電成像測井在煤層氣儲層精細評價中的應用

侯振學

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部,河北廊坊065201)

0 引 言

煤層氣田在開發過程中面臨著產氣量低、煤層出水等諸多問題。煤層氣的產量受煤層厚度、儲集性能、滲透性、煤體結構、工業組分、含氣量、頂底板封隔性以及后期壓裂等多種因素的控制[1-3]。對于煤層的工業組分、含氣量及儲集性能,前人基于常規測井資料進行了大量研究,取得了豐碩研究成果[4-6]。但是對于煤層滲透性、煤體結構、頂底板封隔性的研究,受限于常規測井分辨率較低、煤層取心資料少、破碎嚴重等原因,目前取得的成果相對較少。而電成像測井相對于常規測井及鉆井取心,具有高分辨率、連續性強,而且具有方位特征及可視化的優勢,可以為煤層的精細研究提供豐富的資料。

研究區位于鄂爾多斯盆地東北緣,石炭—二疊紀期間瀉湖、沼澤發育,適宜煤層的形成與聚集[7-8]。煤層埋深多在1 700 m以下,露頭及取心資料相對較少,為煤層的研究造成了一定的難度。但是該區成像測井資料豐富,因此本文試圖借助電成像測井資料分辨率高(5 mm)的優勢,結合部分取心資料進行標定,對煤層的精確識別及劃分、煤層滲透性、煤層頂底板封隔性、地應力方向等進行了深入的研究,為煤層氣的勘探開發提供依據。

1 煤層劃分和滲透性評價

煤層氣的產量與煤層厚度有著直接關系,所以煤層的劃分是煤層氣評價最基礎的工作。對于井下煤層,由于不同類型的煤測井響應不完全一致,導致煤層頂底界限劃分誤差較大,并受到常規測井資料分辨率低、井況復雜等因素的影響,容易漏失薄煤層。

電成像測井主要測量地層電阻率的大小,經過適當處理可將其刻度為彩色等級圖像,反映地層電阻率的變化,一般電阻率高則顏色亮,電阻率低則顏色暗。煤層與圍巖在電成像顏色、結構上具有明顯差異性,是煤層劃分的一種有效手段。電成像測井圖中煤層因電阻率極高,呈現明顯的亮白色特征,結構為塊狀,而頂底的圍巖因為電阻率較低,呈明顯的棕褐色特征,層理發育,二者界限清晰,與巖心資料對應性一致。電成像測井相對于常規測井資料根據半幅點或者某一界限值劃分界限,劃分結果更加精確。

煤層的滲透性與煤層內部結構密切相關,因此內部結構識別對于評價煤層的滲透性具有重要的意義。煤層的內部結構可以分為對煤層滲透性起建設性作用的裂隙系統,以及起破壞性作用的煤矸石、黃鐵礦等非吸附性礦物結核或者條帶。

1.1 裂隙系統

煤層中一般具有2種裂隙系統,一種是構造運動造成的外生裂隙;另一種是煤化作用過程中,凝膠化物質受溫度和壓力等因素影響,體積均勻收縮而形成的割理系統。外生裂隙與割理相互交叉、切割,形成了復雜的裂隙系統,構成了煤層氣滲流的主要通道[9-11]。

外生裂隙一般規模較大,在電成像上呈暗色正弦曲線,縫面較寬,不受巖性的控制,多切割層界面或者內部夾矸層,甚至延伸到頂、底板中。割理一般規模較小,多發育于2條相鄰的層界面之間,與層面近似垂直,一般連續性較差。

1.2 煤矸石

煤矸石主要指夾在煤層之中的泥巖、黏土巖、炭質泥巖。煤矸石的存在使煤層結構復雜化,給開采帶來一定困難,會大大降低煤層縱向上的滲透性,從而影響煤層氣的產能[12]。夾矸層在成像圖上顯示為清晰完整的暗色條帶,條帶厚度較大,條帶內多具有水平紋層。

1.3 黃鐵礦

煤層及煤層頂、底板內常見黃鐵礦結核及團塊,根據礦物不吸附氣的原則[13],含量較多的黃鐵礦對煤層的含氣量有一定的破壞性影響,當黃鐵礦結核富集到一定程度或者呈大的團塊狀時,對煤層的滲透率也起到明顯的破壞性作用。黃鐵礦為高電導率礦物,因此,電成像上主要呈暗色顆粒狀或者暗色斑塊狀特征。

2 煤體結構識別

袁崇孚[14]根據煤體的宏觀架構特征,把煤體結構劃分為原生結構、碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構4種類型。從原生結構到糜棱結構,煤層的破裂程度增強。原生結構煤裂隙不發育,煤層原生結構全部保存,其滲透性取決于煤層割理的發育程度。碎裂結構煤受到一定程度的構造破壞,外生裂隙發育,煤層原生結構基本保存,而且煤層氣滲流通道網絡發育良好,通常具有較高的滲透率。碎粒結構、糜棱結構煤受到構造強烈破壞,原生結構不復存在,外生裂隙通常被構造錯動形成的煤粉所充填或阻塞,導致煤層滲透率降低[15]。另外,碎粒煤、糜棱煤壓裂形成縫壁的同時,崩離剝落的大量煤粉會堵塞縫道,致使煤層的滲透性能也得不到改善[16]。

圖1 煤體結構成像測井識別模式

本文以電成像測井資料為基礎,根據煤心資料進行了標定,建立了煤體結構的成像測井識別模式(見圖1)。原生結構煤的煤體宏觀結構呈層狀、層狀-塊狀,順層顏色分布均勻,無明顯外生裂隙[見圖1(a)] ;碎裂煤的煤體宏觀結構呈塊狀、層狀-塊狀,見明顯外生裂隙,破碎程度較輕,未對煤層宏觀特征造成破壞[見圖1(b)] ;碎粒煤宏觀結構呈塊狀,見明顯外生裂隙相互切割,對煤層宏觀特征造成嚴重破壞,顏色分布不均勻[見圖1(c)] ;糜棱煤電成像上呈粒粉狀,見不到任何煤層內部結構[見圖1(d)] 。

3 頂、底板封隔性評價

煤層產氣量及產水與煤層頂、底板的封隔性密切相關。緊鄰煤層的直接頂、底板的封隔性好,煤層氣才不會擴散到鄰近砂巖儲層,也不會溝通相鄰水層。頂、底板的封隔性主要與巖性、物性及裂縫發育程度有關。除物性評價之外,電成像測井在巖性及裂縫發育評價方面具有其他方法所不具備的優勢[17]。

3.1 巖性分析

煤層頂、底板主要巖性有4種:泥巖、粉砂巖、砂巖及灰巖。泥巖、灰巖物性最差,具有較好的封隔性,而粉砂巖及砂巖物性相對較好,封隔性能差。對巖性的準確判斷是評價封隔性的關鍵。不同的巖性由于沉積的水動力差異,具有不同的特征,在電成像上具有不同的顏色、沉積構造[18]。

泥巖:自然伽馬高,靜態圖像上主要為棕色,動態圖像上水平層理發育[見圖2(a)] 。粉砂巖:自然伽馬較高,靜態圖像上主要呈棕褐色,動態圖像上發育波狀層理[見圖2(b)] 。砂巖:自然伽馬較低,靜態圖像上主要呈暗色,動態圖像上發育高角度交錯層理、塊狀層理[見圖2(c)] 。灰巖:自然伽馬較低,靜態圖像上主要呈亮色層狀特征[見圖2(d)] 。

3.2 裂縫發育情況

頂、底板主要發育2種類型的裂縫,一種為天然裂縫,主要為構造運動形成,電成像為呈暗色正弦曲線;另一種為誘導縫,主要為地應力造成,電成像上呈陣列狀,多成組出現,出現在對稱的兩側。一般對頂、底板封隔性起破壞性作用的主要為天然裂縫,誘導縫對封隔性的影響較小。

圖2 電成像測井巖性識別

以B井煤層為例(見圖3),該套煤層厚度較大,直接頂板自然伽馬高,電成像上呈棕色,水平層理發育,為1套厚層泥巖。老頂板自然伽馬低,電成像上呈暗褐色,常規測井解釋為1套含水砂巖層。直接頂板內發育1條明顯的天然裂縫(見圖3放大圖像),如果壓裂煤層很有可能溝通煤層與老頂板水層,判斷頂板封隔性較差。直接底板整體伽馬較高,局部降低,電成像上呈棕色,塊狀層理、水平層理發育,富集暗色黃鐵礦顆粒,局部為亮色條帶,為1套泥巖夾薄層灰質條帶。老底板低自然伽馬,電成像呈亮色,為1套致密灰巖層。直接底板未見明顯裂縫發育,老底板不含水,綜合判斷底板封隔性好。

圖3 B井煤層頂、底板封隔性評價

4 煤層地應力分析

前人研究表明,煤儲層裂隙系統與地應力關系密切[19]。地應力方向對于裂隙系統的影響主要在于二者方向是否一致。當現今地應力方向與外生裂隙的方向一致,則外生裂隙在地下為開啟狀態,對于煤層的滲透性非常有利。而當二者方向垂直或者斜交,則割理或外生裂隙在地下為閉合狀態,對于煤層的滲透性具有破壞性的影響。

地應力在致密的煤層不易衰減,當煤層被鉆開,為其間的地應力釋放提供了條件。隨著地應力的釋放,易脆的煤層將產生一組與之相關的誘導縫。在電成像圖像上顯示為2組呈180°或接近180°對稱分布的陣列狀縫,裂縫面較為平直,裂縫寬窄變化較均勻,無任何溶蝕擴大現象(見圖4)。鉆井誘導縫的走向就是最大水平主應力的方向。

5 煤層綜合評價

5.1 煤層級別劃分

(1)I類煤層。煤層厚度較大(一般大于10 m),煤質含氣量高(大于25 m3/t),煤層內外生裂隙發育,夾矸層分布少且相對較薄,無黃鐵礦等非吸附性礦物,煤體結構為碎裂結構,直接頂底板巖性為封閉性好的泥巖、灰巖等,老頂底板無可動水,直接頂底板內裂縫不發育,煤層內外生裂隙方向與地應力方向一致。該類煤層經過壓裂測試日產氣一般大于5 000 m3/d。

圖4 煤層誘導縫特征及地應力方向

(2)II類煤層。煤層厚度較大(5～10 m),煤質含氣量較高(20～25 m3/t),煤層內外生裂隙較發育,夾矸層分布相對變多變厚,黃鐵礦等非吸附性礦物不發育或斑點狀顆粒發育,煤體結構主要為原生、碎裂結構。直接頂底板巖性為粉砂巖,老頂底板含水少。直接頂底板內裂縫不發育或小規模發育,煤層內外生裂隙方向與地應力方向有一定夾角。該類煤層經過壓裂測試日產氣一般在1 000～5 000 m3。

(3)III類煤層。煤層厚度較薄(小于5 m),煤質含氣量低(小于20 m3/t),煤層內外生裂隙不發育或者發育網狀外生裂隙且被煤粉充填,夾矸層多且厚度較大,黃鐵礦等非吸附性礦物發育,多為團塊狀,煤體結構主要為碎粒、糜棱結構。直接頂底板巖性為砂巖,含有可動水,直接頂底板內裂縫發育,煤層內外生裂隙方向與地應力方向基本垂直。該類煤層經過壓裂測試日產氣一般小于1 000 m3。

5.2 實例分析

L井為研究區1口煤層氣評價井,根據以上研究成果對目的煤層進行了詳細分析。成像測井顯示該井煤層深度在1 903.7～1 908.5 m段,煤層厚度5.2 m,常規測井解釋含氣量22.5 m3/t,煤層內外生裂隙不發育,夾矸層較發育且厚度較薄,含有較少的黃鐵礦顆粒(見圖5放大圖像)。直接頂板為泥巖,粉砂巖,直接底板為泥巖,老底板為含氣性較差的砂巖層。直接頂底板內裂縫不發育,頂底板封隔性較好,綜合評價為II類煤層(見圖5)。該套地層經過后期壓裂測試,日產氣3 000 m3,與綜合評價結論相符。

圖5 L井煤層綜合評價成果圖

6 結束語

(1)利用成像測井資料對煤層內部結構、煤體結構、頂底板封隔性、地應力方向等多方面進行了詳細研究,并根據其對煤層的影響,建立了研究區煤層劃分級別。電成像測井具有高分辨率,可視化的優點,在煤層劃分以及煤層精細描述方面具有其他方法無法比擬的優勢,能夠有效指導煤層的評價工作,為煤層氣勘探開發提供幫助。

(2)成像測井技術在煤層氣中的應用還有待進一步發展和深化,電成像測井高分辨率、可視化的優勢尚需深入挖掘。另外,研究區當前進行電成像測井的煤層氣井僅少數井進行了壓裂測試,缺少煤層產量資料的支撐也是當前研究面臨的實際問題,需要后續資料的補充完善及深入研究。