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1.中国石油集团测井有限公司，陕西西安 710077；2.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028
摘要： 随着当今社会对新能源需求的增加，非常规煤层气清洁能源的开发日益受到人们的重视。目前，煤储层含水性严重制约着储层资源动用量，准确识别和评价煤层气储层含水性是煤层气开发的迫切需求。针对鄂尔多斯盆地J区块主力煤层局部产水高、产水原因不明、资源动用率不高等问题，紧密围绕煤储层地质特征，以常规和成像测井资料为基础，充分利用地质、岩心、排采、压裂等资料，探讨了含水性来源，详细分析了煤层气储层含水各地质主控因素，基于测井信息构建了评价含水主控因素，建立了区块型“煤层气系统含水结构模式”，其中顶板裂缝灰岩富含水层模式不利于动用开发。该技术应用在鄂尔多斯盆地J区块现场，针对性动用J区块主力煤层煤，扩大了资源动用范围，为煤层气储层潜力层挖潜、射孔层位优选提供技术保障，最终提高煤层气单井产量以及示范区资源动用量。
关键词： 测井；鄂尔多斯盆地；煤层气系统；含水性
煤层气系统是包含一套有效烃源岩即煤层和它生成的煤层气，以及煤层气富集所必需的所有地质要素和地质作用过程的天然系统 [1] 。对于一个多煤层系统，不仅煤层是储层，还发育常规的砂岩储层，可作为一个复合煤层气系统研究（如图1所示）。煤层气系统测井综合评价的思路主要是把煤层及顶底板作为一个有机整体，对煤层气系统进行综合评价。摆脱了过去单一评价煤层或者顶底板的局限性，为煤层气地质工程一体化勘探开发提供了更好的支撑。“煤层气系统”主要从煤储层层烃源岩、煤储层，以及煤和顶底板接触关系出发，把煤层及顶底板作为一个整体，是决定煤层气富集程度、保存条件及能否有效开发的重要因素，对非常规煤层气资源评价及开发方案的设计起指导作用 [2] 。
图1 煤层与顶底板组成的煤层气系统
煤层气在开采过程中，一般先压裂，通过排水、降压使煤层气解吸出来。在煤层压裂施工时，压裂裂缝容易向顶底板延伸，若顶底板有含水层，则易于沟通顶底板的含水层，造成排采大量出水 [2，3] 。J区块研究区主力煤层顶板以灰岩为主，底板以泥岩为主，泥岩下部发育砂岩，由于沉积，左右不同煤层和砂岩隔层厚度有所差异（如图2所示）。煤层气井排采过程中水的补给源主要是煤层顶底板含水层，排采数据显示，日产水量从几立方米到几十立方米不等，井间差别大，降压解吸困难，严重制约了本区域煤层气生产开发，煤系地层含水性研究迫在眉睫。煤层产水量的高低一方面受压裂及开发施工方式等动态工程作业方式影响，另一方面也与煤岩形成过程中煤层及顶底板整个煤层气系统的静态地质含水量有着不可分割的关系（如表1所示）。因此在评价煤层含水性影响因素时，不仅要考虑煤层本身特征还要考虑其顶底板的影响。以下主要从地质含水量构造、埋深、煤层厚度和顶底板厚度等几个方面对煤层的日产水量控制因素进行分析。
图2 J区块主力煤层的“煤层气系统”发育特征
表1 煤层产水主要影响因素
（1）构造位置：产水量较大的井，基本位于局部构造复杂区，体现了构造作用对煤层产水的控制作用。原因是位于局部构造复杂区的煤层在盆地构造演化过程中受到了水平挤压应力的作用，于是煤层发生韧性变形而产生褶曲，在褶曲翼部由于受到强烈的剪切作用，裂隙通常较为发育，使得煤层的渗透性变好，有利于地下水的渗流和聚集；在断裂系统和砂岩等导水层的影响下，地层水会流向地下水位较低的构造低幅度部位；断裂带与含水层连通，则可使煤层气排采时出水量大大增加。J区块部分构造复杂区，顶板灰岩裂缝发育，可能沟通顶板含水灰岩。
（2）顶底板岩性：研究区主力煤层顶板以灰岩为主，底板以泥岩为主。煤层底板条件对煤层产水量的控制作用明显。煤层底板对煤层产水量的影响表现在厚度和岩性两个方面。好的盖层条件可以减缓煤层气的散失，同时可间接抑制煤层气的解吸，有利于煤层气的富集；反之盖层封盖条件差，不利于煤层气的储存。当煤层顶板为泥岩时，煤层的封盖性好，含水性差，排采产水量低；当煤层顶板为含水砂岩或裂隙灰岩时，则煤层的顶底板含水性较强，煤层压裂后顶底板砂岩的地层水易产出，排采产水量较大。
（3）隔层厚度：J区块主力煤层顶板以灰岩为主，底板以泥岩为主，泥岩下部发育砂岩，构造平缓的煤层与砂岩距离近（＜2m），在主力煤层压裂过程中，施工压力曲线突降，可能沟通裂隙或者其他低渗透层，其中日产水10立方米，占高产水井的比重为74.6%。
（4）煤层厚度：在顶底板等其他地质条件相同的情况下，煤层的厚度越大，则煤层本身孔隙体积越大，能储存或渗流的流体能力越强 [4，5] 。
（5）顶底板裂缝发育情况：J区块煤层顶板发育灰岩，裂隙较为发育，裂隙发育程度通过测井构建裂缝指数来表征，裂缝指数越高，顶板灰岩含水性越强，岩体含水性强。压裂时很容易压穿煤层直接顶底板并沟通上下灰岩含水层，而导致排采产水量大 [6] 。
分别对鄂尔多斯盆地J区块主力煤层实际排采产水量大小与含水性单一影响因素交汇分析，产水量大小与煤层气系统的顶板灰岩裂缝指数、底板泥岩隔层厚度、底板砂岩物性孔隙有一定相关性（如图3所示），产水主要来源：一是部分构造复杂区，灰岩裂缝发育，可能沟通顶板含水灰岩；二是煤层底板泥岩隔层厚度小，压裂过程沟通间接底板含水砂层。
图3 J区块主力煤层产水单因素分析
若底板灰岩裂缝发育，可能沟通顶板含水灰岩。底板灰岩裂缝通过电成像测井可有效识别。在仅有常规测井情况下，通过研究区能够反映顶板灰岩裂缝发育敏感常规曲线自然伽马和电阻率曲线 [7，8] 构建裂缝指数 FI 标准：
通过研究区裂缝指数 FI 和电成像标定可知，当 FI 大于12，顶板灰岩裂缝发育；否则，顶板灰岩裂缝不发育（如图4所示）。
图4 J区块电成像测井识别顶板灰岩裂缝
底部砂岩含水从测井上看，电性参数有明显的特征。研究区电阻明显降低，声波时差曲线显示物性明显变差，出现水层特征。通过研究区实际试气结果建立底部砂岩水层识别图版（如图5所示）。
图5 J区块底板砂岩含水识别图版
基于产水关键影响因素顶板裂缝指数、底板泥岩隔层厚度、底板砂岩含水性，利用剥离法，建立J区块主力煤层产水识别方法和图版（如图6所示）。低产水层顶板灰岩裂缝不发育（裂缝指数小于12）；底板泥岩隔层厚度大（厚度大于6米）。
图6 J区块含水性预测识别图版
充分利用排采效果、地质、岩心等资料，基于测井和地质信息构建顶板裂缝指数、底板泥岩隔层厚度、底板砂岩含水性等煤层含水主控因素，建立了高产水（＞20立方米/日产水）、中产水（10～20立方米/日产水）、弱产水（＜10立方米/日产水）三种典型“煤层气系统含水结构模式”（如图7所示）。其中顶板裂缝灰岩富含水层模式（ FI ＞12）不利于动用开发；低产水层顶板灰岩裂缝不发育（ FI ＜12）且底板泥岩隔层厚度大（ Hsh ＞6m），弱产水模式作为潜力层有利于动用开发，为煤层气储层潜力层挖潜、射孔层位优选提供技术保障，最终提高煤层气单井产量以及示范区资源动用量。
图7 J区块含水结构组合模式
以常规和成像测井资料为基础，充分利用地质、岩心、排采、压裂以及试井等资料，对鄂尔多斯盆地J区块煤层气储层进行精细评价，包括储层关键参数、煤体结构、含水性以及工程参数等，基于区块的含水性评价技术，建立“煤层气系统”射孔层段优选标准（如表2所示）。
表2 “煤层气系统”射孔层段优选标准
（1）鄂尔多斯盆地J区块主力煤产水量与煤结构的顶板灰岩裂缝指数、泥岩隔层厚度、底砂岩物性孔隙有一定相关性，是影响产水高低的关键地质参数。
（2）基于产水关键影响参数，利用剥离法，建立J区块主力煤层产水识别方法和图版，低产水层顶板灰岩裂缝不发育（裂缝指数小于12）；底板泥岩隔层厚度大（厚度大于6m）。
（3）对J区块煤层气储层进行精细评价，包括储层关键参数、煤体结构、含水性以及工程参数等，基于区块煤系地层测井精细评价的基础上，建立煤层气潜力层射孔层段优选标准。
[1]倪小明，苏现波，张小冬.煤层气开发地质学[M].北京：化学工业出版社，2009.
[2]傅雪海，陆国桢，秦杰，等.用测井响应拟合煤层气含量和划分煤体结构[J].测井技术，1999，24（2）：112-115.
[3]白生宝，王凤琴，杜厚余，等.煤储层条件对煤层气产能的影响分析[J].天然气勘探与开发，2015，38（2）：47-50.
[4]高绪晨，张炳，羡法.煤层工业分析、吸附等温线和含气量的测井解释[J].测井技术，1999，23（2）：108-111.
[5]赵金洲，任岚，胡永全.页岩储层压裂缝成网延伸的受控因素分析[J].西南石油大学学报（自然科学版），2013，35（1）：1-9.
[6]宋子齐，景成，孙宝佃，等.自然电位、自然伽马测井曲线在文15块的应用[J].断块油气田，2011，18（1）：130-133.
[7]万玉金，曹雯.煤层气单井产量影响因素分析[J].天然气工业，2005，25（1）：124-126.
[8]刘之的，夏宏泉，汤小燕，等.成像测井资料在地应力计算中的应用[J].西南石油学院学报，2005，27（4）：9-12.
作者简介：何羽飞，男，二级工程师/高工，中国石油集团测井有限公司。Tel：029-88776588；E-mail：xsyuheyuhei@163.com。