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地质与测量
郑贵强1，杨德方1，李小明1，毋学平2
(1.华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201；2.中国石油集团测井有限公司 华北事业部，河北 任丘 065007)
摘 要：基于测井方法解释评价了深部煤储层的顶底板物性、煤体结构、孔隙度和渗透性，研究了沁水盆地杮庄北区块煤储层岩石力学特性、含气性特征和地应力的展布规律。研究结果表明：该区块3煤的顶板物性和封盖性要比15煤的好；3煤的渗透性比太原组15煤的渗透性要好；3煤在研究区西部埋藏深、厚度小，而15煤埋藏相对较深、厚度较大。就地应力而言，3煤在柿庄北区块西南部地应力数值最高，各向异性强，最大、最小地应力差别大；15煤在柿庄北区块西南部地应力数值最高，在北西方向各向异性强，地应力差别大，裂隙发育。最后，对深部煤层气储层特征和深部地应力的变化规律进行了分析，并对测井解释的发展和完善提出了建议。
关键词：沁水盆地柿庄北；深部煤层；煤层气；储层物性；地应力；测井评价
中图分类号：P631.8
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0178-09
ZHENG Guiqiang1,YANG Defang1,LI Xiaoming1,WU Xueping2
(1.School of Safety Engineering, North China Institute of Science and Technology,Sanhe 065201, China;2.Huabei Division, China Petroleum Group Logging Company Limited, Renqiu 065007, China)
Abstract:Based on the logging method, an explanation and evaluation were conducted on the roof and floor physical properties, coal structure; porosity and permeability of the deep coal reservoir.A study was conducted on the rock mechanics features, gas content features and geostress distribution law of the deep coal reservoir.The evaluation results showed that in North Shizhuang of Qinshui Basin, the roof physical properties and sealing of No.3 seam were better than No.15 seam.The permeability of No.3 seam was better than the permeability of No.15 seam in Taiyuan Formation.In the west part of the study area, the depth of No.3 seam was deep and the thickness of No.3 seam was thin.In west part of the study area, the depth of No.15 seam was deep and the thickness of No.15 seam was high.The geostress logging explanation showed that in the south-west part of the study area, the geostress value of No.3 seam was max, the anisotropy of No.3 seam was strong and there was a big difference between the max geostress and the min geostress.In the south-west part of the study area, the geostress value of No.15 seam was max, the anisotropy in the north-west part of the study area was strong, the difference of the geostresses was high and the cracks were developed.Finally, an analysis was conducted on the reservoir features of the deep coalbed methane and the variation law of the deep geostress and the proposals were provided on the development and improvement of the logging explanation.
Key words:North Shizhuang of Qinshui Basin; deep seam; coalbed methane; reservoir physical properties; geostress; logging evaluation
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郑贵强，杨德方，李小明，等.沁水盆地柿庄北区块深部煤储层特征测井评价研究[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：178-186.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.027
ZHENG Guiqiang,YANG Defang,LI Xiaoming,et al.Study on features and logging evaluation of deep coal reservoir in North Shizhuang Block of Qinshui Basin[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：178-186.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.027
收稿日期：2018-12-01
责任编辑：曾康生
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804108)；建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项资助项目(133101000000170032)；华北科技学院地质工程专业综合改革资助项目(01110214)
作者简介：郑贵强(1979—)，男，山东日照人，副教授，博士。E-Mail:76382119@qq.com
通讯作者：杨德方(1981—)，男，河南鲁山人，讲师，硕士。E-mail：yangdf2002@163.com
我国煤层气可采资源丰富，资源量巨大，其中埋深大于1 000 m的深部煤层气资源量约为22.45×1012 m3，位居世界前列[1-2]。沁水盆地是我国煤层气勘探开发的热点地区[3]，柿庄北地区主要的可采煤层为古生界二叠系下统和石炭系上统的3号和15号煤层，是进行煤层气勘探开发的主要目的层[4]。
测井评价技术在我国快速发展，因与常规试验和取心技术相比具有简洁快速的优点，得到了各个应用行业内普遍认可。文献[5-6]根据页岩气勘探需求,对页岩气储层测井评价方法进行了探讨；孙建孟等 [7]对致密气储层可压裂性测井评价方法进行了研究；张丽华 [8]认为火成岩储层测井评价是一个重要研究领域；叶根喜等 [9]研究表明地球物理测井方法在识别岩体内部的性质及变化规律方面，有自身的优势；文献[10-11]评述了测井评价煤层气储层领域的发展方向与思路，认为测井技术在煤层气储层评价和工程应用方面能发挥明显的作用。 虽然前期柿庄北地区进行了系列的煤层气测井、试井和储层解释评价等工作，但主要集中在1 000 m以浅的深度。对于埋深大于1 000 m的深部煤层气而言，一些学者[12-13]的研究表明，沁水盆地深部的勘探开发条件较浅部煤层更差，温压条件变的更差，煤层结构复杂，煤体结构松散，煤层中粉煤发育，其储层物性的识别和储层条件的评价变的更加困难。
煤层气测井评价技术虽然在煤储层物性分析、参数计算和结构分析等方而取得了一定的成果[14-16]，但深部煤层气储层具有自己独特的低孔隙度、低渗透性、高地应力、强非均质性及煤体易碎等特征[17-18]，给测井技术在深部煤层气评价方面带来了一些挑战。利用测井解释研究评价深部储层物性具有独特的明显优势，而且也是一种简洁有效的方法，对指导深部煤层气的勘探开发有重要意义。
本次测井评价所用的资料主要来自沁水盆地柿庄北地区SX-001—SX-020,SX-23-1和SX-024—SX-025共23口井，其井位布置如图1所示。所用的测井方法有：阵列声波、补偿中子、体积密度、自然伽马、深侧向和浅侧向测井等，其中SX-016、SX-008 、SX-010、SX-005、SX006-13 、SX-011 、SX-023 、SX-025 、SX-007共9口井为阵列声波测井。
利用阵列声波可以获得煤层顶底板的纵波时差、横波时差和斯通立波时差，通过相关公式的计算，可以获得煤层顶底板的体积模量、泊松比、剪切模量等一系列物理参数，通过这些物理参数，也可以对煤层的顶底板的物性进行评价，也可以预测岩石强度，破裂压力，或者进行井眼稳定性分析，为后期的工程施工及开采等提供有用参数。
图1 沁水盆地柿庄北23口测井井位
Fig.1 Well position chart of 23 logging wells of North Shizhuang Block in Qinshui Basin
利用自然伽马、密度测井、补偿中子和声波时差测井，通过对3煤和15煤顶底板的分析和评价，测井解释了3煤的顶板为泥岩、砂质泥岩，其底板主要为泥岩和砂质泥岩；15煤顶板为灰岩，其底板为泥岩、砂质泥岩和泥质砂岩(图2)。从阵列声波图上斯通利波幅度没有明显衰减，封堵性较好，15煤比3煤的力学参数数值偏大。通过2个主要煤的顶底板进行对比，沁水盆地的3煤层的顶板物性要比15煤的物性要好，顶板的封盖性3煤层也要比15煤要好。
图2 利用测井曲线对3煤和15煤顶底板分析
Fig.2 Analysis on roof and floor of No.3 and No.15 coal seams by logging data
运用常规密度、伽马曲线、微扫图像可以解译煤层中的夹矸分层、煤质好坏、均匀性和非煤层匀段等。以SX-136井3煤为例，其常规密度、伽马曲线反映3煤较均匀，但双侧向曲线显示底部数值变低；微扫图像显示底部的颜色偏暗，说明其导电性较强；整体颜色不均匀，反映下部的煤质与上部明显不同,底部可能为构造软煤(图3)。煤层的体积模量和破裂压力值都较低，说明地层脆而软易发生破裂，在施工和生产中易发生煤层破碎和井壁垮塌等现象。油气结论部分显示为红色，表示该深度区域可能含有煤层气。
图3 利用测井曲线对煤体结构进行分析
Fig.3 Analyzing coal body structure by logging
通过对沁水盆地不同地区的煤样采集，在实验室测定其孔隙度，与现场声波测井获得的声波时差相关联，获得声波时差与孔隙度的离散散点图(图4)。
由于沁水盆地柿庄北地区煤心资料比较少，本次共收集16口井的27个资料点。根据资料分析，沁水盆地3煤煤心物性分析，孔隙度为3.89%～8.72%，平均5.66%，15煤孔隙度3.38%～8.44%，平均5.69%，属于低孔。通过煤心孔隙度与常规测井曲线建模对比并对其关系进行回归分析，发现与煤心孔隙度相关性最好的为双侧向测井，其深侧向和浅侧向与孔隙度的相关性分别是0.482 5和0.561 1；其次为补偿中子、声波时差，因此可以通过多元回归方法建立煤储层孔隙度解释模型。
图4 煤心孔隙度与双侧向测井视电阻率回归分析
Fig.4 Regression analysis of sample porosity and bilateral logging apparent resistivity
从以上分析可得，双侧向电阻率与煤心孔隙度相关性最好，因此可以利用电阻率建立孔隙度模型：ø=12.421RS-0.100 7；ø=13.684RD-0.121；其中:ø为孔隙度，RS为深侧向电阻率，RD为浅侧向电阻率。
地层的渗透率在储层评价中起着重要的作用，同时，声波测井另一个重要的研究内容是渗透率信息的提取。衰减幅度方法、相速度的方法以及结合相位滞后与衰减变化测量的较新的方法可以用来计算或用来判断比较渗透率的大小。
通过对柿庄北区块3煤和15煤斯通利波的衰减幅度进行比较和通过孔隙度对渗透性的影响这2种方法的对比，3煤的衰减幅度为6.56～32.80 dB/m,15煤的衰减幅度为-3.28～59.10 dB/m,15号煤层的斯通利波的变化幅度要比3煤斯通利波的变化幅度要大，而随着孔隙度的增加，煤层渗透率也逐渐增大。通过测井分析，山西组3煤的渗透性比太原组15煤的渗透性要好。
煤心含气量、等温吸附特征统计表表明柿庄北区块3煤的20口井数据,含气量3.11～20.47 m3/t；15煤17口井的数据含气量在4.11～21.82 m3/t；3煤和15煤含气量大多数大于10 m3/t。通过3煤、15煤的等温吸附含气量各种测井曲线的回归得出:自然伽马、补偿中子与含气量相关性较好(图5)；深侧向电阻率、煤层厚度与含气量相关性次之；体积密度、声波时差与含气量无明显的相关性。
以SX-016井为例进行含气性分析(图6)，通过埋深在1 120 m和1 230 m的3煤和15煤的含气量测井分析比较，2层煤均存在红色的含气结论指示，3煤的含气量高于15煤的含气量。通过测井曲线与含气量的关系进行横向比较，柿庄3煤在西南方向的产气量可能高(SX-010井)；而15煤在柿庄北东北方向产气量可能高(SX-016井)。
图5 自然伽马与等温吸附含气量回归关系
Fig.5 Relational graph of natural gamma with isothermal adsorption gas content
图6 SX-016井测井解释对比3煤和15煤含气性
Fig.6 Comparison of well logging interpretation of gas content in No.3 and No.15 coal seam,Well SX-016
柿庄北地区SX-005、SX-007、SX-008、SX-010、SX-011、SX-013、SX-016、SX-023、SX-025共9口井为偶极阵列声波测井。陈列声波测井可应用于识别岩性、岩石力学参数、井壁稳定性、利用快慢横波分析地层各向异性和计算地应力大小和方向，阵列声波资料可以利用其丰富的岩石力学参数和各向异性等信息可以很好地评价岩石的物理力学特性，如岩石的弹脆性、破裂压力以及煤层和顶底板的变化情况等。应用测井资料评价煤层及顶底板储层的工程参数，可用于指导和支持后期压裂施工。
通过阵列声波测井资料解释，沁水盆地柿庄北地区，3煤的杨氏模量含气量含气量、剪切模量、体积模量、破裂压力在研究区域内为南西区大，北东较小，其破裂压力在西南区SX-010井附近最大达36 MPa；反映可塑性的泊松比在南部最小，北东次之。15煤的杨氏模量、剪切模量、体积模量一致，区域内均是南西小，北东大；泊松比、破裂压力在东南部SX-011井附近最小，最小破裂压力约为10 MPa(图7)。
针对煤层气开发特点，构建测井岩石脆性特征参数。利用测井资料和计算公式，对柿庄北3煤和15煤的岩石力学性质规律进行了研究，得到柿庄北区块煤岩的岩石强度(表1)。
3煤3个强度参数以及弹性模量强弱分布趋势基本一致，在区域范围内，西部最大。15煤3个强度参数以及弹性模量强弱分布趋势基本一致，在区域范围内，西部最大。
表1 沁水盆地柿庄北区块岩石强度
Table 1 Rock strength value in North Shizhuang
Block of Qinshui Basin
图7 柿庄北区块3煤和15煤层顶板破裂压力等值线
Fig.7 Isogram of cracking pressure of No.3 and No.15 coal seams in North Shizhuang Block
根据阵列声波力学资料分析，得到沁水盆地柿庄北地区岩石力学参数性质：3煤在研究区西部埋藏深、厚度小，抗外力的强度大；15煤在研究区西部埋藏相对较深、厚度较大，抗外力的强度大；3煤、15煤的顶底板均在北部地区为抗外力薄弱区。
地应力的获取方法有很多，但真正能直接测量出地应力的方法较少。而测井资料具有测深大、数据能够连接、成本低和信息量大的优点[19-20]，因些用测井解释地应力具有重要意义。
在沁水盆地柿庄北地应力测井解释基础上，绘制最小主应力、应力差值大小及方位展布图(图8)。从图8可以看出：3煤在研究区南西部地应力数值最高，最小主应力在SX-010井附近最大达33 MPa,各向异性强，地应力差别大。15煤最小主应力在研究区南西部地应力数值最高,在SX-010井附近最大达到23 MPa，在北西方向各向异性强，最大、最小地应力差别大。
图8 柿庄北区块最小主应力、应力差值大小及方位展布
Fig.8 Distribution of value and orientation of minor principal stress and stress difference in North Shizhuang Block
沁水盆地柿庄北地区3煤和15煤利用测井解释地应力示例分别如图9、图10所示。利用沁水盆地水力压裂曲线来计算地应力，利用闭合压力可确定水平最小主应力,再由压裂时测得的破裂压力等参数,进而计算水平最大主应力。
在地应力高值、各向异性较强和应力差较大的地区，对煤储层渗透率、储层压力影响明显，煤层气在勘探开发时难度加大，影响深部煤层气的可采性。
图9 柿庄北区块3煤测井资料地应力计算
Fig.9 Calculated geo-stress of No.3 coal seam based on logging date in North Shizhuang Block
为了验证利用测井资料计算的地应力大小及展布规律的准确性和可靠性，本次研究选用ANSYS数值模拟软件模拟了沁水盆地柿庄北地区的现今地应力场。
ANSYS有限元数值模拟有精度高、实用性强的特点。应力场数值模拟法是建立在地质模型的基础上，用有限元法计算各点的最大主应力、最小主应力和最大剪应力，并计算各点的主应力方向和剪应力的方向。模拟的步骤主要有：建立地质模型、单元划分、物性参数的选择、边界条件确立和检验结果。
通过ANSYS数值模拟结果，得到的沁水盆地柿庄北地区地应力展布规律与利用测井资料计算的地应力展布规律基本相同，即在柿庄北地区，3煤及其顶底板在研究区南西部地应力数值最高，各向异性强，最大、最小地应力差别大，裂隙发育。15煤及其顶底板在研究区南西部地应力数值最高， 15煤在北西方向各向异性强，最大、最小地应力差别大，裂隙发育，顶底板在区域南西方向各向异性强，最大、最小地应力差别大，裂隙发育。
图10 柿庄北区块15煤测井资料计算地应力
Fig.10 Calculated geo-stress of No.15 coal seam based on logging data in North Shizhuang Block
通过读取声波处理图中的横纵波时差，计算出煤层顶底板的杨氏模量和泊松比等参数，再结合顶底板的岩性特征，孔裂隙发育情况评价：埋藏较浅的山西组3煤比深部太原组15煤顶底板的封盖性要好；通过数据采集和声波时差孔隙度测井分析，发现15煤比浅部的3煤孔隙度整体要小；通过斯通利波的衰减幅度和孔隙度对渗透率的影响研究对比，发现埋深更深的15煤比浅部的3煤渗透率要小；通过测煤心含气量及测井曲线的回归分析，发现山西组3煤层含气性好于太原组15煤。
对于沁水盆地地应力展布规律，通过测井计算地应力数值和ANSYS软件模拟分析，表明太原组15煤的地应力大于山西组3煤的地应力。而且在平面分布上主应力在西部地区明显高于东部地区，在向斜等低凹地区存在应力高值。在地应力高值区对渗透率和储层压力影响明显，加大了深部煤层气的开采难度。
结合前人研究成果[21-23]认为，对于深部煤层气储层随着埋深的增加，储层孔隙度逐渐变小，而且具有明显的分区性；随着埋深的增加，煤储层的渗透性变差，且呈现阶跃式的递减规律；而含气随着埋深的增加，呈现先增加后减小的趋势，这主要是由于温度和应力2种效应的正负作用不同造成的。地应力的大小会随着埋深的增加而逐渐增加，而地应力状态会在不同的临界深度处发生二次转换，也由此把地应力状态分成3个区带：相对张拉积压区、过渡区和三轴受压区。地应力区带的不同，对于煤储层裂缝的状态影响不同，从而对于深部煤层气的产出产生显著的影响。
通过沁水盆地柿庄北一系列的煤层气测井、试井等工作，煤层结构复杂，煤体结构松散，煤层中构造煤比较发育，利用测井解释研究和评价其储层物性有独特的明显的优势，而且也是一种简洁有效的方法。
1)利用沁水盆地柿庄北23口井的测井资料，使用阵列声波、补偿中子、体积密度、自然伽马、深侧向和浅侧向等测井方法，评价了深煤层储层物性、岩石力学性质和地应力展布规律。
2)通过对3煤和15煤顶底板的分析和评价，发现3煤的顶板物性和封盖性要比15煤的好；通过斯通利波的衰减幅度比较和对比，表明3煤的渗透性比15煤的渗透性好；通过阵列声波测井资料解释，3煤的杨氏模量、剪切模量、体积模量、破裂压力在研究区域内为南西区大，北东较小，15煤的杨氏模量、剪切模量、体积模量一致，均是南西小，北东大。
3)通过对地应力展布特征测井解释表明：3煤在研究区南西部地应力数值最高，各向异性强，最大、最小地应力差别大；15煤在研究区南西部地应力数值最高，在北西方向各向异性强，地应力差别大，裂隙发育。
4)测井解释煤层气储层物性和地应力展布特征等方面取得了一些进展和成就，但是仍需要完善和发展测井精细处理解释技术，未来主要的发展方向应该为：进行顶底板稳定性研究，加强含水性研究，提高分辨率进行煤层及顶底板精细化评价技术。
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