煤储层静态地质因素中,煤体结构类型是影响煤粉产出的关键因素。构造煤通常会产生大量煤粉,而疏松的煤体结构会使得煤岩更容易受钻井、压裂和排采等工程扰动影响而产生更多的煤粉。因此,煤粉产出的地质预防措施重点是进行煤体结构(构造煤)识别解释,查明不同构造煤在空间上的分布特征,为控制煤粉产出预防措施提供基础(周济等,2013;魏迎春等,2013)。
运用测井曲线解释煤体结构,对韩城区块63口煤层气井的测井曲线识别及对应测井参数的统计分析,总结了不同煤体结构类型煤的测井响应特征,确定了密度测井、自然伽马测井、电阻率测井及井径测井4组测井响应组合值,及煤体结构类型的划分原则、分层定厚等(张晓玉,2015)。
(一)煤体结构类型判识原则
测井曲线解释构造煤的原理主要基于构造煤与原生结构煤的物性差异在电阻率、井径、密度及自然伽马等测井曲线中所表现出的不同特征(龙王寅等,1999;姚军朋等,2011)。识别方法如下:
(1)测井曲线解释煤体结构类型主要基于“三对比”的基础原则,首先将同一层中不同分层煤体结构的测井响应值进行比较;其次是将相同层位不同钻孔的煤体结构类型测井响应特征进行比较;最后,将同一钻孔不同层位煤体结构类型测井响应特征进行比较,最终统计整理测井解释煤体结构类型的数值响应特征(张荣飞等,2014;杨思舜,2010)。
(2)运用煤的测井响应特征识别相应煤层,根据某一明显物性差异,区分识别某一类型煤体结构,继而区分与标定相对应的其他测井参数响应,并最终确定该类煤体结构的测井响应组合特征。
(3)结合各类煤体结构的测井曲线组合特征,总结研究区块特定的测井响应组合特征,以提高解释效率与正确率。
(4)以相同条件下不同解释结果的分层对比为基础,分析解释过程中导致误差的主要原因,以有效提高测井解释成果的正确率。
(5)将测井解释结果与岩心钻孔编录成果进行对比,保证解释成果的准确度。
(二)韩城区块煤体结构类型测井响应特征
测井曲线解释煤体结构类型是基于不同煤体结构类型煤的不同物性差异,判识过程中应明确不同测井参数的影响因素及变化特征。
(1)电阻率测井:电阻率的不同主要受地层水的影响。煤裂隙的发育与裂隙联通性会影响煤的导电性,因此,裂隙发育能导致煤的电阻值变小。由于构造煤较原生结构煤裂隙更发育,因此,原生结构煤电阻值明显高于裂隙较高的构造煤(陈建杰等,2011;陈跃等,2013)。
(2)密度测井:密度曲线主要受到不同煤体结构类型煤自身性质的影响。随煤体结构破碎程度的增加,煤岩裂隙增多、孔隙度变大。煤体自身密度与煤体破坏程度呈负相关关系,原生结构煤较构造煤整体结构完整,内部结构致密,因此,同一区域同一煤层原生结构煤密度较构造煤密度大。
(3)自然伽马:自然伽马是体现单位体积内放射性物质含量的参数。自然伽马值与煤体密度具有十分密切的联系,一般来讲单位体积固体物质含量越高放射性越强,因此,自然伽马曲线与密度测井曲线的变化呈正相关,原生结构煤的自然伽马值大于构造煤(张许良等,2009;傅雪海等,1999)。
(4)井径测井:由于钻井过程中结构疏松的煤层易垮塌引起井径扩张,因此,煤体越破碎,结构越疏松,井径扩张程度越大。构造演化程度较高的煤易形成井径扩张现象,在识别过程中利用井径测井能很好地识别煤体结构类型(王定武,1997;严家平等,1999)。
基于煤体结构在不同测井参数的响应特征,系统分析韩城区块煤层气井测井曲线特征,归纳总结了四类煤体结构的测井曲线及测井参数特征(表7-1)。
表7-1 韩城区块煤体结构类型的测井响应特征
原生结构煤在测井曲线上一般表现为低密度,自然伽马负异常,高电阻率,井径有轻微扩张;原生结构煤受构造扰动影响较小,结构均一、完整,层理清晰,发育有两组正交节理,内部裂隙不发育;原生结构煤的测井识别主要根据其电阻率特征,原生结构电阻率较大,阻值一般在1500～5000Ω·m,部分井的高峰值甚至可达10000Ω·m,因此,高电阻率是原生结构煤的主要判别方法(图7-1)。
碎裂煤密度曲线、自然伽马曲线变化趋势与原生结构煤相似,参数值相对变低,井径扩张程度也基本相近,略有增高趋势,但电阻率曲线幅值明显变小;碎裂煤原生层状结构发育较完整,孔隙度低,但割理、裂隙发育且裂隙联通性好、导水性强,其导电性受地层水的影响大;碎裂煤的测井识别是根据电阻率测井、密度测井、伽马测井及井径测井的组合特征,碎裂煤的电阻率测井曲线幅值明显变小,参数值范围降低到500～1500Ω·m,而伽马值与密度值却接近原生结构煤,且井径扩径现象不明显,偶有单向扩径现象;电阻率低,伽马、密度偏高,井径扩张程度小(图7-2)。
图7-1 H3-036井测井曲线（原生结构煤）
图7-2 H3-028井测井曲线（碎裂煤）
鳞片煤在测井曲线上的表现与碎裂煤有明显差异,密度曲线、自然伽马曲线幅值变小,密度与自然伽马值较碎裂煤明显变低,但电阻率较碎裂煤变大,井径轻微扩张甚至不扩张;鳞片煤为脆-韧变形机制形成,受单向顺层剪切应力作用,煤体为鳞片构造,仍能保持煤岩完整性,煤体孔隙度变大,裂隙割理不发育,鳞片煤密度值明显变小,单位体积内天然放射性物质含量变少,煤岩导水裂隙不发育,电阻率较原生结构煤小,但大于碎裂煤,电阻率值稳定集中在1400～1800Ω·m,最大值一般不超过2000Ω·m,偶有扩径,甚至不扩径;鳞片煤的识别主要以稳定的较高电阻率及密度、自然伽马低值来判断(图7-3)。
图7-3 H3-023井测井曲线（鳞片煤）
碎粒煤的测井响应特征与其他三类煤有明显区别,电阻率、自然伽马、密度测井值明显变低,井径扩张现象明显。碎粒煤受构造影响大,煤体变形机制为脆性变形,变形程度强,原生结构完全遭受破坏,原生层状结构几乎消失,煤岩完整性差,孔隙度大。碎粒煤密度曲线幅值变大,密度明显变低,单位体积内天然放射性物质含量变少;自然伽马曲线幅值变大,自然伽马值变低;煤体裂隙发育,导电性增强,电阻率明显降低;扩径现象普遍,扩径率一般大于20%。碎粒煤的测井识别特征较明显,以电阻率、自然伽马、密度及井径曲线综合识别,电阻率参数、自然伽马参数、密度参数值低,扩径率高可判断为碎粒煤(图7-4)(张晓玉,2015)。
为提供更充分的煤体结构类型判识标准,以对研究区块煤体结构类型进行更准确的划分,对韩城示范区63口井的煤体结构类型进行测井识别,并分类统计其测井响应数值,表7-2为不同煤体结构类型的测井响应数值特征。
在测井曲线识别和解释中,由于下列原因可能会存在一定的误差。
(1)井径识别误差:在对63 口井的识别过程中,存在个别井的煤层扩径率较高(可达20%～25%),但整体的测井响应特征体现为原生结构煤或碎裂煤。通过对比分析,发现此段煤层顶板为泥岩,且泥岩发生了明显的垮塌扩径现象,因此该段煤层的井径扩张主要受到顶板泥岩垮塌的影响,测井识别时应将此种情况与碎粒煤自身垮塌扩径现象相区别,避免识别过程中造成错误的分析。
图7-4 H3-005井测井曲线（碎粒煤）
表7-2 韩城区块煤体结构测井响应数值表
(2)电阻率误差识别:在对63口井识别中,存在部分井的煤层电阻率幅值低(1000Ω·m),但整体测井响应特征体现为原生结构煤,这是由于在测井解释过程中电阻率曲线容易受到煤层厚度、夹矸及构造破碎程度的影响,曲线幅值明显变小,在解释分析过程中要注意结合煤体的自然伽马及密度测井特征,避免在识别中与碎裂煤、鳞片煤混淆。
(三)韩城区块煤体结构分层定厚
根据测井曲线的响应特征对煤层的煤体结构分层定厚,以密度或自然伽马曲线的突变为主,参照其他测井参数进行煤体结构解释、划分,当煤体结构分层厚度大于0.5m时取半幅值处为分层点,小于0.5m时以发生变化曲线的拐点作为分层点。分层时需注意,受煤层夹矸、层厚等条件的影响,煤体的电阻率曲线幅值会发生一定的变化,应注意区分(张晓玉等,2014)。
(1)以H3-002井的3号煤层为例进行分层定厚,该煤层为单一煤体结构类型,不含夹矸,该层电阻率最大阻值为1450Ω·m,密度测井曲线平坦,平均密度为1.48g/cm3,平均自然伽马值为48API。因此,可判别H3-002井3号煤层为单一碎裂煤发育。以密度的半幅值点为分层界限,密度分层厚度为1.73m,判别为厚度1.73m的碎裂煤(图7-5)。
图7-5 H3-002井3号煤层分层示意图
(2)以H3-042井的5号煤层为例进行分层定厚,该煤层被中间夹矸分为上下两层,煤层下部扩径明显变大,扩径率达90%,电阻值较小,最大阻值为450Ω·m,密度仅为1.35g/cm3,可判别为碎粒煤,以密度的半幅值点为分层界限,密度分层厚度为0.74m,可判别下部为厚度0.74m的碎粒煤。上部煤层比下部煤层电阻率略大,扩径程度小,但密度相近,可判定为鳞片煤,以密度的半幅值点为分层界限,密度分层厚度为1.42m,判别上部煤层为厚度1.42m的鳞片煤(图7-6)。
图7-6 H3-042井5号煤层分层示意图
(3)以WL1-002井的11号煤层为例进行分层定厚,该煤层可分为上、中、下三层,中间夹两层夹矸,煤层下部较上部和中部扩径明显变大,扩径率达19%,电阻率值较小,最大值为1000Ω·m,平均密度高达1.59g/cm3,可判别为碎裂煤。以密度的半幅值点为分层界限,可判别下部煤层为厚度0.88m的碎裂煤。上部和中部煤层比下部煤层电阻率高,平均值为2000Ω·m,井径基本不扩张,但其密度与下部煤层相近,密度平均值约为1.58g/cm3。因此,可判定为原生结构煤。上部和中部煤层的密度分层厚度分别为2.55m、3.82m,判别上部和中部煤层为总厚6.37m的原生结构煤(图7-7)。
图7-7 WL1-002井11号煤层分层示意图