第六章 煤层气测井评价技术

•煤层气测井响应•煤层物性和裂缝测井解释•煤层含气测井解释•煤层机械特性测井评价第六章煤层气测井评价技术6.1煤层气测井响应测井是通过测井曲线反映地层岩性，解决地质问题的一种方法，在煤层气的勘探开发过程中起着重要作用。通过一系列的测井曲线可以确定煤层的位置和厚度，估算煤层的孔隙度、渗透率、含气量，确定煤层的灰分、挥发分和发热量等。1、煤层气测井系列（一）解决的地质问题（1）九条曲线通过现场试验筛选出9条常用的测井曲线：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。当煤层性质及变质程度确定后，利用这9条曲线在煤层气解释中可以判断岩性、建立岩性剖面、划分煤层、确定煤层厚度等。6.1煤层气测井响应6.1煤层气测井响应（2）加测项目对于区域探井或参数井，为了解决一些特殊问题，还需要利用核磁共振测井、井周声波成像、微电阻率扫描测井等，主要解决以下地质问题：（a）核磁共振测井是目前分析煤层孔径分布，确定煤层孔隙度、含水饱和度，估算地层渗透率，对顶底板层和煤层的物性进行评价的较好方法。（b）井周声波成像、微电阻率扫描测井直观描述裂缝产状和裂缝发育状况，分析煤层的均质程度，精确确定煤层的厚度，判断地层产状等。6.1煤层气测井响应（c）多极阵列声波测井是用于提取纵波，确定纵横波传播时间的测井方法。与密度测井等曲线组合确定岩石的机械特性参数。（d）自然伽玛能谱测井分析地层沉积环境，确定煤夹矸、煤质、薄夹层、粘土矿物成分和粘土类型等。（e）地层倾角测井确定地层产状、断层、不整合等地质现象，分析煤层所在构造部位，分析地层沉积特征，确定地应力。6.1煤层气测井响应（二）测井系列（1）参数井及区域探井新区勘探测井的主要任务是提供探区的地层特征，评价地层的岩性、物性、裂缝发育程度，确定岩石机械力学参数，判断煤层气含量等。参数井和区域探井应在“九条曲线”的基础上，根据地质任务取比较全的加测项目。（2）预探井和评价井其测井内容少于区域探井测井，但“九条曲线”为必测项目，加测地层倾角测井、多极阵列声波测井等。（3）开发井如果试验区的煤层测井参数已基本清楚，开发井可仅保留“九条曲线”即可。无论探井还是开发井，在下套管固井后48h都要进行声、磁测井，内容包括声幅、自然伽玛、磁性定位测井。6.1煤层气测井响应2、煤层测井响应（一）煤系地层岩性剖面的建立（1）根据测井、地质、气测和岩心资料建立综合录井剖面我国煤系地层主要岩性为砂岩、泥岩和煤。在煤层气的钻井过程中，首先通过岩心、岩屑及气测等录井手段确立岩性剖面，尤其岩心资料反映的地下岩性是最有代表性的，然后用电性资料对已建立的地质剖面岩性归位。（2）应用交绘图技术确定煤层骨架参数通过补偿中子（CNL）与补偿密度（DEN）交绘图、光电截面（Pe）与放射性钾（K）交绘图、补偿密度与光电截面交绘图，可以给出煤层、砂岩和泥岩的分布范围。因为煤层在交绘图上具有高的补偿中子、大的声波时差、低的补偿密度、低的光电截面和低的自然伽玛测井响应，与砂岩和泥岩的电性特征有很大差别，因此可以通过交绘图确定煤层气储层。6.1煤层气测井响应（3）测井解释岩性剖面与实际剖面的吻合程度测井解释岩性剖面是根据交绘图确定的地层骨架参数，应用引进的CRA测井资料数字处理程序建立岩性剖面。包括煤、砂岩、粉砂岩、泥岩及石灰岩和灰分。（二）煤层的电性特征煤层具有“四高（大），四低（小）”的电性特征，且煤的变质程度不同，测井响应值也有所不同。（1）煤层“四高（大）”电性特征（a）电阻率高，且变化范围大较常用的电阻率测井有双侧向和微电阻率测井。煤层变质程度越高，电阻率值越大。6.1煤层气测井响应（b）声波时差大，传播速度慢因为煤层的主要成分是有机碳，孔隙中的气体甲烷占90%以上，二者的声波传播速度均非常慢。（c）补偿中子大补偿中子在煤层的读数很高，对识别煤层非常有用。（d）井径扩大大由于煤层松软、割理发育，钻井中易扩径，扩径程度主要受钻井工艺和钻井液性能影响。（2）煤层“四低（小）”电性特征（a）自然伽玛低在纯煤层中，铀、钍、钾的含量很低，一般在20-70API之间，6.1煤层气测井响应若煤层的自然伽玛读数高，则说明煤层中有天然放射性杂质存在。（b）补偿密度低煤的体积密度值低，一般为1.2-1.8g/cm3。（c）光电俘获截面低岩石的光电俘获截面指数（Pe）定义：6310Z.Pe单位为巴/电子（b/e），Z为原子序数，由于煤层以碳微珠，碳的原子序数为6，带入上式计算得到碳的Pe=0.1589。（d）声阻抗小，电视图像呈深色声阻抗是地层声波传播速度与密度的乘积，煤层的声阻抗比其它地层都小。（6-1）6.1煤层气测井响应（三）煤层划分与厚度的确定在煤层气测井曲线中，根据电性特征在曲线的半幅点并略向地层中部作为地层界面，划分煤层并确定煤层厚度是比较准确的。有时地质录井和测井解释煤层层数及厚度差别较大，主要是因为地质对薄煤层及厚煤层中泥质夹层的录井精度低。利用地层倾角测井处理成果图，可以分析煤层的加厚方向，对于煤层气井组开发研究具有重要意义。6.2煤层物性和裂缝测井解释煤层的裂缝-孔隙双重结构特征使煤基质被天然裂缝（割理）网分隔成许多方块，每个方块中的煤基质有煤粒和微孔隙组成，形成了低孔低渗特征。1、煤层孔隙度煤层总孔隙度是基质孔隙度和裂缝孔隙度之和，基质孔隙影响气体的储集能力，裂缝系统影响气体的流动和产出。（一）核磁孔隙度核磁共振测井是目前测量煤层气有效孔隙度最直接也是最有效的一种测井新技术。它能直接储层孔隙中流体特性，且不受岩性影响，能提供储层的有效孔隙度、渗透率、可动流体体积和毛细管束缚流体体积等重要地质参数。尤其适用于低孔低渗及复杂岩性地层。6.2煤层物性和裂缝测井解释核磁共振资料处理过程要用到一个重要参数——T2截止值，给定这个参数后，就可以将有效孔隙度分成毛细管束缚流体孔隙度和可动流体孔隙度。煤层的孔隙度非常低，经过反复调试T2截止值一般确定为33ms。确定T2截止值的根本方法是岩心核磁共振实验。目前，国内的基本做法是将饱和流体的岩样置于离心机中，在100psi的离心力下进行高速离心，以离心前、后岩样核磁共振测量T2谱的T2幅度和之差除以该岩样离心前的T2幅度和得出可动流体百分数，然后从离心前的T2谱中找出一点,使该点右边各点的T2谱幅度和除以谱曲线上各点(通常为100个测点)的幅度和等于可动流体百分数,则该点对应的T2值即为T2截止值。6.2煤层物性和裂缝测井解释对比实测孔隙度与核磁共振测试得到的结果，发现同一地区的样品测试结果基本相同。核磁共振孔隙度和实测孔隙度关系6.2煤层物性和裂缝测井解释（二）裂缝孔隙度裂缝孔隙度用双侧向电阻率计算。假设煤层面割理和端割理互相垂直，将岩块切割成立方体或柱体，这种模型的孔隙度可表示为：21Xf）（）（XXXF21112/fFmfloglog/（6-2）（6-3）（6-4）式中：X——基块长度，m；F——地层因素；f——裂缝孔隙度，%；mf——裂缝孔隙度指数。6.2煤层物性和裂缝测井解释在双重孔隙系统中假设裂隙中有低电阻率钻井液侵入，而基质中无钻井液，保持原始状态。对切割成立方体的裂缝系统，孔隙度模型表示为：wnfwfmffwnbwbmbbdRSRSR1（6-5）（6-6）（6-7）深侧向电阻率响应方程：nfnfxomffwnbwbmbbsRSRSR1wnfwfmffmfnfxomffdsRSRSRR11浅侧向电阻率响应方程：两式拟合得到：6.2煤层物性和裂缝测井解释式中：Rd、Rs、Rmf、Rw——分别为深、浅侧向、钻井液滤液和地层水电阻率，Ω∙m；Swb、Swf——基块、裂缝原始含水饱和度，%；Sxo——裂缝被侵入后的含水饱和度，%；mb、nb——分别代表基块孔隙度指数和含水饱和度指数；mf、nf——分别代表裂缝孔隙度指数和饱和度指数；假设裂缝原始含水饱和度Swf为100%，Sxo也应为100%，则：mfwmfdsfRRRR11111////mfdsmffRRR111//（6-8）（6-9）若裂缝原始含水饱和度Swf=0，而Sxo=100%，则：6.2煤层物性和裂缝测井解释2、测井对煤层割理裂缝的描述研究煤层割理裂缝的方法主要有微侧向、双侧向和成像测井方法。（一）微侧向曲线上裂缝显示特征微侧向测井数值在裂缝不发育处为煤基质电阻率值，相对较高，曲线呈锯齿形变化，在裂缝发育层段则为低电阻率值。微侧向的数值受钻井液的导电性能影响较大，在高矿化度钻井液条件下，裂缝发育处电阻率降低非常明显。（二）双侧向曲线上裂缝显示特征煤层电阻率比较高，如果发育垂直裂缝，在双侧向曲线上会出现正幅度差，即深侧向大于浅侧向电阻率。差异大小取决于钻井液滤液电阻率与地层水电阻率的大小以及裂缝发育程度。由于双侧向径向探测范围深，因此能反映距井壁较远处的裂缝发育程度。6.2煤层物性和裂缝测井解释6.2煤层物性和裂缝测井解释（三）成像上裂缝显示特征井周成像仪器分辨率高，对割理切割造成的非均质能够分辨。图6-4为大1-1井三煤组12号煤层割理图像，颜色深处为割理发育和井壁不平处，颜色浅的地方为割理不发育。井周声波成像和微电阻率扫描成像均是具有高分辨环井壁360度全方位和随深度变化的二维测井图像，对后期构造裂缝反映很灵敏，可清晰、直观显示地层中裂缝的存在，并可分析裂缝的倾向、倾角、连通及充填情况。3、煤层渗透率计算方程为：6.2煤层物性和裂缝测井解释24MbviMbvmcMphiMphim（6-10）4、煤层测井工业分析利用测井资料进行煤层工业分析的步骤：（1）将煤心进行水分、灰分、挥发分及固定碳实验室测定；（2）利用Elan（岩物分析软件）对煤层井段测井资料进行精细处理。式中：Mphmi——煤层渗透率，Mphi、Mbvm和Mbvi——分别代表核磁孔隙度、可动流体孔隙度和束缚流体孔隙度，c——系数处理结果煤层的渗透率仅能代表孔隙系统的渗透率，数值很小，决定煤层渗透性的是裂缝渗透率，目前还不能确定。6.3煤层含气测井解释1、定性方法测定煤层含气量（一）用体积模型概念分析煤层气层煤层气含量用体积模型概念分析都是依据孔隙度、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，否则为含气层。（二）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、横波比值为1.8这条线作含气性好与差的界限，小于1.8，有较好的气显示。6.3煤层含气测井解释2、煤层含气量计算常用的利用测井资料计算煤层含气量的方法有密度测井计算法和兰格谬尔公式计算法。密度测井法煤层气含量的计算公式为：gSQg/式中：Q——煤层气含量，m3/t；Φ——孔隙度，%；Sg——含气饱和度，%；g——地层密度，g/m3。（6-11）6.3煤层含气测井解释兰格谬尔公式计算法它是将煤质分析结果和含气量联系起来的最常用的方程，其具体形式如下：)1)]((1[bpbpVVVGwaLs式中：Gs——含气量，m3/t；Va——灰分体积百分数；VL——干煤无灰兰氏含气量；Vw——水分体积百分数；b——兰氏常数；p——压力。（6-12）6.4煤层机械特性测井评价1、煤层力学参数测井评价（一）煤层与顶底板机械特性的测井解释煤与其它岩类（如砂岩、泥岩等）的机械力学性质有明显的不同，砂岩和泥岩的机械强度大，杨氏模量、切变模量、体积模量比煤层的大一个数量级。煤层的机械强度弱，脆而软，既易压性破裂又易张性破裂。（二）地应力测井解释各种不同性质的岩石在应力作用下都能产生各种各样的形变，利用这些形变反演构造应力场，探索构造发育特点。在煤层气井通过地层倾角测井测出地层产状，可以求取最大水平主应力方向，判断该区构造演化特征和煤层压裂后裂缝的延伸方向。6.4煤层机械特性测井评价（三）顶底板层的封隔性测井