Bohrlochmessung: Das „kluge Auge“ bei der Exploration und Erschließung von Kohleflözgas

Die Exploration und Erschließung von Flözgas umfasst im Wesentlichen geologische und geophysikalische Erkundungen, Bohrungen, Protokollierungen, Bohrlochmessungen, Zementierung, Fertigstellung, Perforation, Entwässerung, Oberflächengewinnung und -transport usw. Durch die enge Verknüpfung und Koordination aller Verbindungen wird der Prozess der Gewinnung von Flözgas von der unterirdischen Exploration und Entdeckung bis zur Oberflächenproduktion realisiert. Dabei ist die Bohrlochmessung, auch geophysikalische Messung genannt, eines der notwendigen Mittel zur Entdeckung von Kohleflözen und Methanvorkommen in Kohleflözen. Es wird oft als das „Auge“ der Geologen bezeichnet. Geologen nutzen dieses Paar „weiser Augen“, um verschiedene physikalische Gesteinsparameter von Flözgaslagerstätten zu ermitteln und dann die Eigenschaften und Bedingungen der Kohleflöze zu klären. Dadurch bieten sie technische Unterstützung bei der Ermittlung günstiger Zonen und Verteilungsmuster für die Entstehung und Ansammlung von Flözgas, um so das Ziel der Identifizierung von Flözgaslagerstätten zu erreichen.

Eigenschaften des Kohleflözgasreservoirs

Kohleflöze sind feste, brennbare Mineralien, die durch komplexe biochemische und geologische Prozesse aus Pflanzenresten entstehen. mein Land weist vielfältige geologische Merkmale auf und auch die Kohlevorkommen und die Umgebungen zur Ansammlung von Methan in Kohleflözen sind unterschiedlich. Die Mächtigkeit reicht von dünnen Kohleflözen von weniger als 1 Meter bis zu extradicken Kohleflözen von bis zu 130 Metern. Insgesamt zeichnen sie sich durch eine geringe Vergrabungstiefe, geringe Härte und einfaches Aufbrechen und Abbauen aus. Kohlelagerstätten weisen üblicherweise eine duale Porenstruktur auf (Matrixporen, Mikroporen und natürliche Bruchnetzwerke aus Stollen und Mikrorissen) (Abbildung 1). Ihre Zerbrechlichkeit, geringe Porosität und Durchlässigkeit, starke Heterogenität und leichte Ausdehnung machen die Reaktionseigenschaften der Protokollierung auf den Gehalt an Kohleflözgas unklar, was große Schwierigkeiten und Herausforderungen bei der Interpretation und Auswertung der Protokollierung mit sich bringt.

Im Vergleich zu anderen Öl- und Gasarten weist Kohleflözgas seine eigenen Besonderheiten auf. Es ist ein Nebenprodukt der Kohle und kommt in den Poren von Kohleflözen vor. Die Vorkommen sind denen von Schiefergas ähnlich, mit den Eigenschaften der Selbsterzeugung und Selbstspeicherung. Es kommt in drei Formen von Kohlenwasserstoffgasen vor: adsorbiert auf der Oberfläche von Kohlematrixpartikeln, frei in der Trennung und den Poren von Kohleflözen und gelöst in Wasser (mit sehr geringem Gehalt). Diese drei Gase in unterschiedlichen Vorkommenszuständen stehen miteinander im dynamischen Gleichgewicht. Die Produktion von Kohleflözgas ist ein dynamischer Gleichgewichtsprozess aus Desorption, Diffusion und Sickerwasser. Wenn der Flüssigkeitsdruck im Kohleflöz abnimmt, wird das an der Oberfläche der Kohlematrixpartikel adsorbierte Kohleflözgas durch Desorption in freies Kohleflözgas umgewandelt. Das freie Kohleflözmethan gelangt durch Diffusion oder Sickern der Kohlematrix in die Risse der Formation. Schließlich gelangt das freie Kohleflözgas in den Rissen durch Sickerwasser in das Bohrloch und wird gefördert. Die Menge an Kohleflözgas wird hauptsächlich durch die geologische Struktur, den Inkohlungsgrad, die Bedingungen des Vorkommens der Kohleflöze sowie die Eigenschaften des umgebenden Gesteins an Decke und Boden beeinflusst. Bei der Bohrlochmessung werden Geologie, Felsmechanik, Mathematik, künstliche Intelligenz, Big Data und weitere „achtzehn Kampfkünste“ eingesetzt, um die Kohleschicht von der mikroskopischen Nanoporenstruktur bis zur makroskopischen Mikroporenstruktur genau zu charakterisieren und so das Kohleflözgas „am Puls zu fühlen“ und zu „diagnostizieren“.

Der Ursprung und die Entwicklung der „Weisheitsaugen“

Bei der Bohrlochmessung handelt es sich um einen Prozess zur Entwicklung hochpräziser Instrumente, der auf der Erforschung physikalischer Prozesse wie Schall, Elektrizität, Kernkraft und Magnetfeldern basiert. Diese Instrumente werden Hunderte oder sogar Tausende Meter unter der Erde platziert und durch Messung werden verschiedene Parametersignale gewonnen, die die Gesteinsformationen und die Flüssigkeiten in den Gesteinsformationen widerspiegeln. Das Interpretations- und Auswertungspersonal nutzt diese Parametersignale, um die Geheimnisse der unterirdischen Kohleflözgasschätze zu lüften und eine genaue Positionsbestimmung von Kohle und Gas zu erreichen. Daher kommt auch die Bezeichnung „weise Augen“ für die Bohrlochmessung.

Seit den 1920er Jahren hat die Entwicklung der Bohrlochmessung im Wesentlichen vier Phasen durchlaufen: analoge Messung, digitale Messung, CNC-Messung und bildgebende Messung. Die Datenerfassungsmethode in der analogen Protokollierungsphase ist einfach und verwendet analoge Aufzeichnungen, um die Daten manuell in die Zeichnung einzutragen. Ihre Hauptfunktion besteht in der qualitativen Identifizierung von Öl- und Gasschichten. In der Phase der digitalen Protokollierung werden digitale Aufzeichnungen verwendet und die durch Computerverarbeitung gewonnenen Daten genutzt. Die Protokollierungsmethoden und Akquisitionsprojekte werden allmählich verbessert und die Interpretations- und Auswertungsmethoden für Protokolle haben sich erheblich weiterentwickelt. Sie ermöglichen eine quantitative Auswertung und umfassende Analyse von Öl und Gas und spielen eine Rolle bei der Reservoirbewertung komplexer magmatischer Gesteine, vergrabener Hügel und anderer Öl- und Gasreservoirs. Darüber hinaus hat die Protokollierungstechnologie begonnen, sich in Bereichen wie Geologie und Öllagerstätten zu entwickeln. In der CNC-Protokollierungsphase werden die unterstützenden Protokollierungsinstrumente und Erfassungsprojekte immer ausgereifter und die Technologien zur Datenerfassung und -verarbeitung entwickeln sich sprunghaft. Dank der rasanten Entwicklung der Computer- und Mikroelektroniktechnologie erfüllen zahlreiche unterstützende Protokollierungsdaten die Anforderungen komplexer Lithologien wie gebrochener Reservoirs und dünner Zwischenschichten. Wir befinden uns derzeit in der Phase der Bildprotokollierung. Sein herausragendes Merkmal besteht darin, dass durch die Bildaufnahme eine Rundummessung der Formation möglich ist, die Datenaufnahmefähigkeit exponentiell verbessert wurde und durch die Datenverarbeitung eine dreidimensionale Abbildung der Bohrstelle möglich ist, die genauer und intuitiver ist als zuvor. Die neueste Generation von Protokollierungsgeräten spiegelt die hohe, präzise und fortschrittliche Technologie der modernen Technologie überall wider. Auf der Ausstellung zu wissenschaftlichen und technologischen Innovationserfolgen des Nationalen „13. Fünfjahresplans“ 2021 wurde es Seite an Seite mit einer Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn mit einer Geschwindigkeit von 600 Kilometern pro Stunde ausgestellt. Moderne Methoden zur Interpretation und Auswertung von Protokollierungen haben die „Einlochansicht“ durchbrochen und wurden kontinuierlich auf die Bereiche geologische Struktur, Prüfung, Frakturierungstransformation, technische Auswertung usw. ausgeweitet und spielen eine wichtige Rolle bei der Erkundung und Entwicklung der heute komplexeren und verborgeneren Öl- und Gaslagerstätten.

Bei den vertikalen Kohleflözgasbohrungen, die derzeit erkundet und entwickelt werden, werden die Protokollierungserfassung und die verwendeten Methoden größtenteils aus der Öl- und Gasprotokollierungstechnologie übernommen. Im Laufe der Jahrzehnte der Entwicklung und Anwendung sind eine Reihe von Technologien und Methoden zur Erfassung von Methan aus Kohleflözen entstanden, darunter elektrische, akustische und radioaktive Messungen, die ein Paar heller „Augen“ für die Suche nach Kohle und Gas bieten.

Die Rolle des „Weisheitsauges“

Die Protokollierungsreaktionseigenschaften von Kohleflözgasreservoirs können durch Verwendung von natürlichem Gamma, natürlichem Potenzial, akustischen Wellen, Dichte, Neutronen, lateralem oder Induktionswiderstand bei konventioneller Protokollierung bestimmt werden, die als „zwei Tiefs und drei Hochs“ zusammengefasst werden können: niedrige Dichte, niedriges natürliches Gamma, hohe Neutronen, hohe akustische Zeitdifferenz und hoher Widerstand. Durch die Forschung zur Bohrlochmessung wurden die aktuellen Methoden und Prozesse zur Interpretation der Kohleflözgasmessung grundlegend entwickelt und das Konzept des „Kohleflözgassystems“ auf innovative Weise vorgeschlagen. Dabei werden Kohleflöz, Dach- und Bodenplatten sowie Ober- und Unterschichten systematisch als Ganzes untersucht. Für die Forschung zu mittel- und oberflächennahem Kohleflözgas wurde das „umfassende Bewertungstechnologiesystem für die Bohrlochmessung im Kohleflözgassystem“ entwickelt, das fünf Kategorien und 16 spezielle Bewertungstechnologien für die Bohrlochmessung im Kohleflözgas umfasst. Ziel ist es, das Problem der Bewertung der vier Eigenschaften von Kohleflözgas zu lösen: „Lagerstätteneigenschaften, Gasgehalt, Wassergehalt und Kompressibilität“.

Bei tatsächlichen Auswertungsanwendungen müssen verschiedene Arten von Protokollierungstechnologien kombiniert werden, um eine genauere Protokollierung der Reservoirparameter zu erhalten und das Ziel einer genauen Protokollierungsauswertung von Kohleflözgas entsprechend unterschiedlicher geologischer Bedingungen und Explorations- und Entwicklungszwecke in verschiedenen Phasen zu erreichen. Die Grundlage für die Auswertung der Protokollierung von Kohleflözgaslagerstätten ist beispielsweise das physikalische Volumenmodell des Gesteins. Aufgrund der Unterschiede zwischen den Komponenten von Methanlagerstätten in Kohleflözen und Öl- und Gaslagerstätten wird die Kohlegeologie genutzt, um ein physikalisches Volumenmodell des Kohleflözgesteins zu erstellen, das organische Komponenten berücksichtigt. Die industriellen Bestandteile von Kohleflözen werden in festen Kohlenstoff, flüchtige Stoffe, Asche und Wasser unterteilt. Für verschiedene industrielle Kohleflözkomponenten werden Protokollierungsinterpretationsmodelle für jede Komponente anhand von Gamma, Dichte, Schallwellen und anderen Protokollierungsinformationen erstellt, um eine quantitative Berechnung der Kohleflözkomponenten zu erreichen. Es ist zu beachten, dass die charakteristischen Eigenschaften von Kohleflözgaslagerstätten durch die Überlagerung mehrerer Faktoren beeinflusst werden, die Reaktion der Protokollierungsinformationen einem nichtlinearen Gesetz folgt und herkömmliche Methoden zur Interpretation und Bewertung von Öl und Gas auf Kohleflözgaslagerstätten nicht mehr anwendbar sind.

Mit der rasanten Entwicklung der Kohleflözgasindustrie wurden auch bei der neuen Generation von Protokollierungsinstrumenten und Auswertungsmethoden große Fortschritte erzielt. Durch den Einsatz elektrischer Bildaufzeichnung können die Eigenschaften des Bohrlochs klar wiedergegeben, die Zwischenschichten der Kohleflöze präzise unterteilt, die Dach- und Bodenplatten sowie die Rissentwicklung der Kohleflöze analysiert und bewertet und die quantitative Identifizierung der Kohlekörperstruktur ermöglicht werden. Mithilfe der Kernspinresonanzmessung kann die Porosität von Kohleflözen genau berechnet und die Eigenschaften von Flüssigkeitskomponenten und Porenstrukturen auf mehreren Skalen analysiert werden. Mithilfe der Array-Akustikprotokollierung können Kohleflöze identifiziert, die mechanischen Gesteinseigenschaften und die akustische Anisotropie von Kohleflözen bewertet und Referenzdaten für die Konstruktionsplanung von Frakturierungsanlagen bereitgestellt werden. Diese neuen Protokollierungstechnologien mit ihren einzigartigen Vorteilen ermöglichen eine detaillierte Protokollierungsauswertung der Kohleflöze und gleichen die Mängel herkömmlicher Protokollierungstechnologien aus.

Mit der rasanten Entwicklung der Technologie in der Öl- und Gasindustrie beschleunigt sich auch die Exploration und Erschließung von Kohleflözgas. Auch die Anwendung von Protokollierungstechnologien bei der Exploration und Erschließung von Kohleflözgas hat ihre Grenzen. Während der Bohrung nach Kohleflözgas und der Erfassung von Bodeninformationen führt die Zerbrechlichkeit der Kohleschicht dazu, dass das Bohrloch einstürzt und absinkt, was wiederum zu einer Verzerrung des Aufzeichnungssignals führt, sodass der Aufzeichnungskurvenwert nicht mehr in der Lage ist, die tatsächliche Situation der Kohleschicht wirklich widerzuspiegeln. Beispielsweise führt die Erweiterung des Bohrlochs dazu, dass die Dichte- und Neutronenkurven der konventionellen Protokollierung abnormal abnehmen bzw. ansteigen, und die Daten der kernmagnetischen Bildgebung werden durch die Bohrflüssigkeit des Bohrlochs beeinflusst, was zu verzerrten Messdaten führt. In schweren Fällen kann die Protokollerfassung nicht einmal abgeschlossen werden. Was die vertikale Auflösung von Protokollierungsinstrumenten betrifft, so sind die vertikalen Gamma- und Dichteauflösungen bei herkömmlichen Protokollierungen niedrig und reichen nicht aus, um die Dicke dünnerer Kohleflöze genau zu unterteilen und die darin enthaltenen Kohleflöze zu identifizieren. Bei der Berechnung des Gasgehalts kann die klassische Archie-Formel zur Berechnung der Sättigung mithilfe des spezifischen Widerstands in konventionellem Öl und Gas aufgrund der komplexen elektrischen Unterschiede zwischen den verschiedenen Kohlestufen in Kohleflözen nicht verwendet werden. In weichen Formationen wie Kohleflözen nimmt die Amplitude der Scherwellen und Stoneley-Wellen in den akustischen Wellen des Arrays schnell ab. Die Forscher stehen vor einem praktischen Problem, wie sich die Wellenzuginformationen präzise und effektiv extrahieren lassen.

Derzeit können die Technologien und Methoden zur Protokollierungsauswertung von Kohleflözgas den technischen Anforderungen der rasanten Entwicklung der modernen Kohleflözgasindustrie und der Exploration und Erschließung von Tiefseekohle und -gestein nicht vollständig gerecht werden. Mit der intensiven Erschließung des Kohleflözgases verlagern sich die Exploration und Erschließung in Richtung Tiefenkohle-Erdgas. Man muss nicht nur die Porosität, Durchlässigkeit, den Gasgehalt, die Dach- und Bodenplatten, die Rissbildung usw. der Kohleflöze kennen, sondern auch die Entwicklung der Kohleflözbohrungen besser verstehen, um Probleme wie die Wasserproduktion von Flözgas vor Ort, unbekannten Gasgehalt, unklare Sweet Spots und unbekannte günstige Gebiete zu lösen. Angesichts dieser Einschränkungen und Bewertungsschwierigkeiten bedarf es weiterer Forschung und Entwicklung im Bereich der Protokollierungstechnologie.

Autor: Zeng Jingbo, Zhang Fengsheng, He Yufei, Chang Jinyu (Geologisches Forschungsinstitut der China National Petroleum Corporation Well Logging Co., Ltd.)