利用測井曲線求取巖煤層含水飽和度的研究

劉保華

摘 要：巖體的孔隙發育程度決定其含水飽和度，兩者之間存在明顯的線性關系，因此人們可以利用巖層孔隙度來判定巖層含水飽和度，兩者為正相關關系。在解釋巖層的含水飽和度時，人們需要先利用測井曲線來判定巖層孔隙度，其中密度曲線、聲波時差曲線和自然伽馬曲線對其響應較好。

關鍵詞：巖煤層;含水飽和度;測井曲線

中圖分類號：P631.8文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0081-02

Abstract： The degree of pore development of the rock mass determines its water saturation， and there is an obvious linear relationship between the two， therefore， one can use the porosity of the rock to determine the water saturation of the rock， and the two are positively correlated. When interpreting the water saturation of a rock formation， people need to use logging curves to determine the porosity of the rock formation， among them， the density curve， the acoustic time difference curve and the natural gamma curve respond better to it.

Keywords： rock and coal seam;water saturation;logging curve

巖體的孔隙發育程度是影響其含水飽和度的關鍵因素，兩者存在明顯的線性關系。巖層孔隙度與巖層含水飽和度呈正相關，因此人們可以利用巖層孔隙度來判定巖層含水飽和度[1]。

1 基本原理

巖體的含水飽和度主要取決于孔隙和裂隙的發育程度，人們可以用孔隙度來劃分巖體的含水飽和度。砂巖厚度是確定煤層含水飽和度的前提，也是影響地下水賦存狀態的主要因素[2]?？偟膩碚f，影響巖煤層含水飽和度的因素很多，大致可分為區域構造、巖性、孔隙特征、破碎率和賦存條件等。因此，要確定煤層含水飽和度解釋的有效測井曲線和參數，其中相關性較好的有三種曲線。一是密度曲線，巖石的含水量越豐富，其數值越低;二是視電阻率曲線，巖石的含水量越豐富，其值就越大;三是自然伽馬曲線，巖石的含水量越豐富，其值就越大。視電阻率曲線直接反映了煤層的電導率，與煤層含水率直接相關，可以進一步解釋。

2 方法技術

2.1 Archie模型

Archie含水飽和度模型適用于不含泥質或泥質含量極低的巖層，如碳酸鹽巖和碎屑巖。該模型可以用式（1）表示。

式中，[Sw]為巖石含水飽和度;[a]為巖性系數，取值范圍為0.60～1.53;[Rw]為地層水的電阻率，[Ω]·m;[φ]為巖層有效孔隙度;[Rt]為巖石的真電阻率，[Ω]·m;[m]為膠結指數，代表孔隙空間的連通性，與巖石膠結情況和孔隙結構有關，常取2;[n]為飽和度指數，代表含水部分的連通性，與油、氣或水在孔隙中的分布狀況有關，取值范圍為1.5～2.2，常取2。

孔隙度可以通過聲波測井、中子測井和密度測井計算，而[Rt]可以通過雙感應測井或雙側向測井來測量。參數[Rw]、[a]、[m]和[n]可以通過皮克特圖來確定。只要巖石中的泥質含量很小，就可以得到比較準確的含水飽和度，否則就要使用其他三種模型。

2.2 修正的Simandaux模型

修正的Simandaux模型應用在大多數泥巖地層中，只要大部分泥巖表現為薄層，該模型就能得到較好的效果，在泥質砂巖中也可能給出最佳結果。地層電導率[Ct1]的計算公式為：

2.3 Waxman-Smits模型

Waxman-Smits模型研究表明，泥質砂巖層存在高于標準的電導率，這種效應可以通過等效水電導率來控制，地層的電導率[Ct2]可以用式（3）表示。

式中，[B]為單位平衡陽離子當量;[Qv]為空隙流體單位體積陽離子交換容量;其他變量同上。

2.4 雙水模型

雙水模型的應用場景更為普遍。自由水與束縛水的礦化度是不同的。其等效電導率[Cwe2]的計算公式為：

式中，[Swb]為束縛水飽和度;[Swf]為自由水飽和度;[Cwb]為束縛水電導率;[Cw]為自由水電導率。

在實際使用時，由于煤田勘探區的地層上覆煤層多為砂巖層，所以選用Archie公式評價巖煤層的含水性較為合適。其中，阿爾奇公式涉及的方程如下：

式中，[F]為地層因子，是指飽和地層水的巖石電阻率[R0]與地層水電阻率[Rw]的比值;[R0]為含100%飽和地層水的巖石電阻率，Ω·m;[I]為巖層電阻增大系數，它是含油氣巖石真電阻率[Rt]與該巖石100%飽和地層水電阻率[R0]的比值，其大小基本決定于巖石含水飽和度[Sw]，且與地層的孔隙度和地層含水電阻率無關;[b]為與巖性有關的系數，一般接近于1，常取1;其他變量同上。

在使用阿爾奇公式進行計算時，應首先利用該地區鉆孔的測井資料算出有效孔隙度，再利用阿爾奇公式算出地層因素，最后利用巖石的真實電阻率和地層水電阻率計算地層含水飽和度，具體公式如式（8）所示。

式中，變量指代對象同上。[m]、[a]、[n]、[b]及[Rw]等參數的確定對Archie公式的應用效果影響巨大，而且它們又具有地區性，所以應根據相關研究區域的地質特征，再結合實驗統計的方法來得到合適的相關參數，這樣才能得到較為準確的地層含水飽和度[Sw]。

在煤田勘探中，受客觀條件所限，沒有地層水電阻率[Rw]測量數據，人們可使用下列步驟進行計算：依據地層的含水率和孔隙度，求取目標地層的含水飽和度;利用視電阻率測井曲線得到地層平均視電阻率值;利用式（8）求取[R0]，最終得到適合該地區的含水飽和度公式。

應用Archie公式時，一定要注意應用環境及條件，即泥質含量較少的地層方可得到較理想的結果。

3 應用實例

根據以上方法，本研究對一砂巖地層（其上部和下部均為泥巖）進行分析。圖1顯示了地層中純砂巖的Pickett相交。過水的直線（[R0]線）的斜率倒數為膠結指數[m]，外推該線到[φ]=100%處得到[Rw]。除非已知[a]為1.0，飽和度指數[n]等于[m]。表1總結了Pickett圖的結果。這樣可以從Pickett圖中獲得計算水飽和度所需的參數。

參考文獻：

[1]丁明海，潘書民，馬恩軍.含水飽和度測井新方法研究[J].測井技術，2005（1）：27-29.

[2]姚軍朋，司馬立強.合川地區低孔滲砂巖儲層含水飽和度的評價方法[J].天然氣工業，2010（10）：22-25.