CN104268377B - 一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，基于煤岩工业组分，充分利用固定碳、灰分含量与杨氏模量、泊松比间的内在关系，构建基于固定碳和灰分含量的脆性指数计算模型，进而对煤岩的脆性指数进行计算，提高煤岩脆性指数计算精度的同时，将为提高煤层可压裂性预测精度提供测井技术支持；本发明基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，将煤岩工业组分与煤岩力学参数有机结合在一起，所计算的脆性指数与实验室分析化验的脆性指数值基本重叠，其精度大大提高。

Description

一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法

技术领域

本发明属于煤层气勘探开发技术中的工程测井技术，特别涉及一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法。

背景技术

煤层气开发过程中往往采用压裂排水降压才能获得工业气流，煤岩脆性评价成为划分有利煤层气储层以及制定压裂方案的一项重要工作。在影响煤岩可压裂性的诸多因素中，脆性是其中一个主要因素，脆性程度越高的煤岩越容易被改造，在压裂后能够产生更多的次生裂缝进而易于排水降压采气。

现有脆性指数评价方法中，最常用的方法是根据煤岩力学参数实验室分析化验值来求取脆性指数，譬如根据应力-应变测试得到的杨氏模量和泊松比来获得煤岩的脆性指数。在石油天然气领域的砂岩储层中，常常利用测井资料计算的杨氏模量和泊松比来获取脆性指数。另一种常用的方法是，利用测井资料计算的砂岩脆性矿物含量(石英矿物和方解石矿物)和黏土矿物含量来求取脆性指数。然而，对煤岩而言，工业组分的固体成分为固定碳和灰分，固定碳和灰分是否具有脆性不得而知，因此，尚未见到利用测井资料计算的脆性矿物含量来确定煤岩的脆性指数。

从现有方法来看，尚且没有利用测井资料计算煤岩脆性指数的方法，这给煤层气储层可压裂性评价带来不便。

该方法在国内首次针对煤层气储层，提出了基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，能够有效地利用测井资料进行煤岩脆性指数计算，提高了煤岩脆性指数的逐点计算精度。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，基于煤岩工业组分，充分利用固定碳、灰分含量与杨氏模量、泊松比间的内在关系，构建基于固定碳和灰分含量的脆性指数计算模型，进而对煤岩的脆性指数进行计算，提高煤岩脆性指数计算精度的同时，将为提高煤层可压裂性预测精度提供测井技术支持。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，包括以下步骤：

步骤一、煤岩工业组分确定：忽略相对体积小于1％的成分，如二氧化硅、硝酸盐、菱铁矿、硫以及一些稀散元素等，把煤层看成是由固定碳、灰分、挥发份和水分四部分所组成；根据煤岩工业组分体积物理模型的基本思想，构建煤岩的工业组分测井响应方程，具体如下：

时差：△t＝V_f·△t_f+V_a·△t_a+V_v·△t_v+V_w·△t_w      (1)

密度：ρ_b＝V_f·ρ_f+V_a·ρ_a+V_v·ρ_v+V_w·ρ_w      (2)

中子：φ_N＝V_f·φ_f+V_a·φ_a+V_v·φ_v+V_w·φ_w      (3)

其中：1＝V_f+V_a+V_v+V_w          (4)

式中：△t、△t_f、△t_a、△t_v、△t_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的纵波时差，单位μs/ft；ρ_b、ρ_f、ρ_a、ρ_v、ρ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的密度值，单位g/cm³；φ_N、φ_f、φ_a、φ_v、φ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的补偿中子，％；V_f、V_a、V_v、V_w分别是固定碳、灰分、挥发份、水分的体积百分数，％。

通过上述四个方程建立的煤岩工业组分体积物理模型，即可求取煤层中固定碳、灰分、挥发份、水分的含量；

步骤二、煤岩泊松比、杨氏模量确定：煤岩泊松比μ是煤岩纵向应变与横向应变之比；杨氏弹性模量是煤岩张变弹性强弱的标志，是施加的单向应力与法向应变之比，利用蕴藏着大量地层信息的测井资料来提取煤岩动态泊松比和杨氏弹性模量等煤岩力学参数，具体如下：

泊松比： $\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_s^2-2\mathrm{\Δ}{t}^2}{2({\mathrm{\Δt}}_s^2-\mathrm{\Δ}{t}^2)}---\left(5\right)$

杨氏模量： $E=\frac{9.290304\×{10}^7\·{\mathrm{\ρ}}_b\·(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{(1-\mathrm{\μ})\mathrm{\Δ}{t}^2}---\left(6\right)$

式中：μ为煤岩的泊松比，无量纲；△t、△t_s分别为煤岩的纵波、横波时差，μs/ft；E为煤岩的杨氏模量，10⁴MPa；

步骤三、煤岩力学参数与脆性指数相关性分析：用弹性力学参数法来计算岩石的脆性指数，具体确定方法如下：

$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(8\right)$

$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(9\right)$

式中：I_BE、I_Bμ分别为杨氏模量和泊松比法计算的脆性指数，％；I_B为煤层的脆性指数，％；E_max、E_min煤岩的静态杨氏模量最大值、最小值，10⁴MPa；μ_max、μ_min为岩石的静态泊松比最大值、最小值，无量纲，由方程(7)、(8)可知，煤岩的脆性指数与杨氏模量成正比、与泊松比成反比；

步骤四、煤岩工业组分与脆性指数相关性分析：依据步骤一方案计算的煤岩工业组分，并依据步骤二方案计算煤岩的泊松比和杨氏模量，统计待计算井区的固定碳、灰分、泊松比和杨氏模量，以固定碳和灰分含量为自变量，泊松比和杨氏模量为因变量进行相关性分析，探明固定碳和灰分与泊松比和杨氏模量的内在关系，通过对实测资料拟合分析，得出如下方程：

$E=307.25e^{-0.0704V_f}---\left(10\right)$

$\mathrm{\μ}=0.2989e^{0.0051V_f}---\left(11\right)$

$E=0.0508e^{0.3302V_a}---\left(12\right)$

$\mathrm{\μ}=0.559e^{-0.0238V_a}---\left(13\right)$

由方程(10)～(13)可知，煤岩的固定碳与杨氏模量成正相关、与泊松比成负相关；灰分与杨氏模量成负相关、与泊松比成正相关，结合步骤三方案可知，煤岩的固定碳与脆性指数成负相关，灰分与脆性指数成正相关；

步骤五、煤层脆性指数计算模型构建：利用测井资料计算的灰分和固定碳来定义煤岩的脆性指数，具体如下：

$I_B=\frac{V_a}{V_a+V_f}\×100---\left(14\right)$

步骤六、煤岩脆性指数确定：将测井计算的灰分V_a和固定碳V_f输入公式(14)得出I_B，便可实现煤岩脆性指数的确定。

本发明基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，将煤岩工业组分与煤岩力学参数有机结合在一起，所计算的脆性指数与实验室分析化验的脆性指数值基本重叠，其精度大大提高。

附图说明

图1为本发明中的煤岩脆性指数确定方法流程图。

图2为本发明中的煤岩固定碳与杨氏模量含量关系图。

图3为本发明中的煤岩固定碳与泊松比含量关系图。

图4为本发明中的煤岩灰分与杨氏模量含量关系图。

图5为本发明中的煤岩灰分与泊松比含量关系图。

图6为本发明计算的脆性指数与实测脆性指数对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做详细叙述。

参照图1，一种基于煤岩工业组分的脆性指数的确定方法，包括以下步骤：

步骤一、煤岩工业组分计算：对于煤层来说，其组成成分是复杂的，如果忽略相对体积小于1％的成分，如二氧化硅、硝酸盐、菱铁矿、硫以及一些稀散元素等，那么可以把煤层看成是由固定碳、灰分、挥发份和水分三部分所组成。灰分是指煤完全燃烧后剩下来的矿物质残渣，水分包括内在水分和外在水分。根据煤岩工业组分体积物理模型的基本思想，构建了煤岩的工业组分测井响应方程，具体如下：

时差：△t＝V_f·△t_f+V_a·△t_a+V_v·△t_v+V_w·△t_w      (1)

密度：ρ_b＝V_f·ρ_f+V_a·ρ_a+V_v·ρ_v+V_w·ρ_w      (2)

中子：φ_N＝V_f·φ_f+V_a·φ_a+V_v·φ_v+V_w·φ_w      (3)

其中：1＝V_f+V_a+V_v+V_w         (4)

式中：△t、△t_f、△t_a、△t_v、△t_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的纵波时差，μs/ft；ρ_b、ρ_f、ρ_a、ρ_v、ρ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的密度值，g/cm³；φ_N、V_f、φ_a、V_v、φ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的补偿中子，％；V_f、V_a、V_v、V_w分别是固定碳、灰分、挥发份、水分的体积百分数，％。

通过上述四个方程建立的煤岩工业组分体积物理模型，即可求取煤层中工业组分的含量。

步骤二、煤岩泊松比、杨氏模量计算：煤岩泊松比μ是煤岩纵向应变与横向应变之比；杨氏弹性模量是煤岩张变弹性强弱的标志，是施加的单向应力与法向应变之比。通过煤岩力学性质实验来获取煤岩泊松比和杨氏弹性模量。由于钻井取心数量有限、成本高、不连续，可利用蕴藏着大量地层信息的测井资料来提取煤岩动态泊松比和杨氏弹性模量等煤岩力学参数，具体如下：

泊松比 $\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_s^2-2\mathrm{\Δ}{t}^2}{2({\mathrm{\Δt}}_s^2-\mathrm{\Δ}{t}^2)}---\left(5\right)$

杨氏模量 $E=\frac{9.290304\×{10}^7\·{\mathrm{\ρ}}_b\·(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{(1-\mathrm{\μ})\mathrm{\Δ}{t}^2}---\left(6\right)$

式中：μ为煤岩的泊松比，无量纲；△t_s为煤岩的横波时差，μs/ft；E为煤岩的杨氏模量，10⁴MPa。

步骤三、煤岩力学参数与脆性指数相关性分析：弹性力学参数对煤层的可压性具有重要作用和影响，泊松比反映了煤岩在应力作用下的破裂能力，而弹性模量反映了煤岩破裂后的支撑能力。认为杨氏模量越高，泊松比越低的岩石脆性更强。据此，目前常用弹性力学参数法来计算岩石的脆性指数。具体确定方法如下：

$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(8\right)$

$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(9\right)$

式中：I_BE、I_Bμ分别为杨氏模量和泊松比法计算的脆性指数，％；I_B为煤层的脆性指数，％；E_max、E_min煤岩的静态杨氏模量最大值、最小值10⁴MPa；μ_max、μ_min为岩石的静态泊松比最大值、最小值，无量纲。

由方程(7)、(8)可知，煤岩的脆性指数与杨氏模量成正比、与泊松比成反比。

步骤四、煤岩工业组分与脆性指数相关性分析：考虑到水分和挥发份对煤岩的脆性影响很小，可以忽略不计，在此仅探讨影响煤岩脆性的固定碳、灰分这两个固体工业组分参数与脆性指数的相关性。由步骤三可知，常用弹性力学参数法来计算岩石的脆性指数，于是分析固定碳、灰分与脆性指数的相关性，则转换为探讨固定碳、灰分与杨氏模量、泊松比的相关性这一问题上。

依据步骤一方案计算的煤岩工业组分，并依据步骤二方案计算煤岩的泊松比和杨氏模量，统计待计算井区的固定碳、灰分、泊松比和杨氏模量，以固定碳和灰分含量为自变量，泊松比和杨氏模量为因变量进行相关性分析，探明固定碳和灰分与泊松比和杨氏模量的内在关系。通过对实测资料拟合分析，参照图2～图5，得出如下方程：

$E=307.25e^{-0.0704V_f}---\left(10\right)$

$\mathrm{\μ}=0.2989e^{0.0051V_f}---\left(11\right)$

$E=0.0508e^{0.3302V_a}---\left(12\right)$

$\mathrm{\μ}=0.559e^{-0.0238V_a}---\left(13\right)$

由方程(10)～(13)可知，煤岩的固定碳与杨氏模量成正相关、与泊松比成负相关；灰分与杨氏模量成负相关、与泊松比成正相关。结合步骤三方案可知，煤岩的固定碳与脆性指数成负相关，灰分与脆性指数成正相关；

步骤五、煤层脆性指数计算模型构建：依据步骤四方案可知，煤岩的灰分与脆性指数成正相关，固定碳与脆性指数成负相关。据此，可以利用测井资料计算的灰分和固定碳来定义煤岩的脆性指数，具体如下：

$I_B=\frac{V_a}{V_a+V_f}\×100---\left(14\right)$

步骤六、煤岩脆性指数计算：将测井计算的灰分V_a和固定碳V_f输入公式(14)得出I_B，便可实现煤岩脆性指数的计算。

基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法已经在实际煤层气储层中得到试用。在X井的煤岩工业组分的脆性指数计算应用中，参照图6，570.4～571.1、573.3～577.3井段均为煤层，从所计算的脆性指数剖面可知，脆性指数变化区间为3.7～51，主频为10-40，平均值为20.8，由煤心室内分析化验的脆性指数可知，该段脆性指数为5～41，平均值为21.4，充分说明本发明方法计算的脆性指数与实验室实测值基本一致，最大误差小于5％，其精度完全能够满足煤层气储层压裂施工设计的要求。

对比本发明方法计算的脆性指数与煤岩心脆性指数实验室分析值可知，灰分含量较高的井段，所计算的脆性指数值较高；在灰分含量低、固定碳含量高的井段，所计算的脆性指数明显偏低。计算的脆性指数与实验室分析的脆性指数非常接近。该方法充分挖掘了测井资料中所蕴藏的煤岩脆性信息，计算结果能够满足煤层气储层压裂设计施工的要求。因此，该法提高了煤岩脆性指数计算精度的同时，开辟了利用测井资料计算煤岩脆性指数的新途径，且该方法简单、实用，具有良好的推广应用价值。

本领域的技术人员应当理解，由于煤层气测井受环境因素的影响较为严重，为了保证该方法的有效可行性，必须保障测井资料的环境影响校正效果较好，煤岩工业组分计算较准确，煤岩脆性指数计算结果才具有较高的精度。

Claims (1)

1.一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、煤岩工业组分确定：忽略相对体积小于1％的成分，如二氧化硅、硝酸盐、菱铁矿、硫以及一些稀散元素等，把煤层看成是由固定碳、灰分、挥发份和水分四部分所组成；根据煤岩工业组分体积物理模型的基本思想，构建煤岩的工业组分测井响应方程，具体如下：

时差：Δt＝V_f·Δt_f+V_a·Δt_a+V_v·Δt_v+V_w·Δt_w     (1)

密度：ρ_b＝V_f·ρ_f+V_a·ρ_a+V_v·ρ_v+V_w·ρ_w         (2)

中子：φ_N＝V_f·φ_f+V_a·φ_a+V_v·φ_v+V_w·φ_w         (3)

其中：1＝V_f+V_a+V_v+V_w       (4)

式中：Δt、Δt_f、Δt_a、Δt_v、Δt_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的纵波时差，单位μs/ft；ρ_b、ρ_f、ρ_a、ρ_v、ρ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的密度值，单位g/cm³；φ_N、φ_f、φ_a、φ_v、φ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的补偿中子，％；V_f、V_a、V_v、V_w分别是固定碳、灰分、挥发份、水分的体积百分数，％。

通过上述四个方程建立的煤岩工业组分体积物理模型，即可求取煤层中固定碳、灰分、挥发份、水分的含量；

步骤二、煤岩泊松比、杨氏模量确定：煤岩泊松比μ是煤岩纵向应变与横向应变之比；杨氏弹性模量是煤岩张变弹性强弱的标志，是施加的单向应力与法向应变之比，利用蕴藏着大量地层信息的测井资料来提取煤岩动态泊松比和杨氏弹性模量等煤岩力学参数，具体如下：

泊松比： $\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_s^2-2\mathrm{\Δ}{t}^2}{2(\mathrm{\Δ}{t}_s^2-\mathrm{\Δ}{t}^2)}---\left(5\right)$

杨氏模量： $E=\frac{9.290304\×{10}^7\·{\mathrm{\ρ}}_b\·(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{(1-\mathrm{\μ})\mathrm{\Δ}{t}^2}---\left(6\right)$

式中：μ为煤岩的泊松比，无量纲；Δt、Δt_s分别为煤岩的纵波、横波时差，μs/ft；E为煤岩的杨氏模量，10⁴MPa；

步骤三、煤岩力学参数与脆性指数相关性分析：用弹性力学参数法来计算岩石的脆性指数，具体确定方法如下：

$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(8\right)$

$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(9\right)$

式中：I_BE、I_Bμ分别为杨氏模量和泊松比法计算的脆性指数，％；I_B为煤层的脆性指数，％；E_max、E_min煤岩的静态杨氏模量最大值、最小值，10⁴MPa；μ_max、μ_min为岩石的静态泊松比最大值、最小值，无量纲，由方程(7)、(8)可知，煤岩的脆性指数与杨氏模量成正比、与泊松比成反比；

步骤四、煤岩工业组分与脆性指数相关性分析：依据步骤一方案计算的煤岩工业组分，并依据步骤二方案计算煤岩的泊松比和杨氏模量，统计待计算井区的固定碳、灰分、泊松比和杨氏模量，以固定碳和灰分含量为自变量，泊松比和杨氏模量为因变量进行相关性分析，探明固定碳和灰分与泊松比和杨氏模量的内在关系，通过对实测资料拟合分析，得出如下方程：

$E=307.25e^{-0.0704V_f}---\left(10\right)$

$\mathrm{\μ}=0.2989e^{0.0051V_f}---\left(11\right)$

$E=0.0508e^{0.3302V_a}---\left(12\right)$

$\mathrm{\μ}=0.559e^{-0.0238V_a}---\left(13\right)$

由方程(10)～(13)可知，煤岩的固定碳与杨氏模量成正相关、与泊松比成负相关；灰分与杨氏模量成负相关、与泊松比成正相关，结合步骤三方案可知，煤岩的固定碳与脆性指数成负相关，灰分与脆性指数成正相关；

步骤五、煤层脆性指数计算模型构建：利用测井资料计算的灰分和固定碳来定义煤岩的脆性指数，具体如下：

$I_B=\frac{V_a}{V_a+V_f}\×100---\left(14\right)$

步骤六、煤岩脆性指数确定：将测井计算的灰分V_a和固定碳V_f输入公式(14)得出I_B，便可实现煤岩脆性指数的确定。