韩城矿区煤岩类型测井解释技术及产能预测方法

邵先杰，董新秀，汤达祯，孙玉波，胥昊，王海洋

(1.燕山大学石油工程系，河北 秦皇岛 066004;2.中国地质大学能源学院，北京 100083)

0 引言

我国煤层气开发技术已经取得了突破性进展[1]，煤层气受煤储层复杂性影响，不同煤阶、不同煤岩类型煤层表现出不同的生产特征[2]，给煤层气井产能预测、开发部署带来了很大困难。煤岩类型不同，其孔隙度、渗透率和含气量不同[3]，投产后的产能不同，甚至在生产过程中的措施也不同。比如暗淡煤质地坚硬，密度大，压裂时的破裂压力往往比较高;光亮煤脆度大，含气量高，产量高。对煤岩类型的准确解释是储量计算、生产措施安排和产能预测的重要依据。利用大量的取心资料深入研究了煤岩对测井的响应关系，探索了利用测井资料定性解释煤岩类型的方法，结合生产资料建立了测井参数预测煤层气井产能的图版，为产能井部署、开发方案设计、生产管理和增产措施的实施提供了依据。

1 煤岩类型对测井曲线的响应关系

1.1 煤岩类型及物理特性

根据对韩城地区大量取心资料的观察以及实验资料的分析总结，该地区煤层主要以半亮煤和半暗煤为主，暗淡煤和光亮煤也有分布。

光亮煤:光泽强、脆度大、机械强度小、易破碎、内生裂隙发育、密度小、灰分含量低、含气量高。

半亮煤:脆度大、机械强度小、易破碎、内生裂隙较发育、密度较小、灰分含量低，相对于光亮煤其结构不均一，含气量较高。

半暗煤:光泽较弱、比较坚硬、密度较大、内生裂隙不发育、灰分含量较高、含气量较低。

暗淡煤:光泽暗淡、质地坚硬、密度大、内生裂隙不发育、矿物质含量高、高含气量低。

1.2 测井响应关系

由于煤岩类型不同，工业组分不同和物理性质不同，在测井的响应关系上也存在较大差别[4]。根据对韩城煤层气井岩电关系的研究，从光亮煤到暗淡煤，补偿密度测井值逐渐增大，补偿声波时差值逐渐减小，补偿中子测井值逐渐降低，扩径率逐渐降低(扩径率等于井径与钻头直径的差与钻头直径比值的百分数)。依据实际资料统计出了韩城矿区不同煤岩类型的测井参数分布区间(见表1)。从表1中可以看出，夹矸的密度大于1.75 g/cm3，声波时差小于370μs/m，几乎没有扩径，很容易与煤层区别开来。就单一指标看，各煤岩类型的测井参数之间虽然有一定的交叉，但变化趋势以及与测井曲线之间的响应关系还是比较明显。

表1 不同类型煤岩的电性特征

2 煤岩类型定性解释方法

2.1 图版法

根据岩电关系研究结果，声波时差曲线对煤岩类型响应最为敏感，其他依次为密度测井曲线、井径测井、中子测井。因此选择声波时差为横坐标，密度为纵坐标，井径为肋线，绘制坐标，把取心描述资料作为已知数据绘制在坐标上，根据已知数据点的分布规律可以划分出光亮煤、半亮煤、半暗煤、暗淡煤和夹矸的分布区域(见图1)。

使用该图版需要3个参数，以声波时差和密度测井曲线为主，井径测井曲线作参考。假若根据声波时差和密度测井数据落在图上光亮煤和半亮煤分界线附近区域，井径扩径率小于30%时，那么该样品的级别应降为半亮煤。也就是说，以声波时差和密度测井曲线为主，利用井径校正。

图1 煤岩类型定性解释图版

2.2 灰色关联法

图版法直观，但最多只能利用3个参数，忽略了补偿中子测井，缺乏全面性，同时也会出现同一层的不同参数跨不同的煤岩区间类型，给解释带来困难。另一方面，图板法不便于计算机自动识别，效率低[5]，只能以层为单元识别，逐点识别困难。

灰色系统是解决信息部分明确、部分不明确的复杂关系系统的有效方法。灰色关联分析方法是根据系统各因素间或各系统行为间发展态势的相似或相异程度衡量关联程度的方法[6]。

以某口井某层的测井参数为例介绍灰色关联判断煤岩类型的方法。某评价层的补偿密度测井值为1.60 g/cm3，声波时差测井值为411μs/m，补偿中子测井值为34.4 p.u.，井径扩径率为23%。不同参数分别跨3个类别。

首先写出评价对象与分级标准的数据矩阵

矩阵(1)中的第1行是被评价层的测井参数;第2到第6行为煤岩电性标准参数区间的平均值;第1列为补偿密度测井值、第2列为补偿声波时差测井值、第3列为补偿中子测井值、第4列为扩径率。

对矩阵(1)进行列归一化处理(除以每列的最大值)，得到

按照公式Δ1i(k)=|y'(k)-x'i(k)|求得差序列矩阵

由矩阵(3)求得两级最大差和两级最小差

最大关联度为r13=0.878，表明该层属于半暗煤。

该方法考虑因素全面，不受人为因素影响，较客观，通过软件可实现计算机自动识别和逐点识别。

2.3 应用实例

以韩城WX-1井为例分析各层的煤岩类型(见图2)。3号煤层埋藏深度390.5～392 m，厚度1.5 m。5号煤层埋藏深度417.6～419.8 m，中间夹厚度0.45 m的煤矸石，煤层纯厚度1.75 m。解释结果是以半暗煤为主，夹半亮煤条带。11号煤层埋藏深度460.1～467.45 m，中间夹厚度0.5 m的煤矸石，上段煤层厚度2.6 m，下段厚度4.25 m，2段性质差别比较大。11号煤层上段扩径率相对低，但密度中等，声波时差中等，且变化大，说明非均值性严重，以半暗煤为主，夹有半亮煤和暗淡煤条带。11号煤层下段扩径率低，密度大，声波时差小，以暗淡煤为主，夹半暗煤条带。

3 产能预测方法

3.1 含气量与煤岩组分之间的关系分析

根据实验资料，韩城地区3个主力煤层的工业分析结果，灰分含量7.34% ～39.24%，平均28.68%。其中3号煤层的变化区间为16.73%～35.72%，平均23.58%，属中灰分;5号煤层的变化区间为7.34% ～39.24%，平均23.99%，属中灰分;11号煤层的变化区间为10.22% ～38.97%，平均31.30%，属中高灰分。

图2 WX-1井煤岩类型定性解释结果

固定碳含量45.69% ～80.23%，平均58.11%。其中3号煤层的变化区间为51.46% ～70.24%，平均66.89%;5号煤层的变化区间为45.69%～80.23%，平均63.52%;11号煤层的变化区间为48.37% ～78.12%，平均55.17%。

原煤基总含气量2.24～12.41 m3/t，平均7.01 m3/t。其中3号煤层的变化区间为7.36～9.13 m3/t，平均8.38 m3/t;5号煤层的变化区间为2.62～11.47 m3/t，平均7.22 m3/t;11号煤层的变化区间为 2.27 ～12.41 m3/t，平均 6.63 m3/t。

根据实验结果，气含量与固定碳含量呈正相关(见图3)。因为固定碳微孔隙发育，比表面积大，吸附能力强，所以，随着固定碳含量的增加，含气量增大。含气量与固定碳含量之间的统计关系式为

式中，Q为含气量，m3/t;VFCD为固定碳含量。

图3 含气量与固定碳含量的关系

3.2 煤岩参数的测井响应关系

韩城矿区测井系列采用孔隙度—电阻率测井系列，主要包括补偿密度、补偿声波时差、补偿中子、深浅侧向、自然电位、自然伽马、井径等测井曲线。这一组测井系列在一定程度上能够反映岩性[7]、煤岩性质、孔隙度、含气状况，也可以间接估算渗透率[8-9]。

煤层相对于围岩，物理性质差异明显，密度低、自然伽马低、自然电位负异常、声波时差大、中子孔隙度高、电阻率高，具有“三高三低”的特点。结合煤层扩径率比较高的特点[10-11]，通常可以采用人工解释的方法划分煤层，或采用模式识别方法自动划分煤层、识别岩性。

通过对12口井90个样品的准确归位，统计了各样品层段的补偿密度、补偿声波时差测井值，分析对测井的响应关系。考虑到样品归位时可能存在误差，对于测井曲线跳跃比较严重的层段取邻近几个样品的平均值[12-13]，读测井层段的平均值作为样品的测井响应值。

补偿密度测井可以定量解释不同岩层的密度测井大小[14]，由于不同煤层的组分不同，密度存在差异，在密度测井上都有响应。根据取心井资料统计了固定碳含量与补偿密度测井参数之间的响应关系，随着固定碳含量的增加，补偿密度测井值降低(见图4)。补偿密度测井(ρ)与固定碳含量之间的统计关系式为

随着固定碳含量增加，声波时差值呈增大趋势(见图5)。声波时差测井(AC)与固定碳含量之间的统计关系式为

图4 固定碳含量与补偿密度测井的响应关系

图5 固定碳含量与补偿声波测井的响应关系

煤储层工业组分与测井曲线之间的良好响应关系为建立测井产能预测模型奠定了基础。

3.3 煤层气井产能水平预测图版建立

通常情况下，煤岩的固定碳含量越高，密度就越小，孔隙度大，含气量高，投产后产量一般比较高。煤岩的固定碳含量对密度测井和声波测井响应关系比较好。因此，补偿密度测井和声波时差测井在一定程度上反映了气井的生产潜能。

利用韩城矿区已投产的煤层气井为依据，排除因地层水的影响和压裂工艺影响而生产不正常的井，把22口测井资料比较全的井的参数绘制到图版上，明显可分为3个区(见图6)。图6中左上角井为高产井区，一般补偿密度小于1.55 g/cm3，补偿声波时差大于400μs/m，采气指数大于200 m3/(m·d);右下角的井为低产井区，补偿密度一般大于1.65 g/cm3，补偿声波时差小于390μs/m，采气指数小于150 m3/(m·d);中部为中产井区采气指数一般150～200 m3/(m·d)，补偿密度1.55～1.65 g/cm3，补偿声波时差390～410μs/m。从图6上可以发现，有部分不同级别的井有交叉，这主要是因为大部分井为多层合采井，层间有干扰，影响了计算精度。

图6 韩城地区煤层气井产能水平预测图版

图6为统计图版，井数越多精度越高，所以可以把投产后达到稳产的井作为已知井投影到图版上，完善图版，不断提高图版精度。

4 结论

(1)不同的煤岩类型其物理性质不同，在测井曲线上均有响应。通过大量取心资料的观察描述，建立了煤岩类型识别的标准，为测井定性解释奠定了基础。

(2)分别提出了2种煤岩解释方法， 实际应用效果良好。图版法直观，单层解释速度快;灰色关联法考虑因素多，更加准确，便于计算机自动逐点解释。

(3)依据实际生产资料，建立了产能预测图版，新井完钻后即可分析未来可能的产能情况，可以有针对性地指导有关生产措施的实施。

[1]张群，冯三利，杨锡禄.试论我国煤层气的基本储层特点及开发策略[J].煤炭学报，2001，26(3):34-39.

[2]王红岩，李景明，刘洪林，等.煤层气基础理论、聚集规律及开采技术方法进展[J].石油勘探与开发，2004，31(6):14-16.

[3]叶建平，史保生，张春才.中国煤储层渗透性及其主要影响因素[J].煤炭学报，1999，24(2):118-122.

[4]陆国桢，张凤威，傅雪海.测井解释煤层甲烷含量与煤层结构的研究[J].煤田地质与勘探，1997，25(3):54-57.

[5]邵先杰，汤达祯，申本科，等.河南泌阳特超稠油储层水淹层测井解释[J].测井技术，2004，28(3):217-220.

[6]赵云胜，龙昱，赵钦球，等.灰色系统理论在地学中的应用研究[M].武汉:华中理工大学出版社，1997:29-34.

[7]汤永梅，黄宏才，秦菲莉，等.多参数判别在东濮凹陷测井解释中的应用[J].测井技术，2004，28(3):214-216.

[8]潘和平 黄智辉.煤层含气量测井解释方法探讨[J].煤田地质与勘探，1997，26(2):58-60.

[9]高绪晨.密度和中子测井对煤层甲烷含气量的响应及解释[J].煤田地质与勘探，1997，26(2):58-60.

[10]Waxsman M H，Smits L J M.Electrical Conductivity on Oil-bearing Shaly Sands[J].Society of Petroleum Engineers Journal，1968(6)，107-122.

[11]董守华.气煤弹性各向异性系数实验测试[J].地球物理学报，2008，51(3):947-952.

[12]张龙海，周灿灿，刘国强，等.孔隙结构对低孔低渗储层电性及测井评价的影响[J].石油勘探与开发，2006，33(6):671-676.

[13]秦绪英.利用测井资料预测天然气储层产能方法研究[J].石油地球物理勘探，2007，42(3):318-321.

[14]胡年友，韩桂芹，黄大琴，等.补偿中子测井估计油气流体密度[J].测井技术，2004，28(3):209-213.