大宁—吉县区块8号煤层薄层夹矸螺旋CT扫描精细表征

田丰华,李小刚,朱文涛,戴瑞瑞,师斌斌,洪 星,任 勇,陈国辉,何 睿

(1.中石油煤层气有限责任公司 勘探开发建设分公司,陕西 西安 710068; 2.北京润泽创新科技有限公司,北京 100120)

我国煤层气资源丰富,埋深2 000 m以浅煤层气地质资源量为30.05×1012m3,占全球煤层气资源总量的11.6%,资源潜力巨大,前景可期[1]。近年来,国家加快能源转型,要求天然气“增储上产”,煤层气是其中的重要组成部分[2]。

煤层气富集因素包括埋深、含气量、厚度等[3-6],然而通过长期开发实践,逐渐发现煤层气“富集”部位并不一定代表“高产”。近年来,研究关注点开始从煤层气“富集”影响因素逐渐转向煤层气“高产”因素的研究,追求以“可采性”为核心的可采地质模式研究[7]。前人在煤层气高产的地质影响因素方面已有一定认识和成果,赵欣[8]认为煤层厚度、地下水流体势、含气量、渗透率和临储比是煤层气产能的主要地质影响因素;闫霞等[9]认为深部微构造是影响煤层气高产“甜点区”的重要因素;宋岩等[10]提出了3种煤层气高产区形成模式:斜坡区含气量和渗透率优势叠合富集高产模式、脆韧性过渡带煤层气富集高产模式和相对构造高部位煤层气富集高产模式。

前人研究多从宏观尺度对煤层的地质结构进行剖析和分类,对研究煤层气“甜点区”的宏观分布具有一定指导意义,但因研究方法精度有限,在单井产能影响因素评价方面存在局限性。煤层及夹矸在单井纵向上的分布特征是寻找工程甜点位及高产的重要一环,厚层夹矸对于煤层气的开采有较多不利因素,夹矸的存在使煤的灰分增高,并且使煤层结构复杂化,会加剧煤层气藏的不均一性,给工业开采带来一定困难[11-12]。但薄层夹矸通常伴生很多层理缝,是煤层气运移、聚集通道,对于煤层气压裂是有利因素。本文利用螺旋CT扫描技术实现了煤层结构的精细三维表征,研究成果对煤层气单井储层精细评价及高产因素研究具有指导意义。

1 区域概况

研究区大宁—吉县区块位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带南端与伊陕斜坡东南缘,主要目的层为山西组5号煤和本溪组8号煤[13]。其中,8号煤主体埋深2 000～2 400 m,埋深大于1 500 m的区域煤层厚度4～12 m,主体厚度8～10 m,平均厚7.8 m,为深层煤层气主要勘探目的层[14]。本次研究选取本溪组8号煤岩心进行螺旋CT全视域扫描,获取大尺寸高精度的煤岩三维结构信息。

2 实验方法及原理

螺旋CT扫描是医疗诊断中的常用手段,近年来逐渐在石油勘探行业得到应用[15]。与微米CT扫描相比,螺旋CT扫描具有全岩心大视域的优势,特别适用于直径8～12 cm完整的米级岩心分析。此前学者运用三维CT扫描技术对煤储层的研究主要基于非全直径岩心[16-18],但观察范围小,在代表性上较为局限,有必要引进螺旋CT对完整煤心进行表征。

螺旋CT扫描三维建模技术基于样品内部物质对X射线的吸收衰减,在X射线穿过岩心时,部分被矿物吸收、能量衰减,采用数学二值法求解衰减数值在煤岩和夹矸扫描样品剖面的二维分布矩阵,进一步转化为图像画面上的灰度分布,从而实现岩心的三维重构。

3 煤层结构精细识别表征方法

煤层夹矸是沉积过程中由于沉积环境的变化与煤层伴生的一种含碳量低、比煤岩密度高的岩层,呈层状、似层状或透镜体状,岩性多为泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。

夹矸识别是煤层气勘探中一项难度大但重要的工作,夹矸表面风化色与煤岩十分接近,在岩心观察中,通过肉眼很难将夹矸与其上下相邻的煤岩区分开来,部分经验丰富的地质工作者,通过岩心质量估测夹矸位置,但人为因素影响较大,无法多组对比,且无法精确划分夹矸在煤层段中具体位置。利用测井曲线组合特征可识别煤层中夹矸[19],但由于纵向分辨率的限制,厚度小(小于25 cm)或泥质含量相对低的夹矸层在常规测井曲线上很难识别[20]。

本次研究适用的多能谱螺旋CT扫描仪在纵向上分辨率达到0.8 mm,能够更加精细地识别煤层结构,同时具有获取米级大尺度岩心全貌的能力,本次实验的方法及步骤如下。

3.1 扫描灰度图像横切片获取

将研究区实验岩心在螺旋CT上扫描成像,获取岩心扫描灰度图像横切片,构建岩心三维模型。灰度图像是一种计算机存储图像,像素点显示从最暗的黑色到最亮的白色。岩心密度越大,X射线透过率越低,灰度图像越接近白色,灰度值越大;岩心密度越小,X射线透过率越高,灰度图像越接近黑色,灰度值越小。煤岩、夹矸、碳酸盐矿物、黄铁矿等矿物密度差异很大,使得扫描成像后在灰度显示上差异明显(图1)。而从现场岩心实物照片观察(图1),煤层段外表面风化色几乎均为黑褐色,无论是录井描述还是取心描述,均未能对煤层段内夹矸进行识别和划分。

3.2 灰度图像横切片预处理

利用专业数字岩心分析软件PerGeos对扫描灰度横切片数据进行处理。选取感性区域,裁切掉数据体中未被岩心充填的部分,以保证后续计算能完全反映岩心内部特征。计算每张横切片总像素点的灰度平均值,公式如下:

(1)

式中,μ为单张横切片灰度平均值;n为单张横切片的总像素点;Xi为切片中第i个像素点对应的灰度值(图2)。

图1 研究区D10井螺旋CT扫描岩心三维模型Fig.1 Spiral CT scanning core 3D model of No.D10 well in the study area

图2 单张横切面(n个像素点)灰度显示示意Fig.2 Single cross section(n pixel points) grayscale display diagram

3.3 生成煤层段灰度平均值曲线

首先将扫描横切片序列转换为岩心实际深度点值,转换公式如下:

Di=Dt+i×Rv

(2)

式中,Di为第i张切片序列对应的实际深度点值;Dt为该段岩心顶深;i为切片序列;Rv为扫描纵向分辨率。

将横切片总像素点灰度平均值作为横坐标,对应的岩心深度点作为纵坐标,生成煤层段灰度平均值曲线。

3.4 确定煤岩灰度基线及夹矸灰度值范围

煤层中主要伴生矿物质密度多超过2.5 g/cm3,硫化物类矿物密度达4.8 g/cm3,而均质煤的密度一般为1.3～1.7 g/cm3,密度相差较大(表1)。

表1 煤层中主要矿物质及密度Tab.1 Main minerals and density in coal seam

基于密度上的变化,煤岩和夹矸在灰度平均值曲线上差异明显。煤岩灰度平均值低,曲线平缓;夹矸灰度平均值较高,曲线呈箱形、齿形和指形。以此为依据确定煤岩灰度基线,即煤层段中灰度平均值低、平缓分布的一条均值线,代表扫描中岩心密度最低的煤岩的分布。如研究区D10井岩心煤岩灰度基线确定为灰度值650的一条垂直线(图3)。

对曲线中灰度值突变且具有代表性的位置进行岩性标定。对于较易识别的岩性,如灰岩,岩性标定可直接参考录井描述和钻井取心描述;对于不易识别的煤层夹矸,则可通过取样薄片鉴定进行岩性标定。通过取样点岩性标定,验证煤系地层中夹矸、顶板灰岩等煤层中常见岩性灰度值范围。如研究区D10井夹矸灰度值范围为1 350～1 850,顶板灰岩灰度值大于2 200(图3)。

3.5 纵向划分单层夹矸

确定煤层灰度基线和夹矸灰度值范围后,采用1/4幅值法在纵向上划分单层夹矸,夹矸顶部界限卡在煤岩基线与曲线交点向下部邻近灰度曲线波峰变化的1/4幅值处,夹矸单层底部界限则卡在煤岩基线与曲线交点向上部邻近灰度曲线波峰变化的1/4幅值处(图4)。

4 煤层结构精细分类及评价

通过对大宁—吉县地区实验井煤层段夹矸的精准划分,即可得到井段中煤层夹矸的层数(n)和单层夹矸厚度(hi),计算得到夹矸的平均厚度(H)和煤层中夹矸累积厚度占比(R),作为煤层结构精细分类和评价的重要参数。以夹矸平均厚度3 cm和累积厚度占比25%为2个关键参数,进而将研究区煤层结构类型划分为4种类型(表2,图5)。

图3 研究区D10井煤层段夹矸划分综合图版Fig.3 Comprehensive map of gangue division in coal seam section of No.D10 well in the study area

图4 1/4幅值法夹矸划分示意Fig.4 Schematic diagram for dividing gangue by 1/4 amplitude method

表2 研究区全直径螺旋CT扫描煤层结构类型划分Tab.2 Classification of coal seam structure by full diameter spiral CT scanning in the study area

A类煤层结构,煤层段中夹矸厚且少,压裂试气选层过程中,可适当避开厚层段夹矸进行压裂,以达到储层改造最佳效果。

B类煤层结构,煤层段夹矸厚且多,夹矸厚度占比高导致煤层灰分增加,加剧煤层气藏不均一性,不利于煤储层改造。

C类煤层结构,煤层段中夹矸薄且少,是好的煤储层地质甜点,有利于煤储层改造,但伴生的水平裂缝较少,可适当加大压裂改造规模。

D类煤层结构,煤层段中夹矸薄且多,夹矸累积厚度高灰分增加,但其伴生水平缝发育对煤储层改造是有利因素,其改造效果需在后续生产实践中继续探索证明。

5 结论

(1)将螺旋CT扫描技术运用到煤层结构表征中,其分辨率达到毫米级且具有获取米级大尺度岩心全貌的能力,可实现单井煤层结构的高精度可视化重建,对煤层气单井储层精细评价及高产因素研究具有指导意义。

(2)运用螺旋CT扫描技术,生成岩心段灰度平均值曲线,确定煤岩灰度基线和夹矸灰度值范围,用1/4幅值法精准划分煤层中夹矸,实现煤层结构的精细定量表征。

(3)通过对研究区实验井的螺旋CT扫描,获取精细的煤层结构特征,以夹矸平均厚度3 cm和煤层中夹矸累积厚度占比25%作为煤层结构精细分类和评价的2个重要参数,将研究区煤层结构类型划分为4种模式。

(4)研究区划分的4类煤层结构中,A类夹矸厚且少,储层改造应避开厚层段夹矸进行压裂;B类夹矸厚且多,不利于煤储层改造;C类夹矸薄且少,是煤储层有利地质甜点;D类夹矸薄且多,储层改造效果需在后续生产实践中继续探索证明。