煤层气测井

7.3.1 煤层气地层评价的测井资料

测井是指井中的一种特殊测量，这种测量作为井深的函数被记录下来。它常常作为井深函数的一种或多种物理特性的测量，然后从这些物理特性中推断出岩石特性，从而获得井下地质信息。但是，测井结果也并非仅限于岩石特性的测量，其他类型的测井方法有泥浆、水泥固结质量、套管侵蚀等。

测井一般可分为借助电缆传输进入井内仪器获得信息的电缆测井和无电缆的测井，如泥浆测井（钻井泥浆特性）、钻井时间测井（钻头钻进速率）等，本节重点介绍电缆测井。在煤层气工业中，要评价煤层的产气潜力，首先应了解煤的储层特性和力学特性，这些特性的获得主要有3种途径：①钻取煤心做室内测试；②利用测井进行数据分析；③进行试井等。评价煤层特性的资料来源见表7.1和表7.2。

表7.1 评价储层特性的主要非测井资料来源

表7.2 评价储层特性的测井资料来源

煤心、测井和试井数据的综合运用可以增加数据可靠性，提高资源评价精度。煤层厚度、煤质（工业分析）、吸附等温线、含气量和渗透率，对以储层模拟为基础的产量预测有重大影响。取自煤心的分析通常用来确定吸附等温线、含气量和煤质；测井数据用来确定煤层厚度；确定煤层渗透率的最可靠的方法则是通过试井作业的试验数据分析。这些方法通常被看做是确定储层特性的基础或“依据准则”。但是，由于某些煤心和试井带来的误差，煤心测试程序缺乏标准化，特别是取心和试井费用昂贵，人们希望能有一种确定每个储层特性的替代方法。通过这种替代方法获得测定关键储层的特性，并校正那些不一致的或错误的试验数据。目前，测井作业被认为是最具前途的一种手段。一旦用煤心数据标定了测井记录数据，技术人员就可以单独利用测井记录数据精确估计补充井的储层特性（表7.3）。据Olszewski等对40口井开发项目地层评价费用的估算，使用标定的测井方法可以比现行的地层评价方法降低约16% 的费用。因此，测井在煤层气工业中正发挥着愈来愈重要的作用。

表7.3 用于煤层气地层评价的测井资料

续表

①建议只用于煤评价；②用于煤和砂层评价；③用于取心时；④用于原地应力评价。

7.3.2 从测井资料获得储层特性

测井资料的价值取决于井孔作业者的目的，而测井信息与其他来源的信息（如煤心、试井）相结合，可使技术人员逐步获得某一矿区所有钻井全部潜在目标煤层的关键储层特性，以达到最佳的产量决策，这比单独考虑测井、煤心或试井获得的储层特性更为可靠。再者，利用经过选择的煤心和试井数据来标定测井数据，可以建立起矿区特有的测井曲线解释模型。然后再利用测井曲线模型获取以测井记录为基础的储层特性。这一方法显得尤为重要，可以根据每个钻井的测井记录和少数选定的“标准”井的煤心和试井数据，得出关键储层特性的综合估计。可以看出，随着开发深度的增加，测井记录和其他数据来源之间的关系更多地依赖于测井资料。

7.3.2.1 含气量

含气量是指煤中实际储存的气体含量，通常以m³/t来表示，它与实验室测得的吸附等温线确定的含气量不同，煤的实际含气量通常包括3个分离的部分：逸散气、解吸气和残余气。目前，实际含气量往往通过现场容器解吸试验测得，精确确定含气量需要采用保压岩心。

间接计算含气量可使用Kim方程的修正形式，它是由Kim提出的计算烟煤含气量的经验方法，即

煤成（型）气地质学

煤成（型）气地质学

煤成（型）气地质学

式中：G_daf为干燥无灰基气体储集能力，cm³/g；α为灰分，质量百分比；w_c为水分，%；d为样品深度，m；x_fc为固定碳，%；x_vm为挥发分，%。

另一种间接计算含气量的方法是体积密度测井校正法，该方法是根据由岩心实测含气量和灰分的关系进行计算的，因为气体只吸附于煤体上，所以岩心中气体含量和灰分存在反比关系。从数学角度看，岩心灰分含量与高分辨体积密度测井数据有关，因为灰分含量严重影响煤储层的密度。因此，若有了代表性的原地含气量收集数据，就可由体积密度测井数据计算含气量。

由于煤心灰分与含气量有关，亦与密度测井数据有关，因此有可能根据高分辨整体密度测井资料精确估算含气量（图7.4），并推断灰分含量为多少时预测的含气量可忽略不计。

图7.4 由测井获得的含气量与实测含气量之对比

（据苏现波等，2001）

用测井数据合理估计煤中含气量需要满足3个条件：①由测井数据导出的等温线是正确的（包括水分、灰分和温度校正）；②煤被气体饱和；③温度和压力可以准确估计。

7.3.2.2 吸附等温线

如前所述，煤中气体主要储存于煤基质的微孔隙中，这与常规油气储层中观察到的孔隙截然不同。煤中孔隙更小，要使气体产出，气体必须从基质中扩散出来，进入割理到达井筒。气体从孔隙中迁出的过程称为解吸，按照气体解吸特性描述的煤的响应性曲线称为吸附等温线。目前，吸附等温线是根据单位质量的煤样在储层温度下，储层压力变化与吸附或解吸气体体积关系的实验数据而绘制的曲线，压力逐渐增加的程序称为吸附等温线，压力逐渐降低的程序称为解吸等温线，在没有实验误差的条件下，这两种等温线是相同的。

等温线用于储层模拟的输入量，采用两个常数组，即Langmuir体积和压力。由于缺乏工业标准，许多已有的等温线数据出现不一致现象，而且在许多情况下不适用于储层模拟。不同水分和温度条件会导致煤心测定的等温线有大的波动，煤层吸附气体的能力随水分含量的增加而降低，直至达到临界水分含量为止；温度对煤吸附气体能力的影响在许多文献中已有报道，温度增加会降低煤对气体的吸附能力。因此，强调用煤心测定等温线时，必须将温度严格限定在储层温度下，避免因温度波动引起的数据误差。温度和水分的综合影响，连同其他煤心取样或测试的不一致，往往产生与图7.5 所示相似的数据组。

图7.5 美国圣胡安盆地某矿区水果地组煤的吸附等温线

（据苏现波等，2001）

测井数据能帮助解释用煤心确定的吸附等温线精度。现在已导出了用测井数据估计干燥基煤的吸附等温线的一般关系式，它采用Langmuir方程，在该方程中由固定碳与挥发分的比率导出Langmuir常数，并按温度和水分加以校正。图7.4 提供了由测井数据确定等温线的实例，该等温线与新采集的煤心数据在标准程序下测定的等温线相一致。

实践证明，以测井数据为基础的煤的等温线估计，对确认煤心等温线测试结果和解决因取样或实验不一致而造成的煤心等温线数据中的误差极为有用。但是，由于研究程度有限，加上水分和温度估计中的误差，对以测井数据为基准的等温线计算有很大影响，所以，目前尚不能确信测井数据能够独立应用于等温线确定，确认这项技术的准确性，还需要有更多的数据组做进一步研究。

7.3.2.3 渗透率

试井是确定渗透率的最准确方法，但试井费用很高（一次约7000～15000美元），若为多煤层则其成本更高。这一方法在处理多煤层、两相流和气体解吸时还易受推断的影响。现已证明，自然电位、微电阻率和电阻率曲线的测井数据可用于估算煤层渗透率。

一种用测井数据确定裂隙渗透率变化的方法是由Sibbit等提出的，它更适用于常规储层裂隙。煤层渗透率取决于煤的裂隙系统，裂隙系统占煤体孔隙度的绝大部分。裂隙孔隙度是裂隙频率、裂隙分布和孔径大小的组合。因此，裂隙孔隙度直接与煤的绝对渗透率有关，是渗透率量级的决定性因素，也是控制煤层气产率、采收率、生产年限以及设计煤层气采收计划的主要因素。双侧向测井（DLL）对裂隙系统的响应，为渗透率的确定提供了依据。

Sibbit等提出的技术是用来确定裂隙宽度的，假定纵向裂隙和岩层电阻率比泥浆电阻率大得多，用下式表示：

煤成（型）气地质学

式中：Δc为浅侧向测井与深侧向测井的电导率差值（Δc＝CLIS－CLLD），mS/m；c_m为侵入流体（泥浆）的电导率，S/m；ε为开启裂隙宽度，μm。

模拟显示Δc对于裂隙宽度为ε的单一裂隙与裂隙宽度为ε的多重裂隙组合是相同的。因此，式中ε也可用于表示多重裂隙的组合宽度。

模拟还揭示出这样一种现象，即它能应用于几乎垂直的裂隙（75°～90°），而这种裂隙在钻穿煤层的井孔中常见。Hoyer将Sibbit的DLL模拟数据应用于煤层裂隙评价，并用交绘图技术证实了用DLL确定煤层裂隙孔隙度指数的可行性，得出如下方程：

煤成（型）气地质学

式中：CLLD为深侧向测井电导率，mS/m；VFRAC为裂隙宽度，μm；c_m为泥浆电导率，S/m；c_b为基质块电导率，mS/m。

该方法排除了在裂隙未扩展、无严重侵入或电阻性泥浆侵入情况下的判读误差，图7.6为这一技术的具体应用实例。

图7.6 由测井显示的低、中、高裂隙孔隙度

（据苏现波等，2001）

GR—自然伽马；CALI—井径；MCRD—微电阻；LLD—深侧向测井；LLS—浅侧向测井；VFRAC—裂隙宽度；RHOB—体积密度；NPHI—中子孔隙度；S DCOND—浅侧向测井与深侧向测井电导率之差

受人关注的微电阻率装置（MGRD、MLL、MSFL或PROX，取决于电极排列）常使用DLL来记录，并用于映射煤层的裂隙孔隙度。微电阻率装置具有极好的薄层解译能力，与VFRAC亦存在线性关系（图7.7），但应注意，微电阻率装置可能受井孔粗糙度影响。

图7.7 井中裂隙宽度与微电阻率关系

（据苏现波等，2001）

确定煤层渗透率变化的另一种方法是依靠微电极测井。微电极测井历来用于识别常规储层中的渗透性岩层。微电极测井仪是一种要求与井壁接触的极板式电阻率仪，微电极仪记录微电位电阻率（探测深度10.2cm）和微梯度电阻率（探测深度3.8cm），微电极测井的多种探测深度使这种设备可用于渗透率指示仪。随钻井泥浆侵入渗透性岩层，在入口前方形成泥饼，泥饼对浅探测微梯度电阻率影响比深探测微电位电阻率影响要大，这种泥饼效应引起两种电阻率测值的差异，进而表明渗透性岩层的存在。尽管微电极测井也常常作为煤层渗透率指标，但由于在不同钻井中泥浆特性有变化和泥浆侵入程度有变化，所以微电极测井的定量解释是困难的，目前煤中裂隙定量评价的唯一方法仍是使用DLL测井技术来实现。

7.3.3 测井资料的计算机模拟

某些煤特性必须用测井资料通过计算机模拟得出，因为不同测井设备对煤的响应程度不同，且随煤特性不同有所变化。因此，很难利用各类测井仪器响应同时界定或识别某些煤特性。有了计算机这一技术，特殊煤特性可由测井响应加以推断而无需测定。例如，当某种测井记录出现特定数据组时，可能显示灰分存在。类似的测井技术（不同测井系列）还可用于确定煤阶，识别常见矿物，如方解石常常沉积于煤的割理之中，是一种重要矿物，可作为割理的指示矿物之一。含气量、煤阶、灰分含量及矿化带等与测井响应之间的关系，可通过计算机模拟来实现。

图7.8 煤岩组分、矿物、灰分和工业分析的计算

（据苏现波等，2001）

图7.9 通过计算机模拟计算出的煤的特性参数

（据苏现波等，2001）

计算机模拟的第一阶段是利用测井响应推断煤岩成分、灰分百分比、灰成分、矿化物和煤阶（图7.8）。目前，已建立的计算机模型中采用的煤岩组分是镜质组、类脂组和惰性组。将这些参数与附加的测井响应一起用于模拟的第二阶段，进行含气量和割理指数推断（图7.9）。含气量与灰分含量关系密切，且与煤阶有关，割理的存在可通过识别方解石、煤阶、某种煤岩组分、灰分含量进行推断。近期有证据表明，薄煤层或灰分层增加了割理存在的可能性，因此必要时可使用计算机增强高分辨处理。计算机模拟的第三阶段是融合含气量、割理指数推断产量指数（图7.9）。尽管预测每个煤层的绝对产率非常困难，但在同一井内预测每一煤层与其他煤层相比时的相对产量指数，对完井决策很有价值。具有最大潜力的煤层是完井的首选对象，而其余煤层可作为第二阶段的生产计划。

另外，计算机模拟还能提供一种称为“自由水”的曲线，这种曲线对预测初始水产率十分有用。为推迟水产量，可让相对无水的煤层首先生产。

计算机模拟的优点是，可以观察到某种煤特性（一定区域内）与某种测井响应之间有良好的相关性，这为在减少所需测井设备数量的同时、最大限度地获得有价值的煤层信息奠定了基础。更为先进的测井程序，可仅用于那些与质量控制有关的关键井孔。