密度和中子测井对煤层甲烷含气量的响应及解释

煤田地质与勘探COAL GEOLOGY煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY& EXPLORATION 1999年　第27卷　第3期 Vol.27 No.3 1999

密度和中子测井对煤层甲烷含气量的响应及解释高绪晨 摘要　煤层甲烷含气量是评价煤层气的最重要指标。可理论计算密度和中子测井对它的响应，并由此导出计算含气量的方程。 关键词　密度测井　中子测井　含气量　响应 中国图书资料分类法分类号　P631.84　TD712.51

THE RESPONSES OF DENSITY AND NEUTRON LOGGINGS ON THE COALBEDMETHANE CONTENT AND THE LOGGING INTERPRETATION

Gao Xuchen　(No.1 Exploration Bureau of China National Administration of Coal Geology)　Abstract　The coalbed methane content is the most important index for the evaluation of coalbed methane.The responses of density and neutron loggings on the coalbed methane content could be calculated theoretically,then the equation used to calculate the gas content could be deduced from it. 　Keywords　formation densitylogging;neutronlogging;gas content;response

1　引言 煤层气主要是指吸附在煤层基质微孔隙中的甲烷。度量煤层中含甲烷多少的指标是“含气量”，用单位重量煤的可燃质所含甲烷在标准状态(1个大气压，0℃)下的体积来表示(m3／t可燃质)。它一般由煤心样密封罐解吸试验测定，具体测量方法不同，其

数值是有差异的。 测井解释含气量是困难的，目前多用间接的方法，统计建立含气量与测井参数(密度、自然伽玛、声速和电阻率等)及煤层埋深的多元线性回归方程［1、2］。此法虽然有

效，但误差很大，有时由于地质构造等因素的变化，局部地区的煤层甲烷已逸散掉，而又不影响参加回归的测井参数，这样会使预测失败。 本文研究利用测井参数直接计算煤层甲烷含气量的方法；首先理论计算密度和中子测井以含气量的响应值，然后由此导出测井计算含气量的方程，并论述了解这些方程的方法步骤及存在问题。

2　密度测井对含气量的响应 煤层吸附甲烷后，其质量就会增加，而体积也要增加一些(即膨胀)，但与质量的增

file:///E|/qk/mtdzykt/mtdz99/mtdz9903/990308.htm（第 1／9 页）2010-3-23 4:14:35万方数据煤田地质与勘探COAL GEOLOGY加相比可忽略不计。 由气体分子学的理想气体方程［3］

式中　P——气体的压力，MPa； V——气体的体积，L； M——气体的质量，g； μ——气体的摩尔质量，g／mol； R——普适气体恒量，0.0082 MPa.L／g.K；

T——温度，K； 可导出气体的质量为

在标准状态下(P=0.1 MPa，T=273.15 K)，1L甲烷(CH4——分子量为12＋4=16)的质量为：

若将以“m3／t”为单位表示的含气量G化为以“L／g”表示，则为G×10－3，并取煤的可燃质密度ρr=1.40 g／cm3，则每1 cm3的可燃质所含甲烷的质量(即可燃质

中“甲烷密度”)，也就是煤层可燃质的密度增加量

Δρ=0.7143×G×10－3×ρr≈G×10－3 g／cm3

由上式可计算出，不同甲烷含气量所引起煤的可燃质的密度增加量，如表1所示。 由于未考虑吸附甲烷后煤的体积膨胀和可燃质未换算成原煤，而且可燃质的密度取值偏大，因此表1所计算的数值是含气量所引起的密度和中子孔隙度增加量的上限，这也就是测井密度和中子孔隙度对含气量响应的上限值。

表1　甲烷含气量引起煤可燃质密度增加量和 含氢指数(中子孔隙度)增加量

file:///E|/qk/mtdzykt/mtdz99/mtdz9903/990308.htm（第 2／9 页）2010-3-23 4:14:35万方数据煤田地质与勘探COAL GEOLOGY含气量 ／m3.t－151013.215202526.830

密度增加量 ／g.cm－30.0050.010.01320.0150.020.0250.02680.03

中子孔隙度 增加量／Pu1.1252.252.973.3754.55.6256.036.75

3　中子测井对含气量的响应 中子测井孔隙度的单位是以水(H2O)为100 Pu(孔隙度单位)来刻度的，其对应

的“含氢指数”为1。而每1 cm3的水所含氢的质量(即水的“氢密度”)［4］为：

式中　ρw——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ΔφN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吸附气体

／m3.t－1密度增量Δρb

／g.cm－3中子孔隙度增量

ΔφN／Pu

13.2＋0.01＋3

file:///E|/qk/mtdzykt/mtdz99/mtdz9903/990308.htm（第 3／9 页）2010-3-23 4:14:35万方数据煤田地质与勘探COAL GEOLOGY26.8＋0.03＋9 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

file:///E|/qk/mtdzykt/mtdz99/mtdz9903/990308.htm（第 4／9 页）2010-3-23 4:14:35万方数据煤田地质与勘探COAL GEOLOGY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：

ρb=Vwρw＋Vaρa＋Vr(ρr＋Δρ)；(1)

φN=VwHw＋VaHa＋Vr(Hr＋ΔH)；(2)

Vw=Va＋Vr=1；(3)

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