淮南煤系地层非常规天然气岩石物理敏感参数研究
时间：2022-02-25 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 生产开发 ★
淮南煤系地层非常规天然气岩石物理敏感参数研究
0 引言
煤系地层非常规天然气主要包括煤层气、页岩气、致密砂岩气等[1]。近年来，全球对非常规天然气开发的重视程度越来越高，得益于页岩气勘探和开采技术的成熟，北美实现由天然气进口国变成出口国，冲击了世界天然气供给格局[2-3]。我国煤炭资源丰富，非常规天然气储量也较大[3]。近20年来，我国非常规天然气开发得到稳定增长，2018年我国的非常规天然气占新增探明天然气储量的45%[2]。
我国淮南地区煤炭资源和煤系天然气资源丰富，煤系天然气地质资源总量为979.37×108 m3。淮南地区的非常规天然气的勘探、开发工作起于20世纪80年代，但直到最近几年才有了实际性的抽采井突破[4-5]。淮南市张集煤矿钻井资料显示该区煤系地层具有丰富的煤层气资源，由于非常规天然气储存特点及矿区复杂的地质沉积环境[2]，如何准确地预测含气有利区，对矿区非常规天然气共采具有重要的理论和指导意义。
目前，非常规天然气的预测方法主要有地质和地球物理勘探两类，纯地质方法预测的精度不高，通常结合测井、地震资料对储层的构造、厚度、压力、孔隙度、饱和度、渗透率等参数进行数学分析、建模，进而预测储层含气状况[6-7]。菅笑飞等[8]通过煤层分布、裂隙发育、储层压力等储层特征参数建立储层模型预测了柳林地区的煤层气状况。近年来，地球物理勘探在煤田上的非常规天然气的预测得到广泛应用。吴海波等[9]利用地震反演参数作为煤层气甜点区的预测指标，结果表明预测值与实际日均产气量吻合较好。利用测井资料和地震资料，综合分析含气储层的物理和弹性性质，找寻非常规天然气岩石物理敏感参数，对储层进行综合解释是一种较科学的方法[10-11]。郭晓龙等[12]也指出由于煤层气的赋存特点，煤层气的岩石物理基础研究是寻找预测方法的着手点和立足点。
1 地质概况
本研究以安徽省凤台县张集乡张集矿为研究背景和测井、地质数据来源。张集煤矿地处淮河中游，淮北平原南部，区内地形平坦，地面标高一般在+21～+26 m，西北高、东南低。张集煤矿有可采煤层14层，含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组与上、下石盒子组，主要目标煤层5层，分别是13-1、11-2、8、6、1号煤层，平均总厚为20.1 m。
2 非常规天然气储层特点
煤系地层非常规天然气主要包括煤层气、页岩气、致密砂岩气等。
煤层气指储存在煤层中的烃类气体，以甲烷为主要成分，主要以吸附状态附着在煤基质颗粒表面，少部分以游离态存在于煤孔隙中，是煤的重要伴生矿产资源。我国煤层气具有层系多、厚度大、含气量高、渗透性低、欠压、不饱和等特点[13]。
页岩气主要存在于煤系地层的页岩当中，且以吸附态为主，其单层厚度薄(<15 m)，但累计厚度大(可达100 m以上)[14-16]。由于我国煤系地层以粘土矿物为主，脆性比较低，抵抗压实能力低，导致煤系页岩储层有低孔低渗的特征[14]。
致密砂岩气具有低孔低渗、高毛细管的特点[17]，且受上覆地层的压实作用和不同地质作用的影响，致密砂岩气藏与干砂岩层的特征会存在差异，致密砂岩气藏具有较差的物性，孔隙度值一般为2.0%～13.5%，渗透率值的范围一般为0.001～1.000 mD[18]。
总的来说，非常规天然气改变了储层原有的岩性特征和物理性质，这为非常规天然气的预测和评价提供了参考依据。
3 数据分析与优化
众多学者通过测井资料研究总结了关于岩石物性、弹性等规律[19-20]，而其中测井数据的好坏直接影响到最终的成果质量。研究区老旧测井曲线的自然伽马、声波、密度测井响应井间一致性较差。为解决该问题，本文利用测新采集的井曲线齐全且一致性较好的新谢1号井资料作为标准井，采用了模式匹配的方法对其他老井(井1～井4)进行了校正。校正后，老井的测井曲线一致性得到很大的提高，如图1所示。
图1 老井一致性校正前后对比
4 非常规天然气岩石物理敏感参数分析
岩石物理模板的理论基础来源于地震岩石物理学，地震岩石物理学的主要研究方向是研究岩石弹性参数(如速度、密度、波阻抗、纵横波速度比等)与储层参数(如孔隙度、孔隙流体类型、流体饱和度等)的关系。通过建立多孔介质岩石物理模型，利用岩石物理正演的方法获取岩石的纵波阻抗、横波阻抗、纵横波速度比、泊松比、杨氏模量、拉梅常数、剪切模量及脆性指数，并在此基础上通过统计的方法对岩石弹性与岩性、物性(孔隙度)、脆性之间的关系进行分析，进而研究非常规天然气岩石物理敏感参数的规律。
4.1 岩石物理建模
针对非常规天然气储层的岩石物理建模过程如图2所示。
图2 岩石物理建模流程
采用了Xu 和 Payne[20]提出的流程来建立岩石物理模型，该方法是在Voigt、Reuss和Hill[21-23]提出的模量模型基础上，通过数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)方法建立干岩模量，之后利用Gassmann(加斯曼)方程进行流体置换[24]，最终建立岩石物理模型。
在选取好岩石物理模型后，将新谢1号井的测井数据作为输入数据，通过调整岩石物理模型的孔隙结构参数，使得模型正演曲线与实测曲线匹配最佳，如图3 所示。通过岩石物理建模正演的方法，提高了纵横波质量，为非常规天然气岩石物理敏感参数分析奠定了基础，最终正演完整的弹性曲线如图4所示。
图3 新谢1号井正演曲线与实测曲线对比图
图4 新谢1号井正演曲线结果
4.2 弹性与岩性关系分析
非常规天然气的储层的岩性及其弹性参数特点不相同，通过纵横波速度比、纵波阻抗，可以对不同的岩性进行有效区分。基于岩石物理模型建模正演获得测井曲线数据统计的纵波阻抗和纵横波速度比交会图，见图5，煤层具有相对低波阻抗、高纵横波速度比特征；砂岩气层具有中高波阻抗、低纵横波速度比特征；砂岩干层具有相对高波阻抗、低纵横波速度比特征；页岩气储层具有中等波阻抗、中低纵横波速度比特征，与泥岩非储层区分明显。
图5 纵波阻抗-纵横波速度比交会图
4.3 弹性与孔隙度关系
除岩性外，不同非常规天然气储层的孔隙度也不同，通过统计分析纵波阻抗和孔隙度的交会图发现，孔隙度与弹性间的关系更好、规律性强，如图6所示，煤层孔隙与波阻抗呈线性关系，页岩及砂岩储层与波阻抗呈现抛物线二次函数关系。
图6 纵波阻抗与孔隙度交会图
4.4 弹性与岩石脆性关系
岩石的脆性由泊松比和杨氏模量2个参数决定，脆性指数算式如下[20]：
式中：BI——脆性指数；
YM_BRIT——均一化后的杨氏模量，MPa；
PR_BRIT——均一化后的泊松比；
YMS——杨氏模量，MPa；
PR——泊松比。
根据式(1)、(2)、(3)计算得到最大、最小脆性边界点特征参数，如图7所示。不同储层的脆性指数如图8所示，结果发现，煤储层的脆性指数最低，页岩气和砂岩气储层较高。
图7 泊松比与杨氏模量交会图
图8 新谢1号井弹性与岩石脆性关系图
5 结论
通过对淮南张集煤矿测井曲线的非常规天然气储层的岩石物理分析，得出如下结论。
(1)煤层表现为相对低波阻抗、高纵横波速度比特征；砂岩气层表现为中高波阻抗，低纵横波速度比特征；砂岩干层表现为相对高波阻抗、低纵横波速度比特征；页岩气储层表现为中等波阻抗、中低纵横波速度比特征，与泥岩非储层区分明显，几类储层分布规律清晰。
(2)纵波阻抗与孔隙度单调关系较好，煤层孔隙与波阻抗呈线性关系，页岩及砂岩储层与波阻抗呈现抛物线二次函数关系。利用纵波阻抗可较好描述储层物性特征。
(3)根据泊松比和杨氏模量双参数定义岩石脆性指数，可获得非常规天然气储层的最大、最小脆性边界点特征参数，并且煤层气储层的脆性指数最低，页岩气和致密砂岩气脆性指数较高。
可以看出储层的弹性参数与储层岩性、物性之间存在一定的规律，将为后期的地震解释工作提供必要的岩石物理基础，促进非常规天然气的预测和开发。
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Study on the petrophysical sensitive parameters of unconventional gas in Huainan coal measure strata
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LIU Kesheng, LIU Jun, CUI Fan, et al. Study on the petrophysical sensitive parameters of unconventional gas in Huainan coal measure strata[J]. China Coal，2021，47(2)：31-36. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.02.004
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