煤层气地球物理测井发展综述

煤层气地球物理测井发展综述摘要：煤层气是一种以吸附状态储存于煤层中的非常规天然气，与页岩气相比在沉积环境与成藏条件方面有较大差异。而中国的煤层气与国外不同，其沉积构造环境更为复杂，这也让国内煤层气的开发勘探与煤层气评价更为困难。本位在参考分析大量文献基础上，对国内外煤层气差异，以及煤层气与页岩气差异进行了分析，并对煤层气的测井响应特征进行了分析，总结了等温吸附、含气量、新“七性”关系分析三种煤层气测井评价方法。关键词：煤层气；测井评价；测井响应特征；含气量0中国煤层气特点中国的含煤盆地在中、新生代经历了印支、燕山和喜山三大构造运动，其中燕山运动对煤层气的形成和保存起到了关键作用，这一阶段是中国煤层气的主要生气期,也是控制煤变质程度的主要阶段。与美国的煤层气没有经过强烈构造变形不同的是，中国的含煤盆地具有复杂的演化史和变形史，构造样式多样、盆地原型众多、后期改造严重。成煤后期构造破坏强烈，煤的原生结构遭到严重破坏，构造煤发育，严重阻碍了煤层气的解吸，导致中国煤层气开采增产更为困难。在中国煤层气资源总量的2/3以上为低阶煤(褐煤和长焰煤等)和高阶煤(贫煤和无烟煤)，而中阶煤(气煤、肥煤、焦煤和瘦煤)仅占煤层气资源量的1/3或更少。无疑高阶煤和低阶煤煤层气开发潜力巨大，中阶煤虽然在我国煤层气资源总量中所占的分量比较低，但其煤层气地质条件好，是我国目前煤层气勘探、开发最活跃的地区。在国内煤层气勘探开发过程中，中阶煤煤层气可以借鉴美国煤层气开发模式，开发高阶煤煤层气主要依靠自力更生。中阶煤和高阶煤是目前我国煤层气勘探和开发的主要煤阶[1-3]。1煤层气与页岩气地质条件对比页岩气与煤层气一样都属于自生自储式的非常规天然气。煤层气是主要以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，而页岩气是主要以吸附和游离状态赋存于富含有机质页岩及泥岩中的非常规天然气[4]。虽然页岩气与煤层气都是我国现在重点开发的非常规天然气资源，但其在沉积环境、成藏条件和评价因素等方面又存在一定的差异性。1.1沉积环境对比煤层气主要以吸附态储存于煤层中，页岩气相当部分以吸附态赋存于富含有机质页岩及泥岩中；煤层和页岩都为自生、自储，但页岩除了是烃源岩和储层,还是保存天然气的盖层。煤层其沉积背景主要为滨海或湖泊沿岸、三角洲平原、冲积平原、冲积扇前缘等，而快速沉积且封闭性较好的还原环境有利于页岩的生成，其沉积体系主要为大陆斜坡、台地凹陷，陆相湖盆沉积体系中富有机质页岩发育的深湖、半深湖以及部分浅湖。构造对煤层气控气作用差异明显，而页岩气成藏受构造活动限制不明显[5]。1.2成藏条件对比煤层气成藏为典型的吸附成藏机理，其存在方式、成藏特征与常规圈闭气藏有较大差别。煤层只要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，无论在储层的构造高部位还是低部位，都可以形成气藏。水文地质条件对煤层气的保存具有重要意义。高水矿化度的地区有利于高煤级煤储层煤层气的保存；而对于低煤级地区，低矿化度的地区则更有利于低煤级煤储层煤层气的富集。煤层气为典型的孔隙与裂缝介质系统[6]。页岩气成藏机理具有混合型特征。据不同成藏条件，页岩气成藏可表现为典型吸附机理、活塞成藏机理或置换成藏机理。并且水文地质条件对热成因型页岩气藏影响甚微[5]。1.3评价因素对比页岩气与煤层气在勘探开发过程中的影响因素也不同，影响煤层气开发的主要地质因素有：煤层厚度及其稳定性、含气量大小或煤层气资源丰度、构造及裂隙发育与渗透性和煤层气保存条件等方面；影响页岩气开发的主要地质因素包括页岩厚度、有机质含量、热成熟度、含气量、天然裂缝发育程度和脆性矿物含量等。2煤层气储层测井响应特征煤层气测井技术基本测井系列由岩性测井方法、饱和度测井方法和孔隙度测井方法三部分组成，根据国内外大量生产实践和有关理论研究，裸眼井煤层气测井系列可采用：密度测井、高分辨率密度测井、岩性密度测井、井径测量、自然伽马测井、双感应、浅感应、双侧向测井、高分辨率感应测井[7,8]。2.1非常规测井曲线响应特征赵毅、毛志强等（2011）提出利用电成像对沁水盆地中部A井区石炭系太原组及二叠系山西组煤层进行测井评价[9]。文中对岩性及不同结构煤层的电成像测井响应特征进行了分析。砂岩：静态图像呈亮黄色，岩性越纯越致密颜色越亮，甚至呈亮白色，动态图像呈黄色，有明显的裂缝存在；灰岩：静态图像呈亮黄色,岩性越纯越致密颜色越亮，会呈亮白色,动态图像呈点白色，电导率较低；煤岩：静态图像呈黄色或亮黄色，钙质胶结强烈会呈白色，泥质较高则呈黄色或棕黄色，动态图像呈棕黄色；泥岩：静态图像呈深棕色或黑色,动态图像也呈深棕色或黑色。层状结构煤层在动态成像图上一般显示为棕黄色，整体颜色较均匀，内部清晰可见暗色条带与棕黄色条带的叠层状特征，没有明显的裂隙存在；层状-块状结构煤层动态图像上显示整体以亮黄色特征为主，但暗色条带与棕黄色层段间隔增大，暗色条带数量要少于层状结构煤层，尤其是煤层中部块状结构层段厚度增大。2.2常规测井曲线响应特征我国常用的煤层气测井方法与测井技术系列及其测井响应特征如下表所示[7,10,11]。3煤层气测井评价方法3.1等温吸附分析法在等温条件下，确定压力与吸附气体定量关系的曲线称为吸附等温线。甲烷吸附等温线是煤储层评价的重要参数曲线。利用测井资料计算煤层吸附等温线的方法，很好地解决未取芯井段实验基础数据缺失的难题，节约勘探开发成本，而且能够提供任一深度的煤层参数，为煤层气资源评价提供重要的技术支持[12]。目前，拟合煤层吸附等温实验数据均采用Langmuir方程：V=VLP/(PL+P)要想得到煤层吸附等温线,只需计算出VL、PL这两个参数即可。其中V(m3/t)：压力为P时对应的理论含气量；P(Mpa)：吸附平衡时的气体压力；VL(m3)：Langmuir体积，其物理意义是，在给定温度条件下单位质量煤饱和吸附气体时所吸附的气体体积；P(Mpa)为Langmuir压力，其物理意义是煤对甲烷吸附量达到Langmuir体积一半时所对应的压力。1992年Hawkins等人利用导出Kim方程的同一组数据建立了一个Langmuir煤级等温吸附方程。在吸附平衡温度恒定的条件下，煤吸附甲烷的量与甲烷平衡压力之间满足一定的关系，称为等温吸附线(图1)，反映了不同煤层对甲烷气体的吸附(解吸)特征和能力[13-15]。图1煤层气的等温吸附线3.2新“七性”关系分析法孙建孟（2013）提出利用岩相与矿物组分特性、物性与孔隙结构特性、地化特性、含气与产气特性、地层压力与流体特性、射孔与压裂优化完井特性、测井属性等新“七性”关系对煤层气储层进行测井评价[5]。其基于岩石物理实验刻度的煤层气新“七性”关系测井评价对比表如下表所示。3.3利用测井资料计算含气量煤层气是赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体[16,17]。由于煤层气储层特性及目前测井仪器的精度限制，多数是采用数学统计的方法，在一小勘探区的同一煤层上，由于储层压力和温度等影响因素是近似相等的，若忽略煤层含气饱和度的影响，则煤层含气量与非煤物质含量(灰分加水分)呈线性关系[18,19]。可利用测井曲线资料建立测井曲线参数与灰分之间的关系，通常可利用密度曲线计算灰分产率，再由工业分析灰分与固定碳和挥发分之间的关系（图2）求取含气量[20]。图2工业分析4结论与建议国内外针对煤层气的基础研究还较薄弱，很多方面需要加强和深化。我国含煤盆地众多，构造演化历史较长，煤层气地质条件复杂。煤层气有利目标埋深介于两者之间，多为资料空白区，利用基础研究取得的区块和目标评价方法对含煤盆地开展选区评价，为煤层气勘探提供更多有利的勘探目标是今后的重要任务。煤层气的勘探开发需要特殊技术和装备，目前我国煤层气生产在这些方面技术尚不完善，需要引进和开发先进的生产工艺技术。对于煤储层测井定量解释评价而言，仍然没有形成一个系统的理论在同一个勘探区内，不应拘泥于一种理论或方法，可以尝试多种解释方法，经过实践证明适合勘探区域的方法，才能对煤储层参数做出正确评价。参考文献[1]刘贻军，娄建青.中国煤层气储层特征及开发技术探讨[J].天然气工业.2004(01):68-71.[2]秦勇，袁亮，胡千庭，等.我国煤层气勘探与开发技术现状及发展方向[J].煤炭科学技术.2012(10):1-6.[3]秦勇.国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析[J].地学前缘.2005(03):289-298.[4]孟召平，刘翠丽，纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析[J].煤炭学报.2013(05):728-736.[5]孙建孟.基于新“七性”关系的煤层气、页岩气测井评价[J].测井技术.2013(05):457-465.[6]陈晓智，汤达祯，许浩，等.低、中煤阶煤层气地质选区评价体系[J].吉林大学学报(地球科学版).2012(S2):115-120.[7]王敦则，蔚远江，覃世银，等.煤层气地球物理测井技术发展综述[J].地球学报.2003(04):385-390.[8]宋岩，张新民，柳少波.中国煤层气基础研究和勘探开发技术新进展[J].天然气工业.2005(01):1-7.[9]赵毅，毛志强，孙伟，等.煤层气储层非常规测井资料评价方法研究[J].测井技术.2011(05):441-446.[10]杨克兵，左银卿，甘健，等.测井资料在煤层气储层评价中的应用研究[J].中国煤层气.2011(02):16-19.[11]李辛子，郭全仕.煤层气地球物理技术研究综述[C].中国江西井冈山:2008.[12]李铭，楚泽涵，卢颖忠.煤层气测井评价[J].特种油气藏.2000(01):4-6.[13]王志文，潘保芝，李舟波，等.基于等温吸附线的煤层气储层的测井评价技术[J].地球物理学进展.2010(04):1352-1359.[14]张莉莉，蔡文渊，高敏，等.煤层气等温吸附分析及成像测井资料精细评价[J].中国煤层气.2009(04):38-43.[15]刘丽民，魏庆喜，徐仁桂.煤层气常规测井技术与应用[J].中国煤层气.2008(01):28-31.[16]李明宅，徐凤银.煤层气储量评价方法与计算技术[J].中国石油勘探.2008(05):37-44.[17]张松扬.煤层气地球物理测井技术现状及发展趋势[J].测井技术.2009(01):9-15.[18]曹军涛，赵军龙，王轶平，等.煤层气含量影响因素及预测方法[J].西安石油大学学报(自然科学版).2013(04):28-34.[19]杜翔.测井方法在煤层气勘查中的应用[J].中国煤田地质.2007(03):63-64.[20]张意，范晓敏，徐军.利用测井资料评价煤层气含量[J].吉林大学学报(地球科学版).2010(S1):92-93.