煤层非均质程度测井定量评价方法_罗兵.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-09-22 作者简介 罗兵（1989），男，四川广安人，工程师，从事地球物理勘探相关工作. E-mail452109414 引用格式 罗兵，谢小国. 煤层非均质程度测井定量评价方法［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）155-159. LUO Bing，XIE Xiaoguo. Quantitative uation of reservoir heterogeneity of coal seam by using logging data［J］. Coal Geology Exploration， 2016，44（5）155-159. 文章编号 1001-1986（2016）05-0155-05 煤层非均质程度测井定量评价方法 罗 兵 1，谢小国1，2 （1. 四川省煤田地质局物探公司，四川 成都 610072； 2. 成都理工大学地球物理学院，四川 成都 610071） 摘要 针对强非均质性对煤层气开采影响大的特点，通过分析测井渗透率分布规律可定量评价煤 层的平面和纵向非均质程度。采用达西公式确定煤层基质渗透率，运用双侧向测井资料估算裂缝 渗透率，绘制煤层渗透率贡献率在序数百分数坐标下对应的累积分布曲线，定义坐标变换后累积 分布曲线的斜率为非均质程度系数。实际应用表明非均质程度系数能够反映不同煤层物性在横 向和纵向上的差异，进而可定量评价煤层的非均质性。 关 键 词煤层；非均质性；测井；定量评价；非均质程度系数；渗透率贡献率 中图分类号P631.8 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.030 Quantitative uation of reservoir heterogeneity of coal seam by using logging data LUO Bing1， XIE Xiaoguo1，2 （1. Sichuan Coal Geological Bureau， Chengdu 610072， China； 2. Geophysical Institute of Chengdu University of Technology， Chengdu 610071， China） Abstract Aiming at the big influence of heterogeneity on CBM extraction， through analyzing the permeability distribution law by using logging data， the planar and vertical heterogeneous degree of coal seam can be uated quantitatively. Darcy ula was used to determine the permeability of coal matrix， dual lateral logging data were used to estimate the permeability of fissures， the cumulative distribution curve corresponding to the contribution rate of seam permeability under the ordinal percentage coordinate was drawn， the slope of the cumulative distribu- tion curve after transation of definition coordinate is the coefficient of heyerogeneous degree. The actual ap- plication shows the coefficient of heterogeneous degree can reflect the horizontal and vertical difference of the phsical properties of coal seam， and then the hetrogeneity of seam can be uated quantitatively. Key words coal seam； heterogeneity； logging； quantitative uation； coefficient of heterogeneous degree； contribution rate of permeability 煤储层孔隙结构较为复杂，一般分为基质孔隙 和裂缝孔隙，裂缝能够改善煤层的渗透率，也会造 成煤层在空间上强烈的非均质性，这种非均质特征 会导致井网内单井产量相差很大，不利于煤层气的 开采。因此，有必要开展煤层的非均质性研究，为 煤层气的大规模开采提供依据。 目前国内对煤层的宏观非均质性研究，主要集 中在层内、层间和平面非均质性的定性表征，而定 量表征这一储层性质的变化主要是通过计算渗透率 变异系数、渗透率突进系数、渗透率级差等参数来 反映，然而这些参数在表征煤层的非均质程度上存 在一定的缺陷，即各参数的表征角度不同，不能在 统一标准下刻画非均质程度［1 8］ - ，为了解决这一问 题，本文旨在引入测井资料，通过建立合理的测井 解释模型，计算煤层孔隙度、渗透率等地质参数， 研究煤层渗透率的分布规律，通过将渗透率分布规 律的量化来定量评价煤层的非均质性。 1 地质概况 川南古叙矿区含煤地层发育在二叠系龙潭组， 其主要沉积环境为河流三角洲，整体上表现为海陆 交互沉积。研究区煤系岩性复杂，主要有中砂岩， 细砂岩，粉砂岩，泥岩，砂质泥岩，碳质泥岩，铝 土质泥岩和煤。含煤 20 余层，其中全区可采 3 层 ChaoXing 156 煤田地质与勘探 第 44 卷 （C17、C23、C25），大部可采 3 层（C13、C14、C24），局 部可采 1 层（C16）， 另有零星可采煤层 2 层（C12、 C21）。 研究区内各主要煤层内、外生裂隙均较发育， 裂隙面常被方解石膜充填。各煤层之间的煤质变 化较大，物性差异明显，主要煤层的孔隙度一般 低于 5％，试井渗透率在（0.006～0.5）10 3- m2，空 气干燥基含气量为 2.73～31.8 m3/t，研究区的煤层 气储层属超低孔、超低渗透率储层，其非均质性 较强。 古叙矿区煤层气开采前期，通过 FracproPT 三 维模型模拟，采用活性水、光套管、大排量、中- 高砂比、适当增加前置液量和用段塞式的加砂压裂 工艺对煤层进行压裂开采。 FracproPT 三维模型假 设地层是水平、均质的［9 11］ - ，但由于工区内煤层的 非均质性较强，煤层压裂后，强非均质特征会使煤 层不能形成稳定、高产的气量，因此，在实际开采 中，需要考虑煤层的非均质特征，然后制定合理的 压裂开采方案。 2 煤层非均质程度测井定量评价方法原理 目前采用渗透率表征储层非均质性的参数主 要有渗透率变异系数，渗透率突进系数和渗透率 级差，由于这些参数对于储层非均质性的表征角 度不同，其应用侧重点也不同，但对于储层宏观 非均质程度的定量刻画能力都相对较弱，存在非 均质性表征上的盲点，对于煤层这种非均质性很 强的储层，显然适用性较差。基于这种考虑，本 文提出非均质程度系数，将非均质程度系数定义 为 0，表示极端非均质煤层；非均质程度系数定义 为 1，表示完全均质煤层。实际煤层的非均质程度 系数分布在 0～1， 则可反映煤层由强非均质往完全 均质方向变化。因此，非均质程度系数可作为定 量表征煤层非均质性程度的参数，下面介绍这一 系数的求取过程。 2.1 煤层测井渗透率 煤储层的孔隙结构分为基质孔隙和裂缝孔隙， 基质孔隙控制煤层气的赋存量，裂缝孔隙是煤储层 主要的渗滤通道。川南地区煤层基质孔隙度求取煤 层基质渗透率 Kb，为 4.4 b b 2 wi 0.136 K S φ （1） 式中 φb为基质孔隙度，％，可通过三孔隙度测井资 料求取；Swi为束缚水饱和度，％。 煤层裂缝孔隙度采用深、浅双侧向测井曲线值 计算［12 14］ - ，见式（2）。 1 sd f w 11 11 mf mf RR RR φ ■■ - ■■ ■■ ■■ - ■■ ■■ （2） 式中 Rs、Rd分别为浅侧向、深侧向电阻率，Ω.m； Rmf、Rw分别为泥浆滤液电阻率和地层水电阻率， Ω.m；φf为裂缝孔隙度，％；mf 为裂缝孔隙度结构 指数，与地层因素和裂缝孔隙度有关，可利用高斯 迭代法［15］求取该系数值。 裂缝渗透率是在求取裂缝孔隙度的基础上，利 用双侧向测井曲线特征响应进行裂缝渗透率计算， 首先计算裂缝开度ε，见式（3）。 4 sdm 111 4 10 RRR ε - - （3） 式中 Rm为泥浆电阻率，Ω.m；ε为裂缝开度，cm。 利用由达西定律可得煤的裂缝渗透率为 2 ff 12 K ε φ （4） 式中 Kf为裂缝渗透率，10 3- m2。 煤层测井渗透率的准确程度，可通过与试井渗 透率进行对比来确定。从表 1 中可知，研究区主要 煤层的试井渗透率为 0.1310 3- ～0.5010 3- m2， 测井 渗透率与试井渗透率两者相差基本在一个数量级 内，表明测井解释的渗透率可用于进行煤层非均质 性程度的研究。 表 1 古叙矿区某井测井渗透率与试井渗透率对比表 Table 1 Comparison between permeability from logging and permeability from well testing 煤层 编号 埋深 /m 试井渗透率 /（10 3- m2） 测井解释渗透率 /（10 3- m2） C14 892.45～894.720.13 0.16 C17 911.39～913.690.24 0.21 C23 923.33～923.920.50 0.10 C24 929.94～931.540.29 0.12 C25 939.40～941.930.48 0.15 2.2 煤层渗透率贡献率与贡献率累积分布曲线 煤储层渗透率的贡献率是指当前深度渗透率 Ki 与煤层段渗透率总和的比值，见式（5）。以任意煤层 测井解释的渗透率数据为例，将渗透率以降序排列 后，分别计算渗透率的贡献率 Kg，及其对应的系数 百分数，然后绘出渗透率贡献率在对应系数百分数 下的累积分布曲线（图 1）。 g 1 i N i i K K K ∑ （5） ChaoXing 第 5 期 罗兵等 煤层非均质程度测井定量评价方法 157 对于完全均质性煤层，其渗透率应为图 1 坐标 系中所示的对角线 MN，而极端非均质性煤层渗透 率应为图 1 坐标系中与横轴平行，且与纵轴截距为 100 的直线 QN， 一般煤层非均质程度则是分布在两 条直线之间上凸的曲线 MPN， 当曲线 MPN 越接近 MN，表明煤层均质性较好，且当 MPN 越接近 QN， 煤层均质性较差。 图 1 完全均质性煤层渗透率累积分布曲线 Fig.1 Cumulative distribution curve of the permeability of completely homogeneous coal seam 2.3 煤储层非均质程度系数的确定 利用渗透率累积分布曲线能够定性判断煤层 的非均质性程度。如果将序数百分数和渗透率贡 献率分别取倒数，继续在直角坐标系下作图，不 同煤层的渗透率贡献率累积分布曲线则是接近于一 条直线的曲线， 采用最小二乘法对该曲线进行线性回 归，相关系数可达 0.95 以上，因此，认为经倒数坐 标变换后的累积分布曲线为一条直线（图 2）。 完全均质煤层在图中仍然对应对角线 MN，不 难看出 MN 是经过坐标（0.01，0.01），且斜率为 1 的直线； 极端非均质性煤层在图中则对应与横轴平 行的直线 MQ，同理可知，MQ 是截距为 0.01，斜 率为 0 的直线； 而任意煤层在上述坐标系中表现为 斜率在 MN 和 MQ 之间，且顶点为 M 的一条直线 MP，即是说，无论煤层的渗透率累积分布曲线以 何种形式出现， 那么它在既定的坐标系中必须是过 M 点并且斜率在 MN 和 MQ 之间的直线， 随着煤层 的非均质程度由弱变强，MP 则是沿 MN 向 MQ 方 向移动。 由于 MN 的斜率为 1，MQ 的斜率为 0，每个煤 层的非均质程度系数在图 1 的坐标系中应为 0～1， 用 Hc来表征煤层的非均质程度，显然，煤层的非均 质程度系数越大，煤储层的非均质性越弱，均质性 越好。如图 2 所示，以 C17号煤为例，用上述方法 求得直线 MP 的斜率为 0.45，即是说矿区 C17号煤 层的非均质程度系数为 0.45，表明 C17煤层属中等 非均质储层。 图 2 C17煤层非均质程度系数表征图 Fig.2 Characterization of heterogeneity coefficient 3 煤层非均质程度测井定量评价方法应用 3.1 煤层层系非均质性定量评价 如图 3 所示，古叙矿区某井钻遇了 C13、C13 1 -、 C14、C16、C17、C23、C24、C25共 8 个主要煤层，煤 层的测井曲线特征明显。 各煤层的顶底板均为泥岩、 砂质泥岩，这些顶底板地层的渗透率很低，是煤层 气成藏的良好盖层。 通过对比图 4 中每个煤层的非均质程度系数 （Hc），可以直观定量地分析煤层的非均质程度。C14煤 层的非均质程度系数为 0.307，非均质性程度较强， C24号煤层的非均质程度系数为 0.643，非均质程度较 弱，C25号煤层的非均质程度系数为 0.546，非均质程 度较弱。 3.2 煤层平面非均质性定量评价 通过分析平面内煤层测井渗透率的累积分布曲 线，可定量评价煤储层的平面非均质性。以川南古 叙矿区 C17和 C25号煤层为例， 利用这两套煤层的测 井渗透率数据，分别绘制各煤层气参数井 C17和 C25 煤层的渗透率累积分布曲线，计算每个煤层气参数 井 C17和 C25号煤层的非均质程度系数， 然后绘制非 均质程度系数的等值线图（图 5 和图 6），可以看出， C17和 C25煤层的非均质程度系数在研究区北部较 强，尤其是 C25煤层在平面上的非均质程度系数变 化较大。 其中，图中的色标轴表示非均质程度系数。 图 5 和图 6 中的等值线参数为同一煤层在不同井 内的非均质程度系数，将所有井同一套煤层的非 均质程度系数在一个平面内以等值线的形式绘 出，就可直观显示该套煤层在平面上的非均质变 化特征。 将所有煤层气参数井C17和C25号煤层的测井渗 透率放在一起做降序排列，计算渗透率贡献率，分 ChaoXing 第 5 期 罗兵等 煤层非均质程度测井定量评价方法 159 图 6 C25号煤层平面非均质系数定量表征图 Fig.6 Quantitative characterization of planar heterogeneity coefficient of coal seam C25 4 结 论 a. 通过煤层渗透率贡献率累积分布曲线可定 性判断煤层的非均质程度，利用坐标变换后的累积 分布曲线图确定非均质程度系数，该系数分布为 0～1，反映了煤层由强非均质往完全均质方向变化， 实现了定量评价煤层的非均质性。 b. 煤层渗透率贡献率累积分布曲线图，直观地 反映了不同煤层的非均质差异，即煤层的累积分布 曲线越靠近对角线，其均质性越好，而煤层的累积 分布曲线越接近平行于横轴的直线，煤层均质性越 差。渗透率贡献率累积分布曲线图能够帮助地质人 员快速直观地判断煤层的非均质性。 c. 应用非均质程度系数能够对煤层纵向和平 面非均质性开展定量评价。从纵向上来看，通过对 比非均质程度系数，判断单井上各个煤层的非均质 性差异；从横向上来看，综合非均质程度系数等值 线图和计算的平面非均质程度系数，既直观又定量 地完成了煤层平面非均质性评价。 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，2004，24（1）68 71.- LIU Yijun，LOU Jianqing. 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