DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.042

利用测井资料定量评价煤层顶底板的封闭性

刘之的¹，杨秀春²，张继坤²，陈彩红²，周科²，王剑¹

 (1. 西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安，710065；

2. 中石油煤层气有限责任公司，北京，100028)

摘要：煤层顶底板的封闭性能是煤层气富集高产的主控因素之一。利用测井资料，基于岩心刻度测井的思想，通过对煤层顶底板岩性、物性和裂缝发育特征等的综合分析，选取岩性系数、岩层厚度、孔隙度、渗透率、裂缝强度指数这5个评价指标作为影响煤层顶底板封闭性能的主要因素，得出煤层顶底板封闭性综合评价模型，并以此模型计算的综合评价指数对研究区煤层顶底板的封闭性展开定量评价。研究结果表明：煤层顶底板封闭性与其顶底板的岩性、物性、厚度及裂缝发育特征等密切相关，其封闭性能与岩性系数、厚度呈正比关系，与孔隙度、渗透率和裂缝强度指数呈反比关系。煤层顶底板封闭性综合评价指数越高，封闭性能越好。研究区5号煤层顶底板的封闭性较好，封闭性能较强的区域位于西部、南部及中部韩10-11井区，较差的区域位于东北部。

关键词：煤层气；顶底板；封闭性；测井；定量评价

中图分类号：P618.11              文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)03-1100-10

Quantitatively evaluating sealing ability of coal roof and floor using logging data

LIU Zhidi¹, YANG Xiuchun², ZHANG Jikun², CHEN Caihong², ZHOU Ke², WANG Jian¹

 (1. School of Earth Sciences and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China;

2. PetroChina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100028, China)

Abstract: The sealing capability of the coal seam roof and floor is the main controlling factor in the enrichment and high yield of the coalbed methane. Based on the idea of core scale logging, by comprehensively analyzing the lithology, physical properties and fracture development characteristics of coal seam roof and floor using logging data, the five evaluation indexes which are lithology coefficient, strata thickness, porosity, permeability and fracture intensity index act as the main factors influencing the sealing ability of coal seam roof and floor. The comprehensive evaluation model of sealing ability of coal seam roof and floor was established, and the calculated evaluation indexes were used to quantitatively evaluate the sealing ability of coal seam roof and floor in the study area. The research results show that the sealing ability of coal seam roof and floor is closely related to the lithology, thickness, physical property and fracture development characteristics of roof and floor, and the sealing performance is proportional to the thickness and lithology coefficient, and is inversely proportional to the porosity, permeability and fracture strength index. The comprehensive evaluation index of the sealing ability of coal seam roof and floor is higher, and the sealing ability is better. The sealing ability of the No.5 coal seam roof and floor is better in the study area, the strong area of sealing capability is located in the west, south and central H10-11 wellblock, and the poor area is located in the northeast.

Key words: coalbed methane; roof and floor; sealing ability; logging; quantitative evaluation

煤层顶底板的封闭性能是决定煤层瓦斯或煤层气保存条件及富集程度的重要因素之一，相关研究将为煤层气资源评价及矿区瓦斯预测与防治提供有效的指导作用^[1-3]。煤层封盖层一般指煤层顶板在一定厚度范围内的有效岩层^[4]，实际上煤层底板对煤层气封存也有较大的影响，因此本研究中的封盖层泛指煤层的顶底板。封闭能力是各种地质因素和地质作用过程的综合作用结果，主要取决于煤层顶底板及以上一定距离岩层的岩石学特征和物理性质^[5]。良好的封盖层必须具备封盖层厚度大、岩性分布稳定、岩性致密且不含裂缝等要素^[6]。鉴于此，以鄂尔多斯盆地东缘韩城矿区5号主力煤层气储层为研究对象，深入挖掘测井信息，结合钻井、录井及煤岩心分析化验资料，在顶底板的岩性、物性及裂缝发育特征单井测井评价的基础上，优选能够有效反映封闭性能品质的岩性系数、岩层厚度、孔隙度、渗透率、裂缝指数这5个参数，构建封闭性能综合评价指数计算模型，并以此模型对研究区煤层顶底板的封闭能力进行测井定量评价。

1  顶底板岩性特征测井评价

研究工区含煤地层中，大多以砂岩、泥质砂岩、泥岩的组合类型产出，在某些海陆交互相煤系地层中还产出灰岩等。因此，盖层类型不外乎以上各大类岩石的组合。在相同厚度的条件下，封闭能力从大到小的排列顺序为：泥岩、灰岩、泥质砂岩、砂岩。在各类岩石中，泥岩的封闭能力最强，砂岩的封闭能力最差。在盖层的岩石组合中，这2种岩石的存在对于盖层的封闭能力起到了一种互为制约的作用。一般而言，泥岩与砂岩厚度比较大的盖层的封闭能力较强；反之，盖层的封闭能力较差。

1.1  顶底板岩性测井解释

录井资料表明，研究区5号煤层顶底板的岩性基本为砂泥岩，根据简化了的砂泥岩剖面岩石物理体积模型，顶底板岩石由泥质、砂质和孔隙3个部分组成，于是利用测井资料解释顶底板岩性的问题则转化为泥质体积分数的计算。对砂泥岩剖面来说，自然伽马测井能够较为有效地计算泥质体积分数^[7]，其计算模型如下：

               (1)

             (2)

式中：为泥质体积分数；G_CUR为地区经验参数，对第3纪地层取3.7，对老地层取2；G_R，G_Rmax和G_Rmin分别为计算层点、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马值，API。

利用上述方法对研究区的顶底板岩性进行了测井解释，图1所示为韩试3井顶底板岩性测井解释成果图。该井5号煤层位于1 211.0~1 216.6 m，视厚度为5.6 m，为韩试3井的主力煤层气储层。5号煤层直接顶岩性为泥质砂岩，孔隙度较大，渗透性较好；老顶岩性为泥岩，但厚度很薄，总体上该套煤层顶板的封闭性一般。底板位于1 216.6~1 219.9 m，直接底岩性主要为泥岩，其孔隙度比顶板的小，渗透性较差；老底岩性为泥质砂岩，孔隙度和渗透率较直接底的好，总体上底板的封闭性较顶板的好。

1.2  顶底板岩性平面分布特征

基于顶底板岩性单井测井解释，开展了5号煤层顶底板岩性平面分布特征研究(图2)。由图2可知：5号煤层顶板大部分为泥岩和砂质泥岩封盖，尤其是研究区南部和西部，说明顶板对煤层气的封闭能力较强，东北部煤层顶板为泥质砂岩封盖，说明封闭性相对较差；而底板以泥岩封盖为主，西北部、西南部及东南部局部井区为泥质砂岩和砂质泥岩封盖，且呈现土豆状，连片性较差，对煤层气逸散影响不大。

2  顶底板物性特征测井评价

煤层顶底板物性特征主要指孔隙度、渗透性^[8]。本研究利用岩心物性化验分析和测井数据来构建孔隙度、渗透率的测井解释模型，并以此模型来开展单井和全区顶底板的物性平面分布特征研究。

2.1  顶底板孔隙度测井解释模型构建

利用孔隙度室内分析化验资料和测井资料，在岩心归位和测井资料扩径等环境影响校正的基础上，提取归位后的密度测井数据，构建了如图3所示的孔隙度解释模型，由图3可知：顶底板岩层泥质体积分数小于10%时，密度与煤层顶底板孔隙度具有较好的相关性，泥质体积分数对孔隙度的影响较小，可以忽略泥质体积分数的影响；但顶底板岩层泥质体积分数大于10%时，其孔隙度拟合方程的相关性明显变差，泥质体积分数对孔隙度的影响较大，为此在构建其模型时引入泥质体积分数这一参数，进而来提高孔隙度的测井解释精度。通过分析最终构建的顶底板孔隙度测井解释模型如下。顶底板岩石的泥质体积分数小于10%时：

，R²=0.899       (3)

图1  韩试3井顶底板岩性测井解释成果图

Fig. 1  Log interpretation result of lithology of roof and floor in HS3 well

图2  5号煤层顶底板岩性平面分布特征图

Fig. 2  Plane distribution map of lithology of No.5 coal seam roof and floor

图3  顶底板孔隙度测井解释模型

Fig. 3  Logging interpretation model of porosity of coal seam roof and floor

顶底板岩石的泥质体积分数大于10%时：

，R²=0.847    (4)

式中：为顶底板的孔隙度，%；为密度，g/cm³。

2.2  顶底板渗透率测井解释模型构建

由构建顶底板孔隙度测井解释模型的思想可知，泥质体积分数对顶底板物性参数的影响较大，为此在构建顶底板渗透率模型时需要分泥质体积分数大小进行。利用孔隙度构建了如图4所示的渗透率测井解释模型。由图4可知：泥质体积分数较小时，利用孔隙度构建的顶底板渗透率解释模型精度较高。为此，顶底板岩层泥质体积分数较小时，可直接利用图4(a)所示模型来解释顶底板的渗透率。然而，顶底板泥质体积分数较大时(图4(b))，渗透率解释模型的相关系数较低，这是由于泥质体积分数对渗透率影响较大，在构建此模型时没有考虑泥质体积分数的影响。对于泥质体积分数较大的顶底板渗透率，采用孔隙度和泥质体积分数来构建。其最终构建的顶底板渗透率测井解释模型如下式所示。

顶底板岩石的泥质体积分数小于10%时：

K=0.003 5e^0.821Φ，R²=0.834            (5)

顶底板岩石的泥质体积分数大于10%时：

K=0.021 6Φ-0.038 4lg+0.050 3，R²=0.749  (6)

式中：K为顶底板的渗透率，10^-3 μm²。

图4  顶底板渗透率测井解释模型

Fig. 4  Logging interpretation model of permeability of coal seam roof and floor

2.3  顶底板物性参数平面分布特征

基于上述顶底板孔隙度、渗透率测井解释模型，开展了顶底板物性参数测井解释，进而编绘了5号煤层顶底板孔隙度、渗透率的平面分布图(图5和图6)。由图5可见：5号煤层顶板东部物性相对较好，西南部相对较差；底板西北部、西南部及东南部物性较好，东北部和西部相对较差。5号煤顶底板的孔隙度频带分布在0.24%~8.39%之间，平均为3.5%。底板孔隙度要稍高于顶板层孔隙度。由岩性、孔隙度平面分布图对比可知：顶底板物性受岩性影响较大，顶底板为泥岩的区域，物性明显较差；而泥质砂岩物性明显变好。

由图6可知：5号煤层的顶板除东部渗透性较高，其他区域渗透性相对较弱；5号煤层的底板西北部、西南部及东南部渗透性相对较强，其他区域均比较弱。5号煤层顶底板的渗透率分布于0.01×10^-3~0.3×10^-3 mm²之间，平均为0.11×10^-3 mm²。总体上，5号煤层顶底板的渗透性较差，封盖性较好，从而有利于煤层气保存。

图5  5号煤层顶底板孔隙度平面分布图

Fig. 5  Plane graph of porosity of No.5 coal seam roof and floor

图6  5号煤层顶底板渗透率平面分布图

Fig. 6  Plane graph of permeability of No.5 coal seam roof and floor

3  顶底板裂缝发育特征测井评价

对于煤层气储层来说，断层或断裂构造对封闭性的影响较大。在断裂带附近，裂缝发育程度往往较高^[9]。煤层顶底板的裂缝发育程度不仅反映了断裂构造对封闭性能的影响，亦表征了远离断裂带局部地区的封闭性能。煤层顶底板中存在的裂缝对其机械性能和纵向渗透率影响很大，能造成顶底板岩石强度降低、井眼失稳，促使煤层气沿着这些通道向外运移和扩散，使整体封闭能力减弱^[10]。可见，顶板裂缝发育程度越差，越容易封存煤层气，煤层含气量则相对较高。因此，在研究煤层顶板封闭性时应该考虑裂缝发育程度的影响。

3.1  顶底板裂缝强度指数测井单井评价

已有研究表明^[11]：弹性模量等岩石力学参数都可以反映其岩石的裂缝发育程度。由于岩石的动弹性模量E与岩石的裂缝发育程度有关，裂缝越发育，E越小，而岩石骨架的动弹性模量E_ma对同一种岩石来说是一个常数，于是定义如下裂缝强度指数R_F来表征顶底板是否发育裂缝^[12]。

                (7)

式中：R_F为裂缝强度指数，量纲为1；E_ma为岩石骨架的动弹性模量(MPa)，由理论值求得；E为顶底板岩石的动弹性模量(MPa)，可根据以下方程来计算：

             (8)

式中：和分别为地层的纵波和横波时差，μs/ft。

顶底板的破裂程度与岩层动弹性模量E相关，顶底板越破裂，E越小；对同一种岩石类型的顶底板而言，岩石骨架的动弹性模量E_ma是定值，故顶底板越破裂，裂缝强度指数R_F越大。因此，用R_F消除了顶底板岩层本身性质对E的影响，而突出了顶底板的裂缝发育程度。

考虑到测井计算的动态弹性模量往往误差较大，在实际工作中，利用实验测试的静态弹性模量经岩心归位后，结合测井计算的动态弹性模量，建立了弹性模量动静态转换关系，以此来提高测井计算的裂缝强度指数的精度^[12]。

式(8)表明：岩石的弹性模量是密度、纵横波时差的函数。不同的岩石具有不同的密度和纵横波传播速度，从而具有不同的弹性模量，因此可根据弹性模量计算的裂缝强度指数来区分裂缝发育带。

利用测井资料对5号煤层顶底板的弹性模量、裂缝强度指数进行了计算，图7所示为韩试3井裂缝强度参数测井解释成果图。由图7可知：5号煤层(1 211.5~ 1 216 m)顶板弹性模量约为1.73×10⁴ MPa，底板弹性模量约为2.214×10⁴ MPa。由于该层段顶板的弹性模量比底板的小，顶板的裂缝强度指数比底板的大，表明顶板容易形成煤层气渗流的通道，封闭性能相对较差。

图7  韩试3井裂缝强度指数测井解释成果图

Fig. 7  Log interpretation results of fracture intensity index of No.3 coal seam roof and floor in HS3 well

3.2  顶底板裂缝强度指数平面分布特征

基于5号煤层顶底板裂缝强度指数单井测井解释成果，编绘了5号煤层顶底板裂缝强度指数平面分布特征，如图8所示。由图8可知：5号煤层顶板东北部、西北部裂缝强度指数较高，南部和北部部分井区相对较低，说明5号煤层顶板东北部、西北部容易形成裂缝；5号煤层底板西北部、南部和东南部裂缝强度指数相对较高，其他区域较低，表明西北部、南部及东南部易于发育裂缝。在裂缝强度指数较高的井区，在地应力的作用下易于发育裂缝，从而形成煤层气逸散的通道，不利于煤层气保存。

4  顶底板封闭性综合评价

4.1  顶底板封闭性综合评价模型构建

4.1.1  评价指标

顶底板的封闭能力强弱是各种地质因素和地质作用过程的综合影响结果，在诸多封闭能力影响因素中，以顶底板的岩石物理性质(岩性、物性等)、厚度、裂缝发育程度等3个因素最重要^[6]。

由上述研究可知：顶底板的封盖性与岩性、岩层厚度、物性及裂缝发育特征等参数密切相关。为此，本研究选用能够有效反映顶底板封闭能力的5个评价指标，即岩性系数、岩层厚度、孔隙度、渗透率、裂缝强度指数，来开展顶底板的封闭性评价研究。

研究区5号煤层顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩及泥质砂岩为主，顶底板岩石封闭性随着砂质含量的增大而变差，为此本研究中定义能够有效反映封闭性能的岩性系数这一参数，来表征顶底板的岩性特征。将顶底板为纯砂岩段的岩性系数L定义为0，表明封闭能力最差；纯泥岩段的岩性系数L定义为1，表明封闭能力最强，则岩性系数L可用如下方程表示：

                 (9)

式中：L为岩性系数，量纲为1。

岩层厚度可利用测井曲线来读取直接顶底板的厚度，其他4个参数采用上述方法模型解释的煤层顶底板20 m范围的参数平均值。

利用测井资料求取了研究区24口井5号煤层顶底板的岩性系数、岩层厚度、孔隙度、渗透率、裂缝强度指数这5个评价指标，表1所示的煤层气储层顶底板封闭性综合评价参数。

4.1.2  评价模型

为了定量分析研究区5号煤层气储层的封闭条件，本研究引入煤层顶底板封闭性综合评价指数Sealing index (S_I)，作为定量评价煤层气相对逸散难易程度的参数，即以此指数对煤层顶底板的封闭能力进行定量评价。基于上述研究可知，顶底板的封闭能力与岩性比、厚度呈正比关系，与孔隙度、渗透率和裂缝强度指数呈反比关系。于是定义如下煤层顶底板封闭性综合评价指数S_I的定量计算公式：

S_I=A₀L+A₁H-A₂Φ-A₃K-A₄R_F         (10)

式中：H为顶底板厚度，m；A₀~A₄为各个评价指标的权值，量纲为1。

图8  5号煤顶底板裂缝强度指数平面分布图

Fig. 8  Plane graph of fracture strength index of No.5 coal seam roof and floor

表1  5号煤层顶底板封闭性综合评价参数

Table 1  Comprehensive evaluation parameter of sealing ability of No.5coal seam roof and floor

因为封盖层地质影响因素的差异，使其对顶底板封闭性能评价指数S_I的贡献也不同，这里以权重来区别之。显然，A₀+A₁+A₂+A₃+A₄=1。封闭能力越强，权重越大。基于该规则，并结合封闭性能的地质因素的影响机理，确定了封盖层各个评价指标的权重：A₀=0.15~0.20，A₁=0.15~0.20，A₂=0.20~0.25，A₃=0.25~ 0.30，A₄=0.10~0.15。

由表1可知：封闭能力评价指标的物理意义不同、数据的量纲和大小不同，因此在利用该组参数进行顶底板封闭性指数计算时需对原始数据进行预处理，使之产生用于顶底板封闭指数计算的无量纲和归一化的数据。实际上，即使采用归一化的数据，计算的S_I变化仍比较大，为了依据S_I划分顶底板封闭性能的类型，对S_I亦进行了归一化处理。经归一化处理后，S_I的最大值为1，最小值为0，S_I越大，顶底板的封闭能力就越强。

4.2  主力煤层顶底板封闭性平面综合评价

为了直观识别研究区内顶底板封闭条件的差别，基于封闭能力综合指数S_I，将研究区5号煤层气储层顶底板封闭性能划分为5种类型，并以此对应于5种封闭能力(表2)。

表2  煤层顶底板封闭性能划分标准

Table 2  Classification standard of sealing capability of coal seam roof and floor

根据上述煤层气储层顶底板的封闭特征，按照封闭能力综合指数计算步骤，计算了研究区5号煤层气储层顶底板的封闭能力综合评价指数S_I，并根据表2所示的顶底板封闭性类型划分标准，对研究区5号煤层的顶底板封闭性进行了综合评价和封闭性能划分(图9)。由图9可知：顶板封闭性能较好的区域主要分布在南部、西北部及中部韩10-11井区，底板封闭性能较好的区域主要分布在西部和中部。顶板封闭性能较差的区域分布在东北部，而底板封闭性能较差的区域在西北部、西南部和东南部都有分布，呈现不连片情况。整体上看，研究区5号煤层气储层顶底板的封闭性能较好，封闭类型为Ⅰ~Ⅳ类，以Ⅰ和Ⅱ类为主，没有Ⅴ类型。封闭性能较强的区域位于研究区西部、南部及中部韩10-11井区，封闭能力较差区域位于研究区东北部。

图9  5号煤底板封闭性综合评价平面图

Fig. 9  Plane graph of comprehensive evaluation of sealing ability of No.5 coal seam roof and floor

研究区东北部封闭性较差的井区，例如韩3-5-096井，该井5号煤层含气量分析化验资料来看，实测含气量分布范围为1.55~10.89 m³/t，平均值为7.45 m³/t，主频为5~9 m³/t，含气量较低。西南部封闭性较好的韩试4井区，该井5号煤层实测含气量主频分布范围为12.71~15.47 m³/t，平均值为13.21 m³/t，含气量较高。这也充分说明，封闭性能好的井区，煤层含气量大；封闭性能差的井区，生成的煤层气有一部分逸散到顶底板的岩层中，致使保存下来的煤层含气量较低。这亦进一步印证了本研究得出顶底板封闭能力评价结果与实际地质特征较为吻合。

5  结论

1) 影响煤层顶底板封闭性能的因素主要有4方面：一是岩性，顶底板岩石的封闭性随着砂质含量的增大而变差；二是岩层厚度，随着顶底板砂岩厚度的增大，封闭性变差，但随着顶底板泥岩厚度的增大封闭性变好；三是物性(孔隙度、渗透率)，封闭性随着物性变好而变差；四是裂缝发育特征，裂缝发育程度越好，封闭性越差。

2) 研究区5号煤层气储层顶底板的封闭性能，绝大部分地区属于Ⅰ和Ⅱ类封盖类型，封闭能力较好。封闭能力较强的区域位于研究区西部、南部及中部韩10-11井区；封闭能力较差区域位于东北部。

3) 在岩心刻度测井思路指导下，利用岩性系数、岩层厚度、孔隙度、渗透率、裂缝强度指数这5个评价指标，建立了煤层顶底板封闭性能综合评价模型，为煤层气生产实际提供了测井依据。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-04-10；修回日期：2014-07-25

基金项目(Foundation item)：陕西省自然科学基础研究计划项目(2013JQ5008)；西安石油大学博士科研启动项目(2014BS22)；中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(2010E-2207) (Project(2013JQ5008) supported by Foundation Research Project of Natural Science in Shaanxi Province; Project(2014BS22) supported by Dr. Launch Scientific Research Project in Xi’an Petroleum University; Project(2010E-2207) supported by Science and Technology Development Project in CNPC)

通信作者：刘之的，博士，副教授，从事煤层气储层测井评价研究；E-mail: liuzhidi@xsyu.edu.cn