引用本文
闻竹, 孙凤兰, 郑春生, 倪海俊, 李英贤. 综合录井技术在黄骅坳陷乌马营聚煤带深层煤岩气勘探中的应用[J]. 录井工程, 2024,35(4): 68-76.
WEN Zhu, SUN Fenglan, ZHENG Chunsheng, NI Haijun, LI Yingxian. Application of compound logging technology to deep coal-rock gas exploration in Wumaying coal accumulation belt of Huanghua Depression[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(4): 68-76.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.04.011  
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综合录井技术在黄骅坳陷乌马营聚煤带深层煤岩气勘探中的应用
闻竹, 孙凤兰, 郑春生, 倪海俊, 李英贤
中国石油渤海钻探第一录井公司

作者简介：闻竹 工程师,1992年生,2018年毕业于西南石油大学地质工程专业,硕士学位,现在中国石油渤海钻探第一录井公司从事综合解释评价及地质研究相关工作。通信地址：300280 天津市滨海新区大港油田三号院团结东路第一录井公司。电话：13752483386。E-mail：wenzhu@cnpc.com.cn

收稿日期: 2024-07-15
摘要

随着勘探开发的不断深入,深层煤岩气已逐渐成为勘探的主要对象之一。黄骅坳陷乌马营聚煤带深层煤岩气未来可能成为大港油田实现产能接续的重要领域,然而该区域的煤岩气勘探录井技术尚无经验可循,随钻录井评价尚属盲区,为此,通过分析黄骅坳陷乌马营聚煤带7口井山西组和太原组煤系地层的多项录井技术数据,总结技术特征,初步形成了煤岩品质、含气品质、烃源岩特性、荧光特性随钻录井评价方法。该方法在研究区石炭-二叠系煤系地层综合评价应用中表征较好,为黄骅坳陷深层煤岩气下步勘探部署提供了有力地质依据。

关键词: 深层煤岩气; 乌马营聚煤带; 录井技术; 黄骅坳陷; 随钻评价
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Application of compound logging technology to deep coal-rock gas exploration in Wumaying coal accumulation belt of Huanghua Depression
WEN Zhu, SUN Fenglan, ZHENG Chunsheng, NI Haijun, LI Yingxian
No.1 Mud Logging Company, BHDC, CNPC, Tianjin 300280, China
Abstract

As exploration and development progress, deep coal-rock gas has gradually become one of the main targets for exploration. The deep coal-rock gas in the Wumaying coal accumulation belt of the Huanghua Depression may become an important region for sustaining production capacity in the Dagang Oilfield in the future. However, there is no existing experience in mud logging technology for coal-rock exploration in this region, the evaluation of mud logging while drilling is still blind area. Therefore, by analyzing the data of the multiple mud logging techniques of the Shanxi Formation and Taiyuan Formation coal measure strata from 7 wells in the Wumaying coal accumulation belt of Huanghua Depression, and summarizing the technical characteristics, the method of evaluation while drilling for coal-rock quality, gas bearing quality, characteristics of source rocks and fluorescence was initially formed. The method is well characterized in the comprehensive evaluation of Carboniferous-Permian coal measure strata in the study region, which provides favorable geological basis for the next exploration and deployment of deep coal-rock gas in Huanghua Depression.

Keyword: deep coal-rock gas; Wumaying coal accumulation belt; mud logging technology; Huanghua Depression; evaluation while drilling
0 引言

在“ 双碳” 目标的推动下, 深层煤岩气作为继致密气、页岩气之后天然气稳产、上产最重要的接替领域之一, 其勘探开发对于推动天然气增长具有重要意义。近年来, 中国石油在大宁-吉县、鄂尔多斯盆地中东部、渤海湾盆地黄骅坳陷等区块相继开展深层煤岩气勘探工作, 中油煤、长庆油田、新疆油田等油（气）田在深层煤岩气勘探开发中均取得了重大突破。

前期勘探成果表明, 石炭-二叠系含煤地层是渤海湾盆地重要的油气勘探层系, 上古生界多次取得突破性的勘探成效, 例如黄骅坳陷乌马营潜山以及孔店潜山均获得高产油气流, 证实石炭-二叠系煤系烃源岩生烃能力较强, 具有广阔的勘探前景[1, 2, 3]。黄骅坳陷石炭-二叠系烃源岩主要为煤、炭质泥岩以及泥岩, 煤层于山西组、太原组最为发育, 北部受剥蚀影响存在地层尖灭, 中南部保存相对完整, 其中乌马营聚煤带山西组和太原组埋深3 000~4 000 m, 煤层发育较好, 勘探潜力较大[4]。

然而, 石炭-二叠系整体岩性特征较为复杂, 以往乌马营聚煤带深层煤岩气随钻勘探经验不成熟, 技术手段不足, 存在随钻评价困难及烃源岩特征认识不清等问题, 亟需开展地球化学、三维定量荧光等录井特色技术的随钻评价方法研究[5]。本文通过深入研究黄骅坳陷乌马营聚煤带深层煤岩气相关录井技术资料, 总结形成一套较为系统的随钻深层煤岩气录井综合评价方法, 填补研究区深层煤岩气录井随钻评价技术的空白, 进一步证实乌马营聚煤带太原组四煤组（T1）具有较高的勘探价值, 为后期深层煤岩气勘探提供有利支撑。

1 区域地质背景

黄骅坳陷受海西运动影响发生沉降, 石炭纪晚期发生了海陆交互相煤系地层沉积[6]。如图1所示, 黄骅坳陷石炭-二叠系煤层分布面积约12 000 km2, 总厚度15~36 m, 其中太原组四煤组（T1）和六煤组（T3）单层厚度大, 横向分布稳, 晚期深埋和火成岩热作用促进烃源岩热演化, 形成大城-埕海、乌马营-沧县隆起南两个二次生气中心和四大有利构造带。石炭-二叠系地层在黄骅坳陷呈现“ 南厚北薄” 的特征, 沉积环境的改变导致各组地层的岩性及组合特征具有一定差异[7]。

图1 黄骅坳陷石炭-二叠系煤层分布图

乌马营聚煤带主要煤系地层自上而下为二叠系山西组、石炭系太原组[8], 根据前期勘探成果及前人研究, 总结其地层特征。

山西组：岩性主要为黑色煤岩以及灰色、灰黑色中细粒长石砂岩、粉砂岩与炭质泥岩、泥岩互层。底部砂岩长石含量逐渐增多, 单层厚度大, 见煤屑、炭屑与泥岩互层。山西组煤层较太原组单层厚度小, 累积厚度薄。

太原组：岩性主要为黑色煤岩、灰色泥岩、灰黑色炭质泥岩、灰色粉砂岩互层。与上覆地层山西组为整合接触, 煤层发育且厚度大。

2 深层煤岩气随钻勘探录井技术

深层煤岩气埋深一般大于2 000 m, 且与石油天然气产出机理不同, 勘探上的随钻评价方法也不同。基于研究区钻遇深层煤岩的7口井的XRF元素、岩屑图像采集、气测、岩石热解、岩石热解气相色谱以及三维定量荧光录井的资料, 开展煤岩品质、含气品质、烃源岩特性、荧光特征等评价方法研究, 并建立相关标准, 为深层煤岩气勘探开发提供技术支撑。

2.1 XRF元素录井

XRF元素录井分析是基于不同元素产生的X射线荧光具有不同的能量与波长, 定量分析岩石元素含量, 从而确定样品的元素种类与数量组成的录井方法。不同岩性具有不同的特征元素及元素组合, 根据优质煤岩段和夹矸层段中特征元素含量的变化特征较为明显的特点, 可辅助进行煤岩品质的随钻评价。

煤中元素按含量可划分为常量元素与微量元素, 其中常量元素含量大于0.1%, 微量元素含量小于0.1%[9]。S（硫）元素是深层煤岩中最主要的常量元素之一, 深层煤岩中的S以有机硫、无机硫以及元素硫3种状态赋存, 一部分赋存在黄铁矿中, 另一部分以有机形式赋存, 其含量的高低受成岩阶段、成岩母质、氧化还原环境、水动力条件和水介质条件等诸多地质因素影响。Al（铝）、Fe（铁）元素主要受泥炭聚集影响, 也是煤岩中灰分的主要来源[10]。根据这些特征元素含量的变化, 可实现煤岩, 夹矸层, 顶、底板岩性的有效划分。

统计分析研究区5口井的煤岩、炭质泥岩、泥岩XRF元素录井数据, 总结元素数据特征, 建立了乌马营聚煤带岩性元素判别标准, 如表1所示, 优质煤岩呈现高S、低Al、低Fe、低Mg（镁）、略高Ca（钙）的特征; 煤矸石呈现S含量降低, Al、Fe含量略有抬升的特征; 炭质泥岩及泥岩层段整体S含量低, Al、Fe含量较高。

表1 乌马营聚煤带岩性元素判别标准
2.2 岩屑图像采集录井

岩屑图像采集录井技术是通过对破碎岩石返出地面的岩屑按照规范顺序执行操作后, 使用图像采集仪器对岩屑进行白光和荧光两种条件下的岩屑拍照, 应用该技术可以辅助识别岩性。

针对研究区G井山西组和太原组采集的岩屑样品（2 m/点）应用岩屑图像采集录井技术, 可有效辅助煤岩、炭质泥岩、泥岩以及粉砂岩的岩性判别及描述。如图2所示, 通过岩屑采集图像可以清晰表征：煤岩呈黑色, 色均, 质纯, 具玻璃光泽, 煤岩光泽总体较炭质泥岩更明显, 岩屑呈块状; 炭质泥岩色不均, 少许深灰色, 块状构造; 泥岩以深灰色为主, 少许黑灰色, 质纯, 无光泽度; 粉砂岩色均, 粉粒结构, 分选中等, 呈片、块状, 灰-泥质胶结。

图2 不同岩性岩屑图像采集图

2.3 气测录井

气测录井属于随钻天然气地面测试技术, 主要可以录取烃类气体和非烃类气体, 烃类气体包括甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）、戊烷（C5H12）。钻遇煤层后, 气测绝对值表征来源于部分破碎煤岩后的游离气及解析后的解析气, 全烃一般呈现较为明显的高异常值。根据气测录井钻遇煤岩后的响应特征, 可以定性判断目标区域气层含气性。

通过研究区7口井的气测录井资料分析统计, 总结出煤层气测录井特征：

（1）煤层均显示出明显气测异常, 且薄煤层与厚煤层气测曲线形态存在一定差异。以W 1井S2-1、S2-2、T1-7 3套煤层为例（图3）, 其中：1~3 m薄、中厚煤层, 气测曲线形态多呈尖峰状; 3 m以上中厚、厚煤层, 气测曲线形态常以箱状、阶梯状为特征。在煤层夹矸层处气测曲线呈“ 低幅箱形” 状; 在泥岩、炭质泥岩、非显示砂岩层气测为基值或气测异常值较低。

图3 W 1井煤层段气测曲线形态特征图

（2）优质煤层, 气测录井组分齐全, 甲烷相对含量响应特征明显, 均达85%以上, 同时湿度比< 15%, 峰基比> 18, 整体呈现出高气测异常值、高甲烷相对含量、高峰基比、低湿度比的“ 三高一低” 特征（图4）。以W 1井四煤组为例（图5）, 钻遇煤层段气测值明显抬升, 呈现尖峰状和箱状, 湿度比较低。

图4 煤层甲烷相对含量、湿度比与峰基比交会图板

图5 W 1井四煤组煤层段气测特征图

2.4 岩石热解录井

烃源岩有机质丰度、有机质成熟度和有机质类型决定着烃源岩的性质和产油气的数量。利用岩石热解参数可以对煤系烃源岩特性进行随钻评价, 为后期储层评价和压裂分段提供依据。

2.4.1 有机质丰度评价

有机质丰度是岩石中有机质相对含量, 是衡量和评价岩石生烃能力的重要参数[11]。通常对煤岩有机质丰度评价的关键指标是总有机碳含量（TOC）和生烃潜量（S1+S2）。

选取研究区7口井156个山西组和太原组的煤岩、炭质泥岩及暗色泥岩岩屑样品进行岩石热解分析, 参考张文俊、王鑫等[12, 13]提出的烃源岩综合评价标准, 建立了黄骅坳陷乌马营聚煤带煤系烃源岩有机质丰度的评价标准及图板（表2, 图6）。对比前期建立的有机质丰度评价标准, 本文进一步细化煤系烃源岩评价, 将煤岩、炭质泥岩和泥岩划分为优、好、较好、中等、差、非烃源岩, 据此可实现现场煤系烃源岩的录井快速评价。

表2 煤系烃源岩有机质丰度评价标准

图6 煤系烃源岩有机质丰度评价图板

研究区煤岩TOC均大于40%, 其中太原组以优质煤岩为主, TOC介于47.6%~94.1%之间, S1+S2为70.2~119.6 mg/g, 有机质丰度评价为优的煤层占比达到87.5%; 太原组四煤组、六煤组的TOC、S1+S2含量优势明显, 四煤组煤层厚度明显大于六煤组。山西组煤岩TOC值介于37.8%~68.4%之间, S1+S2为58.7~79.7 mg/g, 有机质丰度主体评价为好。炭质泥岩有机质丰度整体低于煤岩, 其中太原组四煤组底部发育炭质泥岩TOC值较高, 为10.8%~31.2%, S1+S2为12.5~47.2 mg/g, 有机质丰度评价为较好。太原组泥岩有机质丰度整体低于煤岩及炭质泥岩, 有机质丰度评价为差。山西组一煤组、二煤组顶部泥岩TOC值低, 介于0.1%~0.3%之间, S1+S2小于0.5 ‍mg/g, 评价为非烃源岩。通过综合分析及整体分布表征, 太原组煤系烃源岩TOC及S1+S2含量优于山西组, 且太原组以四煤组、六煤组有机质丰度优势最为明显; 研究区煤岩有机质丰度表明石炭-二叠系煤岩具有较好的生烃潜力。

2.4.2 有机质成熟度评价

有机质成熟度是衡量有机质生成油气变化程度的重要指标。目前, 评价烃源岩成熟度的指标主要有镜质体反射率（Ro）、岩石热解最高峰温度（Tmax）、热解气产率指数等。本文运用Tmax值对有机质成熟度进行评价, 统计研究区46层深层煤岩的岩石热解数据表明, Tmax主要集中在440~460 ℃区间内, 利用氢指数（HI）与Tmax有机质类型和成熟度图板评价有机质成熟度集中在成熟阶段（图7）。

图7 HI与Tmax有机质类型和成熟度图板

2.4.3 有机质类型评价

烃源岩的有机质类型主要影响气体吸附和扩散性, 本文基于三类四分法对煤岩有机质类型进行评价, 即分为以生成石油为主的Ⅰ 型, 生成油和气的Ⅱ 1型、Ⅱ 2型, 以及生成天然气为主的Ⅲ 型干酪根[14]。根据烃源岩HI与Tmax有机质类型和成熟度图板（图7）对研究区有机质类型进行分析, 有机质类型以高等植物Ⅲ 型为主, Ⅱ 2型次之, 整体以Ⅱ 2-Ⅲ 型干酪根为主, 具有较好的生气潜力。

2.5 岩石热解气相色谱录井

在一定地质条件下, 生油岩中所生成的烃, 除排出去以外, 还有一部分残留烃, 而未生成烃类的有机质, 以高分子的聚合形式（即干酪根）存在于岩石中。升温作用下岩石中这两部分有机质将在不同温度下释放出来, 经毛细色谱柱分离后至FID检测获得单体烃色谱流出曲线, 即主要检测的是C40以内单体烃主要组分。

本文归纳分析了研究区42个深层煤岩以及顶、底板炭质泥岩、泥岩的随钻样品岩石热解气相色谱数据及谱图。太原组优质煤岩岩石热解气相色谱总峰面积大于3 000 mV· s, 山西组煤岩及炭质泥岩总峰面积介于500~3 000 mV· s之间, 表明煤系烃源岩岩石热解气相色谱总峰面积在3 000 mV· s以上具有较好的生烃潜力。另外, 总结煤系地层典型岩石热解气相色谱特征, 如图8所示。保留时间1~3 min, 会出现一个明显的谱峰, 代表的是C12之前的轻质组分, 而保留时间3~30 min, 谱图呈现基线状态或低值, 表明煤岩液态饱和烃组分没有或较少, 符合煤的快速裂解特征。煤岩中有机质类型常以Ⅲ 型为主, 不利于生油, 具有较好的生气潜力, 因而煤岩热解气相色谱谱图后部呈现基线或低值状态, 炭质泥岩在保留时间1~3 min内峰值较低, 泥岩为基线。

图8 煤系地层典型岩石热解气相色谱特征谱图

2.6 三维定量荧光录井

三维定量荧光是由灯源氙灯发射出的光束照射EX分光器, 不同波长的光连续照射到样品池, 样品池中的荧光物质吸收激发光后而发射荧光。一般情况下, 煤普遍具有荧光特性, 该性质也是煤的基本特性之一, 因此煤在荧光灯下滴照具有荧光显示。

在蓝光或紫外光的照射下, 煤中显微组分可发光。Lin等[15]研究结果表明, 煤中的芳烃聚合物、极性化合物和流动相中少量的脂肪族化合物是一些自发的强荧光性物质, 不同的显微组分在不同的成岩阶段呈现不同的荧光性。随着煤的成熟度增加, 煤中显微组分的荧光性也逐渐发生变化, 光谱特征向更大的波长发展（400~700 nm）, 如果煤的荧光光谱由短波激发（210~300 nm）, 则表明液态烃枯竭, 烃源岩进入生气阶段, 生烃和含烃规模越大的煤, 其荧光性越强[16]。

根据以上理论, 通过归纳分析研究区7口井156个煤岩、炭质泥岩及暗色泥岩样品的三维定量荧光谱图（图9）可知, 较好煤岩对比级达到6~7.5级, 炭质泥岩及邻近泥岩对比级小于6级。

图9 煤系地层三维定量荧光谱图

煤岩样品三维定量荧光谱图主峰基本形态为激发波长位于270~290 nm, 发射波长位于320~340 nm, 对比级达到6级以上时, 其荧光性较强, 具备一定的生气能力。

2.7 随钻综合评价

煤岩既是气的源岩, 又是储层, 煤岩品质越好, 储集性能越好且含气性越好, 其评价方法有别于常规油气。为了实现研究区深层煤岩气的随钻评价, 将各项录井技术与研究区域特征综合分析, 建立基于煤岩品质、含气品质、烃源岩特性及荧光特性的深层煤岩气随钻综合评价标准（表3）。

表3 深层煤岩气随钻综合评价标准
3 随钻应用效果

应用各项录井技术及资料分析, 明确了黄骅坳陷乌马营聚煤带山西组、太原组煤系地层有机质类型, 总结并建立了依据岩屑资料的深层煤岩气煤岩品质、含气品质、烃源岩特性、荧光特性的随钻评价方法, 对2024年勘探的深层煤岩气风险探井GD井山西组和太原组（3 608~3 851 m）开展随钻跟踪评价。如图10所示, 首先太原组优于山西组, 太原组煤岩更为发育, 气测异常幅度高, 煤岩的有机质丰度普遍较高, 岩屑图像及元素展示煤岩光泽度更强, 煤岩品质更好; 其次, 太原组中四煤组（T1）优于五煤组（T2）及六煤组（T3）。

图10 GD井录井技术综合图

太原组四煤组井段3 708~3 714 m（19号层）煤岩厚度6 m, 气测异常值明显, 全烃值达到48.28%, 峰基比为50, 甲烷相对含量大于85%, 钻遇该层段湿度比（WH）明显降低, 平衡比（BH）升高, 总体呈现出高气测异常值、高峰基比、高甲烷相对含量、低湿度比的“ 三高一低” 特征, 符合优质煤岩储层段气测响应特征。该煤岩段岩石热解S1+S2最大值73.09 mg/g, 最小值55.80 mg/g, 平均值66.26 mg/g, 生烃潜量明显高于顶板泥岩及底板炭质泥岩, TOC最大值达到87.38%, 最小值74.99%, 平均值81.84%, 有机质丰度达到好-优, 属优质煤岩; 三维定量荧光对比级最大值7.4级, 最小值6.5级, 平均值6.7级, 具备一定的生气能力; 岩石热解气相色谱谱图如图11所示, C12之前谱峰明显, C12之后谱图呈现低值或基线, 符合太原组煤岩响应特征; XRF元素录井数据表征S元素较高, 达到2.3%, Fe、Al元素出现明显低值; 该井随钻应用岩屑图像采集录井, 煤岩段岩屑及壁心成像照片如图12所示, 煤岩呈黑色, 色均, 质纯, 具玻璃光泽, 岩屑呈块状, 壁心成像照片可见煤岩结构均一, 表面可见微细纹理, 光亮成分约占60%, 宏观煤岩类型属于半亮煤。

图11 GD井3 712 m岩石热解气相色谱谱图

图12 GD井四煤组岩屑及壁心成像照片

由测井评价可知, 该层也具有一定勘探价值。测井资料表征该层煤岩厚6.3 m, 自然伽马较低, 电阻率高, 密度低, 煤阶较好, 计算吨煤含气量较高, 表征四煤组60号层（对应录井19号层）煤岩品质较好, 具有较高的勘探潜力, 进一步印证录井随钻评价方法在研究区应用效果较好。

4 结论

在深层煤岩气领域的区域勘探初期, 应用随钻录井技术进行煤岩评价具有极大的必要性。本文总结了黄骅坳陷乌马营聚煤带深层煤岩XRF元素、岩屑图像采集、气测、岩石热解、岩石热解气相色谱、三维定量荧光录井技术响应特征, 形成了煤系地层各项技术及综合评价方法, 应用效果较好。

（1）XRF元素录井表征研究区优质煤岩为高S, 低Al、Fe、Mg, 略高Ca的特征, 岩屑成像照片显示煤岩光泽度较强。

（2）气测录井在薄煤岩层段以及厚煤岩层段气测曲线形态不同, 优质煤岩层段一般呈现高气测异常值、高峰基比、高甲烷相对含量、低湿度比的“ 三高一低” 特征。

（3）根据岩石热解参数TOC、S1+S2、Tmax以及HI可对深层煤岩及煤系地层有机质丰度、有机质成熟度、有机质类型进行评价。本文明确了研究区石炭-二叠系煤岩有机质类型以Ⅲ 型为主, 已进入成熟阶段。较好煤岩层段三维定量荧光录井对比级达到6~7.5级之间, 岩石热解气相色谱谱图C12之前出现明显谱峰。

（4）建立了黄骅坳陷乌马营聚煤带基于煤岩品质、含气品质、烃源岩特性及荧光特性的深层煤岩气随钻综合评价标准, 且在研究区的适用性较好。

（5）通过对GD井的录井资料分析表明：区域上太原组煤岩较山西组发育, 其中四煤组煤岩含气性及煤岩品质最好, 区域上具有一定勘探价值。这也为后期探索深层煤岩气, 开辟黄骅坳陷天然气勘探新战场提供了有利依据。

编辑 郑春生

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