周明磊1 王怀洪2 苏现为3 毕叶岚3
（1.山东煤炭地质工程勘察研究院 泰安 271000）
（2.山东科技大学地球信息科学与工程学院 青岛 266510）
（3.山东省煤田地质局数字测井站 泰安 271000）
作者简介：周明磊，男，汉族，山东即墨人，研究员，现在山东煤炭地质工程勘察研究院从事测井新技术新方法的应用研究以及资料的处理解释。信箱：[email protected]。
摘要 本文探讨利用数字测井技术解释煤层气的储层参数，估算煤层气含量，同时进行其他岩性的分析，并对煤层气井的固井质量做出评价，为煤层气勘探提供测井技术支持。
关键词 测井技术 煤层气 储层参数 体积模型
APPlications of Well Logging Technology in Surface CBM Extraction Project at Sihe Coalmine，Jincheng City
Zhou Minglei，Wang Huaihong，Su Xianwei，Bi Yelan
（1.Shandong Survey Institute of Coal Geological Engineering，Tai'an 271000；2.College of Geoinformation science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510；3.Shandong Provencial Bureau of Coal Geotogy，Tai'an 271000）
Abstract：This article introduced the use of digital logging technology in explaining the reservoir parameters，while analyzed other variable litho-logy，and assessed the cementing quality of CBM wells.It can supply logging technical support for CBM exploration.
Keywords：logging technology；CBM；reservoir parameters；volumetric model
1 概述
山西晋城煤业集团寺河矿井是“九五”时期国家重点建设项目，设计生产能力400万t/a。井田位于沁水煤田东南部，跨阳城、沁水两县，全井田面积为91.2km2，可采煤层3层即3＃、9＃、15＃煤层。其中3＃煤平均厚度为6.42m，可采储量为4.32×108t，也是本次煤层气地面预抽的目的层。
瓦斯也叫煤层气，是煤矿安全的头号杀手，也是一种清洁能源。本矿井属高瓦斯矿井，为了从根本上杜绝煤矿瓦斯事故的频繁发生，改善煤矿安全生产条件，同时还可作为一种新的能源；在地面上打井进行煤层气抽采，高瓦斯矿井就可能成为低瓦斯矿井。随着数字测井技术的快速发展，煤层气的测井仪器、有效方法及解释模型也比较成熟，已经具有能直接解释煤层气储层参数的可能性。
2 煤储层的地球物理特征
煤层气是一种以吸附状态为主，生成并储存在煤层中的非常规天然气，其成分与常规天然气基本相同（甲烷含量大于95%），可作为与常规天然气同等优质的能源和化工原料。煤层气的储层就是煤层，煤层气也就具有煤层的各种地球物理特征。煤层气储层具有双重孔隙结构，可以理想简化，如图1所示。煤基质的骨架是不同比例有机质和矿物质（一般以粘土矿物为主）组成的混合物。而煤层气储层的基质孔隙中，吸附着甲烷（CH4）以及少量的水和其他气体（CO2、N2、重烃等），几乎没有游离的水和气。煤层围岩的主要岩性是砂岩、泥岩、石灰岩等，煤层的物性特征与围岩存在较明显的差异。本区的目的层为3＃煤层，平均厚度为6.42m，含有1层夹矸，岩性为碳质泥岩，反映明显，煤层顶底板岩性均为泥岩，具有渗透性差、隔水性良好的特点，致使煤层中的煤层气难以向外逸散而得以保存富集。因此，3＃煤为煤层气提供了良好的存储条件。其地球物理特征如下。
图1 煤层割理和基质微孔隙剖面图
2.1 电阻率高且变化范围大
煤层的电阻率一般较高，除随煤化程度有较大范围变化外，通常为几十欧姆米至几千欧姆米，还与裂隙发育程度、含水性和灰分含量等因素有关。
2.2 时差大，传播速度慢
因为煤层的主要成分是有机质，并在微孔隙中吸附着甲烷气体，两者的声波传播速度均非常慢，所以煤层声波时差很大，纵波时差一般在320～450μs/m。
2.3 含氢指数（即中子孔隙度）高
煤主要由碳、氢、氧等元素组成，含氢量很高，其他岩性无一能及，所以中子测井得到的中子孔隙度值极高，一般在35%～50%之间。
2.4 自然伽马值低
通常煤层中的有机质不吸附放射性元素，只是其中构成灰分的泥质才有吸附放射性元素的能力，由于煤的灰分较低，煤层的自然伽马值远低于泥岩，一般在20～70API之间。
2.5 密度小
因为煤层中的有机质和微孔隙中吸附的甲烷气的密度很低，虽然构成灰分的矿物杂质的密度较高、但含量少，所以煤层的密度很小。烟煤约1.2～1.5g/cm3，无烟煤约1.35～1.75g/cm3，其他岩性通常为2.2～2.7g/cm3。
2.6 光电吸收指数低
岩石的光电吸收指数（Pe）按定义：
Pe=（Z/10）3.6
单位是巴/电子（b/e），式中Z为原子序数。碳元素的原子序数为6，计算得出它的Pe值是0.159，煤层以碳为主，因此煤层的Pe值很低，通常为0.9～1.2b/e之间。
3 测井仪器及施测参数
根据钻孔施工程序和测井设计的要求，本次测井所使用的仪器为渭南煤矿专用设备厂生产的TYSC-3Q型系列数字测井仪和美国Mount sprics公司生产的MT—Ⅲ系列数控测井设备。
实测参数裸眼井测井有补偿密度、中子、自然伽马、三侧向、视电阻率、自然电位、井径、井斜，套管井测井有声波幅度，以检测固井质量。
4 测井解释
4.1 测井解释模型及煤层气含量分析
本次测井资料处理、解释使用的是美国MT公司的LOGSYS测井处理系统以及中煤物探院开发的CLGIS解释处理软件，并应用了原煤炭部一类科研项目《煤层气测井技术研究》的部分成果。以密度曲线为主，辅以自然伽马、电阻率、声波时差和中子孔隙度曲线，主要进行预处理、数学计算、分层定性、交会图技术、体积模型分析和相关分析等。以SH1号钻孔解释为例，其他钻孔的解释类同。
（1）砂泥水百分含量岩石体积模型：把岩石体积分成岩石骨架、泥质、孔隙（饱和含水）三部分，作为对测井响应的贡献之和（见表1）。
密度：p=Vma·pma+Vsh·psh+φ·pw
自然伽马：I=Vma·Ima+Vsh·Ish+φ·Iw1=Vma+Vsh+φ
式中：p、I分别为岩石对密度、自然伽马的测井响应值；
pma、psh、pw分别为岩石骨架、泥质、孔隙水对密度的测井响应参数；
Ima、Ish、Iw分别为岩石骨架、泥质、孔隙水对自然伽马测井的响应参数；
Vma、Vsh、φ分别为岩石骨架、泥质、孔隙的体积含量。
表1 解释参数
（2）煤层体积模型：把煤层体积分成纯煤（包括固定碳和挥发分）、灰分（包括泥质和其他矿物）、水分（孔隙中充满水）三部分，作为对测井响应的贡献之和（见表2）。
密度：p=Vc·pc+Va·pa+Vw·pw
中子：φN=Vc·φc+Va·φa+Vw·φw1=Vc·φc+Va·φa+Vw·φw
式中：p、φN分别为煤层对密度、中子测井的响应值；
pc、pa、pw分别为纯煤、灰分、水分对密度测井的响应参数；
φc、φa、φw分别为纯煤、灰分、水分对中子测井的响应参数；
Vc、Va、Vw分别为纯煤、灰分、水分的相对体积百分含量。
然后将体积含量换算为重量含量：
中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集
由于固定碳Qg与灰分Qa相对线性相关：
Qg=m·Qa+n
利用测井连续求得灰分，利用上式可以求出固定碳。挥发分Qv由计算的纯煤减去固定碳求得：
Qv=Qc-Qg
表2 解释参数
（3）估算煤层气含量：煤层中的甲烷气体是吸附在煤基质的微孔隙的内表面上，并且只有有机质才吸附气体，而矿物质和水是不吸附气体的。煤层中的水也不含气体的（水溶气很少，可以忽略不计），在煤层的原始状态下，甲烷等游离气体也很少，同样可以忽略不计。在一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，若忽略煤层气饱和度的影响，则煤层含气量与非煤物质含量（灰分加水）呈线性相关关系。通过建立由煤心样测试的含气量与灰分的线性相关关系式，就可由测井求出的灰分连续地估算煤层气含量。
y=a·x+b
4.2 综合解释成果
（1）主要煤层测井响应平均值表，详见表3。
表3 主要煤层测井响应平均值表
（2）主要煤层工业参数计算成果表，详见表4。
表4 主要煤层工业参数计算成果表
注：煤层工业分析为重量百分含量。
（3）主要煤层及顶、底板解释分析表，详见表5。
表5 全部煤层划分数据表
（4）主要煤层及顶、底板解释分析表，详见表6。
表6 主要煤层及顶、底板解释分析表
注：依据岩层的岩性及其孔隙度的大小来评价含水性和渗透性。
用同样的方法计算了其他钻孔的煤质与含气量，详见表7。
表7 寺河煤层气项目部分钻孔煤质与含气量统计表
5 井身质量评价
5.1 井斜
根据井斜数据（表8）分析可知，钻孔倾斜从125m开始，并随着深度的增加而逐渐增大，在364m处达到最大值1°30＇；全角变化率最大值为0.81°/30m，位于孔深350m处；全井方位均在65°～162°之间变化，最大偏移距离为1.15m，闭合方位为145.73°。未见井身扭曲现象。
表8 井斜数据表
5.2 井径
全井井径变化情况详见井径数据统计表（表9）。从表中可以看出38.50～54.60m井段平均井径为233.79mm，平均扩大率为8.3%。导致井径扩大的原因是由于该井段岩石受风化的影响，地层比较松散。207.00～213.00m井段平均井径为243.73mm，扩大率为12.9%，为全孔最大。该井段以泥岩为主，质地较脆，容易形成井径扩大。
表9 井径数据表
5.3 固井质量
固井质量评价按照《石油天然气总公司技术规定》中的“水泥环质量鉴定”以及云南省恩洪煤田煤层气开发固井质量评价的相关标准进行评价。
全孔固井质量检测情况参见固井质量检测测井数据统计表（表10）。由于钻孔水位较低，声波幅度测量从143.10m处开始。从表中可见，测量井段内优良、合格率为100%。
表10 SH1号孔固井质量数据表
6 结论及建议
本次的目的层为3＃煤层，测井物性反映明显，解释精度符合要求。
目的煤层的工业分析以及其他岩层的岩性分析是依据前面所述的体积模型及测井响应值，通过交会图技术选取参数，采用最小二乘法求解所得，具有一定的参考价值。煤层含气量的估算参考了本区内其他地质钻孔的煤层化验数据，结合钻孔的测井响应值，应用灰分与含气量的线性关系求解所得，供有关方面参考。
由于煤层气测井还处于起步阶段，无论测井仪器还是方法都需要进一步完善，通过本次的煤层气测井，对以后的工作建议如下：
（1）增加双井径、双测向等参数测量。
（2）尽量实现在每种探管上增加自然伽马参数，消除由于电缆伸缩带来的深度误差。
（3）通过实验确定声波探管是否满足固井质量检测技术要求，开发新的应用程序从全波列波形图上提取声波幅度。
（4）研究磁定位测井技术。
（5）电缆深度测量精度要进一步提高，用人工进行深度刻度其测量误差必须≤0.5‰。
（6）中子刻度必须有两个点：水点和19%刻度箱。
参考文献
[1]煤层气测井方法研究编写组.2000.煤层气测井方法研报告，北京：中国煤田地质总局
[2]贺天才.2005.晋城寺河煤层气抽采实践与展望，中国煤层气，第二卷第3期16页
[3]测井学编写组.1998.测井学，北京：石油工业出版杜