和顺地区煤层气工业组分与含气量计算研究

张作清

（中国石化集团华东石油局测井工程公司，江苏 扬州225007）

0 引 言

煤的工业组分包括灰分、固定碳、挥发分、水分等4部分［1］。U.Ahmed等［2］将地球化学测井引入到煤层煤质评价，提高了测井解释煤组分含量的精度；孙耀庭等［3］建立了煤岩实测灰分含量与测井参数的经验关系式；高绪晨等［4］提出针对煤层的体积模型并提出了各组分测井响应参数的获取方法。在煤层含气量评价方面，早在1977年，Kim A.G.［5］就曾提出一种基于等温吸附方程和测井资料计算煤层含气量的方法（称为KIM方程）；1992年，J.M.Hawkins、R.A.Schraufnagel和 A.J.Olszewsk等人使用了与Kim A.G.提出的KIM方程相同的数据集，结合Langmuir吸附等温理论共同提出了计算煤层含气量的兰氏煤阶方程。在国内，潘和平等［6］通过分析华北地区煤样煤质、含气量实验测试资料以及相应的测井资料，发现煤层含气量与煤层温度、压力及碳分、灰分含量具有密切关系，并建立了煤层含气量的估算方法。董红［7］、刘效贤［8］、高绪晨［9］、葛祥［10］等也都探讨过利用多元线性回归方法预测煤层含气量。

本文在测井曲线重构以及井径扩径校正基础上，通过实验室分析刻度，建立煤的工业组分与测井曲线的经验计算关系式，并对含气量与深侧向电阻率、自然伽马、补偿密度、补偿声波时差等4条测井曲线进行单相关分析，通过复合参数P建立煤层含气量的计算公式，最终将这一研究成果应用于和顺地区煤层气井的处理，取得了满意的地质效果。煤层存在的扩径现象制约了运用测井资料评价煤层含气量的精度。本文还探讨了测井曲线重构法和直接针对扩径处的经验统计回归法。

1 测井资料井眼校正

1.1 测井曲线重构法

声波测井测量过程中一般都是居中的且具有井眼补偿功能，因而受井壁垮塌的影响相对较小。在扩径不太严重的情况下，补偿声波测井可以较好地反映真实地层信息。利用声波时差孔隙度重构体积密度和补偿中子测井曲线。由岩石体积模型可得

由声波时差孔隙度重构体积密度ρAC

由声波时差孔隙度重构补偿中子φNAC

式中，Δt、Δtma、Δtsh、Δtf分别为地层、骨架、泥质和流体声波时差；ρma、ρsh、ρf分别为骨架、泥质、流体体积密度；φNsh为泥质中子测井值；ρAC、φNAC分别为体积密度、补偿中子测井重构值。

1.2 扩径处的经验校正方法

本文统计了和顺地区10口井的煤层扩径值与测井值的相关关系式，提出了基于扩径率的井径校正方法

式中，L、Lc分别为校正前、后测井值；DCAL为井径值；Dbits为钻头直径；a、b为校正系数。

图1 煤层井径校正前后测井响应对比图

图1为煤层井径校正前后测井响应对比图。井径校正前扩径严重的井段（如501.875～502.375m）密度测井值降低，补偿中子测井值增大，声波时差出现尖峰，这显然是受到了扩径的影响；井径校正后，各测井值均在煤层正常响应范围内，消除了由于扩径产生的声波时差测井曲线的尖峰突变。

2 煤层工业组分计算

大量岩心分析测试研究表明，煤心的体积密度与含灰量存在线性关系，含灰量又与挥发分、固定碳含量存在线性关系。依据和顺地区煤层工业分析实验结果分别建立煤心密度与灰分的线性关系、灰分与挥发分的线性关系、灰分与固定碳的线性关系（见图2、图3、图4），进而得出和顺地区煤层四元工业组分（灰分、固定碳、挥发分、水分）的测井计算模型

式中，ρ为密度，g／cm3；Va为灰分含量，%；Vfc为固定碳含量，%；Vvm为挥发分含量，%；Vm为水分含量，%。

图4 和顺地区灰分与挥发分交会图

分析测井密度与煤岩各组分的关系式可知，测井密度值与灰分呈正相关关系，即密度值越大，灰分含量越高；与固定碳呈负相关关系，即密度值越大，固定碳含量越低。

3 煤层气含量计算

3.1 单相关分析

煤层气主要以吸附状态存在于煤层微裂隙中，其赋存状态隐蔽，对测井响应特征的影响复杂。但是在一个井田范围内，在沉积环境、变质程度、还原程度、灰分和水分相似的煤层，由于以甲烷为代表的烃类气体在电阻率（104～109Ω·m）、密度（0.716 8mg／cm3）等测井曲线上与烟煤（电阻率100～5 000Ω·m、密度1.25～1.35g／cm3）有着明显的区别，所以存在这样的一般趋势：随甲烷气体的增多，电阻率会增高，密度减小，反之亦然。这就为测井参数解释煤层气含量提供了物理基础。通过解释，初步确定了应用深侧向电阻率、自然伽马、补偿密度、补偿声波时差等4条对含气量敏感的测井曲线进行单相关分析（见表1）。

表1 煤层气含量与测井曲线单相关分析表

从上述单相关分析可以看出，补偿密度与煤层含气量相关性最好，自然伽马次之，补偿声波时差较差，深侧向电阻率最差，最终舍弃深侧向电阻率Rt，引入组合参数P对煤层含气量进行评价。

3.2 应用复合参数P计算含气量

测井曲线与含气量的关系研究表明，含气量与声波时差呈一定正相关关系，与自然伽马、补偿密度测井数据则呈一定负相关关系。为克服单参数的局限性，采用逐步判别分析法测试这些参数对含气性的贡献，再结合实际储层变化对测井分析的需要，确定利用声波时差、自然伽马和体积密度构成的复合参数P，其定义为

作和顺地区复合参数与含气量的交会图如图5所示。由交会图建立复合参数计算含气量的公式为

式中，V为含气量，m3／t；P为复合参数。

图5 和顺地区含气量—复合参数交会图

4 处理实例

应用上述方法对和顺地区20多口井进行了处理。以×－1井处理结果中的22号煤层为例进行说明（见图6）。从处理成果可以看出，煤层运用回归分析法计算得到煤层工业组分（固定碳、灰分、挥发份），与煤心实验分析结果对应较好，计算结果线与实验分析点基本重合（图6中第1道、第2道、第3道）。图6中第4道分别为运用提出复合参数P计算的含气量（图6中绿色线）和运用密度法计算的含气量（图6中蓝色线）。通过与现场煤层气含气量测试结果对比（图6中点线）可以看出，由综合参数P计算的含气量与现场测试结果更为吻合，说明该方法可行，精度能满足要求。物性计算结果不理想是今后努力的方向。

从处理成果图6可以看出，运用回归分析法计算的煤层工业组分与煤心实验分析结果对应性较好，曲线与实验分析点基本能重合。含气量分析结果表明，运用复合参数P计算的含气量（图6中绿色线）较原密度法计算的含气量（图6中蓝色线）与煤心分析结果对应性更好，说明以上方法在对和顺地区煤层工业组分和含气量进行研究时效果更好，精度也更高。

图6 和×－1井一次解释、二次解释、实验分析对比图

5 结 论

（1）煤层的扩径现象制约了运用测井资料评价煤层的精度。利用曲线重构法以及经验公式可以对测井曲线进行校正。

（2）煤心的体积密度与含灰量存在线性相关关系，而含灰量又与挥发分、固定碳含量存在线性相关关系。通过密度测井曲线可以建立相应的工业组分计算公式。

（3）通过测井曲线与含气量的单相关分析，建立复合参数P计算含气量的计算公式，对和顺地区煤层气井进行了处理，经煤心实验分析结果检验，说明了该方法的有效性。有一定的推广应用价值。

［1］ 杨孟达.煤矿地质学［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.

［2］ Ahmed U，Johnston D，Colson L.An Advanced and Integrated Approach to Coal Formation Evaluation［J］.SPE22736，1991：755－770.

［3］ 孙耀庭，李涛.测井评价煤层天然气的方法［J］.石油天然气学报，2005，27（4）：464－466.

［4］ 高绪晨，张春才，锻铁梁.煤层气测井资料解释初探［J］.中国煤田地质，2003，15（4）：54－56.

［5］ Ann G Kim.Estimating Methane Content of Bituminous Coalbeds from Absorption Data ［M］.U.S.：Dept.of the Interior，Bureau of Mines（RI8245），1977：1－11.

［6］ 潘和平，刘国强.依据密度测井资料评估煤层的含气量［J］.地球物理学进展，1996，11（4）：53－59.

［7］ 董红.基于测井资料评价辽河油田东部凹陷煤层［J］，中国煤层气，2007，4（4）：39－42.

［8］ 刘效贤，李承华.测井评价煤层气储层的方法探讨［J］.中国煤炭地质，2008，20（12）：1－3.

［9］ 高绪晨，张炳，羡法.煤层工业分析、吸附等温线和含气量的测井解释［J］.测井技术，1999，23（2）：108－111.

［10］ 葛祥，李涛.煤层气储层重要物性参数的测井评价［J］.测井与射孔，2002（4）：40－44.