煤层气储层测井评价方法

煤层气测井评价方法
第一章前言
1.1研究的目的及意义
煤层气形成于煤化作用的各个阶段；绝大部分煤层气以吸附态赋存于煤层之中；煤层的生气和储气能力都受煤变质作用程度的控制，这些特性决定了煤层气储层评价的一系列关键参数, 如煤层组分、镜质组反射率、煤层含气量等。

这些参数可用常规测井方法直接或间接获得，而且测井解释快速直观、分辨率高、费用低廉等特点，可弥补取心、试井及煤心分析这些方面的不足。

因此，煤层气储层测井评价技术的研究具有十分重要的意义和非常广阔的应用前景。

煤层气储层地球物理测井评价技术总体上可以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。

其中煤层气储层参数定量解释技术是其研究的核心。

目前利用测井方法可以确定的煤层气储层参数包括: a..煤层气储层的含气量(饱和度)、孔隙度(基质孔隙度和裂缝孔隙度)和渗透率(基质渗透率和裂缝渗透率)；b.煤岩工业分析参数——煤的挥发分、固定碳、灰分、水分和煤阶；c.煤层气的吸附/解吸特性参数；
d.煤层厚度、深度、储层压力、温度和产能等。

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。

我国煤层气资源分布图
1.2国内外研究现状
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。

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(ECS)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。

第二章煤层气储层基本特征
2.1煤层气储层特征
2.1.1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95％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。

2.1.2 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。

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(①>50nm)、中孔(2nm<①<50nto)、过渡孔(0．8nm<①<2nm)和微孔(①<0．8nm)。

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。

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。

煤层割理系统示意图
2.2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(C2+)和其它气体(N2、C02、H2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。

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：①具备丰富的有机质作为产气的物质基础；②具备微生物(甲烷菌等)生存和繁殖的环境条件；③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％<Ro<1．9％)，有机质发生热降解生成大量重烃气，该阶段称为热降解生气阶段。

随着煤化程度的进一步加深，进入贫煤．无烟煤阶段(I◇1．9％)，在高温条件下，残余的干酪根及部分重烃发生裂解生成甲烷，该阶段称为热裂解生气阶段。

热裂解生气阶段。

3)混合成因气。

由于煤层气形成的阶段性不明显，且具有持续性，使得现今赋存的煤层气可能源于不同产气阶段或产气地点，形成混合成因气。

4)无机成因气。

主要是指在火山活动或地壳运动过程中从地幔或地壳深部释放出来的甲烷气体，进入煤储层并赋存起来。

无机成因的煤层气储量非常少。

综上所述，随着煤的变质程度的加深，煤层的主要生气阶段也会发生变化：在低变质程度阶段(泥炭．褐煤)，以生物成因气为主；在中高变质程度阶段(长焰煤．瘦煤)，以裂解生气为主；在高变质程度阶段(贫煤．无烟煤)，以裂解生气为主。

综上所述，随着煤的变质程度的加深，煤层的主要生气阶段也会发生变化：在低变质程度阶段(泥炭．褐煤)，以生物成因气为主；在中高变质程度阶段(长焰煤．瘦煤)，以裂解生气为主；在高变质程度阶段(贫煤．无烟煤)，以裂解生气为主。

2.3煤层气的赋存状态、运移机理以及产出机理
2.3.1 煤层气的赋存状态
通常，煤层气以以下三种状态赋存于煤储层中：
（1)以吸附状态存在于煤体基质微孔表面，是其主要赋存状态，约占总含气量的80%-95%。

普遍认为，甲烷气体与煤体表面之间的吸附主要是物理吸附，是煤甲烷气体分子和表面分子之间范德华力作用的结果。

煤层甲烷吸附和解吸的过程遵守Langmuir等温吸附理论。

（2)以游离状态存在于煤层微孔隙或裂缝(割理系统)中，约占总含气量的5%-10%0只有在气饱和的情况下才能存在游离气。

通常认为游离气遵守一般气体状态方程。

（3)以溶解状态存在于煤层水中，溶解状态的煤层气含量很少，一般不足5%。

溶解气量与煤储层的温度、流体压力等因素有关，其溶解度可用亨利定律描述。

2.3.2 运移机理
煤是一种固体矿产,受地层压力、构造及地层温度的影响,形成的煤层气可分为游离气、溶解气,还有以分子状态存在的吸附气。

前两部分占煤层气的量微乎其微,而后者是大量的,是煤层气开采的主体。

煤层气的运移机理有以下方面。

(1)解吸。

在开采之前,煤层气以分子状态吸附在煤颗粒表面。

随着储层压力的降低(如抽水),地层能量的衰减,压力降到解吸压力以下,以分子状态存在的解吸气变为游离气。

(2)扩散。

煤层甲烷解吸之后,在煤基质与割理之间的浓度不一致。

由浓度差异引起甲烷气体扩散,气体从基质进入割理。

(3)流动。

由于气体的解吸、扩散,割理与井眼之间的压力梯度发生了变化。

由于压力不同,引起气体由割理向井眼流动。

2.3.3 产出机理
煤层气的产出过程大致可分为以下三个阶段：
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。

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。

(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。

煤层气运移过程示意图
第三章煤层气的测井解释
3.1 煤层气的测井特征
由于煤层裂缝和基质孔隙度很小、含气量低,因此测井对煤层气的分辨率较低。

如果想从测井曲线上识别出煤层是否含气是比较困难的,但从理论上来说,由于气体的密度比煤层小因此煤层含气后其体积密度值相对减小;煤层含气后氧含量增加,补偿中子值相对减小;煤层中含气量增加,声波传播速度减慢,声波时差值相对增大我们可以综合利用这几点特征在测井曲线上定性识别煤层气。

3.2 煤层气测井系列的选择
3.2.1 体积密度
补偿地层密度测井是测量气层体积密度随孔隙度及其含气饱和度的变化,用公式表示
为：
原油和水的体积密度接近,甲烧气体体积密度远小于原油和水的体积密度。

在储层岩性相同和孔隙度相同的条件下,当目的层体积密度小于油层或水层体积密度时,可以识别为气层。

3.2.2 含氢指数
补偿中子测井是测量气层含氛指数随孔隙度及含气饱和度的变化,用公式表示为:
原油和盐水含氧指数接近,甲焼气体的含氧指数小于原油和盐水的含氬指数。

例如,当气体埋藏深度为3500km时,甲焼气体密度等于0. 15g/cm3,算出甲烧气体的含氢指数为33. 75%,仍比原油和盐水的含氢指数小44%,而为纯水含氢指数的1/3。

在储层相同岩性和相同孔隙条件下,当目的层含氢指数小于水层或油层含氧指数时,可以识别为气层。

3.2.3 纵波时差
井眼补偿声波测井是测量气层纵波时差随孔隙度及其含气饱和度的变化,用公式表为：
原油和水的纵波时差接近,甲烧气体的纵波时差大于原油和水的纵波时差3倍左右。

在储层相同岩性和相同孔隙度条件下,当目的层纵波时差大于油层或水层岩石的纵波时差时,可以识别为气层。

3.2.4 电阻率
双感应-球形聚焦测井是测量气层电阻率随孔隙度及其含气饱和度的变化,用下述公式表示。

深感应测井测量的气层电阻率R是：
中感应测井测量的气层电阻率R是：
感应测井径向积分几何因子是泥装侵入深度的函数。

通常,深感应测井几何因子小于中感应测井几何因子。

球形聚焦测井测量的气层电阻率是：
在用淡水泥装钻井情况下,当目的层深感应电阻率大于中感应与球形聚焦电阻率时,可以识别为气层或油层。

反之,当目的层深感应电阻率小于中感应与球形聚焦电阻率时,可以识别为水层。

然而,在用盐水泥楽钻井情况下,气层或油层与水层同时出现深感应电阻率大于中感应与球形聚焦电阻率。

3.2.5 自然电位
自然电位测井是测量储层自然电位随泥质含量的变化,用公式表示为：
可流过原油的岩石孔道直径要比可流过煤层气的岩石孔道直径大10倍。

因此,泥质含量特别高的储层,对原油是非储层,对煤层气可能是储层。

自然电位可以用来评价气层的泥质含量。

3.2.6 自然伽马
自然伽马测井是测量储层自然伽马随泥质含量的变化,用公式表示为“
同样,自然伽马可以用來评价气层的泥质含量。

3.2.7 井径
井径测井是测量井眼直径的变化,用它可以定性判断岩性。

砂岩地层井眼直径小于转头直径,泥岩地层井眼直径大于或接近于钻头直径,煤层井眼直径特别大M此外,气层与煤层的测井响应特征有明显差别。

在多数情况下,气层体积密度高于煤层体积密度,气体含氢指数低于煤层含氢指数,气层纵波时差低于煤层纵波时差,气层井径小于煤层井径。

测井勘探煤层气,就是根据剖面中出现的煤层来识别煤层气类型。

如果剖面中没有煤层存在,那么测井难于区分煤层气与油型气类型。

第四章结论与认识
测井资料具有纵向连续性、高分辨率及类型多样、丰富等特点，它不但在常规油气层评价中有重要的应用，在煤层气的地质与工程评价中也起着很大的作用，显示了测井资料在煤层气评价中的重要意义。

但是也还存在以下几个需要改进的地方:
1、在可能的情况下,尽可能提供更多的岩心分析资料,为分析及验证方法的有效性提供依据;
2、对测井资料做更深入的研究,更加量化煤层气储层的测井特征;
3、本课题有一些部分由于各方面原因只停留在理论方面,以后应在实际应用上更加完善。

4、利用测井方法直接计算煤储层含气量仍是难点。

5、需研制或引进新的、先进的测井方法,并针对性地加强其应用研究。

6、利用煤层气储层测井评价最新研究成果,加强新的煤层气储层测井处理解释与评价软件系统的研制开发。