于東方 姚海鵬，2 林海濤 李 玲

（1.內蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000；2.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

0 引言

氣測錄井是油氣勘探中發(fā)現并評價油氣層的重要技術手段。因此，氣測錄井分析方法直接關系到油氣層綜合解釋符合率，也是國內外錄井技術領域研究的熱點?？傮w來看，氣測錄井分析主要包括氣測數據影響因素分析、定性或定量解釋兩個層面。單元偉、王江濤［1-2］從地質和工程因素闡述了氣測資料的影響因素；趙洪權［3］通過模擬實驗建立了井口和泥漿槽鉆井液與全脫分析數據之間的關系；曹鳳?。?］指出氣測主要受鉆頭直徑、鉆頭類型、鉆壓、轉盤轉速等工程因素的影響，并提出了鉆頭直徑和鉆時影響的校正方法；王剛［5］等分析了鉆井液密度和黏度對氣測全烴值的影響規(guī)律；常凌霄［6］從鉆井工程和設備等方面提出了減少影響氣測數據的措施；紀偉［7］等根據氣測曲線形態(tài)劃分了4種類型的儲集層；李祖遙［8］等利用三角形圖解法、皮克斯勒法進行氣測錄井解釋；趙陳［9］等根據氣測組分資料建立了油氣層識別圖版；董國富［10］等利用甲烷指數、全烴異常指數、烴組分指數等進行油氣定量解釋；范金花、趙南［11-12］等優(yōu)選出油氣敏感參數，建立解釋模型進行油氣識別和評價。上述氣測分析方法主要是用于常規(guī)油氣層，常規(guī)油氣層儲層為砂巖，而對于煤儲層，尤其是低煤階煤儲層，由于煤儲層和砂巖儲層在物理性質上的極大差異，并不完全適用。近年來，煤層氣勘探熱點由以高煤階為主逐步向中低煤階過渡，勘探區(qū)域也由山西省擴展到內蒙古、新疆等地區(qū)。為了提高低煤階煤層氣的勘探開發(fā)效率，降低勘探風險，開展煤儲層氣測錄井分析方法及其應用的研究十分必要。

1 地質概況

二連盆地巴彥花凹陷是低煤階煤—褐煤發(fā)育的典型代表區(qū)，該地區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)工作具有重要的示范意義。

1.1 地質條件

巴彥花凹陷行政隸屬于內蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗白音花鎮(zhèn)，面積為710.24 km2；位于烏尼特斷陷帶，總體為北東走向的向斜構造，發(fā)育次一級構造，有一個向斜、一個背斜，規(guī)模均較??；區(qū)內斷層較發(fā)育，以平行于向斜軸走向的NE向斷層為主，有10條可靠斷層、11條較可靠斷層，均為正斷層（圖1）。區(qū)內出露的地層由老至新主要有上侏羅統(tǒng)（J3）、下白堊統(tǒng)大磨拐河組（K1d）、古近系（E3）、新近系（N2）及第四系（Q）。上侏羅統(tǒng)構成含煤巖系基底。

圖1 巴彥花凹陷構造綱要圖

含煤巖系為下白堊統(tǒng)大磨拐河組（K1d），地層厚度介于76.20～909.10 m，平均為440.90 m，該組為一套陸相碎屑沉積，巖性組合以灰、灰白、深灰色粉砂巖、泥巖為主，次為淺灰、灰綠色砂巖、砂礫巖，上部含主要煤層，含大量植物化石，但大部分保存不完整，呈碎片狀，且已炭化。煤層主要發(fā)育于中段和上段。研究區(qū)大磨拐河組（K1d）整體含煤性好，共發(fā)育7個煤組、24層煤，煤層累計厚度平均值為34.70 m?？刹擅簩?3層，其中大部可采煤層為5-1、5-2、6-1、6-4、6-7煤層，局部可采煤層為5-3、5-4、5-5、6-2、6-3、6-5、6-6、6-8煤層，可采煤層累計厚度平均值為22.53 m。區(qū)內煤變質程度較低，最大鏡質組反射率介于0.37%～0.59%，為褐煤和長焰煤。

1.2 煤層氣勘探部署情況

為了推動內蒙古低煤階煤層氣的勘探開發(fā)進程，內蒙古地質勘查基金項目管理中心牽頭組織科研技術團隊，初步優(yōu)選了巴彥花凹陷煤層氣資源目標區(qū)，并聯合內蒙古非常規(guī)天然氣工程技術研究中心，部署施工了煤層氣X探井。該井鉆穿所有煤層，按照規(guī)范和設計要求進行了綜合錄井和測井，采用套管完井，截至目前，已經圍繞該井部署了小井組，準備進行排采試驗。X探井氣測錄井采用上海神開石油化工裝備股份有限公司生產的SK3000綜合錄井儀器，獲取的氣測參數主要包括全烴值、烴組分、非烴組分。氣相色譜儀分析周期設置為35 s，記錄頻率為1點/m，含氣性異常段進行加密。在開工前，用標準混合氣體樣和甲烷標準氣樣分別對烴組分和全烴值標定2次，誤差小于3%，且在施工過程中，每一次接單根做一次儀器測量井深校正，滿足錄井規(guī)范要求［13-14］。

2 氣測錄井分析

氣測資料解釋是錄井分析工作的核心，選用適宜的參數和方法，總結氣測響應規(guī)律，發(fā)現氣層并優(yōu)選排序，為選層壓裂等后續(xù)工作提供地質依據。

2.1 含氣層段氣測一般響應特征

X探井鉆遇地層自上而下為第四系、新近系、古近系和下白堊統(tǒng)大磨拐河組，其中大磨拐河組為含煤地層，共鉆遇36層煤，累計厚度達到了78.85 m。氣測錄井顯示非含煤地層未發(fā)生氣測異常，大磨拐河組共發(fā)現了氣測異常層段20個，主要表現為全烴值和CH4含量呈現明顯升高，6-3煤層（井深621 m處）全烴值和CH4含量最大，分別為11.85%、10.08%。綜合鉆時、巖心巖屑、測井等資料，確定了上述20個氣測異常層段相對應的巖性及其深度，包括煤層段15個、非煤層段5個。X探井典型含氣層段氣測異常響應特征如圖2所示，從圖2可知，煤層氣測異常峰值一般高于非煤層，厚煤層的氣測曲線多呈箱形、階梯形，而薄煤層的氣測曲線常見尖峰狀，結構復雜、含多層夾矸的煤層氣測曲線常以“耳朵狀”為特征。非煤層段含氣層巖性以粉砂巖、細砂巖為主，且位于煤層附近。

圖2 X井含氣層段氣測異常響應特征圖

2.2 烴組分特征

煤層氣組分特征與煤階緊密相關，但無論是哪個煤階，有機質熱解生成的烴類氣體氣成分均以CH4為主，只是重烴含量會有不同程度的變化。在褐煤至長焰煤階段，重烴含量小于4%，在長焰煤至焦煤階段，重烴含量較高，可占10%～20%。巴彥花凹陷煤層變質程度受埋深影響較大，自上而下由低變質褐煤演化為長焰煤，處于有機質熱解演化的貧氣階段，生成的烴類氣體中CH4占絕對優(yōu)勢，氣測和氣體組分測試分別得出的CH4含量均在95%以上，但氣測數據計算出的氣體干度總體偏?。▓D3），且受鉆井液、工程、錄井儀等因素影響，波動較大，這也是氣測在組分分析方面的局限性，僅供參考。

圖3 X井氣體干度指標分布圖

2.3 含氣層段評價

1）計算“Q”值解釋

三角形圖解法是錄井資料評價油氣層的重要方法之一，何宏［15］等通過研究三角形圖解法的數學關系，簡化了計算過程，只需要計算Q值即可判斷儲集層的流體性質。X井各氣測異常段“Q”值分布情況如圖4所示，從圖4可以看出，各氣測異常層段Q值均介于0.75～1.00，落在圖解法中的“大正三角形”內，流體性質解釋為氣層，取煤樣解吸，含氣量確實較高，這種解釋方法得到的結果與實際情況相符合。

圖4 X井氣測異常層段“Q”值分布特征圖

2）氣測參數解釋

目前油氣層解釋常用的氣測參數主要有全烴增量和烴基比，即錄井直接得到的全烴值經鉆時、鉆井液、排量等因素矯正之后［16-18］，分別與氣測背景值的差和比。X井各含氣煤層全烴增量、烴基比與含氣量關系如圖5所示，從圖5可知，全烴增量變化較大，介于1.90%～8.60%，平均為3.78%；烴基比變化也較大，介于3.62～14.20，而實測含氣量波動較小，并且其變化趨勢與烴基比、全烴增量均不一致，沒有明顯的正相關性，這與常規(guī)油氣解釋的結果不同。因此，單純的全烴值和烴基比值不能像在常規(guī)油氣解釋一樣地應用在低煤階煤層氣勘探中，不能僅因為全烴值異常程度高或烴基比大而認為其含氣性更好，但可以把全烴值異?；驘N基比作為具有指示意義的重要參數。

圖5 X井各含氣煤層全烴增量、烴基比與含氣量關系圖

3）含氣層段分類

全烴和烴基比盡管不能完全說明含氣性的強弱，但氣測響應依然是含氣性的重要指標［19］，而儲層厚度則在一定程度上影響了煤層氣資源量的大小。因此，綜合氣測全烴值、實測含氣量及儲層厚度（圖6）將15個含煤氣層劃分為煤層氣資源目標層、有利層及遠景層。將全烴值大于4%，實測含氣量大于2 m3/t，厚度大于5 m的5-2煤、5-5煤、6-7煤、6-8煤劃為目標層，把全烴值大于2%且小于4%，實測含氣量大于2 m3/t，厚度大于2 m且小于5 m的5-3煤、6-1煤、6-3煤、6-5煤及6-6-2煤劃為有利層，其他含氣層劃為遠景層。

圖6 X井各含氣煤層實測含氣量、全烴值、厚度分布圖

X井發(fā)現的5個非煤含氣層段編號分別為1號、2號、3號、4號、5號層，其巖性組合、氣測等特征如表1所示。非煤含氣層段均未進行含氣量實測，但全烴值異常高，其中2號、3號和5號層段均鄰近煤層，1號和4號層段夾有薄煤層，各層段厚度均不大，平均為2.28 m，埋深介于930～1 040 m，其巖性為細砂巖、砂質泥巖、碳質泥巖、泥巖，一般為頂底的薄煤層包圍，呈“三明治”型，或者夾有薄煤層。總體來說，具備一定的煤系砂巖氣資源條件，但受限于儲層厚度，其資源規(guī)模有限，若單獨開發(fā)煤系氣，其經濟可行性有待進一步研究，因此均劃為遠景層。2號層段與目標含煤氣層5-5鄰近，可以考慮煤系砂巖氣與煤層氣合采，需要進一步結合巖石力學、儲層壓力及含水性等數據支持。

表1 X井非煤含氣層段特征表

2.4 基于氣測成果的勘探開發(fā)方案

1）開發(fā)層段優(yōu)選

巴彥花凹陷氣測錄井成果顯示，煤層氣資源主要富集于5-2、5-3、5-5、6-1、6-3、6-7、6-8煤層中。但經濟性是煤層氣勘探開發(fā)最重要的考慮因素之一，埋深越大，對經濟技術上的要求越高。根據煤層氣資源規(guī)范［20］，1 000 m以淺，地質儲量要求單井產能在1 000 m3以上，隨著埋深的增加，地質儲量計算下限標準也提升，1 000 m以淺層段的煤層氣開發(fā)是更有經濟意義的選擇。5-2、5-3、5-5煤層埋深介于903～973 m。因此優(yōu)先考慮將5-2、5-3、5-5煤層作為開發(fā)層段。

2）開發(fā)方式

巴彥花凹陷煤層單層厚度薄，為了最大可能地獲得煤層氣單井產能，就需要在開發(fā)地質條件允許的前提下盡可能采用多煤層合采的方式。5-2、5-3煤層的間距為3.5 m，層間為碳質泥巖、砂巖、泥巖，這兩個含氣層段可以考慮合層開采，為了使兩層有效連通，5-3、5-2煤層底板、5-2煤層中部和頂部進行射孔壓裂施工。5-4煤層與5-5煤層的間距為2.9 m，層間以泥巖為主，對5-5煤層中部和頂板進行射孔壓裂，使5-4、5-5煤層連通，當然這種合層開采的方式還需要進一步結合壓力系數、煤巖力學、煤體結構變化等參數的具體研究支持。5-3煤層與5-4煤層間距超過20 m，且5-4煤層與5-3煤層之間為砂巖層，測井解釋含水性較強。因此不宜將5-4、5-3煤層合層開發(fā)。

3 結論

1）X井氣測發(fā)現20個含氣層段，包括15個含煤氣層和5個非煤氣層。氣測曲線形態(tài)與儲層巖性、厚度有關，煤層氣測異常峰值一般高于非煤層，厚煤層的氣測曲線多呈箱形、階梯形，薄煤層的氣測曲線常見尖峰狀，結構復雜、含多層夾矸的煤層氣測曲線常以“耳朵狀”為特征，非煤含氣層巖性以粉砂巖、細砂巖為主，且位于煤層附近。

2）研究區(qū)總體煤變質程度較低，含氣層中的氣體組分以CH4為主，氣測顯示氣體干度指標在95%以上。

3）X井氣測的全烴增量和烴基比與實測含氣量均沒有明顯的正相關關系，但運用三角形圖解法或者“Q”值計算法進行流體性質評價是有效而符合實際情況的，因此，常規(guī)油氣氣測解釋方法應用在低煤階煤層氣勘探中時未必有效，需要進行綜合判斷。

4）綜合考慮全烴、含氣量及氣層厚度等因素，對20個含氣層進行了優(yōu)選排序，選出煤層氣資源條件好的目標層為5-2、5-5、6-7和6-8煤層，但是基于氣測成果和經濟效益最大化的考慮，提出將1 000 m以淺的5-2、5-3煤層合層改造，5-4、5-5煤層合層壓裂的開發(fā)方案。