测井：煤层气勘探开发中的“慧眼”

煤层气的勘探开发主要包括地质勘探、物探、钻井、录井、测井、固井、完井、射孔、排采、地面集输等环节，通过各个环节的紧密衔接及配合实现煤层气从地下的勘查发现到地面产出的过程。其中，测井也叫地球物理测井，是发现煤层及煤层气资源的必要手段之一，常被喻为地质家的“眼睛”，地质家就是通过这双“慧眼”来获取煤层气藏的各项岩石物理参数，进而明确煤层的特点及情况，从而为找到煤层气生成及聚集的有利区带及分布规律提供技术支撑，以达到查明煤层气藏的目的。

煤层气储层特征

煤层是植物的遗骸经过复杂的生物化学及地质作用形成的固态的可燃矿产。我国地质特征多样，煤储层与煤层气成藏环境也各有不同，厚度变化从不到1米的薄煤层到最大达130米的特厚煤层，总体具有埋深浅、硬度小、易于压裂开采的特点。煤储层通常具有双重孔隙结构特征（基质孔、微孔及割理、微裂缝组成的天然裂隙网络）（图1），其易碎、低孔低渗透、非均质性强、易扩径的特点使得测井对煤层含气的响应特征不明显，给测井解释与评价带来较大的困难与挑战。

相比其他油气类型，煤层气有其特殊性，它是煤的伴生产物，赋存于煤层的孔隙中。赋存状态与页岩气类似，具有自生自储的特点，具体以煤基质颗粒表面的吸附态、煤层割离及孔隙中的游离态、水中的溶解态（含量很少）三种烃类气体形式存在，这三种不同赋存状态的气体共同处于动态平衡中。煤层气的产出是一个解吸、扩散及渗流的动态平衡过程，当煤层中的流体压力降低时，煤基质颗粒表面的吸附态煤层气通过解吸作用转变为游离态煤层气，游离态煤层气通过煤基质的扩散或渗流进入地层的裂缝中，最后裂缝中的游离态煤层气通过渗流到达井筒而产出。煤层气含气量的多少主要受地质构造、煤化程度、煤层赋存条件、顶底板围岩特性等影响。而测井就是运用地质学、岩石力学、数学、人工智能及大数据等“十八般武艺”，对煤层从微观纳米孔隙结构到宏观微孔结构进行精细刻画，以此对煤层气进行“把脉”及“诊断”。

“慧眼”的来历及发展

测井是基于声、电、核、磁场等物理过程研究开发出高精尖的仪器，将这些仪器放入几百米乃至几千米深的地下，通过测量获得反映岩层以及岩层中流体的各种参数信号，解释评价人员用这些参数信号揭秘地下煤层气宝藏，实现找煤找气的精准定位，这就是测井被喻为“慧眼”的由来。

从20世纪20年代起，测井的发展大致经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。模拟测井阶段数据采集方法单一，采用模拟记录的方式，将数据手工绘制在图纸上，主要作用是定性识别油气层。数字测井阶段采用数字记录并用计算机处理得到的数据，测井方法和采集项目开始配套完善，测井解释与评价方法得到较大发展，能够实现油气的定量评价与综合分析，在复杂的火成岩、潜山等油气藏的储层评价中发挥作用，并且测井技术开始向地质和油藏等领域发展。数控测井阶段测井仪器和采集项目配套日趋成熟，数据采集及处理技术飞跃发展，多种配套测井数据满足裂缝性储层、薄互层等复杂岩性的要求，这得益于快速发展的计算机和微电子技术。成像测井阶段也就是现在所处的阶段，其突出的特征是成像采集实现了对地层的全方位测量，数据采集能力呈级数提高，数据处理实现了井周三维成像，相比以往更加准确和直观，最新一代的测井装备处处体现着现代科技的高、精、尖，在2021年国家“十三五”科技创新成就展，与时速600千米的高速磁悬浮列车并排摆在一起展出。现代测井解释与评价方法打破了“一孔之见”，不断向地质构造、测试、压裂改造、工程评价等领域延伸，对现在更复杂、更隐蔽的油气藏勘探开发起到重要作用。

对于现在勘探开发的煤层气直井来说，使用的测井采集及方法主要是借鉴油气的测井技术，在数十年的发展应用中形成了电法测井、声波测井和放射性测井等一系列煤层气测井技术及方法，为找煤找气提供一双明亮的“慧眼”。

“慧眼”的作用

利用常规测井中的自然伽马、自然电位、声波、密度、中子、侧向或感应电阻率可以确定煤层气储层的测井响应特征，概括为“两低三高”：低密度、低自然伽马、高中子、高声波时差、高电阻率。通过测井攻关研究，已基本形成目前煤层气的测井解释方法及流程，创新提出“煤层气系统”的概念，将煤层和顶底板及上下部地层作为一个整体进行系统研究，针对中浅层煤层气攻关形成了“煤层气系统测井综合评价技术体系”，包含5类16项特色煤层气测井评价技术，目的是解决煤层气“储集性、含气性、含水性、可压性”的四性评价难题。

在实际的评价应用中，针对不同的地质条件、不同阶段的勘探开发目的，需要结合不同类型的测井技术，以获得更准确更多的测井储层参数，实现测井准确评价煤层气的目的。例如煤层气储层测井评价的基础是岩石物理体积模型，由于煤层气储层与油气储层组分的差异，借鉴煤炭地质学构建考虑有机组分的煤层岩石物理体积模型，将煤层工业组分划分为固定碳、挥发分、灰分、水分，针对不同的煤层工业组分，通过测井中的伽马、密度、声波等信息分别建立各组分的测井解释模型，实现煤层组分的定量计算。需要注意的是，由于煤层气储层的特征属性受多种因素叠加影响，导致测井信息的响应呈现非线性规律，常规油气的解释评价方法在煤层气储层不再适用。

在煤层气产业快速发展的今天，新一代测井仪器及评价方法也有了较大发展。利用电成像测井可以清晰地反映井周特征，准确划分煤层夹矸，分析评价煤层的顶底板及裂缝发育情况，实现对煤体结构的定量识别。利用核磁测井可以准确计算煤层孔隙度，分析流体组分及其多尺度的孔隙结构特征。利用阵列声波测井可以识别煤层，开展煤层的岩石力学特性、声学各向异性等评价，还可以为压裂施工设计提供参考数据。这些测井新技术凭借其特有的优势实现了煤层的测井精细评价，弥补了常规测井技术的不足。

随着油气工业技术的飞快发展，煤层气的勘探开发不断提速，测井技术在煤层气勘探开发中的应用也有其局限性。在煤层气钻井和地面信息采集中，煤层的易碎属性导致井眼崩落、垮塌，进而造成测井采集信号的失真，使得测井曲线数值并不能真实反映煤层的实际情况，如井径的扩径使得常规测井的密度、中子曲线出现异常减小和增大，核磁成像测井数据受到井眼钻井液的影响，测得的数据失真，情况严重时甚至无法完成测井采集。在测井仪器的纵向分辨率方面，常规测井中的伽马和密度纵向分辨率较低，针对较薄的煤层不足以准确划分其厚度，并识别出其中的夹肝。在含气量的计算中，常规油气中利用电阻率计算饱和度的经典阿尔奇公式，因为煤层中不同煤阶的复杂电性差异无法使用。在煤层这样的软地层中，阵列声波中的横波和斯通利波幅度衰减很快，如何准确有效地提取出波列信息是摆在研究人员面前的现实问题。

现阶段，煤层气的测井评价技术和方法还不能完全满足现代煤层气产业快速发展及深层煤岩勘探开发的技术需求。随着煤层气的深入发展，勘探开发朝着深层煤岩气进军，人们不仅需要知道煤层的孔隙度、渗透率、含气性、顶底板、裂缝发育等情况，而且需要进一步了解煤层井间的发育情况，以解决煤层气现场产水、含气量不明、甜点不清及有利区未知等问题，针对这些局限性和评价难题，测井技术还有待进一步研究及发展。

作者：曾静波 张凤生 何羽飞 常进宇（中国石油集团测井有限公司地质研究院）