密度和中子测井对煤层甲烷含气量的响应及解释

式中　ρ_w——水的密度，为1 g／cm³。
　　含气量中甲烷(CH₄)的“氢密度”，可由上述含气量所对应“甲烷密度”Δρ计算：

　　若水的“含氢指数”为1，则含气量所对应的甲烷的“含氢指数”ΔH为：

　　由此式计算的含气量所引起的甲烷“含氢指数”(以中子孔隙度Pu表示，则需乘以100)，列在表1的末行。此数值就是中子测井对甲烷含气量的响应上限。
　　olszewski A J取不含气的煤密度为1.40 g／cm³，计算的密度和中子测井对煤层吸附甲烷的响应如表2。(表中吸附气体的单位已换算成公制)^［5］表1中也列出了这两个含气量的响应增量，除26.8 m³／t的Δφ_N数值差别较大外，其余均一致。

表2　密度和中子测井对煤层吸附甲烷的响应

　　另外，他还作了煤层实际含气量所对应的测井中子和测井密度的交会图，如图1所示^［5］。图下部表中的含气量数值已换算为公制单位 m³／t。由图可见含气量高的点比含气量低的点，密度和中子都增大，与理论计算的结果相吻合。

图1　不同含气量所对应密度和中子实际测井值的交会图

4　煤层的孔隙度及其储气机理
　　从孔隙度角度看，煤层具有“双重孔隙度”结构，即基质孔隙度和裂隙孔隙度。图2b是煤层剖面示意图^［6］。煤层被近乎垂直的两组内生裂隙所分割，延伸远的一组裂隙称为面割理；只发育于两条面割理之间的另一组裂隙称为端割理。两组割理与层面正交或陡角相交，从而把煤层分割成斜长方形的基质块体。基质块体中发育有许多微孔隙，甲烷气体就吸附在基质微孔隙中。微孔隙中所吸附的水分达到某一临界值后就不再增加，称为平衡水分。(相当于最高内在水分)由割理和构造裂隙组成的裂隙孔隙中游离气和水溶气在未采排前的原始状态下都比较少，主要充满了游离的可动水。
　　若用“含水纯地层”的模型来计算煤层的孔隙度，测井只能计算出其含水的裂隙孔隙度。而煤层的基质则认为是煤的“骨架”，测井无法计算煤的基质孔隙度。由于煤层的裂隙孔隙度一般均小于5%(即5 Pu)，一般孔隙度测井方法也不易分辨，只能用核磁共振测井才可能测出。
　　由于煤层甲烷是吸附在煤层基质(即骨架)中，与煤层裂隙孔隙中的水没有关系，因此煤层含甲烷后使煤层的密度和中子孔隙度(含氢指数)增加。常规储层中的天然气与孔隙中的水储集在同一种孔隙中，如图2a所示，由于天然气占据了孔隙中水的空间，因而常规天然气层比完全的含水层密度(密度孔隙度)和中子孔隙度都要小，因此可用孔隙度重迭法识别天然气储层和将所含天然气作为独立的体积成分来计算其在孔隙中的饱和度，进而计算其储量。

图2　煤层的双重孔隙度结构和常规储层的孔隙结构示意图

　　若将这种方法用于分析煤层气，则会得出煤层含气后会使其密度和中子孔隙度减少的结论^［5］，显然这是不符合实际情况的。因此这些方法在识别煤层是否含气和计算煤层含气量中不能直接应用。
　　
5　煤层甲烷含气量的计算方程
　　由于煤层甲烷是吸附在煤基质的微孔隙中，而煤基质中也只有有机质(相当于可燃质)才吸附甲烷；无机矿物质(对应于灰分)是不吸附甲烷的。因此对于煤层的基质可列出以下方程：

ρ_b=V_wρ_w＋V_aρ_a＋V_r(ρ_r＋Δρ)；(1)

φ_N=V_wH_w＋V_aH_a＋V_r(H_r＋ΔH)；(2)

V_w=V_a＋V_r=1；(3)

V_r=V_VM＋V_FC；(4)

ΔH=2.25Δρ；(5)

ρ′_b=φρ_w＋(1－φ)ρ_b；(6)

φ′_N=φH_w＋(1－φ)φ_N；(7)

式中　ρ_b——对应于煤层基质的测井密度，g／cm³；
　　　ρ_w——水的密度，g／cm³，淡水为1；
　　　ρ_a——灰分密度，g／cm³；
　　　ρ_r——可燃质密度，g／cm³；
　　　Δρ——煤层基质吸附甲烷后可燃质密度增量(对应于含气量)，g／cm³；
　　　φ_N——对应于煤层基质的测井中子孔隙度；
　　　H_w——水的含氢指数，淡水为1；
　　　H_a——灰分的含氢指数；
　　　H_r——可燃质的含氢指数；
　　　ΔH——煤层基质吸附甲烷后可燃质的含氢指数增量(对应于含气量)；
　　　V_w——煤层基质中水的相对体积；
　　　V_a——煤层基质中灰分的相对体积；
　　　V_r——煤层基质中可燃质的相对体积；
　　　V_VM——煤层基质中挥发分的相对体积；
　　　V_FC——煤层基质中固定碳的相对体积；
　　　ρ′_b——测井密度，g／cm³；
　　　φ′_N——测井中子孔隙度；
　　　φ——煤层的裂隙孔隙度。
　　煤层基质未吸附甲烷，或原吸附的甲烷全部逸散掉。(实际上也的确存在几乎没有甲烷的煤层) 此时上述(1)、(2)方程变为：

ρ_b^*=V_wρ_w＋V_aρ_a＋V_rρ_r；(8)

φ_N^*=V_wH_w＋V_aH_a＋V_rH_r。(9)

　　这两个方程分别表示密度和中子测井对煤层不含甲烷的“背景值”。(或“空白值”)若将方程(1)、(2)分别减去这两个方程，则得：

ρ_b－ρ_b^*=V_r^.Δρ；

φ_N－φ_b^*=V_r^.ΔH。

变换后可得：

　　由以上密度测井对含气量响应值的计算可知，Δρ与含气量相对应。
　　
6　含气量的实际计算及存在问题
　　由前面的方程分析可知，计算含气量首先要计算煤层基质不含气的“背景值”。而计算“背景值”则首先需要计算不受含气量影响的每口钻井中每个具体煤层基质的三种成分的相对体积。
　　选用不受含气量影响的测井参数(自然伽玛、电阻率、核磁共振等)至少两个，利用体积模型方程直接计算这三种成分的相对体积。或者利用煤心实验室工业分析数据，在一个井田范围内统计建立的灰分与工业分析的其它三种成分的线性相关关系，选用不受含气量影响的一个测井参数(如自然伽玛)来求灰分，进而由灰分再求得水分、挥发分和固定碳。(后二者之和为可燃质) 由于工业分析在制样过程中煤所吸附的甲烷已经全部逸散掉，因此工业分析数据不受含气量的影响，只是工业分析是重量百分比，要将其转换为体积百分比。
　　然后要准确确定在一个井田范围内，这三种成分的密度和中子测井的相对稳定的响应值。(水分的密度和含氢指数均是1，实际上是确定二种成分的响应值)确定密度测井响应要容易些，ρ_a和ρ_r可由煤心实验室分析的密度与灰分的相关直线求得：灰分为100%时的密度为ρ_a，灰分为0时的密度为ρ_r，如图3所示，ρ_a=2.57 g／cm³，ρ_r=1.26 g／cm³。但确定中子测井的响应值就比较困难，虽然国外的文献资料提供了一些参考数值，但是否符合我国的实际情况，仍需要在一个地区由实际资料统计确定。与密度相仿，可利用煤心实验室元素分析中的氢含量，(重量百分比) 它是煤中除水分外的全部氢含量，既包括煤中有机质(即可燃质)的氢，也包括煤中矿物质(与灰分对应)的氢。将这个氢含量与对应的灰分相关，就可能求出灰分的氢含量和可燃质的氢含量。而氢含量又可换算为“含氢指数”，即中子孔隙度。

图3　沁水煤田北部某井田上部主力煤
层煤心实验室分析真密度与灰分相关

　　另外最大的问题是目前的密度和中子测井仪器的准确度不足以分辨含气量所引起的增量。如石油测井的SKC3700数控测井仪^［8］，其补偿密度测井仪的准确度为±0.025 g／cm³，稳定性为±0.015 g／cm³，而补偿中子测井仪的准确度：当孔隙度小于7 Pu时为±0.5 Pu，当孔隙在7～45 Pu时为7%；稳定性为±2 Pu。(在孔隙度为15 Pu的石灰岩地层条件下)
　　煤层基质含有的氢元素(水分除外)一般为4%左右，(重量百分比)若取煤基质的密度为1.40 g／cm³，则含氢指数为：0.04×1.40×9=0.504。若再加上煤层裂隙中的水，(一般小于2%)煤层的含氢指数可增加到0.52左右。若仍以7%计算为3.6 Pu。
　　由以上计算含气量响应值的公式可知，中子测井仪的准确度3.6 Pu为含气量16 m³／t所引起的中子孔隙度增量；而密度测井仪的准确度0.025 g／cm³则相当于含气量为25 m³／t所引起的密度增量。虽然中子仪器好于密度仪器，但灵敏度仍然不够。(由于仪器的分辨率一般高于准确度，故中子测井有可能定性显示煤层的甲烷含气量)
　　
7　结束语
　　通过理论计算密度和中子测井对含气量的响应，并由此导出计算含气量的关系式，说明测井直接计算含气量在理论上是可行的。但响应值相对目前仪器的准确度来讲偏小，小于15 m³／t含气量所对应的响应值，均在目前仪器的误差范围之内。因此应改进仪器，提高密度测井仪和中子测井仪的灵敏度，特别是应提高中子测井仪在高孔隙度端的灵敏度。当然更需要研究开发新的对含气量响应更灵敏的测井参数及其仪器。

作者简介：高绪晨　男　58岁　高级工程师　煤田测井

作者单位：高绪晨　(中国煤田地质总局第一勘探局　邯郸　056004)