煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)主要包括地質(zhì)勘探、物探、鉆井、錄井、測(cè)井、固井、完井、射孔、排采、地面集輸?shù)拳h(huán)節(jié)，通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的緊密銜接及配合實(shí)現(xiàn)煤層氣從地下的勘查發(fā)現(xiàn)到地面產(chǎn)出的過(guò)程。其中，測(cè)井也叫地球物理測(cè)井，是發(fā)現(xiàn)煤層及煤層氣資源的必要手段之一，常被喻為地質(zhì)家的“眼睛”，地質(zhì)家就是通過(guò)這雙“慧眼”來(lái)獲取煤層氣藏的各項(xiàng)巖石物理參數(shù)，進(jìn)而明確煤層的特點(diǎn)及情況，從而為找到煤層氣生成及聚集的有利區(qū)帶及分布規(guī)律提供技術(shù)支撐，以達(dá)到查明煤層氣藏的目的。

煤層氣儲(chǔ)層特征

(資料圖片)

煤層是植物的遺骸經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)及地質(zhì)作用形成的固態(tài)的可燃礦產(chǎn)。我國(guó)地質(zhì)特征多樣，煤儲(chǔ)層與煤層氣成藏環(huán)境也各有不同，厚度變化從不到1米的薄煤層到最大達(dá)130米的特厚煤層，總體具有埋深淺、硬度小、易于壓裂開(kāi)采的特點(diǎn)。煤儲(chǔ)層通常具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征（基質(zhì)孔、微孔及割理、微裂縫組成的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)）（圖1），其易碎、低孔低滲透、非均質(zhì)性強(qiáng)、易擴(kuò)徑的特點(diǎn)使得測(cè)井對(duì)煤層含氣的響應(yīng)特征不明顯，給測(cè)井解釋與評(píng)價(jià)帶來(lái)較大的困難與挑戰(zhàn)。

相比其他油氣類型，煤層氣有其特殊性，它是煤的伴生產(chǎn)物，賦存于煤層的孔隙中。賦存狀態(tài)與頁(yè)巖氣類似，具有自生自儲(chǔ)的特點(diǎn)，具體以煤基質(zhì)顆粒表面的吸附態(tài)、煤層割離及孔隙中的游離態(tài)、水中的溶解態(tài)（含量很少）三種烴類氣體形式存在，這三種不同賦存狀態(tài)的氣體共同處于動(dòng)態(tài)平衡中。煤層氣的產(chǎn)出是一個(gè)解吸、擴(kuò)散及滲流的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，當(dāng)煤層中的流體壓力降低時(shí)，煤基質(zhì)顆粒表面的吸附態(tài)煤層氣通過(guò)解吸作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)煤層氣，游離態(tài)煤層氣通過(guò)煤基質(zhì)的擴(kuò)散或滲流進(jìn)入地層的裂縫中，最后裂縫中的游離態(tài)煤層氣通過(guò)滲流到達(dá)井筒而產(chǎn)出。煤層氣含氣量的多少主要受地質(zhì)構(gòu)造、煤化程度、煤層賦存條件、頂?shù)装鍑鷰r特性等影響。而測(cè)井就是運(yùn)用地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、數(shù)學(xué)、人工智能及大數(shù)據(jù)等“十八般武藝”，對(duì)煤層從微觀納米孔隙結(jié)構(gòu)到宏觀微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫，以此對(duì)煤層氣進(jìn)行“把脈”及“診斷”。

“慧眼”的來(lái)歷及發(fā)展

測(cè)井是基于聲、電、核、磁場(chǎng)等物理過(guò)程研究開(kāi)發(fā)出高精尖的儀器，將這些儀器放入幾百米乃至幾千米深的地下，通過(guò)測(cè)量獲得反映巖層以及巖層中流體的各種參數(shù)信號(hào)，解釋評(píng)價(jià)人員用這些參數(shù)信號(hào)揭秘地下煤層氣寶藏，實(shí)現(xiàn)找煤找氣的精準(zhǔn)定位，這就是測(cè)井被喻為“慧眼”的由來(lái)。

從20世紀(jì)20年代起，測(cè)井的發(fā)展大致經(jīng)歷了模擬測(cè)井、數(shù)字測(cè)井、數(shù)控測(cè)井、成像測(cè)井四個(gè)階段。模擬測(cè)井階段數(shù)據(jù)采集方法單一，采用模擬記錄的方式，將數(shù)據(jù)手工繪制在圖紙上，主要作用是定性識(shí)別油氣層。數(shù)字測(cè)井階段采用數(shù)字記錄并用計(jì)算機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)，測(cè)井方法和采集項(xiàng)目開(kāi)始配套完善，測(cè)井解釋與評(píng)價(jià)方法得到較大發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)油氣的定量評(píng)價(jià)與綜合分析，在復(fù)雜的火成巖、潛山等油氣藏的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中發(fā)揮作用，并且測(cè)井技術(shù)開(kāi)始向地質(zhì)和油藏等領(lǐng)域發(fā)展。數(shù)控測(cè)井階段測(cè)井儀器和采集項(xiàng)目配套日趨成熟，數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)飛躍發(fā)展，多種配套測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)滿足裂縫性儲(chǔ)層、薄互層等復(fù)雜巖性的要求，這得益于快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)。成像測(cè)井階段也就是現(xiàn)在所處的階段，其突出的特征是成像采集實(shí)現(xiàn)了對(duì)地層的全方位測(cè)量，數(shù)據(jù)采集能力呈級(jí)數(shù)提高，數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)了井周三維成像，相比以往更加準(zhǔn)確和直觀，最新一代的測(cè)井裝備處處體現(xiàn)著現(xiàn)代科技的高、精、尖，在2021年國(guó)家“十三五”科技創(chuàng)新成就展，與時(shí)速600千米的高速磁懸浮列車并排擺在一起展出?，F(xiàn)代測(cè)井解釋與評(píng)價(jià)方法打破了“一孔之見(jiàn)”，不斷向地質(zhì)構(gòu)造、測(cè)試、壓裂改造、工程評(píng)價(jià)等領(lǐng)域延伸，對(duì)現(xiàn)在更復(fù)雜、更隱蔽的油氣藏勘探開(kāi)發(fā)起到重要作用。

對(duì)于現(xiàn)在勘探開(kāi)發(fā)的煤層氣直井來(lái)說(shuō)，使用的測(cè)井采集及方法主要是借鑒油氣的測(cè)井技術(shù)，在數(shù)十年的發(fā)展應(yīng)用中形成了電法測(cè)井、聲波測(cè)井和放射性測(cè)井等一系列煤層氣測(cè)井技術(shù)及方法，為找煤找氣提供一雙明亮的“慧眼”。

“慧眼”的作用

利用常規(guī)測(cè)井中的自然伽馬、自然電位、聲波、密度、中子、側(cè)向或感應(yīng)電阻率可以確定煤層氣儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征，概括為“兩低三高”：低密度、低自然伽馬、高中子、高聲波時(shí)差、高電阻率。通過(guò)測(cè)井攻關(guān)研究，已基本形成目前煤層氣的測(cè)井解釋方法及流程，創(chuàng)新提出“煤層氣系統(tǒng)”的概念，將煤層和頂?shù)装寮吧舷虏康貙幼鳛橐粋€(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)研究，針對(duì)中淺層煤層氣攻關(guān)形成了“煤層氣系統(tǒng)測(cè)井綜合評(píng)價(jià)技術(shù)體系”，包含5類16項(xiàng)特色煤層氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)，目的是解決煤層氣“儲(chǔ)集性、含氣性、含水性、可壓性”的四性評(píng)價(jià)難題。

在實(shí)際的評(píng)價(jià)應(yīng)用中，針對(duì)不同的地質(zhì)條件、不同階段的勘探開(kāi)發(fā)目的，需要結(jié)合不同類型的測(cè)井技術(shù)，以獲得更準(zhǔn)確更多的測(cè)井儲(chǔ)層參數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)井準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤層氣的目的。例如煤層氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是巖石物理體積模型，由于煤層氣儲(chǔ)層與油氣儲(chǔ)層組分的差異，借鑒煤炭地質(zhì)學(xué)構(gòu)建考慮有機(jī)組分的煤層巖石物理體積模型，將煤層工業(yè)組分劃分為固定碳、揮發(fā)分、灰分、水分，針對(duì)不同的煤層工業(yè)組分，通過(guò)測(cè)井中的伽馬、密度、聲波等信息分別建立各組分的測(cè)井解釋模型，實(shí)現(xiàn)煤層組分的定量計(jì)算。需要注意的是，由于煤層氣儲(chǔ)層的特征屬性受多種因素疊加影響，導(dǎo)致測(cè)井信息的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性規(guī)律，常規(guī)油氣的解釋評(píng)價(jià)方法在煤層氣儲(chǔ)層不再適用。

在煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，新一代測(cè)井儀器及評(píng)價(jià)方法也有了較大發(fā)展。利用電成像測(cè)井可以清晰地反映井周特征，準(zhǔn)確劃分煤層夾矸，分析評(píng)價(jià)煤層的頂?shù)装寮傲芽p發(fā)育情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的定量識(shí)別。利用核磁測(cè)井可以準(zhǔn)確計(jì)算煤層孔隙度，分析流體組分及其多尺度的孔隙結(jié)構(gòu)特征。利用陣列聲波測(cè)井可以識(shí)別煤層，開(kāi)展煤層的巖石力學(xué)特性、聲學(xué)各向異性等評(píng)價(jià)，還可以為壓裂施工設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。這些測(cè)井新技術(shù)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了煤層的測(cè)井精細(xì)評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了常規(guī)測(cè)井技術(shù)的不足。

隨著油氣工業(yè)技術(shù)的飛快發(fā)展，煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)不斷提速，測(cè)井技術(shù)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用也有其局限性。在煤層氣鉆井和地面信息采集中，煤層的易碎屬性導(dǎo)致井眼崩落、垮塌，進(jìn)而造成測(cè)井采集信號(hào)的失真，使得測(cè)井曲線數(shù)值并不能真實(shí)反映煤層的實(shí)際情況，如井徑的擴(kuò)徑使得常規(guī)測(cè)井的密度、中子曲線出現(xiàn)異常減小和增大，核磁成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)受到井眼鉆井液的影響，測(cè)得的數(shù)據(jù)失真，情況嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法完成測(cè)井采集。在測(cè)井儀器的縱向分辨率方面，常規(guī)測(cè)井中的伽馬和密度縱向分辨率較低，針對(duì)較薄的煤層不足以準(zhǔn)確劃分其厚度，并識(shí)別出其中的夾肝。在含氣量的計(jì)算中，常規(guī)油氣中利用電阻率計(jì)算飽和度的經(jīng)典阿爾奇公式，因?yàn)槊簩又胁煌弘A的復(fù)雜電性差異無(wú)法使用。在煤層這樣的軟地層中，陣列聲波中的橫波和斯通利波幅度衰減很快，如何準(zhǔn)確有效地提取出波列信息是擺在研究人員面前的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

現(xiàn)階段，煤層氣的測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)和方法還不能完全滿足現(xiàn)代煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展及深層煤巖勘探開(kāi)發(fā)的技術(shù)需求。隨著煤層氣的深入發(fā)展，勘探開(kāi)發(fā)朝著深層煤巖氣進(jìn)軍，人們不僅需要知道煤層的孔隙度、滲透率、含氣性、頂?shù)装濉⒘芽p發(fā)育等情況，而且需要進(jìn)一步了解煤層井間的發(fā)育情況，以解決煤層氣現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)水、含氣量不明、甜點(diǎn)不清及有利區(qū)未知等問(wèn)題，針對(duì)這些局限性和評(píng)價(jià)難題，測(cè)井技術(shù)還有待進(jìn)一步研究及發(fā)展。