測井：煤層氣勘探開發(fā)中的“慧眼”

煤層氣的勘探開發(fā)主要包括地質(zhì)勘探、物探、鉆井、錄井、測井、固井、完井、射孔、排采、地面集輸?shù)拳h(huán)節(jié)，通過各個環(huán)節(jié)的緊密銜接及配合實現(xiàn)煤層氣從地下的勘查發(fā)現(xiàn)到地面產(chǎn)出的過程。其中，測井也叫地球物理測井，是發(fā)現(xiàn)煤層及煤層氣資源的必要手段之一，常被喻為地質(zhì)家的“眼睛”，地質(zhì)家就是通過這雙“慧眼”來獲取煤層氣藏的各項巖石物理參數(shù)，進而明確煤層的特點及情況，從而為找到煤層氣生成及聚集的有利區(qū)帶及分布規(guī)律提供技術(shù)支撐，以達到查明煤層氣藏的目的。

煤層氣儲層特征

煤層是植物的遺骸經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)及地質(zhì)作用形成的固態(tài)的可燃礦產(chǎn)。我國地質(zhì)特征多樣，煤儲層與煤層氣成藏環(huán)境也各有不同，厚度變化從不到1米的薄煤層到最大達130米的特厚煤層，總體具有埋深淺、硬度小、易于壓裂開采的特點。煤儲層通常具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征（基質(zhì)孔、微孔及割理、微裂縫組成的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)）（圖1），其易碎、低孔低滲透、非均質(zhì)性強、易擴徑的特點使得測井對煤層含氣的響應(yīng)特征不明顯，給測井解釋與評價帶來較大的困難與挑戰(zhàn)。

相比其他油氣類型，煤層氣有其特殊性，它是煤的伴生產(chǎn)物，賦存于煤層的孔隙中。賦存狀態(tài)與頁巖氣類似，具有自生自儲的特點，具體以煤基質(zhì)顆粒表面的吸附態(tài)、煤層割離及孔隙中的游離態(tài)、水中的溶解態(tài)（含量很少）三種烴類氣體形式存在，這三種不同賦存狀態(tài)的氣體共同處于動態(tài)平衡中。煤層氣的產(chǎn)出是一個解吸、擴散及滲流的動態(tài)平衡過程，當(dāng)煤層中的流體壓力降低時，煤基質(zhì)顆粒表面的吸附態(tài)煤層氣通過解吸作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)煤層氣，游離態(tài)煤層氣通過煤基質(zhì)的擴散或滲流進入地層的裂縫中，最后裂縫中的游離態(tài)煤層氣通過滲流到達井筒而產(chǎn)出。煤層氣含氣量的多少主要受地質(zhì)構(gòu)造、煤化程度、煤層賦存條件、頂?shù)装鍑鷰r特性等影響。而測井就是運用地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、數(shù)學(xué)、人工智能及大數(shù)據(jù)等“十八般武藝”，對煤層從微觀納米孔隙結(jié)構(gòu)到宏觀微孔結(jié)構(gòu)進行精細刻畫，以此對煤層氣進行“把脈”及“診斷”。

“慧眼”的來歷及發(fā)展

測井是基于聲、電、核、磁場等物理過程研究開發(fā)出高精尖的儀器，將這些儀器放入幾百米乃至幾千米深的地下，通過測量獲得反映巖層以及巖層中流體的各種參數(shù)信號，解釋評價人員用這些參數(shù)信號揭秘地下煤層氣寶藏，實現(xiàn)找煤找氣的精準(zhǔn)定位，這就是測井被喻為“慧眼”的由來。

從20世紀20年代起，測井的發(fā)展大致經(jīng)歷了模擬測井、數(shù)字測井、數(shù)控測井、成像測井四個階段。模擬測井階段數(shù)據(jù)采集方法單一，采用模擬記錄的方式，將數(shù)據(jù)手工繪制在圖紙上，主要作用是定性識別油氣層。數(shù)字測井階段采用數(shù)字記錄并用計算機處理得到的數(shù)據(jù)，測井方法和采集項目開始配套完善，測井解釋與評價方法得到較大發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)油氣的定量評價與綜合分析，在復(fù)雜的火成巖、潛山等油氣藏的儲層評價中發(fā)揮作用，并且測井技術(shù)開始向地質(zhì)和油藏等領(lǐng)域發(fā)展。數(shù)控測井階段測井儀器和采集項目配套日趨成熟，數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)飛躍發(fā)展，多種配套測井?dāng)?shù)據(jù)滿足裂縫性儲層、薄互層等復(fù)雜巖性的要求，這得益于快速發(fā)展的計算機和微電子技術(shù)。成像測井階段也就是現(xiàn)在所處的階段，其突出的特征是成像采集實現(xiàn)了對地層的全方位測量，數(shù)據(jù)采集能力呈級數(shù)提高，數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)了井周三維成像，相比以往更加準(zhǔn)確和直觀，最新一代的測井裝備處處體現(xiàn)著現(xiàn)代科技的高、精、尖，在2021年國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展，與時速600千米的高速磁懸浮列車并排擺在一起展出?，F(xiàn)代測井解釋與評價方法打破了“一孔之見”，不斷向地質(zhì)構(gòu)造、測試、壓裂改造、工程評價等領(lǐng)域延伸，對現(xiàn)在更復(fù)雜、更隱蔽的油氣藏勘探開發(fā)起到重要作用。

對于現(xiàn)在勘探開發(fā)的煤層氣直井來說，使用的測井采集及方法主要是借鑒油氣的測井技術(shù)，在數(shù)十年的發(fā)展應(yīng)用中形成了電法測井、聲波測井和放射性測井等一系列煤層氣測井技術(shù)及方法，為找煤找氣提供一雙明亮的“慧眼”。

“慧眼”的作用

利用常規(guī)測井中的自然伽馬、自然電位、聲波、密度、中子、側(cè)向或感應(yīng)電阻率可以確定煤層氣儲層的測井響應(yīng)特征，概括為“兩低三高”：低密度、低自然伽馬、高中子、高聲波時差、高電阻率。通過測井攻關(guān)研究，已基本形成目前煤層氣的測井解釋方法及流程，創(chuàng)新提出“煤層氣系統(tǒng)”的概念，將煤層和頂?shù)装寮吧舷虏康貙幼鳛橐粋€整體進行系統(tǒng)研究，針對中淺層煤層氣攻關(guān)形成了“煤層氣系統(tǒng)測井綜合評價技術(shù)體系”，包含5類16項特色煤層氣測井評價技術(shù)，目的是解決煤層氣“儲集性、含氣性、含水性、可壓性”的四性評價難題。

在實際的評價應(yīng)用中，針對不同的地質(zhì)條件、不同階段的勘探開發(fā)目的，需要結(jié)合不同類型的測井技術(shù)，以獲得更準(zhǔn)確更多的測井儲層參數(shù)，實現(xiàn)測井準(zhǔn)確評價煤層氣的目的。例如煤層氣儲層測井評價的基礎(chǔ)是巖石物理體積模型，由于煤層氣儲層與油氣儲層組分的差異，借鑒煤炭地質(zhì)學(xué)構(gòu)建考慮有機組分的煤層巖石物理體積模型，將煤層工業(yè)組分劃分為固定碳、揮發(fā)分、灰分、水分，針對不同的煤層工業(yè)組分，通過測井中的伽馬、密度、聲波等信息分別建立各組分的測井解釋模型，實現(xiàn)煤層組分的定量計算。需要注意的是，由于煤層氣儲層的特征屬性受多種因素疊加影響，導(dǎo)致測井信息的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性規(guī)律，常規(guī)油氣的解釋評價方法在煤層氣儲層不再適用。

在煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，新一代測井儀器及評價方法也有了較大發(fā)展。利用電成像測井可以清晰地反映井周特征，準(zhǔn)確劃分煤層夾矸，分析評價煤層的頂?shù)装寮傲芽p發(fā)育情況，實現(xiàn)對煤體結(jié)構(gòu)的定量識別。利用核磁測井可以準(zhǔn)確計算煤層孔隙度，分析流體組分及其多尺度的孔隙結(jié)構(gòu)特征。利用陣列聲波測井可以識別煤層，開展煤層的巖石力學(xué)特性、聲學(xué)各向異性等評價，還可以為壓裂施工設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。這些測井新技術(shù)憑借其特有的優(yōu)勢實現(xiàn)了煤層的測井精細評價，彌補了常規(guī)測井技術(shù)的不足。

隨著油氣工業(yè)技術(shù)的飛快發(fā)展，煤層氣的勘探開發(fā)不斷提速，測井技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用也有其局限性。在煤層氣鉆井和地面信息采集中，煤層的易碎屬性導(dǎo)致井眼崩落、垮塌，進而造成測井采集信號的失真，使得測井曲線數(shù)值并不能真實反映煤層的實際情況，如井徑的擴徑使得常規(guī)測井的密度、中子曲線出現(xiàn)異常減小和增大，核磁成像測井?dāng)?shù)據(jù)受到井眼鉆井液的影響，測得的數(shù)據(jù)失真，情況嚴重時甚至無法完成測井采集。在測井儀器的縱向分辨率方面，常規(guī)測井中的伽馬和密度縱向分辨率較低，針對較薄的煤層不足以準(zhǔn)確劃分其厚度，并識別出其中的夾肝。在含氣量的計算中，常規(guī)油氣中利用電阻率計算飽和度的經(jīng)典阿爾奇公式，因為煤層中不同煤階的復(fù)雜電性差異無法使用。在煤層這樣的軟地層中，陣列聲波中的橫波和斯通利波幅度衰減很快，如何準(zhǔn)確有效地提取出波列信息是擺在研究人員面前的現(xiàn)實問題。

現(xiàn)階段，煤層氣的測井評價技術(shù)和方法還不能完全滿足現(xiàn)代煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展及深層煤巖勘探開發(fā)的技術(shù)需求。隨著煤層氣的深入發(fā)展，勘探開發(fā)朝著深層煤巖氣進軍，人們不僅需要知道煤層的孔隙度、滲透率、含氣性、頂?shù)装?、裂縫發(fā)育等情況，而且需要進一步了解煤層井間的發(fā)育情況，以解決煤層氣現(xiàn)場產(chǎn)水、含氣量不明、甜點不清及有利區(qū)未知等問題，針對這些局限性和評價難題，測井技術(shù)還有待進一步研究及發(fā)展。

作者：曾靜波 張鳳生 何羽飛 常進宇（中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研究院）