煤層氣地球物理測井研究現狀及前景展望

1 研究現狀

煤層氣地球物理測井在生產實踐中被廣泛應用于煤層的識別，采集煤儲層數據，計算工業組分及計算含氣量等。美國、加拿大等是較早開發利用煤層氣的國家，在煤層氣地球物理測井研究、應用方面取得了諸多成果，而我國煤層氣起步雖然較晚，在近年來同樣也取得了一定的成果。

1.1 煤層氣儲層測井響應特征

與常規儲層相比，煤儲層具有其特有的測井響應特征，國內外諸多學者研究總結為“三高三低”的特征（見圖1），即聲波時差高、中子測井高、電阻率高、密度低、自然伽馬低、自然電位低。又有人總結為“四高四低”，添加了井徑高和光電吸收截面指數低。

1993年，P.L.Scholes從煤巖的礦物組成及其結構特點論述了煤巖常規測井響應機理。2003年，王敦則等詳細描述了各種測井方法的響應特征、主要用途及優缺點。2010年，楊東根通過分析煤巖黏土礦物中放射性元素含量，論述了自然伽馬與灰分含量的正相關關系。2011年，姚軍朋等敘述了構造煤的電法測井、聲波測井及放射性測井的測井響應特征。2013年，邵先杰等通過對韓城礦區12口井90個煤樣的統計，研究了補償聲波時差與灰分含量、固定碳含量的響應關系，補償密度測井與灰分含量、固定碳含量的響應關系。謝學恒等針對沁南地區山西組3#，15#煤層，制定了測井響應對煤體結構的識別表。金澤亮等論述了常用測井方法的響應特征及其響應機理。2014年，郭濤等分析了硬煤與軟煤的測井響應差異。

1.2 煤層識別與劃分

1983年，H. H. Rieke等應用碳氧比測井識別煤巖并用于勘探。1996年，侯俊勝等提出利用自組織神經網絡，結合煤田測井數據用于煤層的自動分類。1991年，D. J. Johnston等利用地球化學測井，根據煤巖元素的變化確定煤級，并建立了不同煤巖類型的測井識別表。2003年，傅雪海等在兩淮煤田利用測井曲線劃分煤體結構的基礎上，應用聚類分析法將煤體結構劃分為原生結構—碎裂煤、碎斑煤、糜棱煤3種類型。

2005年，湯友誼等針對構造軟煤分層計算機識別的特殊性，應用斜率方差分層、概率計算識別的方法，實現了利用鉆孔測井曲線對構造軟煤的計算機“自動”識別。Y. Yang等發現井眼擴徑較為嚴重時，利用密度測井確定煤層，值往往偏大，可結合電阻率測井、伽馬測井進行煤層的劃分。2008年，烏洪翠等根據勝利油田深部煤層的測井響應特征，利用中子密度交會法實現了對煤系的自動劃分。2011年，姚軍朋等闡述了構造煤的巖石物理與測井響應特征，并在此基礎上，利用測井資料，通過Archie公式求取孔隙結構指數m進行構造煤的定量識別。

2013年，邵先杰等根據韓城礦區巖電關系，確定了不同煤巖類型電性參數分布區間并建立了解釋圖版。謝學恒等根據沁水地區碎粒煤與糜棱煤的不同測井響應特征，得出煤體結構的定量判別表，統計發現了補償密度、井徑、補償聲波與煤體結構指數n的關系式，并將其作為煤體結構的判識指標。2014年，陳躍等應用韓城礦區煤樣，結合深側向電阻率測井、井徑測井及自然伽馬測井曲線在塊煤、塊粉煤、粉煤中不同的形態特征，提出了利用測井曲線組合識別煤體結構的方法。劉鵬等應用多極子陣列聲波測井技術用于煤層的識別與煤層厚度的計算。馮雷等應用多極子陣列聲波測井得到的縱波時差、橫波時差、體積模型和泊松比等地層參數，制定縱橫波比值和縱波時差交會圖、泊松比和體積模量交會圖識別煤層氣層。郭濤等運用延川南煤氣田40多口取心井的煤心觀察和測井資料，建立補償中子與井徑的交會圖、補償中子與聲波時差的交會圖，用于識別硬煤與軟煤。

1.3 煤質分析

煤巖的工業組分包括固定碳、灰分、水分及揮發分，通常由實驗室測試獲得。在生產實踐中，測井技術廣泛應用于工業組分分析與煤質評價。1989年，哈里伯頓公司的M. J. Mullen在對圣胡安盆地東北部的煤巖工業組分分析時，建立了體積密度與灰分的解釋模型，并回歸了灰分與固定碳、水分的解釋模型。

1991年，U. Ahmed提出將地球化學測井用于煤質評價，進一步提高了測井解釋煤質組分的精度。2003年，葛祥等建立了深側向電阻率與微球電阻率比值、井徑與鉆頭直徑比值2個指標，用于識別煤質結構，并利用多元回歸概率模型建立了煤巖鏡質反射率的測井計算模式。2005年，潘和平對華北地區煤層氣井建立了煤質參數的解釋模型，并將其應用于該地區7口煤層氣井，效果較好。

2011年，趙毅等確定了自然伽馬求取煤巖工業組分參數定量評價的方法，并利用改進后的蘭氏方程計算煤層含氣量。2011年，毛志強等綜合鄂爾多斯、準噶爾、松遼和沁水4個盆地6個井區的煤層氣測井資料，建立了厚煤層煤階類型識別圖版。2013年，金澤亮等根據沁水盆地柿莊區塊的大量測井及巖心分析資料，基于體積模型和概率統計模型，確定煤巖各工業組分含量。邵先杰等通過對韓城礦區參數煤樣的統計，回歸了補償密度、聲波時差測井與灰分和固定碳的關系，在此基礎上，通過多元回歸建立了灰分和固定碳的測井解釋模型，并編制了煤層氣綜合測井解釋軟件，實際應用效果良好。2014年，黃兆輝提出：計算工業組分時，在樣品數據充足的情況下，優選基于統計模型的一元或多元回歸分析法能較為合理地反映測井數據與煤巖工業分析數據的關系，對于小樣品數據，以測井數據為輸入數據，采用BP神經網絡算法模型預測未知煤巖工業組分；在缺少實驗室工業分析數據時，采用基于體積模型的約束最優化算法預測煤巖工業組分。

1.4 煤儲層孔、滲評價

煤儲層裂隙發育狀況對儲層產能及開發具有重要意義，將測井技術用于煤儲層裂隙評價，可以幫助預測其是否為有效儲集層。1975年，W. H. Somerton等開展了應力對煤巖滲透率的影響研究實驗。

1985年，A. M. Sibbit等提出，在裂縫性地層中利用雙側向測井計算裂縫的張開度。1991年，D. Hoyer證明了應用雙側向測井來分析煤層裂縫孔隙度的有效性。1994年，R. Aguilera考慮到煤巖多為垂向裂縫的特點，基于“火柴棍”模型，提出了一種利用雙側向電阻率測井計算煤巖裂縫孔隙度的迭代方法，并將裂縫評價過程進行了詳細介紹。2002年，黃烈林等在簡化測井解釋模型的基礎上，推導了利用雙側向測井資料確定裂縫等效寬度的公式，并對公式的使用條件與意義進行了探討。

2011年，董維武選用雙側向測井，利用迭代法計算煤層裂縫孔隙度，并結合裂縫寬度評價煤層滲透率。J. Li等根據流體與煤巖密度的不同，利用密度測井資料應用公式求取煤儲層有效孔隙度。2013年，王文學等應用微電阻率掃描成像測井技術，在山西沁水地區對裂縫角度、傾向進行了詳細描述。2014年，劉鵬等以Biot-Rosenbaum簡化理論模型為基礎，利用斯通利波數據提取煤儲層滲透率。馮雷等多極子陣列聲波測井對煤儲層裂縫發育情況進行了識別。

1.5 煤層氣含量評價

煤層含氣量反映了煤儲層的含氣性，它決定著儲層的產能，也是評價其開發潛力的重要參數。1992年，J. M. Hawkins等利用Kim方程原始等溫吸附數據，應用測井數據結合蘭格繆爾方程評估煤層含氣量。1996年，潘和平等依據密度測井資料估算煤層含氣量，建立了華北地區煤層含氣量方程。

2003年，陳宏亮等分析了回歸法和中子、密度測井計算法2種煤層含氣量計算方法，認為回歸法中密度測井參數與含氣量的相關性最好，而中子、密度測井計算法理論可行，可操作性差，現實意義不大。2008年，A. K. Bhanja等在對Jharia以及Barmer-Sanchore兩個礦區的煤層氣含量與測井參數的相關性研究時，構建了復合參數C=DT/（ρbPeGR），指出了煤層含氣量與該參數的正相關關系。2009年，X.Fu等應改良的累積氣體測量方法—MT-77-84解析法測定煤層氣含量，將其同地球物理測井數據進行了統計分析，確定了含氣量與測井資料的解釋模型。

2011年，王安龍等采用逐步判別分析法，確定了復合參數P=AC/（GR·DEN），并建立了其與含氣量的關系模型，在此基礎上，編寫了煤層氣含氣量及工業組分解釋軟件。2013年，邵先杰等通過對韓城礦區實際生產數據的分析，建立了產能預測模板，可根據補償密度、補償聲波時差測井值預測產能。R.Chatterjee等應用Jharia煤田含氣量計算經驗公式，利用聲波、密度、伽馬及Pe值等測井數據求取含氣量，并將所求值與周圍煤田類比，證明了其結果的可靠性。金澤亮等根據沁水盆地柿莊區塊的測井資料，利用蘭氏方程與多元線性回歸確定了煤層含氣量計算的經驗公式。2014年，黃兆輝提出以煤層平均數據為研究對象，采用多元逐步回歸分析法，得到了基于對數變換形式的測井資料含氣量方程。

2 煤層氣測井技術存在問題

由于煤儲層介質本身結構的復雜性，導致測井響應與儲層地質之間的關系變得復雜化，通過大量調研分析，煤層氣測井解釋主要存在以下問題：

1）由于煤儲層孔隙度很低，孔隙中充滿水，游離氣和溶解氣很少，主要為吸附氣，很難利用測井方法確定煤儲層中是否含氣。
2）在某一地區，利用測井資料計算工業組分和含氣量，普遍存在誤差，同時也沒有考慮煤層氣儲集性能的橫向變化。
3）煤儲層具有三重孔隙介質的復雜特征，目前尚無適用的計算孔滲參數的方法。在裂縫孔隙度方面，主要借用了碳酸鹽巖裂縫孔隙度分析成果，而在基質孔隙度方面研究很少。
4）由于我國煤層氣測井技術最初是由國外引進和應用常規油氣藏測井技術，現有的油氣藏測井基礎理論不太適合煤層氣測井，因此，這些測井方法及測井評價技術是否適合中國煤層地質特征有待商榷。

3 前景展望

中國是煤炭資源大國，煤層氣資源潛力很大，煤層氣測井技術的進一步研究對其開發具有重要意義?；谖覈簩託獾厍蛭锢頊y井的研究現狀和煤層氣勘探開發的需求和難點，煤層氣測井技術的發展應該：

1）加深煤層氣測井基礎理論研究，系統全面地開展煤儲層測井評價體系研究，建立煤層氣測井綜合評價體系。
2）發展用于煤儲層測井評價的煤巖基礎物理實驗與設備，加強基礎數據的可靠性。
3）引進適用于復雜巖性、復雜孔隙結構的新測井技術，如元素俘獲譜測井、核磁共振測井、成像測井、陣列聲波測井等。
4）利用現代計算機信息處理技術，開發新的煤層氣儲層測井解釋及評價軟件，使得軟件具有更好的適應性和實用性。

4 結束語

煤層氣地球物理測井在煤巖劃分、煤質分析、煤儲層孔滲及含氣量評價等方面取得了諸多成果，但是，煤層氣測井仍有很多不足，需要進一步研究和完善。未來煤層氣地球物理測井應從夯實基礎理論與設備，大力發展新技術、新方法，為我國煤層氣資源的進一步開發提供強有力的幫助。

版權聲明|來源：《斷塊油氣田》；作者：喬雨朋等；版權歸原作者所有。

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