《煤层气开发概论》研究问题

2012—2013学年第2学期《煤层气开发概论》专业班级姓名学号开课系室结课日期分类作业成绩（30%）论文成绩（70%）总分得分阅卷人研究生课程《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第1页共11页煤层气储层物性的定量评价由于煤层气工业的发展，煤层气资源的勘探开发已经引起国内外的广泛重视，并且相继开展了有关的勘探开发研究工作。我国目前已把煤层气资源勘探开发作为能源发展的战略重点之一，并且，地矿、煤炭和石油三系统将联合开发煤层气资源，这预示着煤层气的勘探开发将进入一个新的发展时期。理论研究和实际应用表明，地球物理测井技术具有方法种类多和较高的分辨率等特点，因此，它在煤层气资源的勘探开发中发挥重要作用。在课堂上，通过老师的讲解使我们对煤层气测井的方法及技术序列、煤层气储层的测井响应和煤层气测井评价等方面都有了一个比较全面的认识，在此就不再赘述了。下面煤层气储层物性的定量评价这一问题进行深入文献调研之后，而做出的研究分析报告。一、煤层气储层物性评价概述煤层孔隙度、煤层渗透率和煤层含气量是煤层气储层物性评价中三个重要的参数[1]，它们既是煤层气勘探开发阶段优选有利储层的主要依据，又是开发阶段实施方案的主要参考指标，因此对于煤层气储层勘探开发具有很重要的意义[2]。煤层气含气量的评价在教材上已经给出了十分详细的计算方法，这里就不再重复讨论，本文重点介绍煤层孔隙度和煤层渗透率这两个方面的评价。煤储层的孔隙主要分为基质孔隙和裂缝孔隙，而裂缝又可分为裂隙和割理（见图1）：裂隙一般是由于外力作用形成的，角度比较大，延展比较长（穿过小分层的层面）；割理一般是在煤层形成过程中层内收缩的内聚力形成的，一般也不会穿层延展，割理又可分为面隔离和端割理，面隔离平行于层面，端割理垂直于层面，从剖面上看，两种割理发育的部分就好像砌砖的城墙，把煤层分成一个个的砖块，而煤层就好像是砖块砌成的城墙，砖块的密集程度也显示着割理发育的程度[3],如图2所示。从图1和图2也可以看出：在煤岩中，基质孔隙占整个孔隙空间的比例极小，而且基质孔隙中一般不含有可动水（除可作为流体流动通道的相互连通的大孔《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第2页共11页外），割理中则在原始状态下含有100%的可动水，因此，在研究煤层储层物性时，主要就是研究裂缝孔隙度和裂缝渗透率，忽略基质孔隙的影响。图1煤层孔裂隙和矿物的三维表面（a）和立体（b）模型图2实际煤岩图片二、裂缝孔隙度的定量计算为了利用地球物理测井信息计算煤质成分，必须建立计算每种成分的测井解释模型。根据地球物理测井体积模型的基本思想，为了建立煤层体积模型，就必《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第3页共11页须将复杂的煤储层的组成成分予以简化，认为它是几种主要的物性差异较大的均匀成分组成，并按各部分的相对体积大小组成模型。图3煤岩的体积模型在建立体积模型时，总是沿着井轴方向截取一个边长为L=1，体积为V=1的单位岩石立方体作等效分析。对于煤层来说，其组成成分是复杂的，如果忽略相对体积小于1%的成分（如二氧化矽、硝酸盐、菱铁矿、硫以及一些稀散元素等），那么把煤层简略地看成是由碳、灰和水三部分所组成。灰分包括泥质和矿物杂质，碳包括固定碳和挥发分，水分包括内在水和外在水分，这样就得到如图3所示的煤岩体积模型。由煤层体积模型（见图3），煤层可近似看作由碳、灰和孔隙三部分组成，其中孔隙可以分为基质孔隙和裂缝孔隙，则有煤层双孔隙体积模型。图中vc、va分别为碳、灰的相对体积；vb、vf分别为基质和裂缝孔隙度。对于电阻率测井，我们可以把所测的电阻率看成是由碳、灰、基质孔隙和裂缝孔隙四部分电阻率并联的结果，可写为：ffbbaaccRvRvRvRvR1（1）式中R——煤层电阻率测量值；Rc——碳的电阻率值；Ra——灰的电阻率值；Rb——基质孔隙的电阻率值；Rf——裂缝孔隙的电阻率值。《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第4页共11页若采用双侧向测井资料，可以得到以下两个式子：ffbbaaccRvRvRvRvR1t（2）ffbbaaccRvRvRvRvR1s（3）其中Rt，Rs分别为深、浅侧向电阻率值。由于煤在原生状态下，一般含气饱和度较低，而且大部分处于吸附状态，因此我们认为孔隙中较大程度被水充填，并假设其含水饱和度约为100%，这样对于裂缝孔隙度的电阻率，由于深侧向探测的主要是地层的电阻率，所以认为其裂缝电阻率等效于地层水电阻率，而浅侧向探测主要的是侵入带的电阻率，由于裂缝中几乎被泥浆滤液充满，因此认为其裂缝电阻率应等效于泥浆滤液的电阻率，而基质孔隙，由于其中一般不含可动水，因此认为其不受泥浆侵入的影响，又根据阿尔奇公式，上面两式又可变换为如下形式：wbwmffaaccRvRRvRvtR1（4）wbmfmffaaccRvRRvRvsR1（5）式中f为裂缝孔隙度；cv、av、bv为碳、灰和基质孔隙的相对体积；mf为裂缝孔隙的胶结指数。将上面两式相减得：mfmffwmffsRRR1R1t（6）整理得：mfmfwatmfmfwstfCCCCRRRR/11)()1111(（7）其中，Ct，Cs分别为深、浅侧向电导率，Cw、Cmf分别为地层水和泥浆滤液的电导率。当地层水电阻率与泥浆滤液电阻率相比较大（盐水泥浆）时，式（7）又可《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第5页共11页以写为：mftsmfRRR/1f)]11([（8）当地层水电阻率远小于泥浆绿叶电阻率时，式（7）又可以写成：mfstwRRR/1f)]11([（9）这样，利用式7、式8和式9即可求裂缝孔隙度f。三、煤层气储层渗透性定量评价煤层气储层的渗透性是煤储层的重要性质之一，它是勘探开发工作过程中进行评价储层产气能力和编制煤层气田开发方案等方面的重要信息，因此，关于煤层气储层渗透性评价问题引起了国内外的广泛关注，并且开展了许多研究工作。我们知道，煤层气储层是具有基质孔隙和裂缝孔隙的双重孔隙结构的非常规储层，它的渗透性主要由裂隙（割理或裂缝）发育程度决定，因此，煤层气储层渗透性评价的核心应是确定储层岩石的渗透率和裂隙分布。煤层基质孔隙主要储集煤层气，煤层割理作为煤层气的流动通道。因此，研究煤层渗透率主要是指裂缝渗透率。利用双侧向电阻率计算煤层渗透率主要采用两种方法：一种是利用伐富瑞（Faivre）和斯比特（Sibbit）两位学者研究方法（这里简称F-S计算方法）；二是利用达西定律推导的渗透率公式。1．F-S计算方法煤层裂缝是由层面裂缝与层间裂缝组成，而层间裂缝渗透率评价方法已经由伐富瑞和斯比特等学者作了深入的研究，提出了计算煤层气储层裂缝渗透率的具体计算方法，即mfffhch61033.8k（10）式（10）即称为F-S计算公式。其中，fk为储层裂缝渗透率；fc为比例因子，可以根据各地区统计数据求得，《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第6页共11页或由地区经验求得，也可由实验测得；mff4h；ffmhh；mf为泥浆水电导率。LLDLLSLLDLLSr1r1；fmwmfLLDLLS1f；fh为横井眼的垂直裂缝宽度；LLS和LLD为浅侧向和深侧向电导率；LLSr和LLDr为浅侧向和深侧向电阻率；f为储层裂缝孔隙度；fm为储层裂缝孔隙度指数。已知估算裂缝空间由式ffmh/h计算，则式（10）可变换为fffc61033.8k（11）例如，在辽河油田东部凹陷地区，通过分析煤心实验数据取610338.0cf，则裂缝渗透率计算公式为ffk33.8338.0上式称为经验公式。2．基于达西定律的渗透率计算方法一般认为气-水在煤层裂缝中的流动为层状流动，满足达西定律。由达西定律知，煤岩流量的计算公式是LppkA)(q21（12）式中K——煤岩渗透率，2m；q——流量，scm/3；μ——流体的粘度，Pa.s；L——煤岩的长度，cm；A——煤岩的截面积，cm2;p1,p2——流体进口与出口处的压力，Pa。设煤岩有一条裂缝宽度为b，长度为L，高度为h的水平裂缝，裂缝中的流体在压力差（p1-p2）驱动下流动。对于裂缝中截面积等于h*b的地方，压力差（p1-p2）作用在该截面的驱动力为：《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第7页共11页hbp*211pF）（（13）流体在裂缝中流动的同时，还受到裂缝壁对流体的粘性力，流体受到的粘性力可以由下式表示：*2dbdvAF（14）式中F2——粘性力，N；A——粘性力作用的截面积A=hL，cm2；v——裂缝中流体的流速，cm/s。如果假设煤岩中流体以匀速流动，那么它所受的驱动力（F1）与粘性力（F2）相加必然等于零，即：F1+F2=0，则有0)(h*21*hbppdbdvL（15）把上式中国、的第一项移到右边，两边同时乘以*db，并对两边同时积分得dvLdbbpp**21)(（16）cLvbpp2)(2*21（17）在裂缝的两边，流体的流速v=0,此时2*bb则可以确定积分常数c，有82)2(221221bppbppc（18）将c代入上面的积分式，可以解出裂缝中流体的流速)28)((v2*221bbLpp（19）由于流过单元截面积dAf的流量dq等于vdAf，其中dAf=hdb*,则有裂缝的流体流量22*2*22122*)28()(qbbbbhdbbbLppvhdb（20）积分后可得Lpphbq12)(213或LppAbqf12)(212（21）《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第8页共11页式中，Af为裂缝的截面积（Af=bh）,单位cm2。由达西定理，流量q的表达式还可以写为LppAkqf)(21（22）式中，kf——为煤层岩石裂缝渗透率；A——为煤岩岩样截面面积，与裂缝截面积Af之间关系：ffAA。由上面两式可以解出煤岩的裂缝渗透率计算公式为12k2bff（23）上式称为达西公式。由此可见，只要已知煤岩的裂缝宽度和裂缝孔隙度，既可以求出煤岩裂缝渗透率。由前面的讨论可以知道：裂缝孔隙度f可以通过双侧向测井资料计算得到。而通过文献的调研发现：裂缝宽度b也是可以通过双侧向测井资料计算得到的，具体计算公式如下[4]：]d1)(1[bR1R12W1LLDLLSmfwmfwmfmfrRrdR）（）（—（24）式中RLLS、RLLD——分别为浅、深侧向电阻率，Ω．ｍ；b——裂缝宽度，μm；Rmf——泥浆滤液电阻率，Ω．ｍ；Rw——地层水电阻率，Ω．ｍ；rw、d1、d2——双侧向测井的仪器常数，一般分别为：0.101m、0.32m和2.75m。3．误差分析为了验证F-S这种经验方法和基于达西定律的计算方法的正确性，利用这两种方法对欧24井钻遇不同深度渗透率进行了计算，结果如表1所示[1]。《煤层气开发概论》调研报告作者：邱浩（油气井工程12-2班）第9页共11页表1欧24井煤岩裂缝渗透率计算结果对比表井深/mF-S方法计算结果/.达西基于达西定律方法计算结果/达西2230.00.2740.2812230.6250.1920.1652231.2500.0460.0222231.8750.0920.0182232.500.2200.2492233.7500.1060.128从上表可以发现，两种结果在某些深度点基本相符，误差在工程允许范围之内，但是在有些深度点处却也存在较大误差，下面就误差出现的原因作进一步的分析。1)F-S计算方法本身是两位学者通过大量的实验数据统计得到的一个经验性的计算公式，公式本身与煤岩层区域是一一对应的。2）F-S计算公式中比例系数Ct的取值有两种方法：一是通过经验选取适合区域地层的比例系数；