地球物理测井方法在煤层气储层评价中的应用
前言
煤层气储层的测井评价技术总体上可分为煤层气储层定性识别、煤层气储层定量解释和煤层气储层综合评价等3个方面。张松扬[1，2]、陈江峰[3]、HillDavidG[4]等人认为目前国内外煤层气储层常用的主要有4类评价方法，即基于常规天然气储层评价思想的定性识别方法、基于体积模型的储层解释方法、基于概率统计模型的储层评价方法和基于神经网络模型的储层评价方法。其中在利用测井资料识别煤层，国外内学者进行了大量研究工作，在确定煤层位置方面已经发展的相对比较成熟。在含气性和可采性评价方面，潘和平[5]进行了利用测井资料研究煤层含气特性的研究。在含气性和可采性评价方面，测井技术取得一定进展，但有待进一步发挥作用。利用测井进行煤的工业分析取得重要进展，在一些试验区已可以用测井计算值代替化验分析值[6，7]；在处理技术方面，应用现代非线性处理技术处于发展态势，已有一些成功的实例。侯俊胜等将现代最优化技术―遗传算法与复合型最优化法引入煤层气储层渗透性评价，进行了煤层气储层渗透性评价方法及储层综合评价方法的探索，并根据裂缝储层综合评价方法，提出了煤层气储层综合评价的若干指标和方法。吴东平[8]等人研究了利用神经网络技术在煤层技术在在煤层气测井评价中的应用，根据神经网络技术建立的计算模型，进行了煤岩组分的计算。
一、煤层气储层的测井响应特征
通常煤岩测井响应特征为低密度值、高中子值和高声波时差值。由于受煤级、灰份和水份等多种因素的影响，侧向电阻率变化较大；煤层在强还原环境下铀元素的富集，使得自然伽马的测井响应值较高，自然伽马曲线不能准确划分煤层厚度，不能明确反映煤层的灰份含量。不同的煤级测井响应不同见下表[9]。
相同煤级固定碳、灰份、挥发份、水份等含量不同，测井响应也不同。从无烟煤、低挥发物烟煤、高挥发物烟煤到褐煤，固定碳含量逐渐减少，灰份、挥发份、水份含量增加。煤级的确定是解释煤层天然气的关键，决定着煤层各参数的选取，以及煤层各组份含量的计算。因为中子、密度、双侧向电阻率曲线都能很好地反映出煤层的厚度及煤级特征，所以通常用上述曲线对煤层进行解释。
二、煤层气的主要评价参数简介
1.煤层的孔隙性[10]
煤层是一种特殊的储层，而且煤层具有双重孔隙结构，即裂隙和基质的孔洞孔隙（以微孔隙为主）。煤层在形成过程中自然形成两组相互垂直的内生裂缝（割理），一组为面割理为主要裂隙组，可以延伸很远；另一组为端割理，只发育于面割理之间。两组割理与层理面正交或陡角相交，从而把煤层分割成若干小块体（基质块体）。这些基质块体中发育了许多以微孔隙为主的孔洞孔隙，其内表面上吸附着水和气体，这些吸附气体就是煤层气（以甲烷为主）。而游离气和水溶气一般很少，可以忽略不计。因此煤层气储层的含气量只与其基质有关。
2.煤层的渗透性[11]
煤层的渗透性是制约煤层产气能力大小的关键参数，对煤层渗透起主要作用的地质因素是割理、煤体结构和有效地应力。
割理：割理是煤变质作用的产物，不同的变质阶段赋予煤不同的割理特征。辽河盆地东部煤岩岩心分析资料以及国内外资料表明，中等程度变质作用煤的割理较高，而低、高程度变质作用煤的割理较低。而割理密度越高，煤层渗透性越好，反之越差；割理壁距越大，渗透性越好，反之越差。
煤体结构：煤体结构是指煤层经过地质构造运动所形成的结构特征，适度的构造破坏增加了煤层的裂缝，有益于煤层渗透性的改善。但当构造应力把煤层破坏成非常细小的颗粒时，由于它们的充填作用，煤层的渗透性会明显变差。一般认为，煤层原生结构保存完好的煤层渗透性较好，构造煤的渗透性较差，而在构造煤中，碎裂煤的渗透性好于碎粒煤和糜棱煤。
有效地应力：有效地应力是指地应力与地层压力之差，有效地应力越高，煤层渗透性越低，反之渗透性越高。
3.煤层含气量
煤的含气量指单位煤质量（或体积）所含有煤层气的量。含气量是煤层气开发最重要的指标。它是制定煤层气计划，进行资源评价不可缺少的参数，对煤层气可采量的预测、井的结构和优化管理条件有直接影响。
三、煤层气储层的测井评价方法
1.计算煤岩组分[12]
若像常规方法那样利用测井方法计算地层的矿物成分来计算煤岩成分是行不通的。因为煤岩中的一些成分变化很大，难以确定其理论骨架参数，所以到目前为止，计算煤岩的成分还没有理论方法。不过，国内外的煤层气测井研究发现，煤岩的成分与煤层的体积密度具有较好的线性关系，可以通过大量的工业分析数据与煤的体积密度建立起线性关系，用测井的体积密度来计算煤岩的成分。测井的体积密度和煤岩的成分具有较好的线性关系。经回归得出式（1）、（2）、（3）。
体积密度Δρ与固定碳Vc的关系：
Vc=-76.3616Δρ+189.4610 （1）
体积密度Δρ与挥发分Vv的关系：
Vv=-103.0620Δρ+167.5029 （2）
体积密度Δρ与灰分Vsh的关系：
Vsh=71.9000Δρ+98.3370 （3）
水分：Vw=1-Vc-Vv-Vsh （4） 用密度测井计算煤岩成分，其回归公式都是区域性的。由于地区、煤阶及地质构造作用不同，其煤质和煤层中气体的含量也不相同。因此，回归公式应分地区回归，以减少计算误差。
2.计算煤层气孔隙度
煤层的有效孔隙度主要是指劈理孔隙度。设劈理孔隙充满水，则煤层的含水饱和度为100%，经推导可得公式：
（5）
式中：――粘土中束缚水电导率，（Ω?m）-1；――浅电阻率测井电导率，（Ω?m）-1；m――胶结指数，随岩石胶结程度而变化；――岩石连通孔隙度，%；――割理孔隙度，%。
3.计算煤层渗透率
煤层渗透率与割理发育程度有关，随开启割理数量的增加，渗透率也会增大。气流主要沿分布广泛的面割理流动[13]。
由测井资料确定了煤层孔隙度，应用高才尼方程，求取煤层渗透率[14]：
（6）
式中：K为煤层渗透率，10-3×μm2；SΦ为煤的比面积，cm2/cm3；Φ为煤层孔隙度，%；k为高才尼常数，通常为5。
对于煤层裂缝渗透率则由下式计算：
（7）
式中：Kf为煤层裂缝渗透率，μm2；Φf为裂缝孔隙度，%；w为煤层裂缝宽度，cm。
煤层的裂缝宽度与煤岩杨氏模量成反比，而杨氏模量可以利用全波列测井方法确定。
4.计算煤层气的含量[14]
假定煤层气全部来自镜质组，设全部解吸以后镜质组密度为，则它和原镜质组密度之差可反映含气量，即：
（8）
式中：C――含气量，m3/kg；――孔隙压力，MPa；――固定炭体积，m3；――挥发物体积，m3；Z――转换系数，――镜煤煤岩密度，kg/m3，――镜煤煤岩体积，m3。
四、结束语
1.煤层气储层的非均质性强、孔隙结构相对常规天然气储层更加复杂，在煤层气储层的评价过程中，针对不同的应用目的，建议采用不同的测井系列组合。因此针对煤层气储层特征，确定合适的测井系列组合至关重要。
2.体积模型及常用的孔隙度、饱和度计算方法在常规油气储层的评价中发挥了重要作用；针对煤层气储层的特殊储层特征，开发适用于煤层气储层的储评价方法，有利于更加准确确定煤层气储层有用参数。
3.新型测井技术的研发及采用，同样有利于煤层气储层的开发，如在页岩油气、致密油气储层应用广泛的元素能谱测井方法；因此加快针对非常规储层评价的新型测井技术，对于煤层气等资料的开发具有重要意义。
