第13卷第18期2013年6月 科学技术与工程 Vo1.13 No.18 Jun.2013 1671—1815(2013)18-5121—07 Science Technology and Engineering ⑥2013 Sci.Tech.Engrg. 地球物理测井在煤储层参数 综合解释中的应用 ——以PS矿区A井为例 梁明星 孙文杰 , (东北石油大学地球科学学院 ,大庆163318; 中国石油勘探开发研究院 ,北京100083;北京大学地球与空间科学学院。,北京100871) 摘要通过对Ps矿区A井测井相应特征分析,确定了煤储层测井响应规律;并在此基础上对该井大量煤样的工业组分、孔 隙度、含气量以及密度和声波速度等参数的实验测定。采用枚举法标定出了固定碳、灰分、挥发分各工业组分的密度和声波 速度值,为建立准确的测井响应方程奠定了基础。统计分析法与理论模型法相结合,建立了煤储层工业组分、含气量、孔隙度 解释模型,既利用了目标区的实验数据;理论上依据充分,针对性强,结果准确可靠。根据研究成果编制了完善的煤储层测井 综合解释软件系统,在实际应用中取得了良好的效果。 关键词煤储层 测井 固定碳 灰分 挥发分 中图法分类号P631.84; 文献标志码A 地球物理测井,简称测井,是利用岩层的电化 分、灰分是以化合物形式组合的,因此这些成份的 学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特 密度值以及对补偿中子、声波时差测井的响应差别 性,测量地下岩层物理参数的方法¨J。20世纪80 是非常大的,也就是说,不同地区,固定碳、挥发分、 年代,随着煤田数字测井技术的发展,煤田地质测 灰分的测井相应值是不同的。因此,煤层成份测井 井及解释技术不断完善,对煤层厚度、煤质的评价 相应值的选取和测井响应方程的建立,对能否准确 日趋完善,基本可以满足煤矿开采的需要。但是随 求取煤层各组分参数起着至关重要的作用。 着近十多年国内外对煤层气开发的需求,对煤储层 通过对PS矿区大量煤样的密度和声波速度参 参数的解释精度要求越来越高,解释的指标数量也 数的测定,采用枚举法准确标定出了固定碳、灰分、 越来越多,原来为煤矿开采建立起来的解释系统和 挥发分的密度和声波速度属性值。研究了煤岩工 方法已经满足不了煤层气开发评价的需要。 业组分之间的关系以及对补偿密度、声波时差测井 煤层既是煤层气的储集层,又是源岩,煤的物 的响应关系,建立了煤储层工业组分和含气量解释 理结构是一种双重孔隙结构 J。不同于砂岩储层, 模型。编制了完善的测井软件系统,在生产实际应 煤储层中各种工业组分是以复杂的化合物的形式 用中取得了良好效果。 组合在一起的。一般情况下,煤层成份包括:固定 1区域特征 碳、挥发分(煤样在隔绝空气的条件下,加热到 (900-I-10)℃温度下挥发掉的部分)、灰分(包括泥 1.1物性特征 质及其它矿物)、水分、甲烷气,由于固定碳、挥发 该区沉积岩的岩性主要有石灰岩、中粒砂岩、 细粒砂岩、粉砂岩、泥质砂岩、泥岩等。煤层相对围 2013年3月6日收到,2013年3月18日修改 岩具有较高电阻率、低密度、低自然伽马的特点,视 第一作者简介:梁明星,男,硕士。研究方向:地球探测与信息技术。 电阻率值大部分在250—650 Q・m,密度值在 E-mail:xx—lmx@163.com。 1.6O一1.75 g/cm ,自然伽马值均在50 API以下。 18期 梁明星,等:地球物理测井在煤储层参数综合解释中的应用 物成分(灰分)的组成比例有关,通常认为煤岩中主 的响应值。而这些组分对测井的响应值又是建立 要放射性沉积物质吸附灰分表面,而固定碳的吸附 测井解释模型必不可少的参数。本次研究过程中, 作用相比之下则可忽略不计;深侧向电阻率(LLD) 依据各项参数齐全的l7个样品(表3)标定了煤岩 数值变化较大,反映了研究区煤岩的变质程度、灰 各组分的密度和声波速度。 分含量和裂缝孑L隙模型及其所含地层水、甲烷气等 表2 TS矿区A井煤岩地球物理测井响应均值表 情况复杂,需要通过合适的方法进行估算和评价; 补偿中子(CNL)主要分布于20% 5%,反映了煤 层裂缝富含地层水(氢元素)的情况;体积密度 (DEN)分布在0.75—1.75 g/em。,与国内外学者普 遍采用DEN<1.75 g/em 识别煤层的特征一致;声 波时差(AC)数值大部分大于350 ILts/m,与该区无 烟煤为主特点相符,即煤阶越高,声波速度越小,时 差越大。 表2为9个解释煤层分别整理得到的煤储层测 井响应均值表,从统计均值可以看出,煤储层在常 规测井曲线中表现出“三高两低”l3 J。 虽然煤岩各工业组分的物理参数不能直接测 试得到,但在长期的实践中,摸索出了依据实验数 3 PS矿区煤岩实验分析 据,采用枚举法间接计算煤岩工业组分物理参数的 方法 ,实践证明结果能够满足煤储层参数解释的 煤岩由灰分、固定碳、挥发分和水分构成,不同 精度要求。 组分对测井的响应贡献大小不同,常规砂岩储层可 煤岩样品的密度等于灰分、固定碳、挥发分和 以通过实验,测试出不同组分对测井的贡献值。而 水分各自百分比的贡献,即 煤岩中的组分是以复杂的化合物形式混合在一起 D=DF +D h+Dv +Dw (1) 的,根本无法用砂岩的测试方法确定各组分对测井 表3 PS矿区A井煤储层实验数据表 科学技术与工程 13卷 式(1)中,D为煤岩测试密度,g/em ;D 为固定碳 密度,g/cm ; 为固定碳含量,f;D 为灰分密度, g/cm ;V 为灰分含量,f;D 为挥发分密度, g/em ;Vv 为挥发分含量,f;Dw为水分密度, g/em ;Vw为水分含量,f;水的密度取1.0 g/cm ,作 为已知条件,只标定其他三组分的密度。依据表1 中的数据采用枚举法标定结果:固定碳密度取1.55 g/cm ,灰分密度取2.4l g/em ,挥发分密度取1.04 g/cm ,所有样品的平均相对误差率2.0%,精度比 较高。 煤岩样品的声波速度等于灰分、固定碳、挥发 分、水分(内在水)和孔隙水各自百分比的贡献(声 波速度实验时,孔隙中饱含了水,此时工业组分的 百分含量要与孔隙水一起重新换算,使之总和为 100%),即 A=AF。VF + A h h+Av +Aw (2) 式(2)中, 为煤岩测试声波速度,m/s;A 为固定 碳声波速度,m/s;A 为灰分声波速度,rn/s;A 为 挥发分声波速度,m/s;Aw为水的声波速度,m/s; 孔隙水的声波速度取1 500 m/s,灰分的声波速 度取3 480 m/s,固定碳的声波速度取2 310 m/s,挥 发分的声波速度取1 770 m/s,所有样品的平均相对 误差率2.9%。 工业组分的密度和声波速度的准确标定为建 立测井响应方程奠定了基础。 根据实验结果,灰分的密度大于固定碳的密 度,随着灰分含量的增加,固定碳含量下降,而密度 增加,所以就出现了密度随固定碳含量的增加而降 低的现象(图2),随灰分含量的增加而增大(图3)。 密度与固定碳含量之问的关系式和密度与灰 分含量之间的关系式分别为 =一102D+225.53 (3) V_^sh=91.698D一123.18 (4) 对应的相关系数分别为0.963、0.959 1。 由于固定碳疏松多孔,密度低,煤岩的声波速 度随着固定碳含量的增加而降低,呈负相关(图4), 随着灰分含量的增加而升高,与灰分含量呈正相关 (图5)。 煤岩声波速度与固定碳含量之间的关系式和 85 80 75 70 咖65 扪 疆6O 删 雹55 50 45 40 1 4 1 5 l 6 1 7 1 8 煤岩密度/(g-cm。) 图2煤岩密度与固定碳含量关系图 43 38 33 28 抽 纛23 18 13 8 1 4 1 5 1 6 1 7 l 8 煤岩密度/(g・CFI1 ) 图3 煤岩密度与灰分含量关系图 煤岩声波速度与灰分含量之间的关系式分别为 Vr =一0.054 4A+199.34 (5) h=0.048 9A一99.726 (6) 对应的相关系数分别为0.828 7、0.826 6。这 些参数之间都存在较好的相关性,为建立计算模型 提供了依据。 4煤储层测井解释模型建立 前面已经分析,随着灰分含量的增加,补偿密 度测井值增加,补偿声波时差值降低;相反,随着固 定碳含量的增加,补偿密度测井值降低,补偿声波 时差值增加,并且都存在比较好的相关性,因此,就 可以以这两种测井曲线为基本参数,依据试验样品 对测井的响应关系,通过多元回归分析,分别建立 灰分和固定碳的测井解释模型,二者的复相关系数 均大于0.93。 18期 梁明星,等:地球物理测井在煤储层参数综合解释中的应用 5125 图4煤岩声波速度与固定碳含量关系图 图5 煤岩声波速度与灰分含量关系图 固定碳含量多元回归模型 ln =10。1341nAC+1.7541nDEN一 0.916(1nAC) 一3.397(1nDEN) 一 32.432 (7) 灰分含量多元回归模型 h=46.165DEN一0.102AC一5.931 (8) 式中,AC为补偿声波时差测井值,las/m;DEN为补 偿密度测井值,g/cm 。 根据测井上常用的体积模型法 J,可以把煤储 层看作是由固定碳、灰分、挥发分、孔隙水和吸附甲 烷等五部分构成,依据补偿密度测井和声波时差测 井就可以列出如下方程组 DEN=PFc +PA h h+Pv Vv + PwVw+PG (9) AC=AtF +△ Ash h+ v + w +△ G (10) 1=v,o+ 。h+ + Ⅳ+ (11) 式中, 为吸附甲烷含量,f;P 、P 、P 、Pw、 P。分别为固定碳、灰分、挥发分、水、甲烷气的密度, g/cm ;AtF。、AtAsh、Atv 、Atw、AtG分别为固定 碳、灰分、挥发分、水、甲烷气的声波时差, ̄ts/m。 上述方程组中 、 已求出,甲烷在地下呈 凝聚态或液态吸附在基质颗粒表面,其密度P 取 0.375 g/cm ,声波时差值△£G取757 ILts/m。固定 碳、灰分、挥发分的密度和声波时差前面的实验已 经标定,分别为PFc=1.55 g/cm 、PAsh=2.41 g/cm 、Pv =1.04 g/cm 、AtFc=432.90¨s/m、 AtAsh=287.36 gs/m、Atv =564.97 s/m。这样就 只有挥发分含量 、孔隙水含量 和吸附甲烷含 量 三个是未知数,通过解上述方程,就可以求出 三个参数。 与 之和为孔隙度, 即单位体积 的煤在地下吸附态的含气量,通过换算得到地面每 吨煤的含气量 (m /t) ,0.375 ( 2) 式(12)中,0.375(g/cm。)为地下凝聚态甲烷密度; 6.756×10 I4(g/cm )为地面甲烷气体的密度;p为 煤岩的密度(m /t),即DEN。 上述方法确定的固定碳、灰分、挥发分含量是 在整个煤储层中的比例,即各自在全部五组分中的 比例,可以通过换算求出各自在干燥煤样中的百分 含量。 5应用效果 本研究利用上述研究成果编制了一套完善的 煤储层测井解释程序,并挂接到CIFLog一体化网络 测井处理解释软件平台上 J。图6为PS矿区A井 综合测井解释成果图,与实际生产情况吻合比较 好,解释结果与实验结果对比,灰分的平均相对误 差率3.38%,固定碳平均相对误差率2.33%,挥发 分平均相对误差率7.64%,含气量平均相对误差率 3.68%,孔隙度平均相对误差率5.55%,精度较高, 可以满足生产的需要。 5140 科学技术与工程 13卷 Effects of Incidence Angle and Geometry of Elbows on the Erosion LIN Nan,LAN Hui—qing,CUI Yue,ZHAO Chao (Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,P.R.China) 『Abstract] In 0rder t0 further study the gas.solid two—phase flow in the important fitting of the gas pipelines(el— bow),and to clarify the relationship between the solid particle trajectories and the erosion,a simulation test plat— form based on the similar principle was built.The k-8 dual equations model was adopted to the gas—solid two—phase l0w simu1ation of fthe test platfonn to verify the feasibility of the simulation,and the simulation results are similar to the resuIts of the test. Furtherm0re.a detailed study on the influence of the incidence angle and geometry of the el— b0ws 0n the erosion has been done.The result shows that the incidence angle has a great influence on the erosion. The emsion rate increases with the increase of angles when the incidence angle trends to the inner wall of the el— b0w. When the incidence angle trends to the outside of the wall,the maximum erosion appears when the incidence ang1e of 15 o. In addition,the maximum erosion rate can be decreased by changing the curvature radius and the shape of the elbow. [Key words] impact angle ) ) ) p erosion solid particle trajectories \ 、 ) p elbow geometyr t ≯ (上接第5126页) 5穆思宇.测井方法在山西宁武煤田马营堡井田勘探中的应用.中 国煤炭地质,2011;(11):69—71 6李宁,王才志,刘英明,等.基于Java-NetBeans的第三代测井软 件CIFLog.石油学报,2013;(1):192—200 Application of Geophysical Logging in Parameters’Integrated Interpretation of Coal Reservoir ——Taking the Well—A in PS Mining Area as an Example LIANG Ming.xing ,SUN Wen.jie '。 (School of Earth Sciences,Northeast Petroleum University ,Daqing 163318,P.R.China; Research Institute of Petoleum Explroration and Development,PetroChina。,Beijing 100083,P.R.China School of Earth and Space Sciences,Peking University ,Beijing 100871,P.R.China) 『Abstract]The well—logging response rule of coal reservoir was determined through the analysis on the well_log‘ ging characteristic of wel1.A in PS mining area.Based on this,a series of experiments were designed and conducted on the large number of core samples from well—A.including the experiment measurement of industrial component, p0rosity,gas content,density and acoustic velocity parameters,and then the density and acoustic velocity of ifxed carb0n.ash and volatile matter were calibrated applying the enumeration method,which laid the foundation of es tablishing accurate wel1.1ogging response mode1.The coal reservoir interpretation models of industrial content,gas content and Dorosity were developed utilizing the combination of statistical analysis and theoretical model,which made this research full targeted and reliable.In addition,the coal reservoir well-logging interpretation software is pr0 ammed according to the research achievements and it achieves good results in practical applications・ [Key words] coal reservoir wel1.1ogging ifxed carbon ash content volatile