基于巖石物理分析的煤系地層測井曲線擴(kuò)徑影響校正*
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王小玄1 肖程釋2 鄭翔天1
（1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083;
2．東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省大慶市，163318）
摘 要 山西沁水煤田南部煤層氣儲層主力煤層段井眼擴(kuò)徑與垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，密度與聲波測井曲線受井眼環(huán)境影響較大。針對該問題首先采用統(tǒng)計(jì)方法分析了研究區(qū)主力煤層的井眼擴(kuò)徑與密度、聲波測井響應(yīng)失真的關(guān)系，然后基于研究區(qū)受擴(kuò)徑影響較小的測井資料與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析資料結(jié)合巖石物理分析方法對測井資料進(jìn)行校正。利用校正后的測井曲線進(jìn)行井一震標(biāo)定后的結(jié)果與煤巖地層物性匹配較好，為煤層氣儲層預(yù)測提供可靠測井資料。
關(guān)鍵詞 煤系地層 煤層氣 密度測井 聲波測井 擴(kuò)徑校正
中圖分類號P631. 81
煤巖密度測井響應(yīng)值相比其他沉積巖較低。密度測井是識別煤層與劃分煤層厚度的重要方法，同時聲波對煤層含氣量響應(yīng)比較敏感，當(dāng)煤層含氣時，聲波時差曲線由于周波跳躍現(xiàn)象會明顯增大。然而煤層的機(jī)械強(qiáng)度低，在鉆進(jìn)過程中容易造成井眼垮塌，擴(kuò)徑現(xiàn)象嚴(yán)重，井壁周圍凹凸不平，這樣就使得密度與聲波測井曲線響應(yīng)發(fā)生不同程度的畸變，若不進(jìn)行擴(kuò)徑校正，勢必會影響煤層氣儲層預(yù)測的精度。但是諸多針對常規(guī)地層的測井曲線擴(kuò)徑校正方法在煤系地層應(yīng)用均有局限性。鑒于此，本文在準(zhǔn)確劃分煤層段厚度的基礎(chǔ)上，從剖析研究區(qū)內(nèi)煤系地層擴(kuò)徑率與密度、聲波測井曲線的內(nèi)在關(guān)系出發(fā)，結(jié)合室內(nèi)煤巖巖石物理實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，查明擴(kuò)徑對密度與聲波測井響應(yīng)值的影響。然后利用巖石物理參數(shù)正演分析的方法建立研究區(qū)內(nèi)煤系地層的巖石物理模板來校正密度與聲波測井曲線，并制作合成地震記錄驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，這種方法物理意義明確，計(jì)算精度較高。
1 擴(kuò)徑對密度與聲波測井影響分析
煤層在測井曲線上的響應(yīng)與其成巖過程中的物理化學(xué)成分變化有關(guān)。煤巖在熱演化過程中產(chǎn)生大量的煤層氣與水分，含氫指數(shù)非常高，總體上煤層測井響應(yīng)特征為“三高二低”，即電阻率高、聲波時差較高、中子測井值高，自然伽馬低、體積密度低。圖1為研究區(qū)內(nèi)主力煤層段的測井曲線組合圖。圖中第一列分別為自然伽馬(GR)、自然電位(SP)、井徑曲線(CAL)，第二列為深度道，第三列分別為孔隙度(POR)、噸煤含氣量、深側(cè)向電阻率( RD)、沖洗帶電阻率(RXO)測井曲線，第四列分別為密度( DEN)、補(bǔ)償中子(CNL)、聲波時差( AC)測井曲線，第五列為根據(jù)測井曲線計(jì)算的巖性。由圖可見井徑曲線在主力煤層段（X60- X70之間）擴(kuò)徑明顯，密度最低值僅為1.115g/cm3，其他測井曲線均有不同程度的畸變，無法反映煤層段真實(shí)情況。這種現(xiàn)象在研究區(qū)內(nèi)煤巖地層相當(dāng)普遍，給煤層氣儲層預(yù)測工作造成困難。
1.1密度與聲波巖石物理實(shí)驗(yàn)值與測井實(shí)測值比較
為了查明研究區(qū)內(nèi)井眼垮塌擴(kuò)徑對煤系地層密度與聲波測井響應(yīng)的影響，首先對研究區(qū)內(nèi)幾口鉆井取芯獲得的主力煤層段的煤巖樣品在室內(nèi)進(jìn)行巖石物理實(shí)驗(yàn)分析，將獲得的密度值與聲波時差值作為該層段的真實(shí)值，剔除煤層內(nèi)夾矸的影響。然后對煤巖樣進(jìn)行深度歸位提取對應(yīng)深度點(diǎn)處的實(shí)測密度與聲波響應(yīng)值，并利用直方圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2、圖3所示。
由圖2、圖3不難看出研究區(qū)內(nèi)Q2井為聲波時差測井響應(yīng)為異常高值，密度測井響應(yīng)為異常低值，與巖石物理實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果相差較遠(yuǎn)。與井徑曲線比對后發(fā)現(xiàn)，在煤巖樣對應(yīng)深度段有明顯擴(kuò)徑，測井曲線受擴(kuò)徑影響較大。通過與02井類比發(fā)現(xiàn)Q3、Q4井也存在類似現(xiàn)象，測井曲線實(shí)測值受到不同程度的擴(kuò)徑影響。前人研究結(jié)果表明：密度的巖石物理實(shí)驗(yàn)實(shí)測值與煤的變質(zhì)程度并無特別相關(guān)性，所以可以排除煤質(zhì)對密度曲線的干擾。當(dāng)井眼垮塌時，體積密度測井值會偏低。圖2中Q2、Q3、Q4井（Q4井8號煤樣對應(yīng)深度段有擴(kuò)徑現(xiàn)象，9號煤樣對應(yīng)深度段擴(kuò)徑不明顯）就是這種情況。1號樣品與12號樣品實(shí)測密度測井值偏高，經(jīng)過比對其巖性解釋成果發(fā)現(xiàn)該深度點(diǎn)對應(yīng)夾矸層，并非純煤巖地層，夾矸巖性一般為砂巖或泥巖層，密度比煤巖層高。在擴(kuò)徑影響較小井段，煤巖物理實(shí)驗(yàn)值與測井實(shí)測值基本一致。
1.2煤巖段測井曲線失真影響因素分析
測井曲線受井眼條件影響主要來源于兩方面：一是泥漿液的影響；二是井壁幾何形狀變化的影響。密度測井記錄的是地層散射伽馬強(qiáng)度，當(dāng)探測深度過深時，地層受到泥漿液或泥餅的侵入，浸泡時間過長會引起地層蝕變。煤巖地層埋深一般較淺，所以受到泥漿蝕變影響較小。但是煤巖孔隙中填充有地層水，與測井泥漿液的礦化度差異過大會使測井讀數(shù)不準(zhǔn)確，這時候選取礦化度與地層水相近的泥漿液很重要。另外，實(shí)際井眼環(huán)境坍塌造成井壁不規(guī)則，坍塌造成井眼橫剖面直徑擴(kuò)大，若井內(nèi)泥漿進(jìn)入擴(kuò)徑井段，并不能正確反映地層特性，這時候測出的測井?dāng)?shù)據(jù)與泥漿液參數(shù)相近。擴(kuò)徑段的煤巖地層聲波時差會異常增大，密度值則會偏小，趨近于泥漿的密度值。聲波測井響應(yīng)值會增大，密度測井響應(yīng)值變小。
2基于巖石物理分析方法測井曲線擴(kuò)徑影響校正
煤層段組成成分是復(fù)雜的化合物混合，宏觀上的煤層認(rèn)為是各向同性介質(zhì)，可以使用Voigt-Ruess-Hill模型（VRH模型）構(gòu)建煤層段的等效介質(zhì)模型。煤層氣儲層為雙孔介質(zhì)儲層，存在原生孔隙與割理系統(tǒng)，煤巖石骨架孔隙中填充流體是由許多種成分構(gòu)成的，實(shí)際上未受擴(kuò)徑影響的煤巖密度與煤巖的聲波時差所得的煤巖縱波速度有比較強(qiáng)的相關(guān)性，如圖4所示。
Voigt基于礦物等應(yīng)變平均模型，模型給出上限估算式為：
式中：M v--------煤巖等應(yīng)變混合介質(zhì)的骨架彈性模量，G Pa;
f i——煤巖第i個介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；
M i——第i個介質(zhì)的彈性模量，G Pa。
R euss下限估算式為：
式中：MR-------煤巖等應(yīng)力混合介質(zhì)的骨架彈性模量，G Pa;
Hill平均估算法利用上、下限估算的平均值求出需要的彈性模量，表達(dá)式如下：
式中：M VRH --------等應(yīng)變與等應(yīng)力混合介質(zhì)骨架彈性模型的平均值，G Pa。
VRH模型計(jì)算煤巖地層骨架等效彈性模量K ma、μma計(jì)算式：
式中：K ma和μma-- ----VRH模型求出的煤巖地層骨
架等效體積模量與剪切模量，G Pa;
K v和μv-------Voigt等應(yīng)變模型求出的體積模量與剪切模量，G Pa;
KR和μR-------Ruess等應(yīng)力模型求出的體積模量與剪切模量，G Pa。
利用未受到擴(kuò)徑影響的測井曲線，結(jié)合Biot--G assmann模型推算飽含流體的煤巖體積模量、剪切模量：
式中：K------飽含流體的煤巖體積模量，G Pa;
K d——干巖石骨架體積模量，G Pa;
K f------煤巖孔隙填充流體體積模量，G Pa;
Km——煤巖中所含固體礦物體積模量G Pa;
G-飽含流體的煤巖剪切模量，G Pa;
G d------干巖石骨架剪切模量，G Pa;
巖石彈性模量通常分布在VRH模型估算的區(qū)間內(nèi)，當(dāng)測井實(shí)測的密度與聲波時差數(shù)據(jù)超過構(gòu)建模型的上下限時即需要校正。利用煤巖巖石物理參數(shù)結(jié)合未受到擴(kuò)徑影響的測井曲線數(shù)據(jù)構(gòu)建的Voigt與R uess上下限校正模型如圖5所示。
由圖5可以看出超出模型的上下限的測井響應(yīng)值可以認(rèn)為是受擴(kuò)徑影響的異常值，實(shí)際上由Voigt模型確定的上限很少有樣本點(diǎn)能達(dá)到，仍需結(jié)合前人研究成果選取數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的井段建立密度曲線校正公式：
式中：p-------煤巖地層密度；
a，b，c--------煤系地層資料統(tǒng)計(jì)系數(shù)；
V p——由聲波時差測井計(jì)算的地層縱波速度。
研究區(qū)主力煤層段主要以貧煤、貧瘦煤、無煙煤為主，圍巖巖性主要為砂巖與泥巖。表1為根據(jù)文獻(xiàn)整理的建立測井曲線擴(kuò)徑校正巖石物理模型彈性參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。
將表中基質(zhì)礦物的彈性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值帶入上文建立的煤系地層巖石物理模型中，可以得到研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)a為-0. 0000002，b為0.0019，c為一2. 122。
另外聲波時差的校正公式可以采用Faust公式，由于深側(cè)向電阻率測井是貼合井壁測量，可以認(rèn)為幾乎不受不規(guī)則井眼的影響。在剔除儲層中流體的影響情況下，計(jì)算的縱波速度代替井眼影響的實(shí)測聲波時差值：
式中：K、C d------參數(shù)，屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，同一套沉積煤系地層參數(shù)為固定值；
H-------深度；
R t——為電阻率。
Faust公式適用條件為電阻率曲線與聲波曲線具有良好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系的地層，研究區(qū)內(nèi)主力煤系地層沉積環(huán)境穩(wěn)定，煤巖頂?shù)装宄练e泥巖層與砂巖層井間對應(yīng)關(guān)系較好，基本滿足Faust公式適用條件。在忽略泥漿對研究區(qū)地層蝕變影響情況下，K，C d取值與聲波時差和深側(cè)向電阻率的取值無關(guān)，所以可以使用Faust公式校正聲波時差曲線。實(shí)際的K，C d值求取需要利用研究區(qū)內(nèi)多口未受擴(kuò)徑影響的井測井資料，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算。這里僅列出一口井為示例，具體求取方法見表2。選取煤層段內(nèi)某一深度點(diǎn)H以及±0. 05m對應(yīng)的聲波時差測井值A(chǔ)t、深側(cè)向電阻率測井值R t以及關(guān)系式：
以上分別帶入式(11)中，三式聯(lián)立可以解出K、C d的一組值，選取不同的H解出多組值后計(jì)算平均值。然后，對研究區(qū)內(nèi)未受擴(kuò)徑影響的多口井相同煤層段均進(jìn)行相同的計(jì)算，并計(jì)算平均值。所得最終平均值即為研究區(qū)內(nèi)煤系地層的K、C d值。
3應(yīng)用實(shí)例分析
基于巖石物理模型確定了研究區(qū)內(nèi)測井資料的上下限后，并利用上述密度與聲波時差校正公式對工區(qū)內(nèi)Q2井受擴(kuò)徑影響的測井曲線進(jìn)行了校正（見圖6）�？蝮w內(nèi)為主力煤層段測井曲線的校正成果，DEN對應(yīng)原始密度曲線，AC對應(yīng)原始聲波時差曲線，RDEN、RAC曲線為經(jīng)過校正后的測井曲線。
然后分別用原始的測井曲線與校正后的測井曲線進(jìn)行井一震標(biāo)定，制作合成地震記錄。圖7為研究區(qū)內(nèi)受擴(kuò)徑影響較嚴(yán)重的曲線校正后制作的合成地震記錄與原始井旁地震道對比。圖中框體內(nèi)為研究區(qū)內(nèi)主力煤層的地震響應(yīng)，煤層的波阻抗較低，在地震剖面上表現(xiàn)為明顯的強(qiáng)軸�？梢钥闯鲈穹c井旁地震道實(shí)際振幅不匹配，校正后的數(shù)據(jù)制作的合成地震記錄與井旁道匹配效果得到了極大的改善。
4結(jié)論
煤系地層井眼垮塌現(xiàn)象造成了嚴(yán)重的測井曲線響應(yīng)失真。如果不進(jìn)行必要的擴(kuò)徑校正，測井曲線就喪失了其應(yīng)用于煤層氣勘探的意義。通過以上論述，使用巖石物理分析的方法對測井曲線進(jìn)行校正，能很大程度的改善測井資料的品質(zhì)，提高井震標(biāo)定的精度。該方法適用于其他煤系地層，較好地解決了煤系地層井震標(biāo)定成果與井旁地震道不符的問題，為煤層氣勘探開發(fā)提供可靠的測井資料。
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