从测井资料识别煤层气方法初探

从测井资料识别煤层气方法初探

刘晋

安徽省煤田地质局水文勘探队 安徽 宿州 234000

摘 要：新时期，我国对煤层本身所含煤层气越来越重视，深刻认识到合理开发与利用煤层气，不仅能够解决煤矿开采中瓦斯爆炸问题，提供洁净能源，还能在“碳中和”中大有作为。煤层气对于缓解能源供给紧张局面、改善煤矿安全生产条件及保护大气环境等都具有重要意义,因此,其探测方法的研究亦具有重要的现实意义。

1 研究的目的和意义

煤是一种固体矿产资源，形成于沉积岩系地层。煤层受地质构造，地层压力，地层温度的影响，形成的煤层气可分为游离气，溶解气和以分子状态存在的吸附气。游离气，溶解气在煤层气中的含量很小，吸附气占煤层气的主要成分，是煤层气勘探开发的主体。

煤层作为煤层气的源岩，又是煤层气的储集层。煤层气勘探测井的主要目的就是评价其储集层煤层气含量的多少。储集层的评价参数主要是：源岩煤层的工业参数，储集层的孔隙度，渗透率和气体吸附特性参数，以及煤层的埋深，厚度，温度，压力等其他参数。

2 主要研究的内容

2.1 分析煤层的成分及电性特点，总结出煤层的测井特征。

2.2 划分钻井剖面岩性，确定煤层的深度，厚度和结构。

2.3 建立煤层气的识别模型与公式，利用Forward分析数据。

2.4 进行煤质分析，确定煤层的含碳量，灰分，水分级挥发分。对储集层进行含水性，渗透性分析，计算储集层的含气量。

3 主要研成果及创新点

研究了煤层气的测井系列及其适应性。研究了运用测井资料计算煤层气工业分析参数的方法，并与分析资料进行了对比。分析煤层气的孔隙特点，建立煤层气孔隙度计算模型与公式。煤层测井特征：高电阻、高声波时差、低密度、低伽马、和其他岩石矿物有较大区别。煤的体积密度一般为1.30—1.75 ，和围岩密度（>2.3 ）具有明显的差异。

4 利用常规测井资料识别煤层和煤层气层

利用测井信息识别煤层气层，首先利用测井信息识别煤层。目前，利用测井信息识别煤层的方法主要有两种： 利用密度截止值直接划分出煤层；通过综合分析各曲线特征，然后确定煤层。第一种方法由于单纯利用密度一条曲线，有时误差较大。第二种方法由于有人为因素的影响，在层的厚度上可能有偏差。为克服两者的缺陷，在综合分析前两种方法的识别思想基础上，可以采用模式识别的方法进行煤层识别。

4.1 利用模式识别方法识别煤层

根据模式识别的基本理论，在数学上把那些没有适当数学描述的信息结构（或信号结构）称为模式。而所谓模式识别方法就是用计算机模拟人的各种识别能力。一个模式识别系统通常由两个连贯的阶段：分析阶段和实现阶段所组成，其中，实现阶段将分析阶段的结果来构成系统。待识别的模式先要经过预处理环节，从预处理的模式中挑选一批样本以进行分析，分析阶段的第一步是进行特征选择，选取对完成分类要求来说可能达到目的的特征集。特征选择环节决定了实现阶段中应该提取的特征集，于是特征提取环节按此要求对模式提取特征。在实现阶段上，设在论域u上有n个模糊子集。

,它们分别代表分析阶段所选取的n个特征集。对于u上的任一个元素，要判别属于哪一种模式可采取下面的加权平均的方法，即

（） （1）

其中,为每个模式对应的加权系数；（）为对每个模式的隶属度。通过值判断其从属模式。

利用这种方法我们可以识别煤层。把一口井的数据文件作为一个论域，其中每条测井曲线作为其子集，并把所有地层分为煤层和非煤层两种模式。因为通常识别煤层用密度、补偿中子、声波时差、自然伽马、电阻率五种曲线，所以我们把这五种曲线作为识别煤层的特征曲线，并根据其在煤层识别中所起的作用分别赋以不同的权系数，然后通过加权平均计算隶属度，从而判别是否是煤层。我们在测井曲线上识别出煤层以后，可以根据曲线确定出截止值，一般用密度曲线，给定截止值后，就可确定煤层边界，煤层厚度也就自然确定了。

另外，通过模式识别的方法确定煤层后，计算深度差，从而就确定了煤层的厚度。

4.2 三孔隙度曲线分析法

由于煤层气储层上测得的声波时差测井值偏高、密度测井值偏低与中子测井值偏高等特征，因此可以直接利用声波时差、密度测井与中子测井上述变化特征进行煤层气储层的识别。其次，可利用测井体积模型计算出声波时差孔隙度、密度测井孔隙度和中子测井孔隙度，并利用下面的方法，计算出煤层气储层孔隙度背景值，即

+（1-）或 （2）

其中为声波时差孔隙度，分别为煤层和流体的声波时差。

=+（1-）或 （3）

其中为密度测井孔隙度，

和分别为煤层和流体的密度测井值。

=+（1-或 （4）

其中为中子测井孔隙度，分别为煤层和流体的中子测井值。

=A-B+C （5）

其中为煤层气储层孔隙度背景值。所谓煤层气储层孔隙度背景值，就是假设在煤系地层中，在某一地层压力、温度作用下，煤层中无孔隙和无自由水，在这种条件下测得的声波时差测井、密度测井与中子测井孔隙度值就称为在这种条件下的煤层气储层孔隙度背景值。由于煤系地层的埋藏深度不同，地层压力、温度也就不同，其孔隙度背景值也就不同，在实际情况下，是很难直接测量到煤层气储层孔隙度背景值，一般来说是利用经验公式或统计分析确定。A,B,C为系数项，可根据煤层气储层的埋藏深度和煤级确定，其范围在1.0～1.5的范围为裂缝孔隙度，可根据阿桂乐（R.Aguilera）等人提出的方法确定。

因此，通过对比声波时差测井孔隙度值、密度测井孔隙度值和中子测井孔隙度值和煤层气储层孔隙度背景值即可识别煤层气储层，若声波时差测井孔隙度值、密度测井孔隙度值和中子测井孔隙度值大于煤层气储层孔隙度背景值，该层即为煤层气储层，否则即为非煤层气储层；或者将声波时差测井孔隙度值、密度测井孔隙度值和中子测井孔隙度值和煤层气储层孔隙度背景值进行交会，综合分析，进而确定煤层气储层。

4.3 空间模量差比法

空间模量差比定义为

==1- （6）

其中式中是目的层为非煤层气储层岩石的空间模量,是目的层为煤层气储层岩石的空间模量。

根据弹性力学理论，纵波在岩石中的传播速度与岩石的空间模量之间的关系为

（ 7）

其中v为纵波在岩石中的传播速度，M为空间模量,为密度测井值。

已知声波纵波时差等于纵波在岩石中的传播速度v的导数，即

（8）

经整理可得岩石的空间模量M和密度测井值、声波纵波时差的关系式为

M= （9）

可得利用密度测井值、声波纵波时差确定空间模量差比的计算公式为

= (10)

其中分别为目的层非煤层气储层岩石的密度测井值和声波纵波时差， 分别为目的层煤层气储层岩石的密度测井值和声波纵波时差。

根据式可知，当，指示目的层为煤层气储层：当，指示目的层为非煤层气储层。

4.4 电阻率比值法

根据电阻率测井理论，地层电阻率比值I等于测量的原状地层电阻率与计算的水层电阻率之比，即

I= (11)

而地层临界电阻率比值而地层临界电阻率比值等于计算的煤层气储层临界电阻率与计算的水层电阻率之比，即

(12)

根据煤层气储层上的电阻率一般表现为高阻特征，因此可利用I和直观指示煤层气储层，当时I，指示目的层为煤层气储层；当I时，指示目的层为非煤层气储层。

5 结论

5.1 煤层具有“四高（大），四低（小）”的电性特征，并因煤的变质程度不同，测井响应值亦有所不同。

5.2煤层的储层具有双重孔隙介质特征，孔隙系统复杂，孔隙度计算难度大且存在较大误差。

5.3煤层煤质参数通常有测井体积模型法及概率模型法来确定。但前者误差大；后者存在地区限制。

参考文献

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