大寧—吉縣區(qū)塊8號煤層薄層夾矸螺旋CT掃描精細(xì)表征

田豐華,李小剛,朱文濤,戴瑞瑞,師斌斌,洪 星,任 勇,陳國輝,何 睿

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)建設(shè)分公司,陜西 西安 710068; 2.北京潤澤創(chuàng)新科技有限公司,北京 100120)

我國煤層氣資源豐富,埋深2 000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為30.05×1012m3,占全球煤層氣資源總量的11.6%,資源潛力巨大,前景可期[1]。近年來,國家加快能源轉(zhuǎn)型,要求天然氣“增儲上產(chǎn)”,煤層氣是其中的重要組成部分[2]。

煤層氣富集因素包括埋深、含氣量、厚度等[3-6],然而通過長期開發(fā)實(shí)踐,逐漸發(fā)現(xiàn)煤層氣“富集”部位并不一定代表“高產(chǎn)”。近年來,研究關(guān)注點(diǎn)開始從煤層氣“富集”影響因素逐漸轉(zhuǎn)向煤層氣“高產(chǎn)”因素的研究,追求以“可采性”為核心的可采地質(zhì)模式研究[7]。前人在煤層氣高產(chǎn)的地質(zhì)影響因素方面已有一定認(rèn)識和成果,趙欣[8]認(rèn)為煤層厚度、地下水流體勢、含氣量、滲透率和臨儲比是煤層氣產(chǎn)能的主要地質(zhì)影響因素;閆霞等[9]認(rèn)為深部微構(gòu)造是影響煤層氣高產(chǎn)“甜點(diǎn)區(qū)”的重要因素;宋巖等[10]提出了3種煤層氣高產(chǎn)區(qū)形成模式:斜坡區(qū)含氣量和滲透率優(yōu)勢疊合富集高產(chǎn)模式、脆韌性過渡帶煤層氣富集高產(chǎn)模式和相對構(gòu)造高部位煤層氣富集高產(chǎn)模式。

前人研究多從宏觀尺度對煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析和分類,對研究煤層氣“甜點(diǎn)區(qū)”的宏觀分布具有一定指導(dǎo)意義,但因研究方法精度有限,在單井產(chǎn)能影響因素評價(jià)方面存在局限性。煤層及夾矸在單井縱向上的分布特征是尋找工程甜點(diǎn)位及高產(chǎn)的重要一環(huán),厚層夾矸對于煤層氣的開采有較多不利因素,夾矸的存在使煤的灰分增高,并且使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,會加劇煤層氣藏的不均一性,給工業(yè)開采帶來一定困難[11-12]。但薄層夾矸通常伴生很多層理縫,是煤層氣運(yùn)移、聚集通道,對于煤層氣壓裂是有利因素。本文利用螺旋CT掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤層結(jié)構(gòu)的精細(xì)三維表征,研究成果對煤層氣單井儲層精細(xì)評價(jià)及高產(chǎn)因素研究具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)大寧—吉縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶南端與伊陜斜坡東南緣,主要目的層為山西組5號煤和本溪組8號煤[13]。其中,8號煤主體埋深2 000～2 400 m,埋深大于1 500 m的區(qū)域煤層厚度4～12 m,主體厚度8～10 m,平均厚7.8 m,為深層煤層氣主要勘探目的層[14]。本次研究選取本溪組8號煤巖心進(jìn)行螺旋CT全視域掃描,獲取大尺寸高精度的煤巖三維結(jié)構(gòu)信息。

2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

螺旋CT掃描是醫(yī)療診斷中的常用手段,近年來逐漸在石油勘探行業(yè)得到應(yīng)用[15]。與微米CT掃描相比,螺旋CT掃描具有全巖心大視域的優(yōu)勢,特別適用于直徑8～12 cm完整的米級巖心分析。此前學(xué)者運(yùn)用三維CT掃描技術(shù)對煤儲層的研究主要基于非全直徑巖心[16-18],但觀察范圍小,在代表性上較為局限,有必要引進(jìn)螺旋CT對完整煤心進(jìn)行表征。

螺旋CT掃描三維建模技術(shù)基于樣品內(nèi)部物質(zhì)對X射線的吸收衰減,在X射線穿過巖心時(shí),部分被礦物吸收、能量衰減,采用數(shù)學(xué)二值法求解衰減數(shù)值在煤巖和夾矸掃描樣品剖面的二維分布矩陣,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為圖像畫面上的灰度分布,從而實(shí)現(xiàn)巖心的三維重構(gòu)。

3 煤層結(jié)構(gòu)精細(xì)識別表征方法

煤層夾矸是沉積過程中由于沉積環(huán)境的變化與煤層伴生的一種含碳量低、比煤巖密度高的巖層,呈層狀、似層狀或透鏡體狀,巖性多為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。

夾矸識別是煤層氣勘探中一項(xiàng)難度大但重要的工作,夾矸表面風(fēng)化色與煤巖十分接近,在巖心觀察中,通過肉眼很難將夾矸與其上下相鄰的煤巖區(qū)分開來,部分經(jīng)驗(yàn)豐富的地質(zhì)工作者,通過巖心質(zhì)量估測夾矸位置,但人為因素影響較大,無法多組對比,且無法精確劃分夾矸在煤層段中具體位置。利用測井曲線組合特征可識別煤層中夾矸[19],但由于縱向分辨率的限制,厚度小(小于25 cm)或泥質(zhì)含量相對低的夾矸層在常規(guī)測井曲線上很難識別[20]。

本次研究適用的多能譜螺旋CT掃描儀在縱向上分辨率達(dá)到0.8 mm,能夠更加精細(xì)地識別煤層結(jié)構(gòu),同時(shí)具有獲取米級大尺度巖心全貌的能力,本次實(shí)驗(yàn)的方法及步驟如下。

3.1 掃描灰度圖像橫切片獲取

將研究區(qū)實(shí)驗(yàn)巖心在螺旋CT上掃描成像,獲取巖心掃描灰度圖像橫切片,構(gòu)建巖心三維模型。灰度圖像是一種計(jì)算機(jī)存儲圖像,像素點(diǎn)顯示從最暗的黑色到最亮的白色。巖心密度越大,X射線透過率越低,灰度圖像越接近白色,灰度值越大;巖心密度越小,X射線透過率越高,灰度圖像越接近黑色,灰度值越小。煤巖、夾矸、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等礦物密度差異很大,使得掃描成像后在灰度顯示上差異明顯(圖1)。而從現(xiàn)場巖心實(shí)物照片觀察(圖1),煤層段外表面風(fēng)化色幾乎均為黑褐色,無論是錄井描述還是取心描述,均未能對煤層段內(nèi)夾矸進(jìn)行識別和劃分。

3.2 灰度圖像橫切片預(yù)處理

利用專業(yè)數(shù)字巖心分析軟件PerGeos對掃描灰度橫切片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選取感性區(qū)域,裁切掉數(shù)據(jù)體中未被巖心充填的部分,以保證后續(xù)計(jì)算能完全反映巖心內(nèi)部特征。計(jì)算每張橫切片總像素點(diǎn)的灰度平均值,公式如下:

(1)

式中,μ為單張橫切片灰度平均值;n為單張橫切片的總像素點(diǎn);Xi為切片中第i個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的灰度值(圖2)。

圖1 研究區(qū)D10井螺旋CT掃描巖心三維模型Fig.1 Spiral CT scanning core 3D model of No.D10 well in the study area

圖2 單張橫切面(n個(gè)像素點(diǎn))灰度顯示示意Fig.2 Single cross section(n pixel points) grayscale display diagram

3.3 生成煤層段灰度平均值曲線

首先將掃描橫切片序列轉(zhuǎn)換為巖心實(shí)際深度點(diǎn)值,轉(zhuǎn)換公式如下:

Di=Dt+i×Rv

(2)

式中,Di為第i張切片序列對應(yīng)的實(shí)際深度點(diǎn)值;Dt為該段巖心頂深;i為切片序列;Rv為掃描縱向分辨率。

將橫切片總像素點(diǎn)灰度平均值作為橫坐標(biāo),對應(yīng)的巖心深度點(diǎn)作為縱坐標(biāo),生成煤層段灰度平均值曲線。

3.4 確定煤巖灰度基線及夾矸灰度值范圍

煤層中主要伴生礦物質(zhì)密度多超過2.5 g/cm3,硫化物類礦物密度達(dá)4.8 g/cm3,而均質(zhì)煤的密度一般為1.3～1.7 g/cm3,密度相差較大(表1)。

表1 煤層中主要礦物質(zhì)及密度Tab.1 Main minerals and density in coal seam

基于密度上的變化,煤巖和夾矸在灰度平均值曲線上差異明顯。煤巖灰度平均值低,曲線平緩;夾矸灰度平均值較高,曲線呈箱形、齒形和指形。以此為依據(jù)確定煤巖灰度基線,即煤層段中灰度平均值低、平緩分布的一條均值線,代表掃描中巖心密度最低的煤巖的分布。如研究區(qū)D10井巖心煤巖灰度基線確定為灰度值650的一條垂直線(圖3)。

對曲線中灰度值突變且具有代表性的位置進(jìn)行巖性標(biāo)定。對于較易識別的巖性,如灰?guī)r,巖性標(biāo)定可直接參考錄井描述和鉆井取心描述;對于不易識別的煤層夾矸,則可通過取樣薄片鑒定進(jìn)行巖性標(biāo)定。通過取樣點(diǎn)巖性標(biāo)定,驗(yàn)證煤系地層中夾矸、頂板灰?guī)r等煤層中常見巖性灰度值范圍。如研究區(qū)D10井夾矸灰度值范圍為1 350～1 850,頂板灰?guī)r灰度值大于2 200(圖3)。

3.5 縱向劃分單層夾矸

確定煤層灰度基線和夾矸灰度值范圍后,采用1/4幅值法在縱向上劃分單層夾矸,夾矸頂部界限卡在煤巖基線與曲線交點(diǎn)向下部鄰近灰度曲線波峰變化的1/4幅值處,夾矸單層底部界限則卡在煤巖基線與曲線交點(diǎn)向上部鄰近灰度曲線波峰變化的1/4幅值處(圖4)。

4 煤層結(jié)構(gòu)精細(xì)分類及評價(jià)

通過對大寧—吉縣地區(qū)實(shí)驗(yàn)井煤層段夾矸的精準(zhǔn)劃分,即可得到井段中煤層夾矸的層數(shù)(n)和單層夾矸厚度(hi),計(jì)算得到夾矸的平均厚度(H)和煤層中夾矸累積厚度占比(R),作為煤層結(jié)構(gòu)精細(xì)分類和評價(jià)的重要參數(shù)。以夾矸平均厚度3 cm和累積厚度占比25%為2個(gè)關(guān)鍵參數(shù),進(jìn)而將研究區(qū)煤層結(jié)構(gòu)類型劃分為4種類型(表2,圖5)。

圖3 研究區(qū)D10井煤層段夾矸劃分綜合圖版Fig.3 Comprehensive map of gangue division in coal seam section of No.D10 well in the study area

圖4 1/4幅值法夾矸劃分示意Fig.4 Schematic diagram for dividing gangue by 1/4 amplitude method

表2 研究區(qū)全直徑螺旋CT掃描煤層結(jié)構(gòu)類型劃分Tab.2 Classification of coal seam structure by full diameter spiral CT scanning in the study area

A類煤層結(jié)構(gòu),煤層段中夾矸厚且少,壓裂試氣選層過程中,可適當(dāng)避開厚層段夾矸進(jìn)行壓裂,以達(dá)到儲層改造最佳效果。

B類煤層結(jié)構(gòu),煤層段夾矸厚且多,夾矸厚度占比高導(dǎo)致煤層灰分增加,加劇煤層氣藏不均一性,不利于煤儲層改造。

C類煤層結(jié)構(gòu),煤層段中夾矸薄且少,是好的煤儲層地質(zhì)甜點(diǎn),有利于煤儲層改造,但伴生的水平裂縫較少,可適當(dāng)加大壓裂改造規(guī)模。

D類煤層結(jié)構(gòu),煤層段中夾矸薄且多,夾矸累積厚度高灰分增加,但其伴生水平縫發(fā)育對煤儲層改造是有利因素,其改造效果需在后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中繼續(xù)探索證明。

5 結(jié)論

(1)將螺旋CT掃描技術(shù)運(yùn)用到煤層結(jié)構(gòu)表征中,其分辨率達(dá)到毫米級且具有獲取米級大尺度巖心全貌的能力,可實(shí)現(xiàn)單井煤層結(jié)構(gòu)的高精度可視化重建,對煤層氣單井儲層精細(xì)評價(jià)及高產(chǎn)因素研究具有指導(dǎo)意義。

(2)運(yùn)用螺旋CT掃描技術(shù),生成巖心段灰度平均值曲線,確定煤巖灰度基線和夾矸灰度值范圍,用1/4幅值法精準(zhǔn)劃分煤層中夾矸,實(shí)現(xiàn)煤層結(jié)構(gòu)的精細(xì)定量表征。

(3)通過對研究區(qū)實(shí)驗(yàn)井的螺旋CT掃描,獲取精細(xì)的煤層結(jié)構(gòu)特征,以夾矸平均厚度3 cm和煤層中夾矸累積厚度占比25%作為煤層結(jié)構(gòu)精細(xì)分類和評價(jià)的2個(gè)重要參數(shù),將研究區(qū)煤層結(jié)構(gòu)類型劃分為4種模式。

(4)研究區(qū)劃分的4類煤層結(jié)構(gòu)中,A類夾矸厚且少,儲層改造應(yīng)避開厚層段夾矸進(jìn)行壓裂;B類夾矸厚且多,不利于煤儲層改造;C類夾矸薄且少,是煤儲層有利地質(zhì)甜點(diǎn);D類夾矸薄且多,儲層改造效果需在后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中繼續(xù)探索證明。