煤层气地球物理技术研究综述ftWord文档

煤层气地球物理技术研究综述中国石化石油勘探开发研究院李辛子内容提要1、煤层气岩石物理2、煤层气测井技术3、煤层气地震技术4、其他煤层气地球物理技术5、小结1、煤层气岩石物理测试并确定富气和不富气煤层的岩性和物性特征,及其与测井曲线和地震波场等特征之间的响应关系是煤层气岩石物理研究的重要内容。1.1煤密度与煤化作用的关系关系:从低煤化度开始,随煤化程度的提高,煤的真密度(TRD)缓慢减小,到碳含量为86-89%之间的中等煤化程度时,煤的真密度最低,约为1.3g/cm3左右,此后,煤化程度再提高,煤的真密度随之提高。对同一煤样,煤的真密度数值大于视密度(ARD)。根据煤的真密度和视密度还可算出煤的孔隙度。煤中矿物质组成与含量对煤的密度影响较大,可以粗略地认为:煤的灰分每增加1%,煤的密度增加0.01%。原因:煤真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化的宏观表现,反映了煤分子结构的紧密程度和化学组成的特点。其中,分子结构紧密程度是影响煤真密度的关键因素。年轻的褐煤分子结构上有较多的侧链和官能团,在空间形成较大孔隙,难以形成致密的结构,所以密度较低;随煤化程度的提高,分子上的侧链和官能团呈减少趋势,与此同时,分子上的氧元素则迅速减少,虽然侧链和官能团的减少有利于密度的提高,但氧的原子量较碳大,氧的减少造成密度下降占优势,总体上使煤的真密度有所下降;到无烟煤阶段后,煤分子结构上的侧链和官能团迅速减少,使煤分子缩聚成为非常致密的芳香结构,从而煤的真密度也随之迅速增大。1.2煤层气对煤岩力学特性的影响煤层气对煤体强度的影响:根据大量试验结果表明,煤体吸附煤层气的含量对煤的力学性能的影响是显著的。一般来说,煤层气含量越高煤体强度越低,向呈塑性变形转化,出现体积膨胀;煤层气含量越低煤体强度越高,煤体压缩性减小,向呈脆性破坏转化。煤层气对煤岩体弹性模量的影响:弹性模量的测试结果表明,煤中含煤层气时,其弹性模量变化很大。在单轴情况下,弹性模量依赖于孔隙压力,并随孔隙压力的增加呈直线关系衰减;在有围压作用的情况下,衰减变缓。严格地讲,弹性模量与孔隙压力和围压都有关系。一般情况下,弹性模量与孔隙压力之间的变化关系不按直线规律衰减,而与围压有关。但在孔隙压力不太高的情况下可用直线规律来表示弹性模量与孔隙压力之间的关系。煤体由于吸附煤层气含量增加,弹性模量降低。其原因是煤层气分子受煤岩固体颗粒吸引,附着于颗粒表面,联结力小于原来联结力,而且煤层气分子还将被吸引而挤入两个相接触很近的固体颗粒间使其间距增加,也使联结力减小,煤岩体宏观上抵抗变形的能力降低。煤对煤层气吸附量是随孔隙压力增加呈非线性增加的。煤层气对煤岩体力学响应的影响:通过刚性试验机试验得到的煤在煤层气孔隙压力作用下的应力-应变曲线表明,煤的初始变形阶段就受孔隙煤层气的影响,其应力-应变之间就不再呈线性关系,孔隙压力不同,其初始弹性模量也不相同,这是由于煤对煤层气具有强烈的吸附和解吸作用造成的。含煤层气煤在整个变形过程中力学特性发生了变化,除孔隙压力的力学作用,还有煤层气的物理作用。孔隙压力增加,煤体的煤层气含量也增加,使煤体吸附煤层气的能力增加。1.3含气煤层电性参数国内外对煤层电性参数做了大量测定,并研究得出了其与突出影响因素之间的关系:①变质程度。褐煤的电阻率较低,随着煤化程度加深电阻率增加,到长焰煤时达到最大,此后煤化程度加深,煤的电阻率呈缓慢下降趋势,到碳含量达到90%以上的无烟煤时,电阻率迅速下降。煤化程度是影响煤的介电常数的主要因素,随煤化程度的加深,煤的介电常数减小,在含碳87%左右达到最小,然后又急剧增大。因为年轻煤的极性含氧官能团多,极性大,所以介电常数较大;随煤化程度的加深,含氧官能团减少,介电常数也减小;而年老煤的介电常数增大是因为其导电性增大之故。②含水性。煤含水分增加,其电阻率下降。褐煤和长焰煤下降幅度较大,烟煤次之,贫煤、无烟煤和岩石下降甚微。介电常数对不同煤种变化较大。煤层湿度越大,对电磁波的反射和吸收越强,较大面积含水区在电磁波透视探测时反应异常。而在一般情况下,煤层含水较多的区域,其突出危险性相对小一些。③破坏类型。据有关资料,一般未破坏煤层的电阻率平均为1500-5000Ω.m,靠近断层带逐渐下降到100-500Ω.m。炭质泥岩和粉砂岩的电阻率一般不超过20-100Ω.m。同一变质程度的煤,突出煤和非突出煤的介电常数相差较小,特别是烟煤,不同结构类型的介电常数在同一频率条件下相差无几。煤的破坏程度越高,突出危险性越大。④煤层气。煤层气压力和含量增加,煤的极化能力增强,导电性能增大,电阻率降低。煤层气压力和含量增加,突出危险性增大。⑤地应力。岩石的孔隙度、渗透性和导电率在加大载荷时减少,除去载荷后就复原,在大气条件下达到最大值。压力的增加,突出危险性增大。⑥温度。煤岩电阻率随温度变化比较复杂。⑦测试频率。电阻率与测试频率成反比。测试频率越低,测出的电阻率越高;测试频率越高,测出的电阻率越低。大部分煤种和岩石的介电常数随测试频率的升高而减小。1.4含气煤层的电磁辐射由于煤层要素的相互作用形成塑性带,其中包括超分子结构水平,由分裂的固态煤体煤层气溶液中涌出大量煤层气。煤层气涌出有助于卸压裂隙的形成,卸压裂隙由于煤层中弹性应力释放而出现。煤层新表面的发展伴有由附着和内聚相互作用破坏引起的一系列物理现象。首先在扩张裂隙的两边出现电荷。只有当从形成的煤层表面的煤层气涌出滞后于裂隙推进速度时,单个裂隙的扩展才伴有高电位(达10kV/cm2)的出现。在这种情况下记录到能量达25-30keV的摩擦电子析出。突出危险煤层危险带的煤层的特征是摩擦电子放射降低,随着向突出危险煤层危险带的推进,摩擦电子放射减少,在突出危险带和突出的煤体中震荡电荷几乎没有。这是因为在突出危险带—突出的中心,在准备阶段煤体的完整性就破坏了,其表现在煤的破碎,沿超级糜棱煤某些晶粒的边界裂隙强烈发展,并伴有煤层气急剧涌出。当沿含气煤体裂隙扩展时和当2个节理面摩擦时,沿垂直于裂隙传播方向发生偏振,产生射电辐射,脉冲信号的频带为(12-25)×106Hz。含气煤层的电磁辐射震荡值是关于含气煤层工作面附近煤层破坏和煤层气排放过程的可靠的信息来源。煤体中煤层气成分存在形式的变化(煤层气转为自由状态、煤层气萎缩现象等)决定了电磁辐射的特征。2、煤层气测井技术煤层气储层测井评价技术是煤层气勘探开发中的重要手段,具有分别率高、识别效果好、快速直观、费用低廉等特点,可弥补取心、试井及煤心分析等方面的不足,因此,使测井技术成为煤层气勘探开发中的重要手段。2.1煤层气测井响应实践中,常用的测井有补偿中子、补偿密度、补偿声波、深侧向、浅侧向、微侧向、自然伽玛、自然电位、井径等9条。在煤层的性质及变质程度确定后,常用测井曲线的内容在煤层气解释中可以判断岩性、建立岩性剖面、划分煤层、确定煤厚、处理解释煤层水分、灰分、固定碳等矿物成分、计算煤层气含量及判断裂缝等。为了解决一些特殊地质问题,有时需加测一些项目。煤层气储层测井评价系列包括如下方面:①划分煤层、夹层、岩性:自然伽玛、补偿密度、补偿中子、补偿声波等;②煤质参数计算:声波时差、密度、中子等;③计算孔隙度、渗透率、饱和度、含水性等参数:声波时差、密度、中子、侧向、微电极、核磁共振等;④机械强度指数、地层压力、井眼状况等:声波时差及全波列、密度、井径、微电极等;⑤计算煤层含气量:声波、密度、中子、侧向、自然伽玛等;⑥煤层对比、沉积环境分析:侧向(感应)、自然伽马、自然电位等;⑦煤层裂缝发育分析:声成象、电成象、侧向、微电极等;⑧固井质量检测:声幅(注水泥后20-48小时测试)、自然伽玛、磁性定位测井。不同评价阶段的测井系列:①参数井及区域探井阶段。除了上述常规的9条曲线外,根据地质任务,应该取比较全的加测项目,以丰富的测井信息研究该地区的地质规律。加测项目包括:地层倾角测井、自然伽玛能谱测井、核磁共振测井、井周声波成像、微电阻率扫描测井、多极阵列声波测井及光电有效界面测井等。②预探井及评价井。除了上述常规的9条曲线外,加测项目包括:地层倾角测井、多极阵列声波测井及光电有效界面测井等。③开发井。一般仅测上述常规的9条曲线,必要时加测多极阵列声波测井和地层倾角测井。煤层的电性特征:在煤系地层,煤层与周围砂岩、泥岩的电性特征有明显的不同。煤层具有“四高(大)”电性特征:电阻率高、且变化范围大,声波时差大、传播速度慢,补偿中子大,井径扩径大;以及“四低(小)”电性特征:自然伽玛低,补偿密度低,光电俘获截面低,声阻抗小、电视图像呈深色;并因煤的变质程度不同,测井响应值有所不同。2.2煤层含气性测井解释煤层含气量是煤层气勘探和开发中一个关键参数。分别将煤层含气量与它对应的测井曲线进行相关性分析,包括煤层含气量与深侧向电阻率、声波时差、补偿中子、体积密度、自然伽玛等进行交会图分析,其中,体积密度、自然伽玛相对值与含气量相关性较好。通常,采用体积模型概念来定性确定煤层含气量。煤层含气量用体积模型概念分析是依据孔隙度、泥质含量、电阻率数值并结合气测录井综合分析的。如果泥质含量低,电阻率相对较高,气测显示好,则解释为煤层气层,否则解释为含气层。另一个定性确定含气量的方法是纵、横波时差值法。在含气地层,纵、横波的传播速度明显减慢,时差增大,有别于水层和油层。利用纵、横波比值可以分析煤层含气性的好与差。一般以纵、横波比值1.