引用本文
张文雅, 刘建新, 范伟, 胡海海, 王习军, 许玉青. 长庆油田深层煤层气储层的录井分类评价[J]. 录井工程, 2024,35(2): 103-109.
ZHANG Wenya, LIU Jianxin, FAN Wei, HU Haihai, WANG Xijun, XU Yuqing. Mud logging classification evaluation of deep coal rock gas reservoir in Changqing Oilfield[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(2): 103-109.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.02.016  
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长庆油田深层煤层气储层的录井分类评价
张文雅①, 刘建新①, 范伟①, 胡海海①, 王习军②, 许玉青③
①中国石油渤海钻探第二录井公司
②中国石油华北油田公司质量安全环保监督中心
③中国石油长庆油田公司工程监督处

作者简介：张文雅 高级工程师,1973年生,2004年毕业于华东石油大学资源勘查与勘探专业,现在中国石油渤海钻探第二录井公司从事地质综合研究工作。通信地址：062552 河北省任丘市渤海钻探工程有限公司第二录井公司。电话：（0317）2701479。E-mail：zhangwenya@cnpc.com.cn

收稿日期: 2024-04-11
摘要

国内煤层气历经30年勘探开发,主要集中在1 200 m以浅煤层,随着浅层煤层气资源的逐步枯竭,深层煤层气资源的利用已成为必然趋势。鉴于深层煤层气评价在录井属于新领域,近两年针对深层煤层气多口新钻井围绕地质-工程“双甜点”评价开展技术攻关,结合之前在国内各浅层煤系气市场服务成果,通过优选适用于深层煤层气的录井技术系列,从岩性、脆性、烃源岩特性、含气性4个方面揭示储层的情况,形成了深层煤层气的录井分类评价方法。该方法已成功应用于长庆油田深层煤层气15口井评价和压裂选层方案设计,凸显了录井技术多信息综合评价的技术优势,满足了深层煤层气非常规储层勘探开发的需求。

关键词: 深层煤层气; 储层; 录井技术; 岩性; 脆性; 烃源岩特性; 含气性; 分类评价
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Mud logging classification evaluation of deep coal rock gas reservoir in Changqing Oilfield
ZHANG Wenya①, LIU Jianxin①, FAN Wei①, HU Haihai①, WANG Xijun②, XU Yuqing③
①No.2 Mud Logging Company, BHDC,CNPC, Renqiu, Hebei 062552,China
②Quality Safety and Environmental Protection Supervision Center of PetroChina Huabei Oilfield Co., Ltd., Renqiu, Hebei 062552,China
③Engineering Supervision Office of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi′an, Shaanxi 710018, China;
Abstract

After 30 years of exploration and development, domestic coalbed methane is mainly concentrated in coal seams within 1200 meters. However, with the gradual depletion of shallow coalbed methane resources, the utilization of deep coalbed gas resources has become a trend. In view of the fact that mud logging belongs to a new field in the evaluation of deep coal and rock gas, many new drills for deep coal and rock gas have been tackled in the past two years around mud logging parameter optimization and "dessert" evaluation. The mud logging technology series suitable for unconventional reservoir of coal measures is selected with the combination of previous service results in the domestic shallow coal measures gas market, and the reservoir situation is revealed from 4 aspects: lithology, brittleness, hydrocarbon source rock characteristics and gas-bearing properties. Finally, the mud logging classification and evaluation method of deep coal and rock gas is formed. This method has been successfully applied to the evaluation and fracturing layer selection scheme design of 15 deep coal-rock gas wells in Changqing, which shows the technical advantages of multi-information comprehensive evaluation of mud logging technology and meets the development needs of unconventional reservoir exploration of deep coal rock gas.

Keyword: deep coal and rock gas; reservoir; mud logging technology; lithology; brittleness; hydrocarbon source rock characteristics; gas-bearing property; classification evaluation
0 引言

在“ 双碳” 目标的推动下, 我国能源低碳绿色转型对煤层气高效开发提出了更大需求。中国深层煤层气资源总量丰富, 是非常规天然气勘探开发的重要领域。深层煤层气是指含气饱和度达到饱和或超饱和的煤层气储层, 由于深层煤层气温度高, 煤体结构完整, 裂缝系统完好, 其显著特点是储层内出现一定比例的游离气。多口深层煤层气井实测数据表明其游离气含量高, 见气快, 后期随着压力下降, 吸附气解吸, 与常规天然气储层相比具备双峰“ 接力” 的产气格局, 勘探开发潜力巨大。因此深层煤层气勘探开发已成为必然趋势[1, 2, 3, 4, 5]。

与浅部煤层气相比, 深层煤层气作为勘探接替领域, 其富集成藏受控于煤岩力学性质、深部地应力场、储层温压等多种因素, 存在地质构造复杂、目的层煤岩极易垮塌等技术难点[6], 这也造成了测井操作难度大, 资料有限等问题。而录井记录随钻过程中井筒返出岩屑等多类信息, 具有信息实时性、多样化的特点, 并且不受后期地层垮塌的影响, 在深层煤层气评价方面具有较强的优势。因此, 优选适用于深层煤层气的录井技术系列, 从岩性、脆性、烃源岩特性、含气性4个方面揭示储层的情况, 形成了深层煤层气的录井分类评价方法。

1 储层特征

鄂尔多斯盆地上古生界石炭-二叠系自下而上划分为本溪组、太原组、山西组、石盒子组和石千峰组。本溪组至山西组广泛发育煤系地层, 累计厚度80~160 m, 共划分为10套煤层。其中形成于陆相岸后沼泽环境的山西组5#煤, 厚2~6 m; 发育于滨海沼泽环境的本溪组8#煤, 厚6~16 m, 厚度大、分布稳定, 平均埋深1 500~3 500 m。煤岩镜质体反射率（Ro）为1.2%~2.4%, 总体处于高成熟阶段, 生气能力强, 是盆地古生界天然气藏的重要气源岩。深层的8#煤岩以光亮煤、半亮煤为主, 光亮煤主要分布在煤层段中上部, 煤岩结构主要为均一块状的原生结构, 有利于水平井钻探实施和后期压裂改造, 具有巨大的勘探开发前景[7, 8]。

2 录井分类评价方法

近年来, 随着鄂尔多斯盆地深层煤层气勘探不断取得突破, 录井新方法、新技术在深层煤层气领域不断应用和完善, 尤其是元素录井以及地化录井在非常规油气勘探开发领域取得了非常好的应用效果。通过运用沉积岩石学、有机地球化学等成熟理论, 结合现场录井数据进行综合分析, 围绕录井地质-工程“ 双甜点” 评价等开展技术攻关, 获得了表征岩性、脆性、烃源岩特性、含气性的各种参数; 从微观结构到宏观结构对煤岩储层进行精细刻画, 对深层煤岩进行分类评价, 实现了深层“ 甜点” 煤岩储层的精准定位。

2.1 岩性

传统录井对煤岩均采用“ 颜色+岩石类型” 的定名方法, 定名为“ 黑色煤” 。相比其他储层岩性定名原则“ 颜色+含油级别+特殊含有物+岩性” （Q/SY 01128-2020《录井资料采集处理解释规范》）, 传统煤岩定名方法较为简单, 不能体现煤岩具体特征。通过参考大量文献以及行业标准结合现场录取资料, 应用人工观察以及元素录井两种方法进行煤岩的识别, 为现场煤岩精细描述提供指导。

2.1.1 人工观察

目前, 煤岩识别方法参考依据较少, 主要通过人工观察以及现场经验来描述。人工观察主要是通过观察煤的亮度及结构等定性识别岩性, 参考国家标准GB/T 15589-2013《显微煤岩类型分类》进行划分。通过对组成煤岩的不同宏观类型分别从光泽度、硬度、脆度、断口等方面进行鉴定描述, 相同煤化程度的煤总体相对光泽强度分为光亮煤、半亮煤、半暗煤、暗淡煤4种煤岩类型（表1）。对之前单一定名为“ 煤” 的岩性进一步分类, 采用“ 颜色+含气级别+宏观煤岩类型” 复合定名法, 如“ 深黑色含气光亮煤” 。

表1 宏观煤岩类型描述内容

2.1.2 元素录井

近年来, 随着钻井技术的发展, 岩屑录井受到较大影响, 岩屑细碎甚至呈粉末状, 代表性非常差, 尤其是钻速较快的煤岩储层段表现更加明显, 加之现场人员的经验差异, 对颜色同样较深的炭质泥岩或品质不同的煤缺乏定量判定, 甚至可能造成岩性的误判, 因此传统的岩性识别方法已无法满足录井现场快速识别岩性的需要。

煤中矿物质的组成极其复杂, 包括碳酸盐、硫酸盐、金属硫化物等矿物。通过36块煤与泥岩样品的XRD矿物实验分析数据（表2）可见, 煤中含有更多的方解石、白云石等碳酸盐, 石膏、硬石膏等硫酸盐, 黄铁矿等金属硫化物。其矿物中包含的化学元素达60多种, 常见的元素有硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）、镁（Mg）、钙（Ca）、钠（Na）、钾（K）、硫（S）等[9, 10]。在煤系地层中不同岩性所对应的特征元素不尽相同, 通过元素数据对比发现：S元素是煤的标志性元素, 这与煤中包含石膏、黄铁矿、重晶石等含硫矿物有关; 砂岩包含石英、长石等矿物, 富含Si、Na等元素; 泥岩中包含高岭石等黏土类矿物, 富含Al、Fe等元素; 碳酸盐岩中包含方解石、白云石等矿物, 富含Ca、Mg等元素。根据这些岩性与矿物对应关系及其富含的特征元素, 将研究区内A井4 625~5 060 m井段划分出炭质泥岩、泥岩、灰岩、煤共4种岩性（图1）。其中, 煤的S元素含量最高, 平均为19.5%, 泥岩小于炭质泥岩, 灰岩最低（表3）; 炭质泥岩具有较高的Si、Fe、Al元素含量; 泥岩具有与炭质泥岩相同的元素特征, Si、Fe、Al元素含量相对较高; 灰岩具有较高的Ca、Mg元素含量（图2）。

表2 36块煤与泥岩样品的XRD矿物实验分析数据

图1 A井录井综合图

表3 A井深层煤岩段工程数据统计

图2 A井深层煤岩储层岩性与元素含量对应关系图

另外, 提取该段最能代表煤含量的S元素与代表黏土含量的Fe元素进行交会, 将交会曲线包络面作为指示煤含量多少的指标（图1）, 对现场岩屑人工定名同样为煤的4套储层品质进一步分类。其中, 井段4 818~4 872 m、4 915~4 937 m、4 980~5 032 m表现出含较高S元素、相对较低Fe元素的特征, 对应气测全烃高值, 煤品质较好; 井段4 674~4 770 m则表现出含相对较低S元素、相对较高Fe元素的特征, 对应气测全烃值较低, 煤品质相对较差。

2.2 脆性

2.2.1 脆性指数

深层煤层气储层物性差、孔渗性极低, 具有高脆性特性的煤岩储层在后期的压裂开采中尤为重要, 通过对其进行压裂改造后, 可以形成一定煤层气解吸区域, 进而达到增产的目的。由于煤岩与页岩在岩石力学特征方面有着本质的不同, 把通过元素计算的砂质、泥质、灰云质、煤质的含量纳入脆性矿物, 形成煤系储层脆性指数计算模型, 作为煤层压裂开发的指导参数[11, 12]。具体计算方法如下：

BI=Csi+Cco3+CmCsi+Cco3+Cm+Cth

式中：BI为脆性指数, 无量纲; Csi为硅质含量, %; Cco3为灰云质含量, %; Cm为煤质含量, %; Cth为泥质含量, %。

经计算, A井4 818~4 872 m、4 915~4 937 m、4 980~5 032 m井段脆性指数平均值分别为58.98、57.19、58.81, 脆性矿物含量较高; 而井段4 674~4 770 m脆性指数平均值为49.40, 脆性矿物含量相对较低（图1、表3）。

2.2.2 物性指数

从录井角度引入元素分析结果对储层进行物性评价。根据地球化学原理, 煤中的矿物包括各种硫酸盐、金属硫化物、碳酸盐矿物等。当煤储层中煤的含量较高时, 会导致S、Ca等元素（灰岩储层除外）含量相对较高; 砂岩中主要含石英、长石矿物, 富含Si元素; 泥岩中主要含黏土矿物, 富含Al、K、Fe元素。基于元素计算煤岩含量多少的煤岩指数（Mi）与表征物性的砂岩指数（Gi）, 结合脆性指数（BI）可为煤岩储层压裂改造提供更多依据。具体计算方法如下：

Mi=（WS+WCa）/（WAl+WFe+WK）

Gi=WSi/WFe

式中：Mi为煤岩指数, 无量纲; Gi为砂岩指数, 无量纲; WS、WCa、WAl、WFe、WK、WSi分别为S、Ca、Al、Fe、K、Si元素的含量, %。

在脆性指数较高的背景下, 具有较高煤岩指数（Mi）和砂岩指数（Gi）的井段通常具有较好的物性和可压性, 意味着储层中有更多的有效储集空间和更易于压裂的潜力, 这些井段通常被认为是工程的“ 甜点” 井段。因此, 通过合理应用煤岩指数（Mi）和对砂岩指数（Gi）进行阈值划分, 并结合脆性指数（BI）等地质参数, 可以有效地识别出深层煤岩储层中的“ 甜点” 井段, 为油气勘探和开发提供重要的决策支持。

2.3 烃源岩特性

与常规天然气藏不同, 煤层既是气源岩又是储集岩。在进行烃源岩评价时, 煤系沼泽相烃源岩岩性较湖相更加复杂, 不能简单套用一般湖相烃源岩的评价标准。煤系地层主要有黑色煤、灰黑色泥岩、灰黑色炭质泥岩和灰褐色灰岩4类烃源岩。通常将地化录井检测的岩石热解数据及其衍生参数相结合来划分有机质丰度, 判断有机质成熟度, 识别烃源岩类型。

从A井4 625~5 060 m井段这一套煤系烃源岩看, 煤的产烃潜量（Pg）、氢指数（HI）和总有机碳含量（TOC）相对最高, 炭质泥岩高于泥岩, 灰岩相对较低（表4）, 但对照评价标准均达到中-好烃源岩标准[13]。应用地化数据进一步分类：井段4 818~4 872 m、4 915~4 937 m、4 980~5 032 m的Pg均值为16.78~18.63 mg/g, HI均值为520~741 mg/g, 有机质丰度较高, 生烃潜力强; 井段4 674~4 770 m的Pg均值为8.62 mg/g, HI均值为483 mg/g, 有机质丰度相对较低, 生烃潜力相对较弱。表征有机质成熟度的Tmax整体介于450~512 ℃之间, 一般大于455 ℃, 主要处于高成熟-过成熟阶段, 热演化程度高, 生烃能力强。

表4 A井深层煤岩段烃源岩与含气性数据统计
2.4 含气性

由于煤体结构完整, 裂缝系统完好, 深层煤层气的显著特点是储层内出现一定比例的游离气。煤层气赋存状态有3种：吸附在表面上的吸附气、分布在煤孔隙及割理间的游离气、溶解在煤层水中的溶解气。由于溶解气占极少部分, 本文不做统计。

从研究区内T 11井煤岩取心段系列录井参数与含气量相关参数绘制散点矩阵图（图3）来看, 表征含气性的全烃与S元素和S1、Pg、TOC呈现正相关性, 与Al、Fe元素及Tmax呈现负相关性; 从中优选与煤岩游离气量相关的气测全烃、岩石热解S1和表征吸附气含量的Pg、TOC等关键地化参数, 以及元素录井中表征煤含量的S元素, 对煤系储层含气性进行综合分类。

图3 T 11井录井参数与含气量相关参数散点矩阵图

从气测全烃结合地化、元素数据来看, 该井井段4 818~4 872 m、4 915~4 937 m、4 980~5 032 m的煤岩储层含气性明显好于井段4 674~4 770 m（表4）, 可定义为该井煤岩储层的地质“ 甜点” 段（图1）。

2.5 综合评价

综上, 从岩性、脆性、烃源岩特性、含气性4个方面建立深层煤层气Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 类储层录井分类评价标准（表5）, 为深层煤层气“ 甜点” 优选以及压裂选层提供一定依据。对综合评价为Ⅰ 类层的4#层4 818~4 872 m、6#层4 915~4 937 m、8#层4 980~5 032 m, 以及综合评价为Ⅱ 类层的2#层4 674~4 770 m进行试气, 获日产气量5.6× 104 m3。与地质-工程双“ 甜点” 段分类识别结论相符（图1）。

表5 深层煤层气Ⅰ 类、Ⅱ 类、Ⅲ 类储层录井分类评价标准
3 应用分析

在新钻深层煤层气M井应用“ 综合录井+元素录井+地化录井” 技术系列, 开展深层煤层气储层分类评价, 从岩性、脆性、烃源岩特性、含气性4个方面综合分析, 共评价Ⅰ 类层2层、Ⅱ 类层1层、Ⅲ 类层2层。对评价为Ⅰ 类层的1#、6#层和Ⅱ 类层的5#层提出试气建议并被采纳, 最终试气获日产气13× 104 m3, 充分验证了上述理论判定方法的可操作性和准确性。目前, 该技术已成功应用于长庆油田15口深层煤层气井的单井评价和压裂选层方案设计工作, 凸显了录井技术多信息综合评价的技术优势, 满足了深层煤层气非常规储层勘探开发的需求。

图4 M井录井综合图

4 结论

应用录井新技术、新方法, 针对录井地质-工程“ 双甜点” 评价等开展技术攻关, 优选适用于深层煤层气非常规储层的“ 综合录井+元素录井+地化录井” 技术系列, 从岩性、脆性、烃源岩特性、含气性4个方面揭示储层的情况, 优选系列参数进行计算, 绘制曲线并划分阈值进行地质-工程“ 双甜点” 判断, 形成了深层煤层气储层录井分类评价方法。应用这种方法加快了分析速度, 在纵向及横向上具有可对比性, 为深层煤层气储层评价、水平井导向、工程参数的优选及压裂选层提供可靠依据和技术支撑, 满足了深层煤层气勘探开发需求。

由于不同地质条件下、不同的埋深、不同主力产气层其源储配置条件并不相同, 在该研究区形成的深层煤层气录井评价方法并不能完全复制, 在具体参数优选及“ 甜点” 评价方面仍需不断探索, 最终形成满足研究区自身地质条件的适用性技术。

编辑 孔宪青

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