测井技术在晋城寺河煤层气地面预抽工程中的应用
(1.山东煤炭地质工程勘察研究院泰安271000)
(2)山东科技大学地理信息科学与工程学院，青岛266510)
(3)山东煤田地质局数字测井站泰安271000)
作者简介:周，男，汉族，山东即墨人，研究员。现在山东煤炭地质工程勘察研究院从事测井新技术、新方法的应用研究和资料的处理解释。邮箱:zml426 @ 163.com
本文探讨了如何利用数字测井技术解释煤层气储层参数，估算煤层气含量，分析其他岩性，评价煤层气井固井质量，为煤层气勘探提供测井技术支持。
测井技术；参数；煤层气储层体积模型
测井技术在晋城寺河煤矿地面煤层气抽采工程中的应用
周、王怀红、苏先伟、毕
(1.山东煤炭地质工程勘察院，泰安271000；2.山东科技大学地理信息科学与工程学院，青岛266510；3.山东省煤炭地质局，泰安271000)
文摘:介绍了利用数字测井技术解释储层参数，同时分析其他可变岩性，评价煤层气井固井质量。可为煤层气勘探提供测井技术支持。
关键词:测井技术；CBM油藏参数；体积模型
1概述
山西晋城煤业集团寺河矿是国家“九五”重点建设项目，设计生产能力为400万t/a，井田位于沁水煤田东南部，横跨阳城县和沁水县。整个井田面积为91.2km2，共有三层可采煤层，即3 #、9 #和15 #。其中3 #煤平均厚度为6.42m，可采储量为4.32×108t，也是地面预抽煤层气的目的层。
瓦斯又称煤层气，是煤矿安全的头号杀手，是一种清洁能源。该矿属于高瓦斯矿井，为了从根本上杜绝煤矿瓦斯事故的频繁发生，改善煤矿的安全生产条件，还可以作为一种新能源；在地面打井开采煤层气可能会使高瓦斯矿井变成低瓦斯矿井。随着数字测井技术的快速发展，煤层气测井仪器、有效方法和解释模型相对成熟，具备了直接解释煤层气储层参数的可能性。
2煤储层的地球物理特征
煤层气是一种非常规天然气，主要吸附、生成和储存在煤层中。其成分与常规天然气基本相同(甲烷含量大于95%)，可作为与常规天然气同等品质的能源和化工原料。煤层气的储层是煤层，煤层气也具有煤层的各种地球物理特征。煤层气储层具有双重孔隙结构，理想情况下可以简化，如图1所示。煤基质的骨架是不同比例的有机质和矿物质(主要是粘土矿物)的混合物。然而，甲烷(CH4)和少量的水以及其他气体(CO2、N2、重烃等。)都吸附在煤层气储层的基质孔隙中，几乎没有游离水和游离气。煤层围岩的主要岩性为砂岩、泥岩和灰岩，煤层的物理特性与围岩有明显的区别。该区目的层为3 #煤层，平均厚度6.42m，含脉石1层，岩性为炭质泥岩，明显。煤层顶底板岩性为泥岩，具有渗透性差、耐水性好的特点，导致煤层中的煤层气难以向外逸出而得以保存和富集。因此，3 #煤为煤层气提供了良好的储存条件。其地球物理特征如下。
图1煤层解理和基质微孔剖面图
2.1电阻率高，变化范围大。
煤层电阻率普遍较高，随煤化程度变化较大，通常从几十欧姆米到几千欧姆米不等，还与裂隙发育、含水量、灰分等因素有关。
2.2时差大，传播速度慢。
由于煤层的主要成分是有机质，甲烷气体吸附在微孔中，两者的声波传播速度都很慢，所以煤层的声波时差很大，纵波时差一般在320 ~ 450 μ s/m。
2.3高氢指数(即中子孔隙度)
煤主要由碳、氢、氧等元素组成，氢含量高，是其他岩性无法比拟的，所以中子测井得到的中子孔隙度极高，一般在35%-50%之间。
2.4低自然伽马值
通常情况下，煤层中的有机质不吸附放射性元素，只有构成灰分的泥质岩具有吸附放射性元素的能力。由于煤的灰分较低，煤层的自然伽马值远低于泥岩，一般在20-70 API之间。
2.5低密度
因为煤层中的有机质和吸附在微孔中的甲烷气体的密度很低，虽然构成灰分的矿物杂质密度高，但含量少，所以煤层的密度很小。烟煤约为1.2 ~ 1.5g/cm3，无烟煤约为1.35 ~ 1.75g/cm3，其他岩性通常为2.2 ~ 2.7g/cm3。
2.6光电吸收指数低
岩石的光电吸收指数(Pe)定义为:
Pe=(Z/10)3.6
单位是巴/电子(b/e)，其中z是原子序数。碳元素的原子序数为6，计算其Pe值为0.159，煤层以碳为主，所以煤层的Pe值很低，通常在0.9-1.2b/e之间..
3测井仪器和测量参数
根据钻井施工程序和测井设计要求，本次测井使用的仪器为渭南煤矿专用设备厂生产的TYSC-3Q系列数字测井仪和美国Mount sprics公司生产的MT-III系列数控测井设备。
测量的参数包括补偿密度、中子、自然伽马、三侧向测井、视电阻率、自然电位、裸眼井测井的井径和井斜、套管井测井的声幅，以检测固井质量。
4测井解释
4.1测井解释模型及煤层气含量分析
本次测井资料处理解释采用了美国MT公司的LOGSYS测井处理系统和中国地球物理研究所开发的CLGIS解释处理软件，并应用了原煤炭部一等科研项目“煤层气测井技术研究”的部分成果。以密度曲线为主，自然伽马、电阻率、声波时差、中子孔隙度曲线为辅，主要进行预处理、数学计算、分层定性分析、交会图技术、体积模型分析、对比分析。以SH1钻孔的解释为例，其他钻孔的解释也类似。
(1)砂岩和泥浆水百分含量岩石体积模型:岩石体积分为岩石骨架、泥质和孔隙(饱和含水量)三部分，作为对测井响应贡献的总和(见表1)。
密度:p = VMA PMA+VSH PSH+φ PW
自然伽马:I = VMA IMA+VSH伊什+φ IW1 = VMA+VSH+φ。
式中；P和I分别为岩石对密度和自然伽马的测井响应值；
Pma、psh和pw分别是岩石骨架、泥浆和孔隙水对密度的测井响应参数；
Ima、Ish和Iw分别是岩石骨架、泥浆和孔隙水对自然伽马测井的响应参数。
Vma、Vsh和φ分别为岩石骨架、泥质和孔隙的体积含量。
表1解释参数
(2)煤层体积模型:将煤层体积分为纯煤(包括固定碳和挥发分)、灰分(包括泥质等矿物)和水分(充满水的孔隙)三部分，作为对测井响应贡献的总和(见表2)。
密度:p = VC PC+VA PA+VW PW
中子:φn = VCφC+VAφA+VWφw 1 = VCφC+VAφA+VWφw。
式中；p和φN分别为煤层对密度和中子测井的响应值；
Pc、pa和pw分别是纯煤、灰分和水分对密度测井的响应参数。
φc、φa和φw分别是纯煤、灰分和水分对中子测井的响应参数；
Vc、Va和Vw分别是纯煤、灰分和水的相对体积百分比。
然后将体积含量转换成重量含量:
中国煤层气勘探、开发和利用的技术进展:2006年煤层气学术讨论会论文集。
由于固定碳Qg和灰分Qa之间的相对线性相关性:
Qg=m Qa+n
通过测井可以连续得到灰分，利用上式可以得到固定碳。挥发性Qv通过从计算的纯煤中减去固定碳获得:
Qv=Qc-Qg
表2解释参数
(3)煤层气含量的估算:煤层中的甲烷气体吸附在煤基质微孔的内表面，只有有机质吸附气体，矿物质和水不吸附。煤层中的水也不含气体(水溶性气体很少，可以忽略)，在煤层原始状态下，甲烷等游离气体很少，也可以忽略。在一个勘探区的同一煤层中，由于储层压力、温度等影响因素大致相等，如果忽略煤层气饱和度的影响，煤层含气量与非煤物质(灰分加水分)含量呈线性关系。通过建立煤芯样品测得的瓦斯含量与灰分的线性相关关系，可以从测井得到的灰分中连续估算出煤层气含量。
y=a x+b
4.2综合解释结果
(1)主要煤层平均测井响应表，详见表3。
表3主要煤层的平均测井响应
(2)主要煤层工业参数计算结果见表4。
表4主要煤层工业参数计算结果
注:煤层工业分析为重量百分比。
(3)主要煤层、顶底板解释分析表见表5。
表5所有煤层划分数据表
(4)对主要煤层、顶底板进行了说明和分析，如表6所示。
表6主要煤层、顶底板解释分析表
注:含水量和渗透率是根据岩层的岩性和孔隙度来评价的。
其他钻孔的煤质和瓦斯含量用同样的方法计算，如表7所示。
表7寺河煤层气项目部分钻孔煤质及瓦斯含量统计表
5井筒质量评价
5.1偏差
根据井斜数据分析(表8)，可以看出井斜从125米开始，随着深度的增加逐渐增大，在364米处达到最大值1° 30’。全角最大变化率为0.81/30m，位于孔深350m处。全井方位角65-162不等，最大分支距1.15m，闭合方位角145.73。没有发现井眼变形。
表8井斜数据表
5.2孔径
全井井径变化见井径数据统计表(表9)。从表中可以看出，38.50 ~ 54.60 m井段平均井径为233.79mm，平均扩径率为8.3%。导致井径扩大的原因是该段岩石受风化作用影响，地层较松散。207.00 ~ 213.00 m井段平均井径243.73mm，扩径率12.9%，为全井最大。该井段以泥岩为主，脆性大，易形成井径扩大。
表9卡尺数据表
5.3固井质量
固井质量评价依据《石油天然气公司技术规程》中的“水泥环质量评价”及洪恩煤田煤层气开发固井质量评价相关标准进行。
全井固井质量检查见固井质量检查测井数据统计表(表10)。由于钻孔中的低水位，声波振幅测量从143.5438+00m开始。从表中可以看出，实测区间优良，合格率为100%。
表10 SH1固井质量数据表
6结论和建议
本次目的层为3 #煤层，测井物性反映明显，解释精度符合要求。
目的煤层的工业分析和其他地层的岩性分析都是以上述体积模型和测井响应值为基础，通过交会图技术选取参数，用最小二乘法求解，具有一定的参考价值。煤层瓦斯含量的估算参考了该地区其他地质钻孔的煤层测试资料，结合钻孔的测井响应值，利用灰分与瓦斯含量的线性关系求解，供有关方面参考。
由于煤层气测井还处于起步阶段，测井仪器和方法都需要进一步改进。通过本次煤层气测井，对今后工作的建议如下:
(1)增加双井径、双测向等参数的测量。
(2)尽量给每个探头增加自然伽马参数，以消除电缆膨胀带来的深度误差。
(3)通过实验确定声波探头是否满足固井质量检验的技术要求，开发新的应用程序从全波波形图中提取声波振幅。
(4)磁定位测井技术研究。
(5)电缆深度测量精度应进一步提高，人工校深的测量误差必须≤0.5‰。
(6)中子刻度必须有两点:水点和19%刻度盒。
参考
[1]煤层气测井方法研究课题组. 2000。《煤层气测井方法研究报告》，北京:中国煤田地质总局。
[2]何天才. 2005 .晋城寺河煤层气抽采实践与展望，中国煤层气，第二卷，第3期，16。
[3]测井编写组. 1998。测井，北京:石油工业出版社。