隙度值与模型裂隙孔隙度值进行对比，验 证其正确性。并对实际资料进行处理，处理结果与煤心描述一致。由于煤心实验物性测 量开展难度很大，没有搜集到该地区的煤心孔隙度、渗透率资料来定量验证。故该方法 的实际效果还有待于进一步考证。 关键词：煤层气，煤心刻度测井，裂隙孔隙度，双侧向 r e s e a r c ho nc o a lc o r e s c a l el o g g i n g t e c h n i q u e a n d l o g g i n gr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c y a n gd o n g g e n ( g e o d e t e c t i o n a 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 yp r o f f a ny i r e n a b s t r a c t c b m ，a st h eu n c o n v e n t i o n a ln a t u r a lg a s ，i sg e n e r a t e db yc o a la n dm a i n l ya d s o r b e di nt h e c o a lr e s e r v o i r t h ec o m p l e x i t yo fh e t e r o g e n e i t yi nc b mr e s e r v o i ra n dt h ed i f f i c u l t yw h i l e e x p l o r i n ga r ef a rb e y o n dt h o s ei nc o n v e n t i o n a lr e s e r v o i r t h et e c h n i q u eo fc o a lc o r e s c a l e l o g g i n gi st h ei m p o r t a n tb a s i sa n dp r e r e q u i s i t eo fl o g g i n ge v a l u a t i o nf o rc b mr e s e r v o i r , w h i c hi si m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t yo fc b mr e s e r v o i ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f i n s e n s i t i v el o g g i n gr e s p o n s eo f a b s o r b e dg a s b a s i n go nt h ee x p e r i m e n ta n a l y s i so fc o a lc o r e ， t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o a lq u a l i t y , c o a lr a n k ，a n dg a sc o n t e n t b yc o m b i n i n gt h el o g g i n g r e s p o n s e ，t h el o g g i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fc b mr e s e r v o i r a r ee x t r a c t e da n dt h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r p r e t a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d b yr e f e r r i n gt ot h ec o a lc o r ee x p e r i m e n td a t ai nh e s h u n ，t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fc o a lq u a l i t y , c o a lm e t a m o r p h i cg r a d ea n dg a sc o n t e n ta r es u m m a r i z e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl i t h o l o g y , p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dg a s b e a r i n gp r o p e r t i e si sa n a l y z e d t h e nt h el i n e a r r e l a t i o n s h i p sb e t w e e na s h c o n t e n ta n df o x e dc a r b o nc o n t e n t ，w a t e rv o l u m ea n dv o l a t i l em a a e l c o a lm e t a m o r p h i cg r a d ea n dc o m p o n e n to fc o a la r eo b t a i n e d u s i n gl o g g i n gr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c ，l o g g i n gp a r a m e t e r so fc b mr e s e r v o i r , s e n s i t i v et or e s e r v o i rp a r a m e t e r ss u c ha s d e n ，g r ，t r i p o r o s i t ya n dr e s i s t i v i t yc u r v e s ，c a nb ee x t r a c t e d w i t hs t a t i s t i c a lr e g r e s s i o n ，t h e r e s e r v o i rr e c o g n i t i o nm e t h o d s ，l o g g i n ge v a l u a t i o nm e t h o d so fc o m p o n e n tc o n t e n to fc o a l ， c o a lr a n ka n dg a sc o n t e n ta r ef o u n d a n dt h es u i t a b i l i t yo ft h e s em e t h o d si nh e s h u ni s v a l i d a t e d ，a l s ow i t ht h e i rl i m i t a t i o ni nt h i sr e g i o nb e i n gp o i n t e d a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i co ff r a c t u r ei nc b mr e s e r v o i r ，t h er e s p o n s e o fd u a ll a t e r o l o gi ss y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t e dw i t ht h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd u a ll a t e r o l o gr e s p o n s eu n d e rc o n d i t i o n so fs i n g l ef r a c t u r e ，c r o s s f r a c t u r ea n df r a c t u r eg r o u pi sp r o c e e d e d i ti sf o u n dt h a tt h er e s p o n s eo fd u a ll a t e r o l o g r e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n gf r a c t u r eo p e n n e s s ，l a r g e ri n v a s i o nd i a m e t e ro rb o r e h o l es i z e ， i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gb l o c kr e s i s t i v i t y , a n ds h o w sar e l a t i o n s h i po fl i n e a r l yd e c l i n i n g w i t ht h ei n c r e a s i n gf l u i dc o n d u c t i v i t yi nf r a c t u r ea n df r a c t u r ep o r o s i t y t h ec h a r a c t e r i s t i c w h i l ef r a c t u r ed i pi sc h a n g i n gi sa l s os t u d i e d t h ec h a n g i n gr u l e so fd u a ll a t e r o l o gu n d e r d i f f e r e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r sa r eg e n e r a l i z e di nt h i sp a p e r c a l c u l a t i o nm e t h o do ff r a c t u r ep o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t yu s i n gd u a ll a t e r o l o gi so u t l i n e d t h r o u g hl o t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f d u a ll a t e o l o go ff r a c t u r e t h ea c c u r a c yi sp r o v e db y c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e df r a c t u r ep o r o s i t ya n dt h ep o r o s i t yf r o mm o d e l a n dt h ep r a c t i c a l l o g g i n g d a t a p r o c e s s i n g r e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t hc o a lc o r ed e s c r i p t i o n a sc o a l c o r e e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ti sv e r yd i f f i c u l t ，t h e r ei sn od a t ac o l l e c t i o no fc o a lc o r ep o r o s i t y a n dp e r m e a b i l i t yf r o mt h i sr e g i o nf o rq u a n t i t a t i v ev a l i d a t i o n t h e r e f o r e ，t h ep r a c t i c a le f f e c to f t h i sm e t h o dn e e d st ob ef u r t h e rv e r i f i e d k e yw o r d s ：c o a l b e dm e t h a n e ，c o a lc o r e - s c a l el o g g i n g ，f r a c t u r ep o r o s i t y , d u a ll a t e r o l o g 目录 第一章前言1 1 1 研究的意义1 1 2 国内外的现状2 1 2 1 煤层气测井数据采集技术研究现状2 1 2 2 煤层气储层定性识别研究现状3 1 2 3 煤层气储层参数定量解释研究现状3 1 3 存在的难点及问题5 1 4 研究的主要内容、目标及技术路线6 1 4 4 主要内容6 1 4 2 采取的研究方法7 1 4 3 技术路线7 第二章煤层气储层地质及测井响应特征9 2 1 示范区地质概况9 2 2 含煤沉积特征、煤变质程度、煤质10 2 2 1 沉积特征一1 0 2 2 2 煤层埋藏深度10 2 2 3 煤变质程度1 0 2 2 4 煤质1 1 2 2 5 煤岩描述1 2 2 3 示范区煤层测井响应特征1 3 第三章煤, b n 度测井方法初探1 9 3 1 煤层识别1 9 3 2 煤质参数计算2 4 3 2 1 概率统计法2 4 3 2 2 体积模型法2 9 3 3 煤阶的确定3l 3 4 含气量的计算3 2 3 4 1 实验室含气量的测定一3 2 3 4 2 兰氏方程计算含气量3 4 3 4 3 利用测井资料计算含气量3 6 第四章煤层气储层裂隙双侧向响应数值模拟3 8 4 1 双侧向测井响应计算方法3 8 4 2 单一裂隙的双侧向测井响应4 0 4 2 1 距单一裂隙不同深度的双侧向响应4 0 4 2 2 单一裂隙不同裂隙倾角的双侧向测井响应4 l 4 2 3 单一裂隙不同张开度的双侧向响应4 1 4 2 4 单一裂隙不同泥浆侵入深度的双侧向响应4 2 4 2 5 单一裂隙不同裂隙流体电阻率的双侧向响应4 3 4 2 6 单一裂隙不同基岩电阻率的双侧向响应4 4 4 2 7 不同井径时单一裂隙的双侧向响应4 4 4 3 交叉裂隙的双侧向响应4 5 4 3 1 交叉裂隙与平均角度单一裂隙响应等效性一4 5 4 3 2 垂直交叉裂隙双侧向响应4 6 4 4 板状模型地层双侧向测井响应4 8 4 4 1 板状模型地层双侧向响应计算方法4 8 4 4 2 平行裂隙组双侧向响应特征4 9 4 5 棒状模型地层双侧向数值模拟5l 4 5 1 棒状模型地层双侧向晌应计算方法5 2 4 5 2 平行等间距垂直交叉裂隙组双侧向响应5 3 4 5 3 宏观各向异性裂隙介质的双侧向测并响应5 4 第五章裂隙孑l 隙度及渗透率的计算方法研究5 9 5 1 裂缝孔隙度的快速计算方法研究5 9 5 2 可行性分析6 0 5 2 1r b 小于1 0 0 欧姆米时计算孔隙度模型6 0 5 2 2r b 大于1 0 0 欧姆米小于1 0 0 0 欧姆米时计算孔隙度模型6 1 5 2 3r b 大于1 0 0 0 欧姆米小于1 0 0 0 0 欧姆米时计算孔隙度模型6 2 5 3 裂隙发育情况的判断6 4 5 4 渗透率计算方法6 4 5 5 实际资料处理6 6 结论7 0 参考文献7 1 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 4 致谢7 5 v 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的意义 第一章前言 煤层气是一种由煤层生成、并且主要以吸附的方式储集于煤层中的非常规天然气。 甲烷是它的主要成分，其含量通常在( 9 5 9 8 ) ，故称之为煤层甲烷。在煤矿中又俗 称为瓦斯，它是近一、二十年来崛起的洁净优质新能源，并逐渐从研究走向歼发利用阶 段【1 5 1 。 国内外学者在煤层气储层地球物理测井技术方面作了大量的研究。煤层气储层测井 评价技术总体上分为煤层气储层定性识别技术、煤层气储层参数定量解释技术以及煤层 气储层综合评价分析技术3 个方面。但这些方法基本上都是从常规天然气储层评价直接 借用过来，由于煤层气储层自身特点决定其物性非均质和各向异性较强，现有的油气藏 测井基础理论不适用于煤层气测井。急切需要以煤心地球物理性质实验研究为基础，建 立适合于我国煤层气勘探特点的最优化测井技术系列【6 培】。 我国煤层气测井技术研究尚处在开始阶段，虽然近几年在煤层气勘探开发测井领域 已取得一些进展，但仍然面临许多问题，还远远满足不了我国对煤层气勘探开发工作提 出的要求，需要进行大量的开拓性基础研究工作。煤层气储层的非均质性的复杂程度及 勘探难度远远超出其它常规的油气型储层，作为裂缝一基质孔隙双孔隙介质，它比碎屑 砂岩和碳酸盐岩有更为复杂的岩电关系，储层的定量识别与评价的成功经验较少，其难 点在于裂缝孔隙度、储层渗透率、煤层气的含量的确定上【9 - l2 1 。然而，随着各个煤层气 勘探程度的进一步提高，对煤层气储层的测井综合评价体系和技术研究就更加重要。 针对煤层气储层非均质严重、吸附气测井响应特征不敏感的特点，实施煤心刻度测 井技术，在以煤心的实验室分析基础之上，针对性地实施不同煤质、煤阶的煤岩“四 性”( 岩性、物性、电性和含气性) 参数的实验测量数据分析，结合测井响应特征，提取煤 层气储层“四性”测井特征参数，建立煤岩储层参数解释模型，为识别评价煤层特征、分 析煤岩生烃量和煤岩储气性和开采煤层气建立一套煤层气测井精细处理和解释技术。如 何利用地球物理资料，结合地质资料对煤层气储层展开全面细致的分析，将储层评价向 半定量定量化发展是煤层气储层测井评价研究中需要长时间攻关的课题。而煤心刻度 测井技术研究是煤层气储层测井评价方法研究的重要基础和前提。 井数据采集、解释相关方法及利用测井资料评价煤岩煤质和计算煤层气含气量进行了较 有成效的研究，煤层标定所使用的最佳测井系列即为密度测井、自然伽马测井、声波时 差测井、电阻率测井( l l d 、l l s ) 以及井径测量5 种测井方法，其它辅助性测井包括自 然电位测井和温度测井。辽河油田除使用上述基本测井方法外，还使用了补偿中子测井 等。 总之，煤层气测井方法基本上还是常规油气藏测井方法的新应用，到目前为止尚未 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 有专门为探测煤层气储层而设计的测井方法【1 6 , 1 7 】。 1 2 2 煤层气储层定性识别研究现状 煤层是一种非常规储集层，其孔隙以微孔一中孔为主，孔隙结构由基质孔隙和裂缝 孔隙组成双重孔隙系统，基质孔隙为煤层气主要储集空间，裂缝孔隙( 又称割理，由面 割理和端割理组成) 的发育与否，是影响渗透率的关键。煤层具低孔、低渗特征，但煤 层内表面极大，甲烷气分子吸附在煤层内表面上且堆积紧密，因而煤层比常规砂岩具更 大的储集能力。煤层气的吸附属于物理现象，是1 0 0 的可逆过程，煤层气的解吸与煤 层的压力、温度和气体的组分有关。 煤层气储层要根据煤层储层的测井响应特征值和煤储层在在测井曲线上的“三高三 低 特征为基础来定性识别。基于常规天然气储层评价思想，黄智辉等( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 先 后提出了应用于煤层气及煤层气储层的定性识别方法，包括孔隙差异法、声波差值法、 空间模量差比法和电阻率比值法【1 8 】。柳孟文等( 1 9 9 9 ) 提出了煤层气储层孔隙度背景值的 新概念，进而提出基于孔隙度测井信息的煤层气储层的定性识别方法【1 9 】。基于b p 神经 网络模型的储层评价方法，侯俊胜等( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 利用人工神经网络方法、模糊模式识 别理论等进行煤层气自动识别研究，改进了模糊综合评判方法和自组织神经网络方法等 煤层气储层测井定性识别方法【2 0 】。贾翠竹( 2 0 0 6 ) 提出应用地质录井技术，运用岩屑、井 壁取心和岩心的颜色、密度、条痕等物理性质来判断煤层，并通过核磁共振测井t 2 谱 来识别煤层气层。许晓民( 2 0 0 8 ) 从煤层气测井技术的发展出发，介绍了1 6 种用于定性 识别煤层气层的方法。 1 2 3 煤层气储层参数定量解释研究现状 黄智辉以确定煤质参数的体积模型法为基础，结合煤样实验室分析资料，利用概率 模型法( 多元线性回归) 确定煤质参数的测井解释模型【2 1 。2 2 1 。柳孟文也提出了一种体积模 型，根据煤的成分( 有机质即纯煤、矿物质和水) 将煤粗略的看成由碳、灰、水三部分组 成，碳分包括固定碳和挥发部分即有机质部分；灰分包括泥质，沙质等矿物质；水分包 括煤层的内在水和外在水分。由此建立一个体积模型，并根据模型建立一系列方程，求 出各组分的相对含量。 1 ) 煤层储层孔隙度的定量计算 r a g u i l e r a 等人( 1 9 9 3 ) 提出一种利用浅侧向、深侧向电阻率、泥浆滤液电阻率和地 层水电阻率的孔隙度计算方法【2 l 】。 3 他 算 叶 统 必 于 因 然 了 距 究 明 时 有 资 制约煤层气的主要地质因素有上覆地层的有效厚度、煤级、盖层和断层构造等等因 素。另外，煤层气能否完全保存在煤层中，与顶部盖层质量极其密切，若上部岩层结构 较疏松、质量较差，则煤层气不能保存下来。 煤层含气量主要受以下因素影响 2 6 0 2 9 1 ：煤层含气量随煤变质程度增高而增加；随煤 层中灰分含量的增加，煤层吸附能力减小；在一定的深度范围内，当其它地质条件相同 或相近时，煤层含气量随埋深和煤层厚度的增加呈增加趋势。侯俊胜等( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 基 于概率统计模型和神经网络模型的储层评价思想【30 1 ，先后开展了利用多元统计、灰色系 统理论、裂缝性储层评价理论、应用b p 神经网络进行煤层气储层参数的定量计算方法 研究，于2 0 0 1 年提出利用兰氏方程求含气量，利用吸附等温线求含气量，利用煤层气 4 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 层中子背景值求含气量等几种方法。谭廷栋( 2 0 0 3 ) 提出一种利用煤层气层密度背景值测 井解释煤层气含量的新方法。朴庆春( 2 0 0 0 ) 提出煤层含气程度受多种因素制约，概括起 来主要有；煤变质作用、构造作用、煤质温度和压力。并提供了三种计算含气量的方法， 即用煤层气背景值和测量值解释煤层气层含量、用兰米尔方程估算合气量和在确定灰 分、碳含量等参数后，估算含气量。陈宏亮、王瑞英( 2 0 0 3 ) 提出用回归法来计算煤层气 层含气量。对多个测井参数如：密度、自然伽马、声速和电阻率等进行多元回归。通过 回归，求出某一参数( 如密度) 与含气量的关系，将测井读数( 如密度) 代人关系式中，即 可求出含气量。但是回归法计算结果和实验室化验分析结果之间有一定的误差，而且回 归公式计算出来的含气量都是区域性的。陈宏亮、王瑞英( 2 0 0 3 ) 还提出用中子、密度测 井法计算煤层气层含气量。此外，h a w k i n s ( 1 9 9 2 ) 、s c h o l e s ( 1 9 9 3 ) 、m e l e n n a n ( 1 9 9 5 ) 、黄 智辉( 1 9 9 8 ) 、高绪晨( 1 9 9 9 ) 、李纪森( 1 9 9 9 ) 、傅雪海( 1 9 9 9 ) 等都报道了用测井方法计算煤 层气含量的成果，并利用测井参数推导出了计算含气量的方程。吴东平( 2 0 0 0 ) 探讨了神 经网络测井储层评价，梁亚林( 2 0 0 0 ) 研究了煤储层渗透率和储层压力预测等问题。 h o y e r ( 1 9 9 3 ) 、黄智辉( 1 9 9 4 ) 、柳蒙文( 1 9 9 5 、1 9 9 9 ) 、谭廷栋( 1 9 9 9 ) 等在测井评价煤层裂 隙及孔隙度方面进行了研究，采用测井孔隙度重叠法( 中子密度孔隙度重叠法、中子 声波孔隙度重叠法) 对广西百色盆地江1 井、南海西部气田、胜利油田进行了煤层、煤 层气和围岩气层的解释，效果良好【3 1 。3 6 1 。 5 ) 储层压力与温度的影响 储层压力是指作用在煤孔隙。裂隙壁上的流体压力，与煤层含气性、临界解吸压力、 渗透性等密切相关。储层压力一般通过试井分析测得，即利用外推法求取原始地层条件 下的初始压力。 在一定的深度范围内，当其它地质条件相同或相近时，煤层含气量随埋深和煤层厚 度的增加呈增加趋势。从某种程度上说，储层压力决定了含气量的多少。 在测试煤层气储层的某些重要特征参数时，温度是一个必须考虑的因素，一般采用 储层的实际温度作为测试温度。储层的温度、压力及力学参数可利用井温测井、声波测 井和密度测井等获得。 1 3 存在的难点及问题 煤储层的自身特点决定其物性非均质性和各向异性较强，造成储层地质与测井响应 之间关系的进一步复杂化，呈现更加明显的非线性特征，给测井资料解释造成更大的困 5 第一章前言 难，也给解释结果带来更强的多解性、模糊性和不确定性，面临着不少困难，暴露出不 少问题，主要有： ( 1 ) 利用测井方法直接计算煤储层含气量、评价煤储层的煤质仍是难点。利用中子 的“挖掘效应”及声波时差的“周波跳跃”可直接判断常规天然气层的存在，而煤层的 孔隙度很低( 一般小于5 ) ，孔隙被水充满，游离气和溶解气甚少、主要是吸附气，所以 无法利用测井方法直接判断煤层中是否含气及含多少气；煤的骨架参数难以像纯砂岩那 样通过实验求取、也求不准，煤的工业分析中认为煤由固定碳、灰分、水分和挥发分4 部分组成，其中3 种物质难以确定，就连灰分、挥发分的成分也随煤阶、地区的不同而 不同，故利用数学方法计算煤岩成分相当困难，一般情况下，在某一区域内通过煤岩成 分及煤层含气量与测井曲线具有一定的关系，可间接利用测井曲线计算煤岩成分和煤层 含气量；在用密度测井计算煤岩成分及煤层气含量时，其回归公式都是区域性的，难以 对照引用，地区、煤阶及地质构造作用不同，其煤质和煤层中气体的含量也不相同。因 此，回归公式应分地区回归以减少计算误差。 ( 2 ) 目前尚无一套较普遍适用的定量计算煤储层裂隙参数和评价煤储层渗透性的 方法，成为制约测井技术推广应用的“瓶颈”。低压、低渗、裂缝型煤层气储层的渗透 率计算难度大。 ( 3 ) 煤层的储层具有双重孑l 隙介质特征，孔隙系统复杂，孔隙度计算难度大，虽然， 目前可采用前人估算煤储层孔隙度的公式来计算，但存在较大误差。 ( 4 ) 由于煤层气测井技术最初是从国外引进和从常规油气藏测井技术借用过来的， 现有的油气藏测井基础理论不太适用于煤层气测井，目前实施的煤层气钻井又较少，各 种测井方法是否适用于中国煤层地质特点有待进一步检验。 ( 5 ) 尚没有专用的煤层气测井设备，仪器研制方面投入较少，相应的解释软件比较 缺乏。 1 4 研究的主要内容、目标及技术路线 1 4 4 主要内容 加强测井岩石物理学基础性研究，分析不同煤质、煤阶的煤心的四性关系，即煤质 组分、煤阶、电性( 声波特性、电阻率特性) 以及含气性之间的关系，并结合测井响应 特征，提取敏感的测井响应，建立利用测井资料识别煤层模式，实施煤心刻度测井技术， 建立煤工业分析、煤阶以及含气量等储层参数的测井解释模型，为煤层气储层评价提供 6 中国石油人学( 华东) 硕一l 二学位论文 更加有效的手段。 ( 1 ) 煤心地球物理性质实验测试数据的分析处理 根据试验示范区煤层气钻井储层的地质和地球物理测井响应特征，立足煤心地球物 理性质实验研究，针对性地实施不同煤质、煤阶的煤岩“四性关系”( 岩性、物性、电性 和含气性) 的研究，以煤层气储层岩石物理实验研究成果为基础，开展煤层气测井响应 敏感性分析，研究煤层气储层“四性”特征与测井参数的关系，提取煤层气储层“四性”测 井特征参数，为初步建立煤层气储层参数计算方法，建立煤层气储层测井评价标准提供 理论和实验依据。 ( 2 ) 煤心刻度测井技术的初步建立 通过煤岩实验测量数据分析，煤岩“四性”参数的变化规律研究，分析不同煤质、煤 阶和含气性的储层煤心的岩石物理特征，结合示范区煤层气储层测井响应特征，建立煤 层气储层识别模式，提出计算煤层气储层煤质组分、煤阶、含气量的测井解释模型，初 步建立煤心刻度测井技术，为优化建立煤岩测井双重孔隙度和渗透率模型打下基础，为 煤层气储层测井综合评价提供理论依据。 ( 3 ) 煤层气储层地层双侧向测井响应特征数值模拟 系统分析煤层气储层双侧向测井响应特征，采用三维有限元方法进行不同裂缝孔隙 度、裂缝产状的双侧向测井响应数值模拟，研究水平、垂直、不同角度裂缝以及交叉裂 缝的双侧向测井响应特征，在此基础上，得到裂缝参数的快速有效的计算方法。 1 4 2 采取的研究方法 搜集煤心岩石物理实验资料，以此为基础，分析不同煤阶、煤质煤层的岩石物理性 质及地球物理测井响应特征，提取煤层气储层岩性、物性、电性、含气性的“四性”测 井特征参数，实施煤心刻度测井技术，在总结煤层气储层测井响应特征的基础上，利用 综合判别的数学方法来识别煤层；采用概率统计的数学手段研究煤层气储层煤质、煤阶 的计算方法；对煤的灰分、水分、挥发分、固定碳的准确认识上，系统研究煤层气在裂 缝基质孔隙的双孔介质条件的煤层气含气量的定量计算；利用三维数值算法模拟裂缝 的电测井响应，在此基础上研究裂缝参数的计算方法，进而有效确定煤层气储层渗透率， 最终达到煤层气储层测井评价的目的。 1 4 3 技术路线 搜集和顺地区煤心资料2 9 块，包含全部的煤质分析和含气量分析，部分实验室 7 第一章前言 密度分析、镜质组反射率测定和等温吸附实验。以示范区煤层气储层煤心岩石物理 实验为基础，系统研究煤心不同煤质、煤阶以及含气性之间的关系，结合煤心描述资料， 对实验资料进行处理，实施煤心“四性关系”研究。 基于岩石物理实验分析，提取煤层气储层岩性、物性、电性、含气性的“四性” 测井特征参数，实施煤心刻度测井技术，分析总结不同煤层气储层声波、电法、放射性 测井响应特征及裂缝测井响应特征，研究煤层气储层的测井识别和划分方法；建立煤层 气储层煤质各组分、煤阶、含气量等参数计算模型。 依据三维数值方法，系统进行裂缝的双侧向测井响应特征数值模拟研究，分析 双侧向响应特征随着裂缝孔隙度、裂缝角度、基岩电阻率等参数的变化规律。 以裂隙双侧向响应数值模拟为基础，建立利用双侧向测井资料计算裂隙孔隙度 的计算方法，理论验证该方法的可行性，并以煤心描述资料为佐证。结合裂隙模型，进 行裂隙渗透率计算方法研究。 8 中国石油大学( 华东) 硕 j 学位论文 第二章煤层气储层地质及测井响应特征 本文研究区域为沁水盆地和顺地区，该区发育煤质较好的煤，具有较好的煤层气储 气能力。该区是一个煤层气研究是一个热点地区。 2 1 示范区地质概况 和顺地区位于沁水盆地北部东翼沾尚紫罗一带，地理坐标为东经1 1 3 。1 4 1 1 3 。 3 2 北纬3 7 。2 0 3 7 。4 0 ，地面标高11 2 6 米1 6 7 6 米，面积约4 2 5 平方公里。本区地质 格架以脆性断裂和开阔平缓的短轴褶曲为特征。总体表现为一向北西缓倾的单斜构造， 断层不发育。1 5 号煤层较平缓，倾角北部2 。8 。，南部5 。1 5 。，倾向北西，陷落 柱不发育，但北部较南部陷落柱相对发育。总而言之本区构造属简单型【3 7 】。 在本区奥陶系风化剥蚀面之上，连续沉积了石炭系本溪组、太原组；二叠系山西组、 下石盒子组、上石盒子组和石千峰组；三叠系刘家沟组；山粱沟谷覆盖有第四系地层。 地表仅出露二叠系上石盒子组、石千峰组和三叠系刘家沟组基岩地层。奥陶系以上地层 简述如下【3 8 】： 本溪组：与下伏奥陶系地层为假整合接触，厚2 0 米3 0 米。上部为铝土质泥岩、 砂质泥岩、砂岩，其中夹1 2 层不稳定薄煤层及l 3 层透镜状灰岩及，底部为山西式铁 矿。 太原组：由灰色或灰黑色泥岩、砂质泥岩、砂岩和3 - 4 层石灰岩及煤层组成。厚 1 2 0 m 左右。其中1 5 号煤是主要煤层。 山西组：上部为灰黑色砂质页岩、薄层粉砂岩、灰白色砂岩、和煤层( 或煤线) ，底 部为灰白色中、细粒砂岩，其中3 号煤为本组主要煤层，厚度较薄。该组厚4 0 米6 0 米。 下石盒子组：上部为灰绿色、灰黄中、细粒砂岩以及浅黄色砂质泥岩，顶部为含铁 质鲡粒铝质泥岩，底部为巨厚层状中、粗粒砂岩( 砂岩) ：下部由灰黑色砂质泥岩及砂岩 组成。该组厚1 1 0 米1 4 0 米。 上石盒子组：以黄绿色砂质泥岩、灰绿色砂岩，灰绿色、紫色、黄绿色砂质泥岩组 成，该组厚4 5 0 米左右。 石千峰组：由深红色砂质泥岩、粉砂岩组成，其底部为鲕砾粗粒砂岩，该组厚1 2 0 米1 7 8 米。 9 第二章煤层气储层地质及测井响应特征 三叠系刘家沟组：该组厚度大于3 5 0 米，以深红色细粒长石砂岩为主。 2 2 含煤沉积特征、煤变质程度、煤质 2 2 1 沉积特征 太原组1 5 号煤层沉积时，沁水盆地形成开阔平缓的滨海过渡环境，南北古地形差 异不大。沁水盆地北部以三角洲平原相为主体，本区1 5 号煤层厚4 米6 米；南部为三 角洲前缘相、河口砂坝相、分流间湾及泻湖相为主，厚度为2 米3 米。1 5 号煤沉积过 后，沁水盆地发生了较为频繁的振荡性海侵，沉积了k 2 、k 3 、k 4 等数层灰岩，在此 灰岩之间沉积了太原组的一些薄煤层。沼泽持续时间短，分布不均匀，如8 、9 号煤层 不稳定，本区单层厚0 5 米1 0 米以上。 山西组沉积时，沁水盆地相对抬升，北高南低的古地形差异进一步扩大，海岸线南 移。三角洲平原、三角洲前缘等环境随之向南推移，富煤区亦随之向南迁移，在屯留 长治、安泽阳城晋城一带形成两个聚煤中心，3 号煤层厚达6 米左右；而和顺昔阳 平定一带由于三角洲平原河流的高度发育，泥炭沼泽发育较差，本区3 号煤层厚一般为 0 5 米1 0 米。 2 2 2 煤层埋藏深度 据钻孔和地质填图可知：1 5 号煤埋深小于8 0 0 米的面积为5 1 4 7 平方公里，8 0 0 米 一1 0 0 0 米的为1 1 5 2 5 平方公里，1 0 0 0 米1 2 0 0 米的为1 8 2 5 5 平方公里，埋深小于1 2 0 0 米的为7 5 7 3 平方公里。 2 2 3 煤变质程度 镜质组含量高低与盆地内聚煤期沉积环境有关，在盆地边部河流相向中东部湖沼相 演化过程中，由氧化环境向还原环境转变，镜质组含量逐渐增大。 表2 - 1 和顺地区4 口井1 5 号煤层煤岩镜质体反射率数据 井号平均值标准差反射率分布范围备注 h l 井 2 1 70 1 51 8 5 3 2 5 h 2 井2 3 40 0 5 02 2 4 2 4 5 测点数3 5 h 3 井2 7 00 0 5 52 6 l - - , 2 8 l h 4 井 2 5 8 0 0 5