余吾-古城區塊基于測井參數的煤體結構預測

王 瑞

（山西潞安金源煤層氣開發有限責任公司，山西 長治 046204）

在煤層氣開發過程中，儲層特性對煤層氣的高效開發起著至關重要的作用，從開發前的儲層的滲透性、含氣量到生產開發時的壓裂方式及排采工作制度，煤體結構一直是制約煤層氣產量的主要因素。隨著科技的進步，測井技術也不斷地革新，目前應用于煤層氣開發的測井方式主要有：自然電位測井、電阻率測井、雙感應測井和雙向測井等等。隨著大量的測井技術的更新，利用巖芯描述和測井響應相結合的手段對目的煤層及頂底板的煤體結構的判別越來越準確。余吾-古城區塊煤層瓦斯壓力高且含量大，不僅對安全生產造成巨大隱患，并且對煤層氣資源未能形成有效利用，因此在地面提前部署地面煤層氣井刻不容緩[1]。為了更高效地進行地面煤層氣開發，在區塊內對7 口煤層氣井進行測井解釋，獲得更多的煤層煤體結構數據，以便于優化煤層氣開發方案。

1 煤層氣開發的測井方式及技術原理

1.1 自然電位測井

在鉆穿地層的過程中，地層與鉆井液接觸，產生擴散和吸附，在鉆井液與地層的接觸面產生自然電位。因此，所采用的測井技術稱為自然電位測井。對于自然電位測井技術，首先需要對自然電位曲線形狀進行研究和分析，如圖1 所示。可以計算出井軸上各點的自然電位的數值UM，并繪制出自然電位的理論曲線。然后，根據自然電場的分布，可以定性地分析自然電位曲線的形狀[2]。

圖1 井內自然電場分布和自然電位曲線形狀

在砂巖井壁、泥巖井壁以及砂泥巖接觸面上，存在著自然電動勢，沙子、泥巖和鉆井液是導電的，并形成一個閉環，形成一個自然電流。SP 測井記錄了鉆井液剖面中自然電流的電位降。在遠離砂巖的泥巖中（如a 點以上），自然電流非常小，幾乎沒有變化，因此在大段泥巖上的SP 曲線基本上是一條直線。在點a 之后，電流強度逐漸增加，并且當Cw＞Cmf時，SP 逐漸減小，并且曲線向負方向偏轉。在b 點，在泥巖層和砂巖層的界面處，井內自然電流強度最大，電位變化也最大，SP 曲線向負方向急劇偏轉。在形成界面之后，電流密度逐漸降低，電勢繼續降低。在地層的中心c，電流強度最小，SP曲線幾乎平行于井軸。在砂巖層的下部，自然電流強度逐漸增加，自然電位逐漸增加，曲線向正方向偏轉。SP 曲線的特點是鉆井液均勻，巖石巖性相同，SP 曲線與滲透率層中心對稱。當地層較厚時，地層邊界可以由曲線半寬點確定。測量的SP 振幅是由井中的自然電流產生的電位降，該電位降總是小于自然電流回路的總電動勢。可滲透砂巖的天然潛力主要取決于地層水和鉆井液濾液的相對鹽度，可滲透砂巖可偏轉到泥巖基線的左側或右側[3]。

1.2 電阻率測井

在電測井中，測量介質電阻率的測井方法包括：一般電阻率測井、微電極測井、微側向測井、球面聚焦測井、相鄰側向測井、雙側向測井和感應測井。電阻率測井是常規測井方法之一，屬于電測井的范疇，包括微電極測井、微側向測井、相鄰側向測井和微球聚焦測井。微電阻率測井主要用于劃分薄層，計算地層有效厚度，確定沖刷帶電阻率。微球聚焦測井和雙側向測井包括淺、中、深探測深度。深側視電阻率RLLD 主要反映地層電阻率的變化，淺側視電阻率RLLS 主要反映侵入帶電阻率的變化；微球聚焦測井視電阻率RMSFL 主要反映沖刷帶電阻率。利用它們測得的三條視電阻率曲線，可以快速直觀地判斷煤層、氣、水層[4]。

1.3 巖芯描述和測井響應相結合的測井

巖芯描述是指巖芯鉆探工具在鉆探過程中從地面提取的巖石樣本。目前，取芯主要采用旋轉鉆機，因此取芯為圓柱形。我國煤炭鉆井的巖芯直徑一般為90～120 mm，個別情況下取直徑160 mm 的巖芯。巖芯的直徑是根據地質學家的需要以及鉆井機械的能力和水平來確定的。由于巖芯用于各種分析和研究，很明顯，小直徑的巖芯無法滿足各種分析的需要。巖芯的直徑很大，從巖芯中觀察和收集的數據越來越全面。然而，只有在特殊需要的情況下，才能從單個測井中提取大直徑巖芯。巖芯數據是地下巖層特征和煤層氣特征的最直接反映，通過對巖芯的觀察、分析，研究巖性和巖相特征。沉積環境是結合重礦物、粒度和薄片鑒定等測試技術確定的。研究古生物化石及其分布特征，確定地層年代，進行地層對比。通過對巖芯的觀察和分析，可以發現煤層氣，并可以觀察和描述巖芯的煤層和煤體，明確煤層分布，合理劃分煤層、砂巖組和煤層氣。研究井下煤體煤層，建立煤層氣參數圖，確定和劃分有效厚度和層段標準，為儲量計算和煤層氣開發方案設計提供可靠數據。研究儲層的巖性、物性、電性與含氣量的關系，從定性和定量兩個方面進行解釋。研究地層產狀、地層接觸關系、裂隙、洞穴、斷層發育等，檢查開發效果，研究不同開發階段的水洗特征和水淹層的效率。研究了水淹層的巖電關系，并進行了定性和定量解釋，它為鉆井泥漿、可鉆性和煤層氣開采過程中的壓裂酸化提供了巖石的物理和化學數據。隨著大量測井技術的更新，通過巖芯描述和測井響應等手段識別目標煤層及頂底板的煤結構越來越準確[5]。

2 研究區地質背景

該區塊位于潞安礦區西部，地處山西省長治市屯留區境內。區塊內公路較為發達，交通條件便利。總體構造形態為走向北北東～南北向西緩傾的單斜，地層傾角3°～13°，一般為6°，在此基礎上發育方向比較單一的寬緩褶曲，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20 m 的斷層和一定數量斷距小于20 m 的斷層及陷落柱。井田內未發現巖漿巖活動。

3 基于GSI 的煤體結構的定量表征

GSI 巖體分類體系由E.Hoek 首先提出，是基于原巖力學性質和巖體觀察結果估算巖體強度的方法。通過對GSI 巖體分類系統的不斷補充和完善，GSI 巖體分類系統同樣適用于煤巖的分類，根據煤巖塊度大小以及不連續面的破壞情況，進行巖體系統的分類并賦值，將傳統煤巖分類中的“四分法”“五分法”等等定義進行了定量的精細化描述。GSI 值的引入使得煤體結構的表征具有量化表征的特點，不僅可以快速對煤體結構進行分類判別，并且使得煤體結構的判別標準趨于統一化[6]。目前修正量化過的GSI 圖版如圖2 所示。

圖2 修正量化的GSI 圖

4 主要煤層測井解釋及煤體結構預測

測井技術主要通過對巖層四性“電性”“巖性”“物性”“含氣性”進行解釋評價，從而實現對目標巖層的巖性分析。在對煤層氣井進行測井解釋時，常用到的測井參數有：深、淺側向電阻率、密度、補償中子、自然伽馬、自然電位、滲透率。利用不同的測井參數在目的煤層及頂底板巖層的波動范圍不同，在選取測井參數對煤層進行解釋時，單一測井參數的測井解釋無法保證測井結果的準確性。因此，選擇相關性較大且對煤巖層及頂底板區分度較高的參數對煤層進行判斷，不僅可以減少測井計算的工作量，同時可以保證測井結果的準確性。目前，常用來解釋煤體結構的參數有：

1）聲波時差響應

在均勻各向同性介質中，縱波速度與彈性模量和密度的關系表達：

式中：Vp為縱波速度，m/s；E為彈性模量，N/m2；σ為泊松比；ρ為密度；F/A為應力（F為力，A為面積）；ΔL/L為應變。

對于不同的巖層與煤層的聲波時差響應，由于煤體或巖石的結構變化而引起的密度變化相對較小，不同煤體結構的密度介于1.3～1.6 之間，不同巖石的密度介于1.8～2.1 之間，但由于不同煤巖體的彈性模量差異較大，所以不同煤巖之間的波速差異主要由于彈性模量差異大小而引起。通常情況下，巖石彈性模量大于煤巖彈性模量；煤體結構越差，抵抗變形的能力越差，則變形越大，彈性模量越小，聲波時差越大。因此，聲波時差曲線可以作為判斷煤巖頂底板及煤體結構好壞的一項標準。當測井曲線中有聲波時差曲線時，可利用聲波時差來判斷煤體結構的好壞。

2）自然伽馬響應

自然伽馬的響應主要是通過接收煤巖裂隙單位中的放射性物質的多少來判斷煤體結構。在連續煤巖介質中，煤巖的破碎程度與裂隙發育程度相關，裂隙越發育煤巖破碎程度越大，可被檢測到的放射性物質就越少，自然伽馬值就會降低。因此，煤體結構越破碎，自然伽馬越低

3）密度響應

密度測井對煤體結構的響應原理同密度對孔隙度的響應類似，煤體結構越破碎，孔裂隙增加，其密度降低，密度測井響應有利于識別煤層中的分層或夾矸現象，對于密度響應異常的區段可通過與其他曲線結合判斷巖性。

4）自然電位響應

隨著煤體破壞程度的增加，煤的鏡質組反射率增加，氧化反應增強，所帶正電荷增多，自然電位顯示出明顯的正異常。因此，構造煤比原生結構煤有更高的自然電位。

5）視電阻率電位響應

隨著煤體破壞程度的增加，煤的孔隙率增大，吸附并保存了更多的瓦斯氣體，視電阻率相應增大，視電阻率電位也增高。

根據以上不同測井響應在不同煤體結構中的判別影響，對余吾-古城區塊的7 口測井數據中3#煤層的測井平均響應值進行統計，如表1 所示。

根據測井曲線的統計結果，將7 口測井數據中的3#煤層段以0.25 m 為間隔，共提取72 個節點進行煤體結構的測井響應判斷，判斷結果如圖3 所示。

圖3 研究區3#煤層煤體結構GSI 的測井響應

由相關性分析可知，煤體結構GSI 表征值同聲波時差和補償中子成負相關，同補償密度和自然伽馬成正相關。其中GSI 與聲波時差和補償密度的相關性較好，補償中子次之，自然伽馬最差。

根據煤體結構表征值的測井回歸方程：

GSI=aDT24+bGR+cDEN+dCNCF+e（3）

通過擬合計算出各系數分別為：a=-0.609，b=0.181，c=0.033，d=-0.438，e=134.085， 相 關 系數R2=0.856。

因此根據煤體結構測井回歸方程，預測余吾-古城礦區7 口地面瓦斯抽采井的煤體結構：

從圖4 中可以看出：煤層的煤體結構差異較大，其中LACG-030 井與LACG-037 井的煤體結構屬于硬煤-軟煤-硬煤的組合方式；LACG-031 屬于硬煤-軟煤組合方式；LACG-032 井屬于軟煤-硬煤-軟煤的組合方式；LACG-033 與LACG-LACG-034 屬于軟硬煤互層組合方式。

圖4 煤體結構示意圖

通過測井參數對煤體結構的預測，與現場取芯的結果相同，因此利用測井參數對煤層煤體結構的預測較為準確。通過對煤體結構的精準判別，可以為后期地面瓦斯抽采井的壓裂提供一定的技術支持，選擇合適的煤層段進行壓裂將有利于煤層氣產量的提高。

5 結論

1）研究在煤體結構GSI 表征的基礎上，通過GSI 表征值與測井的相關性分析，建立煤體結構GSI 表征值的測井解釋模型，從而實現煤體結構的定量表達。

2）通過聲波時差、補償中子、補償密度和自然伽馬等測井參數對煤體結構的預測值與現場實際取芯結果相符，說明可以利用測井資料對煤體結構GSI 值進行預測，從而獲得整個煤層段的煤體結構特征，為后期煤層氣壓裂開發奠定基礎。