测井评价煤层气藏面临的挑战与发展方向

黄科，万金彬，苗秀英，李玲芝

（中国石油集团测井有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

中国非常规油气资源中煤层气可采资源量为10.9×1012m3［1－3］。目前在煤层气勘探开发过程中，煤层气储层测井资料的采集和评价基本上沿用石油天然气工业测井采集技术与储层评价方法。煤层气储层具有低孔隙度低渗透率、非均质性强，双重孔隙结构、割理发育且易碎等特点，给测井评价技术带来了极大的挑战［4－5］。煤层气测井评价技术在煤层工业分析、含气量、物性参数的计算和煤阶判别与结构分析等方面取得了一定的效果［6－19］。总体而言，煤层气储层测井评价技术还不够成熟，研究不够深入，且缺乏系统性，难以满足煤层气勘探开发的需求。本文系统论述了目前常规测井方法在煤层气藏评价过程中的局限性，并提出了煤层气储层测井评价技术的新方法与新思路。

1 测井评价煤层气藏面临的挑战

1.1 测井数据采集

1.1.1 井眼环境

图1 扩径段煤层测井曲线图

煤层气藏开发主要采用井眼钻孔和地面采集的方式进行开发［5］。由于煤层极易破碎，在钻井过程中容易造成煤层段井眼垮塌，影响测井仪器井下数据采集，导致测井仪器测量值的不准确。图1为扩径段煤层测井曲线图。对于贴井壁的仪器影响更加明显，由于仪器无法很好地推靠在井壁上，测量值主要反映井内流体性质，给煤层气储层参数测井评价带来很大误差。对于反映井壁信息的电成像测井以及测量冲洗带的核磁共振测井等成像测井仪，扩径会直接导致测井资料失真。对于大斜度井以及水平井等定向井，煤层（尤其是构造煤）井壁稳定性差，容易造成垮塌堵塞井眼，导致测井仪器无法正常在井眼内运动。

1.1.2 仪器参数

1.1.2.1 纵向分辨率

煤层厚度是煤层气储量计算的关键参数之一。在泥炭堆积过程中，沼泽基底在较短时间内下降速度超过了植物遗体堆积速度而被其他沉积物所代替，形成了煤中的泥岩、粉砂岩等夹矸层［20］。在煤层气储量计算过程中，煤层夹矸需要从煤层总厚度中扣除。但是煤层夹矸厚度普遍较薄，有的甚至低于0.4m，常规测井纵向分辨率偏低，难以准确划分夹矸层，导致储量计算的误差。图2为煤层夹矸测井曲线图，从煤层段自然伽马和密度测井曲线上看，夹矸发育并且普遍较薄，在常规测井曲线上难以准确划分夹矸层厚度。更高纵向分辨率的电成像测井仪由于井眼垮塌和成本等因素，也难以大范围应用。

1.1.2.2 测量精度

度量煤层中含甲烷多少的指标是含气量，用单位重量煤的可燃质所含甲烷在标准状态（1个大气压，0℃）下的体积表示，单位为 m3／t［21］。密度测井作为一种常用测井方法在煤层评价过程中应用广泛，煤层含气量的低丰度对密度测井测量精度提出了挑战。高绪晨［22］在理论上分析了煤层含气在密度测井上的响应，假设煤层气成分为甲烷，甲烷含气量在密度响应上的增量如表1所示。

表1 不同甲烷含气量在密度响应上的增量

中国煤层含气量普遍低于25m3／t，部分煤层甚至低于10m3／t［5］。中国密度测井仪测量精度普遍为0.03g／cm3，中国石油集团测井有限公司最新研制的高精度岩性密度测井仪器精度可达到0.015g／cm3［23］。由表1可知，国内煤田含气量导致密度响应的增量在仪器误差范围内，难以利用现有密度测井仪准确计算煤层含气量。

图2 煤层夹矸测井曲线图

1.2 煤层气储层评价

煤层气储层测井评价面临着诸多挑战，主要有低孔隙度、超低渗透率、与常规气藏完全不同的气体赋存状态等问题。

1.2.1 孔隙度测井

常规储层评价基于岩石物理体积模型，利用密度、中子和声波等3条测井曲线计算储层孔隙度。在煤层气储层评价过程中，基于岩石物理体积模型的孔隙度测井在诸多方面存在较大局限性。

（1）低孔隙度。基于岩石物理体积模型，由于孔隙度变低，孔隙内流体对测井响应的贡献相对骨架的贡献变小，同样孔隙度测井响应值的误差会导致孔隙度计算误差成倍增加，其中孔隙度越低，误差放大倍数越大［24］。

（2）非均质性强。煤岩在煤化过程中会排出大量的气体和水，其中H元素和O元素的原子个数降低、C元素的原子个数增加，不同煤化程度煤层的骨架矿物成分、孔隙结构差异明显，相应测井响应值变化明显［20］。考虑不同煤质煤层，基于岩石物理体积模型的多矿物测井骨架值难以准确获得，最终导致孔隙度计算的失败。

（3）有机质骨架。一般认为，常规储层岩石骨架不含H核，对中子减速明显的H核全部来自孔隙流体。在煤层中，高中子测井响应主要是由于煤层有机质的贡献，煤层有机质中含有大量H核。不同煤阶不同煤质煤岩有机质中所含H核不同，导致中子测井难以计算孔隙度。

1.2.2 饱和度测井

常规储层评价过程中地层电阻率是确定孔隙流体饱和度最常用也是最有效的方法。最经典的模型是基于Archie公式的测井定量计算油气饱和度模型［25］。煤层气储层气体主要吸附在煤颗粒表面，不同煤阶煤层骨架电性特征复杂，Archie公式在这里已不适用。

煤层气主要吸附在煤颗粒的表面，有些甚至以固态的晶体形式存在于煤基质中［26－27］，常规储层饱和度的概念在煤层气储层评价中是不是应该沿用都值得商榷。气体赋存状态的不同导致煤层骨架电性特征复杂，基于电阻率测井的气体饱和度计算方法已不适用于煤层气储层评价。

2 测井评价煤层气藏新方法与新思路

煤层气储层评价应该从以下2个大的方面进行研究，一是进行基础理论研究，发展配套岩石物理实验与装备，奠定测井评价基础；二是建立在测井新技术基础上研究新方法、发展新思路。

2.1 基础理论与实验装备

虽然测井评价煤层气储层工业分析、含气量以及孔隙度等参数上取得了一定的成果，但是这些进展主要是利用概率统计方法或者神经网络等线性／非线性方法［6－10］。测井评价煤层气储层基础理论依然没有取得突破，依然需要进行攻关研究。本文从煤心实验装备、数字岩心技术、解释等3个方面进行阐述。

2.1.1 煤心实验装备

目前国内煤心实验主要利用煤田勘探开发的实验技术，难以满足石油天然气工业煤层气储层评价的需求。煤层具有双重孔隙结构，包括煤层的基质孔隙和割理孔隙，其中，煤层气主要吸附在基质孔隙的表面。要判断煤层气储层好坏，重点在于煤层基质孔隙、割理孔隙、含气量以及煤层的渗透率等关键参数。煤层气储层基础理论的进步需要煤心实验装备的支撑，需要新的实验装备与手段。①煤层基质孔隙测量：基质主要为纳米级孔隙，常规孔隙度测量装备难以准确测井煤层基质孔隙，急需新的孔隙度或者面孔率实验测量装备。②含气量的准确测量：含气量测量主要利用煤自然解吸测量，装备测量误差普遍较大，难以满足研究的需求。③孔隙结构的研究以及孔隙结构对吸附／解吸的影响：不同煤岩类型、显微组分与矿物质的煤层孔隙结构的研究，不同孔隙结构煤层气吸附／解吸特征以及吸附／解吸对煤层孔隙结构的影响等。④煤层割理渗流能力：煤层割理在煤层气储层开发过程中起到重要的渗流通道，找准有利储层，需要先进的裂缝导流能力测定装备，用于测试分析割理对煤心渗透率的贡献。⑤应力对煤层物性和解吸的影响：不同应力情况下基质收缩对于煤层割理孔隙和割理渗透率的影响还不够深入等。总之，煤层气储层基础理论的进步离不开煤心实验装备的发展。

2.1.2 数字岩心技术

随着计算机技术的发展，可以根据岩石微观结构信息重建反映岩石真实孔隙空间的三维数字岩心，基于三维数字岩心借助于数值算法可以进行岩石物理实验模拟［28－30］。数字岩心技术正是基于此逐渐发展起来，目前可以进行岩石的电、声、核、核磁共振以及渗流特性等数值模拟实验。在非常规油气领域，数字岩心技术已成功用于页岩气储层孔隙结构、有机质分布以及孔隙连通性等方面评价［31］。

数字岩心技术主要利用高倍光学显微镜、扫描电镜或者CT成像仪等高精度仪器对实际岩心进行测量得到数字岩心，分辨率可以达到纳米级。煤层气在煤层基质孔隙空间主要是纳米尺度孔隙，再加上煤层易碎，取心难度大，煤层低孔隙度、超低渗透率给岩石物理研究带来诸多困难。利用高分辨率的三维数字岩心技术有望在煤层气储层评价过程中发挥独特优势。煤层气储层评价利用数字岩心技术可以实现：①孔隙系统分析，包括连通孔隙、孤立孔隙、有机质孔隙以及割理孔隙；②显微组分以及有机质含量分析、元素分析与煤阶判别；③渗流能力、气水两相相对渗透率分析；④基质吸附能力与解吸分析，包括甲烷等温吸附、注CO2开发以及气体解吸对煤层物性影响等。基于数字岩心技术可以进行岩石物理模拟实验，进行煤层测井理论基础研究。

2.1.3 解释评价模型

煤层气储层气体丰度低对测井响应贡献小以及气体主要以吸附态存在于煤颗粒表面等特殊问题存在，导致常规测井解释评价方法和模型无法适用于煤层气储层含气量评价。研究表明，煤层气的吸附态是通过分子间的引力实现的，满足Langmuir方程［32］

式中，Vgas为含气量，m3／t；VL为吸附达到饱和时所吸附的气体体积，又称兰氏体积，m3／t；pL为吸附量达到饱和吸附量一半时的压力，又称兰氏压力，MPa；p为地层压力，MPa。Langmuir方程是评价煤层含气量的基本模型，其中兰氏压力和兰氏体积决定着煤岩的吸附能力。煤层气主要以吸附态存在于煤基质孔隙的内表面，微孔越发育则煤层吸附能力越强，其中微孔发育程度与煤岩类型、显微组分、矿物质含量等诸多因素有关。此外，地层温度等外界因素也影响着煤吸附能力。通过不同煤阶、不同煤岩组分等温吸附实验，找准影响煤层吸附能力的主要因素，建立兰氏压力和兰氏体积的计算模型评价煤层含气量是下一步研究的重点。

2.2 发展测井新技术与新方法

2.2.1 煤层气版测井仪器

由于煤层气储层面临的特殊问题，常规测井仪器已不能充分适应煤层气储层测井数据采集和储层评价，需要根据煤层气储层特点开发新的测井仪器。①煤层易破碎，容易造成井眼严重垮塌，常规测井仪器不能准确测量地层真实信息，需要在仪器探头、贴井壁方式等方面进行特殊设计以使仪器探头能够靠近煤层，实现井眼垮塌下的数据采集；②煤层气储层勘探开发深度大都小于1 500m［5］，对于测井仪器的温度和压力指标相对于常规油气储层要低，对于大范围使用的煤层气测井仪器，可以适当降低仪器温度和压力指标，以有效降低成本；③仪器的测量范围不适用于煤层气储层，以密度测井为例，由于煤层密度很低，接近密度测井仪器下限，导致密度测井仪器误差偏大，需要调整密度测井测量范围，适应煤层气储层的特点；④需要提高测井纵向分辨率和测量精度以满足煤层气储层评价的需求。

2.2.2 元素俘获谱测井

元素俘获谱（ECS）测井方法在世界范围内非常规储层的使用正呈现强劲增长趋势。元素俘获谱仪器通过晶体探测器探测并记录非弹性散射伽马能谱和元素俘获伽马能谱，经过解谱得到H、Cl、Si、Ca、Te、S、Ti、Gd、Mg和C等地层元素的相对产额，通过氧化物闭合模型定量求取矿物类型和含量，提供了一种地层评价的新技术［33］。

在煤层气储层评价中，元素俘获测井有明显优势，①多种矿物组分（方解石、黄铁矿、砂质、黏土、菱铁矿等）、灰分、有机质含量的确定，有效解决煤层非均值强的难题；②依据测量H和C等元素含量，可以有效判别煤阶类型，指示煤层成熟度；③确定黏土矿物类型，分析沉积环境等；④对于煤层气储层精细评价中关键参数以及煤粉产出敏感参数的挖掘具有独一无二的优势。

元素俘获谱测井可以直接得到多种地层元素的含量，从而摆脱了多矿物岩石物理体积模型的局限性。对于元素俘获谱测井提供的信息尚未充分利用，还需要充分挖掘，发展相应的评价技术。

2.2.3 电成像测井

电成像测井可以清晰地反映井壁特征，具有较高的纵向分辨率，在裂缝、缝洞以及薄互层评价等具有突出优势。微电阻率扫描成像测井可以有效判断裂缝性油藏的裂缝和储集性能；进行高分辨率薄层评价（有效划分砂泥岩薄互层储层）、复杂岩性油藏参数的正确评价及地层沉积环境分析、地层层内结构分析和地质构造分析等。

利用电成像测井可准确划分夹矸层的厚度、分析顶底板裂缝发育情况、评价煤层裂缝以及煤层结构定性评价等，但是电成像测井丰富的地层信息依然没有充分提取和利用。在利用成像测井资料研究地层应力方向、分析煤层沉积环境、建立煤层结构电成像特征库都还需要系统地研究与完善。

2.2.4 核磁共振测井

核磁共振（NMR）测井在常规储层评价中可以提供用于地层评价的孔隙度、束缚水饱和度、渗透率、孔径分布以及流体类型等丰富的地层信息。NMR测井主要测量地层中H核在磁场中的响应，煤层中有机质、气体和水中都含有大量H核。有机质中H核弛豫时间短，不能被观测到，NMR测井所得到的信息主要来自于气体和水的信息，可以用来计算孔隙度和流体信息，并在煤层气储层评价中计算孔隙度、孔径分布以及渗透率等方面取得明显效果［34－35］。煤层气在煤中赋存状态的多样性、气体含氢指数低、不同流体在不同煤质表面弛豫等关键问题没有得到更好的解决，以及核磁共振测井探测深度浅、煤层极易垮塌、成本等因素，极大地限制了核磁共振测井在煤层解释评价中的应用。

核磁共振测井可以提供与骨架无关的地层流体信息，在煤层气储层评价中的作用依然值得深入研究。该方法依然是一种有效评价煤层孔隙度、流体类型、孔径以及割理特征的有效手段。

2.2.5 阵列声波测井

多极子阵列声波测井可以得到地层纵波、横波以及斯通滤波等信息，可以计算岩石力学参数、计算破裂压力、判断地层各向异性以及地层应力分析等，近年来在储层压裂施工、钻井指导等工程方面发挥越来越大的作用［36］。

在煤层气储层钻井、评价、压裂以及开采过程中，阵列声波测井都能提供丰富的信息指导煤层气藏勘探与开发。①泥浆比重的选择：由于煤层极易破碎，在钻井过程中对于泥浆比重的选择尤其需要注意，阵列声波测井可以根据井眼周围应力情况对于泥浆比重的选择给出合理的范围，既能保证井眼不垮塌又能保证煤层不被破坏。②预测裂缝高度，指导煤层气储层压裂：煤层渗透率极低，开采过程中需要进行压裂；由于煤层较软，容易被压开，破裂压力不明显，如果压裂过程中压力选择不恰当，容易把上下围岩压开，开采过程中会导致上下围岩中的水通过压裂缝窜到煤层，增加煤层气的解吸时间，降低了煤层气储层排采效率。③钻井轨迹优化：阵列声波测井可以提供地层应力大小与方向，对钻井轨迹提供技术支持。④定量评价煤层顶底板：阵列声波测井可以计算煤层顶底板岩石力学参数，定量评价顶底板岩石机械特性，对煤层及顶底板进行综合评价。随着非常规天然气储层开发的深入，研究重心越来越偏向工程技术，阵列声波测井利用其在工程技术方面的独特优势将在煤层气储层勘探开发过程中发挥更大作用。

3 结论与认识

（1）煤层易碎造成井眼垮塌、夹矸发育、气体响应不明显等问题，对常规测井仪器测量方式、纵向分辨率和测量精度都提出了严峻的挑战。煤层具有低孔隙度、非均质强、有机质骨架以及气体赋存状态多样等特点，在常规储层评价中形成的成熟理论、方法和模型已不适用于煤层气储层评价，急需发展新的测井技术和方法。

（2）现有的煤心实验装备在测量方法和测量精度上都难以满足煤层气储层评价的需要，针对煤层气储层关键问题，发展新的煤心实验装备将极大推动测井评价技术的进步。数字岩心技术由于其独特的优势，为煤层气储层基础理论研究提供了一种有效的途径。

（3）考虑煤层的测井响应特征、测量环境以及成本等因素，常规测井仪器已不适用于煤层气储层勘探开发，需要发展煤层气版的测井仪器。测井新技术如元素俘获谱测井、电成像测井、核磁共振测井以及阵列声波测井与常规测井相比具有独特的技术优势，它们在煤层气储层评价和工程应用方面都能发挥明显的作用。但是这些新技术和方法在煤层气储层评价的研究还不够深入，还需要不断的发展和完善。

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