一种基于数字岩心技术的煤层含气量电阻率评价方法

本发明属于数字岩心技术应用领域，具体是一种基于数字岩心技术的煤层含气量电阻率评价方法。

背景技术：

1、煤层气是煤的共伴生矿产资源，属于优质清洁非常规天然气能源，在煤矿开采中又称瓦斯。实现煤层气资源的高效精准判识不仅可以增加高效洁净能源供给，减少化石燃料燃烧带来的环境污染问题，同时有助于遏制矿井瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，兼具“能源”、“环境”和“安全”的三重效应。

2、煤储层含气量预测的精准与否直接关系到后期瓦斯抽采和压裂方案的有效制定。以煤储层导电性差异为基础的电阻率测井是煤层气勘探和开发中必不可少的一项工程技术，在探测和评价煤储层过程中发挥着重要的作用。然而，煤储层导电机理的特殊性及影响因素的复杂性，使得电阻率测井难以有效地表征煤层地质结构和含气量对导电性的响应规律，一些适用于常规储层的测井解释模型不能照搬使用。目前，已有的煤储层含气量测井评价方法通常是利用岩心实验数据来刻度测井资料或对煤岩微观结构进行过分简化而得到的，主要包括：langmuir等温吸附法、测井曲线统计回归法和机器学习预测法等。煤储层含气量与煤岩变质程度、孔裂隙结构、地层温度和压力等储层地质参数有关，电阻率测井响应又是这些因素耦合作用的结果，利用测量的电阻率数值很难直接表征煤层含气量。

3、近年来，基于高分辨率x-ct扫描图像和计算机技术的数字岩石物理为更好地认识和评价煤层气储层提供了契机。数字岩石物理是在地质条件约束下，利用现代数学方法与成像技术，建立数字岩心，开展物理场数值模拟，计算等效物理参数，研究岩石微观结构、物质组成与宏观等效性质之间的关系。该方法能够在微观尺度上详细剖析煤岩各种地质因素对宏观导电性质的影响，并且具有实验周期短和岩心可重复使用的特点，有效弥补了常规岩石物理实验的不足，为揭示煤储层导电性响应规律及其与含气量内在定量关系提供了有力手段。

4、因此，本发明以数字岩心电阻率数值模拟为手段，仿照经典阿尔奇模型的实验思路开展煤储层含气量模型构建方法研究，最终构建一种适用于煤储层的含气量评价方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于数字岩心技术的煤层含气量电阻率评价方法，通过不同吸附气饱和度煤岩数字岩心电阻率与饱水煤岩数字岩石电阻率的比值来剔除煤岩骨架和孔隙结构对电阻率的影响，构建的含气饱和度与的关系模型能够提高电阻率测井对煤层含气量的解释效果和精度。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于数字岩心技术的煤层含气量电阻率评价方法，具体步骤如下：

3、s1：煤储层地层数据采集。

4、s2：煤岩数字岩心模型构建：利用计算机图像处理技术对s1中采集数据进行预处理，并通过数学形态学方法构建不同煤层气含量的煤岩数字岩心模型。

5、s3：数字岩心导电性数值模拟：利用有限单元法对s2构建的煤岩数字岩心模型开展电阻率数值模拟。

6、s4：煤储层吸附气饱和度模型构建。

7、s5：基于电测井数据的煤储层含气量评价：

8、根据钻孔数据采集的煤储层解析气含量与深侧向电阻率的数值，带入到构建的含气量模型中，求得煤储层饱水条件下的电阻率，并将求得的数值应用于地层水变化较小的相邻煤层中，即可得到相邻煤储层的吸附气含量。

9、进一步，s1中采集的数据包括钻孔数据采集和实验室数据采集。

10、钻孔数据采集用于采集煤层气储层钻孔内的煤岩岩心、解析气含量，地层压力和电阻率测井资料。

11、实验室数据采集用于采集煤岩岩心柱塞样煤岩孔隙度、等温吸附实验和岩心三维ct扫描图片数据。

12、进一步，s2中构建煤岩数字岩心模型的具体步骤为：

13、s2-1：根据煤岩ct灰度图像将数字岩心划分为矿物、煤基质和孔隙三部分。

14、用f(i,j)表示图像像素灰度值，经分析后在f(i,j)灰度变化范围内确定两个的阈值t1和t2，小于t1的部分用数字0表示，代表孔隙，介于t1和t2之间的部分用数字1表示，代表煤基质，大于t2的部分用数字2表示，代表骨架矿物：用g(i,j)图表示像分割函数：

15、

16、s2-2：将计算的数字岩心孔隙度与实验室测量孔隙度进行比较，通过数字化组分替换的方式随机地在煤基质中添加微孔，直到计算的数字岩心孔隙度与实验室测量孔隙度相差在允许的范围内。

17、s2-3：将ct图像无法识别的微孔利用图像数字化处理方法随机地添加在煤岩骨架中，得到相对准确的柱塞样煤岩三维数字岩心，对煤岩三维数字岩心随机截取若干立方体单元，每个立方体单元分别反映煤岩不同的孔隙结构特征。

18、s2-4：对s2-3截取的心立方体单元模型开展数学形态学方法处理，综合利用腐蚀和膨胀运算在煤岩基质孔隙内表面添加吸附气，最终构建含有不同吸附气含量的煤岩数字岩心体积单元模型，根据煤层气含气饱和度的定义，构建数字岩心模型吸附气含气饱和度计算公式如下：

19、

20、其中，sg为吸附气饱和度，vm为数字岩心模型中吸附气组分的体积含量，vl为煤岩数字岩心最大吸附气体积含量，pl为兰氏压力，可通过煤岩岩心的等温吸附曲线得到，mpa，pr为煤储层压力，可通过原位数据采集得到，mpa。

21、进一步，vl的最大吸附气体积含量表示为吸附气充满所有数字岩心孔隙空间，pl表示的兰氏压力为吸附量达到最大吸附量的50％所对应的压力值。

22、进一步，s3中电阻率数值模拟的具体过程为：

23、s3-1：对s2-3中截取一立方体单元数字岩心的孔隙中饱含水，模拟饱水数字岩心模型的电阻率，记为ro。

24、s3-2：针对s2-4构建的煤岩数字岩心模型进行电阻率数值模拟，记为rt。

25、进一步，计算的ro与煤岩骨架、孔隙结构和孔隙水的导电性有关；计算的rt与煤岩骨架、孔隙结构、孔隙水和添加的吸附气含量有关。

26、进一步，s4中煤储层吸附气饱和度模型构建过程为：计算rt/ro，消除煤岩骨架、孔隙结构和孔隙水导电性对电阻率的影响，构建的sg与rt/ro函数关系。

27、采用上述方案后实现了以下有益效果：

28、(1)有效避开了实验室电阻率实验过程中岩心含气量难以控制的问题，数字岩心技术可以通过图像处理和数字化方法人为控制和直观显示煤岩含气量的多少。

29、(2)在数字岩心模型的构建过程中，由于x-ct扫描图像分辨率的限制，数字岩心模型划分不同组分时的阈值范围很难确定，但是对于同一块煤岩数字岩心模型来说，由于本发明使用了数字岩心不同含气量时计算的电阻率(rt)与完全饱水时电阻率(ro)的比值(rt/ro)，能够剔除煤岩骨架和孔隙结构的影响，而重点揭示含气量差异对电阻率的影响。故在前期数字岩心模型的构建过程中无需对组分划分要求过于准确。

30、(3)构建的煤岩含气量sg与rt/ro的关系模型相比于利用langmuir等温吸附法和测井曲线统计回归法构建的煤岩含气量模型来说，本模型的形式表达简单，且容易实现。此外，模型的构建思路借鉴了测井解释中经典阿尔奇模型，是阿尔奇模型在煤储层中的一种变相应用，故本模型是经典岩石物理与数字岩石物理的有机结合，能够为煤储层含气量测井解释提供重要技术支持。