基于煤层“三结构”的煤岩品质综合评价*

郭广山 柳迎红 王存武 吕玉民 朱学申 韩 刚

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

煤层气作为非常规能源之一，是常规油气的有力补充。自20世纪70年代中国第一口地面煤层气井钻探以来，截至2020年底，中国累计各类煤层气钻井20 000余口，累计煤层气探明储量7 259.12亿方。2020年中国地面开发煤层气产量为58.2亿方，较2019年产量增长6.5%。随着煤层气勘探开发程度的不断深入，相关学者已逐渐认识到煤层气储层是影响煤层气产能内在因素，新工艺对煤储层认识程度的要求日益提高[1]。简单的煤储层参数评价已无法满足煤层气增储上产的需要，亟需打破常规的、简单的评价，从原理出发，创新精细表征方法和评价体系，提升煤储层参数认识程度。提升煤层气储层认识重要一环是对煤岩品质的评价，煤岩品质评价主要包括煤层厚度、煤层结构、煤体结构和宏观煤岩类型结构等参数[2]。煤岩是气体吸附的载体，煤层厚度是煤层气资源的基础保障；煤层结构、煤体结构和宏观煤岩类型结构共同决定了煤岩品质[3]。煤层结构和宏观煤岩类型结构主要受成煤环境的影响，煤体结构受地质构造演化影响[4-5]。前人对宏观煤岩类型、煤层结构、煤体结构分别建立了多种解释模型，形成了以煤岩描述为基础、以测井和地震资料为手段的评价方法[6-17]，但针对“三结构”(煤层结构、煤体结构和宏观煤岩类型结构)综合研究相对较少。同时，未见有将“三结构”有机结合综合评价煤岩品质的研究。

笔者以沁水盆地南部SZB区块3号煤层为例，依托27口煤层气参数井岩心描述和常规测井资料，描述影响煤岩品质的“三结构”，分别建立了基于测井响应的煤岩“三结构”评价参数定量表征方法，形成了一套煤岩品质定量化评价体系。该研究方法不仅可指导煤层气井位部署、射孔选层以及排采制度制定，还可以应用于煤层气优质储量和可采性评估等，为煤层气高效勘探开发提供技术支撑。

1 地质概况

SZB区块位于沁水盆地南端，构造上属于沁水复向斜的东翼，是典型高煤阶煤层气田。研究区目前主要开发目的煤层为下二叠统山西组3号煤层，山西组是一套三角洲平原沉积体系下发育的含煤地层。3号煤层埋藏深度800～1 500 m；煤层厚度4.34～8.03 m，平均5.97 m；含气量6.0～21.6 m3/t，平均14.0 m3/t；煤层渗透率普遍较低，基本上在0.1 mD以下；煤层顶底板以泥岩、粉砂质泥岩为主，整体保存条件较好。

2 煤岩三结构定量化评价及分布

2.1 煤层结构定量化评价及分布

煤层结构是指煤层中包含煤分层和岩石夹层的层数及厚度的特征。煤层中的岩石夹层俗称夹矸。夹矸一般为黏土岩、炭质泥岩和粉砂岩。不含夹矸层的煤层称为简单结构煤层，含有夹矸层的煤层称为复杂结构煤层。煤层结构直接影响煤层气井钻进轨迹、煤储层改造射孔层位优选以及排采制度制定。一般情况下，煤层结构通过夹矸的岩性、数量和厚度来评价，评价结果对煤层气勘探开发和生产作业具有重要的指导作用[6]。

研究区钻井揭示3号煤层顶底板主要以砂质泥岩或泥质砂岩为主，发育稳定且厚度较大，夹矸主要以泥岩为主(图1a)。根据煤层气参数井岩心描述结果，结合常规测井曲线响应特征，精细刻画煤层结构特征。顶底板岩性、煤层及夹矸三者表现出不同的测井响应特征，尤其以自然伽马和体积密度测井结果差异最为明显，因此本次评价煤层结构主要依据自然伽马和体积密度测井。GR和DEN测井曲线交会图(图1b)表明顶底板岩性表现出高密度(>2.0 g/cm3)、高自然伽马(>85 API)等特征；煤层表现出低密度(<1.5 g/cm3)、低自然伽马(<50 API)等特征；夹矸表现出中—低密度(1.2～1.6 g/cm3)，中—高自然伽马(60～110 API)特征。单井煤层结构划分结果表明3号煤层在中下部发育一层厚度相对稳定的夹矸。根据参数井煤层结构评价结果，采用普通克里金算法，利用线性模型绘制煤层结构平面分布图。研究区夹矸厚度分布0.7～1.0 m，平均厚度0.94 m；南部和东北部夹矸厚度较小，一般在0.75 m以下，厚度占比在12%以下；北部和东南部夹矸厚度相对较大，一般在1.0 m以上，厚度占比在15%以上(图1c、d)。

2.2 煤体结构定量化评价及分布

煤体结构是指煤层经过地质构造变动后煤的结构和构造的保留程度。不同结构煤体发育不同的裂隙系统，直接影响煤层渗透率、含气量以及煤粉产出等因素。依据国标GB/T 30050-2013《煤体结构分

图1 SZB区块3号煤层煤层结构综合评价图

类》，煤体结构划分为4种类型，即原生结构、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。目前，国内煤层气勘探开发过程中煤体结构的判别方法主要依靠参数井取心描述、测井解释和地震属性反演等评价方法。不同结构煤体在井眼稳定性、测井曲线响应特征表现出差异较大的特征。原生结构煤井眼完整，基本不扩径；低自然伽马、低体积密度、高电阻率、高声波时差和高补偿中子；煤心成柱状和块状。碎裂煤井眼基本完整，少量扩径；低自然伽马、电阻率大于3 000 Ω·m、低体积密度、高声波时差和高补偿中子；煤心成块状特征。碎粒煤井眼不完整，存在明显扩径；低自然伽马、中电阻率、三孔隙度曲线受井眼扩径影响严重；煤心破碎严重。糜棱煤井眼不完整，严重扩径；低自然伽马、电阻率普遍低于1 000 Ω·m、三孔隙度曲线受井眼扩径影响严重；煤成粉末状。

依托煤层气参数井岩心描述结果，利用不同煤体结构测井响应特征定量判别煤体结构，是一种行之有效的方向。由于成煤环境、构造演化背景造成的煤岩成熟度、煤岩性质等不同，每个地区煤体结构判别方法有所不同[7-16]。笔者在整理研究区27口煤层气参数井岩心描述的基础上，分4步对煤体结构进行精细描述：①建立参与评价的井的测井数据库，对测井数据进行深度校正和井径校正。由于仪器重量、形状、井壁特征和摩擦等外因都会导致测井值发生错动，首先需要对测井数据进行深度校正；由于钻进过程中煤层段容易出现坍塌，导致扩径，尤其在井眼扩径严重的井段，会严重影响测井值的真实性，需要在深度校正的基础上对测井数据进行井径校正。②利用SPSS分析软件，采用主成分分析法确定选取参与计算的测井数据为井径、电阻率、体积密度和自然伽马。③结合单井煤体结构描述结果，划分出不同煤体结构参与计算的测井值范围，建立测井值划分标准(表1)。④构建煤体结构判别指数T，并利用未参与评价的井进行验证，验证结果符合率超85%，说明具有可行性。煤体结构判别指数T计算公式为

(1)

式(1)中：d为井径 ,cm；R为电阻率测井值，Ω·m；ρ为补偿密度测井值，g/cm3；GR为自然伽马，API；d0、R0、ρ0、GR0分别为井径、电阻率测井、补偿密度测井和自然伽马特征值，单位分别为cm、Ω·m、g/cm3、API。

表1 SZB区块3号煤层不同煤体结构测井值及判别指数划分标准表Table 1 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of different coal structures in No.3 coal seam of SZB block

按照煤体结构判别公式(1)对研究区3号煤层煤体结构评价，依据评价结果采用普通克里金算法，利用线性模型，绘制煤体结构平面分布图。 研究区主要发育原生结构煤和碎粒煤，碎裂煤次之。原生结构煤主要发育在研究区的东部及北部，厚度占比40%～80%(图2)，中部和西部以发育碎裂煤为主。煤体结构发育特征整体表现为东部、北部好，中部、西部相对较差。

2.3 宏观煤岩类型结构定量化评价及分布

宏观煤岩类型是指按照宏观煤岩成分在煤层中的总体相对光泽强度划分的煤岩类型。不同宏观煤岩类型通过表现出不同的物理性质[17]，影响着煤储层含气性、可改造性和渗流条件等，进而影响着煤层气井产气效果。按照同一变质程度煤的相对光泽强度和光亮煤岩成分比例，把宏观煤岩类型划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。

图2 SZB区块3号煤层煤体结构综合评价图

在成煤环境过程中，由于成煤物质、煤相等因素，造成宏观煤岩类型不同，物理性质差异较大，其中灰分含量、密度、矿物含量和内生裂隙发育程度等参数决定着测井曲线响应变化特征，这些响应变化特征是建立宏观煤岩类型判别模型的理论依据[18-19]。对研究区不同宏观煤岩类型测井响应特征分析表明，光亮煤表现出低伽马、低密度、高声波时差和高电阻的测井响应特征；暗淡煤则表现出高伽马、高密度、低声波时差和低电阻的测井响应特征；半亮煤和半暗煤介于两者之间。选择自然伽马、补偿密度、声波时差和深侧向测井响应值建立宏观煤岩类型指数DHMLZ(以下简称指数DHMLZ)为

(2)

式(2)中：RLLD为深侧向测井值，Ω·m；Δt为声波时差测井值，μs/m；ρ为补偿密度测井值，g/cm3；GR为自然伽马测井值，API。

根据研究区27口煤层气参数井煤岩综合测井图，结合3号煤层宏观煤岩类型描述结果，划分出不同宏观煤岩类型评价测井值范围(表2)，利用建立的指数DHMLZ分别计算出煤岩类型分区范围。研究区3号煤层宏观煤岩类型的识别标准为DHMLZ≥20.0为光亮煤、10.0≤DHMLZ<20.0为半亮煤、5.5≤DHMLZ<10.0为半暗煤、DHMLZ<5.5为暗淡煤。

表2 SZB区块3号煤层不同宏观煤岩类型测井值及判别指数划分标准表Table 2 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of marcolithotype in No.3 coal seam of SZB block

依据判别指数DHMLZ对研究区3号煤层宏观煤岩类型分布进行评价，结果表明研究区主要发育光亮煤和半亮煤，半暗煤和暗淡煤发育较少。依据评价井判别结果采用普通克里金算法，利用线性模型，建立宏观煤岩类型厚度分布图。研究区光亮煤整体较厚，厚度1.5～3.5 m，局部不发育；半亮煤全区发育，厚度1.0～4.5 m，仅在东北部厚度小于1 m；半暗煤呈现南北薄，中间厚，厚度0.5～3.0 m，在东北部不发育；暗淡煤仅在西南部发育，厚度0.2～0.8 m(图3)。

图3 SZB区块3号煤层不同宏观煤岩类型厚度分布图

3 煤岩品质综合评价

3.1 定量评价模型

煤岩品质定量评价遵循以下流程和原则：①依据影响因素总体划分为两级评价阶段，筛选出每级评价参数，每级评价参数赋予不同分数值以区分重要性(表3)。②在一级评价指标的基础上，确定二级评价指标。煤层结构主要采用夹矸厚度和夹矸厚度占比两个参数评价；原生结构和碎裂煤对煤层气生产起到积极的作用，煤体结构采用原生结构+碎裂煤厚度及厚度占比两个参数评价；光亮煤和半亮煤有利于煤层气生产，宏观煤岩结构选取光亮煤和半亮煤厚度合及厚度合占比两个参数评价。基于各评价参数与煤层气资源性、可压性及可采性的关系，赋予各评价参数权重，权重也可以根据不同区块的勘探开发程度和阶段进行调整。③对进行定量评价的煤层气井的一级评价指标和二级评价指标进行归一化，按照赋予的权重分别计算，最终建立煤岩品质综合评价模型U，计算公式如下

U=0.3S1+0.2S2+0.3S3+0.2S4

(3)

式(3)中：S1、S2、S3和S4分别为煤层总厚度、煤层结构、煤体结构和煤岩结构评价得分，无量纲；U为煤岩品质综合评价得分，无量纲。

表3 SZB区块3号煤层煤岩品质评价参数及权重表Table 3 Statistical table of coal and rock quality evaluation parameters and weights in No.3 coal seam of SZB block

3.2 煤岩品质评价结果

根据煤岩品质综合评价模型对研究区3号煤层开展评价，并参考姚艳斌 等[20]研究成果，得出煤岩品质评价结果。I类区为优质煤岩品质分布区(U≥80)，主要表现为煤层厚度大、夹矸基本不发育或者发育较薄，以原生结构煤和碎裂煤为主，光亮煤和半亮煤发育，基本上不发育暗淡煤，主要分布在东北部和南部大部分地区；II类区为良好煤岩品质分布区(70≤U<80)，表现为发育一套厚度相对较薄的夹矸，以碎裂煤发育为主，半亮煤发育，分布在北部、中部和西南部；III类为较差煤岩品质分布区(U<70)，主要表现出夹矸较发育，碎粒煤发育，半暗煤较发育，分布在西部(图4)。

图4 SZB区块3号煤层煤岩品质综合评价图

4 结论

1) 煤岩品质评价关键要素为煤层结构、煤体结构和宏观煤岩类型结构，以沁水盆地南部SZB区块3号煤层为例，分别建立了基于测井响应的煤岩“三结构”定量表征方法，结合煤层厚度等参数，建立一套煤岩品质定量化评价体系。

2) 依据煤岩品质定量化评价体系评价SZB区块3号煤层。结果表明：I类优质煤岩主要分布在东北部和南部大部分地区；II类良好煤岩分布在北部、中部和西南部；III类较差煤岩品质分布在西部。

3) 本次煤岩品质评价参数、表征方法和定量化评价体系是建立在已有大量煤层气参数井岩心描述和测井资料基础上的。测井曲线要进行深度矫正和扩径矫正。每个评价参数评价要充分考虑测井响应机理。同时，评价参数对煤岩品质的影响各有所侧向，在最终评价过程中要有所针对性，不同的区块要根据煤岩成熟度、沉积环境、构造背景建立不同的评价体系。