CN104314563B - 一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法，本发明利用测井资料确定煤岩脆性指数、煤层水平主应力差异系数、煤层及其顶底板间的最小主应力差，并以此三个评价指标来对煤层气储层的可压裂性进行评价，在提高煤层气储层可压裂性测井定量评价精度的同时，为煤层气储层压裂层位优选提供测井技术支持，具有方法简单、实用的特点。

Description

一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法

技术领域

本发明涉及煤层气勘探开发中的测井评价技术领域，特别涉及一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法。

背景技术

煤层气开发过程中常常采用压裂排水降压来获得工业气流，煤层的可压裂性评价成为优选有利煤层气储层以及制定压裂方案的一项重要工作。测井资料中蕴藏着丰富的煤层物理信息，因此很有必要利用测井信息来评价煤层气储层的可压裂性。

截止时日，从测井角度评价岩层的可压裂性，主要利用测井资料来计算岩层的杨氏模量和泊松比，在此基础上计算岩层的脆性指数，并以此脆性指数大小来界定岩层的可压裂性。

然而，现有的可压裂性测井评价的脆性指数法，主要针对的是石油天然气领域的砂岩、碳酸盐岩及火山岩储层。由于煤岩性脆、易碎、机械强度低、割理发育、非均质性强，致使现有的脆性指数法评价煤层气储层可压裂性的精度大大降低。其次，煤层水平主应力差异系数、煤层及顶底板的应力差都会对压裂效果造成不同程度的影响。从现有方法来看，尚且没有利用测井资料来定量评价煤层气储层可压裂性的方法，这给煤层气储层压裂层位优选带来不便。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法，利用测井资料确定煤岩脆性指数、煤层水平主应力差异系数、煤层及其顶底板间的最小主应力差，并以此三个评价指标来对煤层气储层的可压裂性进行评价，在提高煤层气储层可压裂性测井定量评价精度的同时，将为煤层气储层压裂层位优选提供测井技术支持，具有方法简单、实用的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法，步骤如下：

步骤一：

煤岩脆性指数确定：采用式(1)～式(3)确定煤岩的脆性指数：

$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(2\right)$

$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{\μ}=\frac{0.5{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2}{{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2},E=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\Δt}}_s^2}\·\frac{{3\mathrm{\Δt}}_s^2-4{\mathrm{\Δt}}^2}{{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2}$

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、E_max、E_min分别为煤层的杨氏模量、最大杨氏模量和最小杨氏模量比，10⁴MPa；μ、μ_max、μ_min分别为煤层的泊松比、最大泊松比和最小泊松比，无量纲；ρ_b为体积密度，g/cm³；Δt、Δt_s分别为煤层的纵、横波时差，μs/ft；

步骤二：

煤层水平主应力差异系数确定：采用式(4)确定水平主应力差异系数：

$K_h=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_2}---\left(4\right)$

其中， ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+{\mathrm{\β}}_1({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+\mathrm{\α}{P}_p;$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+\mathrm{\α}{P}_p;$

${\mathrm{\σ}}_v=0.00980665\×({\mathrm{\ρ}}_o\×H_o+\underset{H_0}{\overset{H}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\mathrm{dH});$

$P_p={\mathrm{\σ}}_v-145.31\×{\left(\frac{\frac{1}{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}-\frac{1}{\mathrm{\Δt}}}{A}\right)}^{\frac{1}{B}};$

式中：K_h为水平主应力差异系数，无因次；σ₁为煤层最大水平主应力，MPa；σ₂为煤层最小水平主应力，MPa；σ_v为垂向地应力，MPa；α为Biot系数，无量纲；P_p为地层孔隙压力，MPa；β₁为最大水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；β₂为最小水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；ρ_o为没有测井密度深度段的地层平均密度值，g/cm³；H_o为密度测井的起始深度，m；H为计算点的深度，m；Δt_ma为煤岩骨架的声波时差，μs/ft；A、B为地区系数，无量纲；其他参数物理意义同上；

步骤三：

煤层及其顶底板间的最小水平主应力差确定：利用测井资料，在确定煤层及其顶底板地应力的基础上，采用式(5)确定煤层及其顶底板间的最小水平主应力差：

Δσ＝σ_s-σ₂   (5)

其中， ${\mathrm{\σ}}_s=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+\mathrm{\α}{P}_p$

式中：Δσ为煤层及其顶底板间的最小水平主应力差，MPa；σ_s为煤层顶底板的最小水平主应力，MPa；其他参数物理意义同上；

步骤四：

可压裂性评价：依据以上步骤的结果，得出了表1所示的煤层气储层可压裂性评价等级划分标准：

表1煤层气储层可压裂性评价等级划分表

由表1可知，将煤层的可压裂性评价划分为三类：Ⅰ类表示可压裂性评价好、可压裂性强；Ⅱ类表示可压裂性评价中等、具备一定的压裂性；Ⅲ类表示可压裂性评价差、难以成功压裂。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明煤层气储层可压裂性测井定量评价方法，能够有效地利用测井资料进行煤层气储层可压裂性评价，将煤岩脆性指数、煤层水平主应力差异系数、煤层及其顶底板间的最小主应力差等三个评价指标有机结合在一起，在提高煤层气储层可压裂性测井定量评价精度的同时，也为压裂层位优选提供了强有力的测井技术支持，开辟了利用测井资料评价煤层气储层可压裂性的新途径，具有方法简单、实用的特点，具有良好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明中的煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法流程图。

图2为本发明的煤层气储层可压裂性测井定量评价成果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

参照图1，一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法，包括以下步骤：

步骤一：

煤岩脆性指数确定：煤岩的脆性是煤层气储层可压性的重要指标。脆性指数越高，则说明储层容易压裂，越容易形成网状裂缝；该指数越低说明储层塑性较强，则越容易形成双翼裂缝。

煤岩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。弹性模量越高、泊松比越低，煤岩的脆性越强。

据此，采用式(1)～式(3)确定煤岩的脆性指数：

$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(2\right)$

$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{\μ}=\frac{0.5{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2}{{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2},E=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\Δt}}_s^2}\·\frac{{3\mathrm{\Δt}}_s^2-4{\mathrm{\Δt}}^2}{{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2}$

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、E_max、E_min分别为煤层的杨氏模量、最大杨氏模量和最小杨氏模量比，10⁴MPa；μ、μ_max、μ_min分别为煤层的泊松比、最大泊松比和最小泊松比，无量纲。ρ_b为体积密度，g/cm³；Δt、Δt_s分别为煤层的纵、横波时差，μs/ft。

步骤二：

煤层水平主应力差异系数确定：煤层水平主应力差越小，越有利于形成网状裂缝，即可压性越好。煤岩压裂过程中压裂液进入割理及微裂缝的同时形成新的裂缝，如果水平主应力差小，裂缝将在多个方向上延伸。

天然裂缝和层理、煤岩的脆性、较小的水平主应力差这三个因素条件共存，是使渗透性极为致密煤层气储层能实现较高产能的内在必要地质因素，致使在煤岩中打造人工裂缝体系成为现实。因此，煤层气储层的最大和最小水平主应力差是体积压裂能否成功实现的决定因素。描述水平主应力差异大小的指标是水平主应力差异系数。通常，采用式(4)确定水平主应力差异系数：

$K_h=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_2}---\left(4\right)$

其中， ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+{\mathrm{\β}}_1({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+\mathrm{\α}{P}_p;$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+\mathrm{\α}{P}_p;$

${\mathrm{\σ}}_v=0.00980665\×({\mathrm{\ρ}}_o\×H_o+\underset{H_0}{\overset{H}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\mathrm{dH});$

$P_p={\mathrm{\σ}}_v-145.31\×{\left(\frac{\frac{1}{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}-\frac{1}{\mathrm{\Δt}}}{A}\right)}^{\frac{1}{B}}.$

式中：K_h为水平主应力差异系数，无因次；σ₁为煤层最大水平主应力，MPa；σ₂为煤层最小水平主应力，MPa；σ_v为垂向地应力，MPa；α为Biot系数，无量纲；P_p为地层孔隙压力，MPa；β₁为最大水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；β₂为最小水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；ρ_o为没有测井密度深度段的地层平均密度值，g/cm³；H_o为密度测井的起始深度，m；H为计算点的深度，m；Δt_ma为煤岩骨架的声波时差，μs/ft；A、B为地区系数，无量纲；其他参数物理意义同上。

水平主应力差异系数K_h越小，表明压裂缝易于沿天然裂缝扩展，形成更大的裂缝体积带；水平主应力差异系数K_h越大，表明压裂裂缝易沿垂直于最小主应力方向扩展。

步骤三：

煤层及其顶底板间的最小水平主应力差确定：煤岩与其顶底板岩石力学性质存在明显差异，致使煤层中产生以垂向主应力为主的地应力场，层间弹性模量差值越大，则层间最小水平主应力差越大，这种趋势越明显，压裂缝就更容易被控制在煤层中。

煤层顶底板应力的大小和方向不仅控制裂缝的起裂方向与扩展方向，而且对裂缝的扩展有重要的作用。在一定的地应力场环境中，只要煤层与顶底板间弹性模量存在着较大的差异，就可以产生较大的层间扩展压力差，阻挡压裂裂缝向顶底板延伸。这说明煤层及其顶底板岩性间的应力差对压裂裂缝扩展产生重要影响。

利用测井资料，在确定煤层及其顶底板地应力的基础上，便可获得煤层及其顶底板间的最小水平主应力差：

Δσ＝σ_s-σ₂   (5)

其中， ${\mathrm{\σ}}_s=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{P}_p)+\mathrm{\α}{P}_p.$

式中：Δσ为煤层及其顶底板间的最小水平主应力差，MPa；σ_s为煤层顶底板的最小水平主应力，MPa；其他参数物理意义同上。

步骤四：

可压裂性评价：基于上述分析可知，脆性指数越高的煤层可压裂性越好；煤层自身水平主应力差异系数较小时，易于在煤层内形成复杂裂缝；煤层与顶底板的最小水平主应力差较大时，压裂易于控制在煤层内，而不会压穿煤层。据此，本发明利用测井资料，对其煤层的脆性指数、煤层水平主应力差异系数、煤层与顶底板的应力差进行了计算。依据其计算结果，在系统对比实际压裂效果监测和动态排采资料的基础上，参考常规石油天然气储层可压裂性对层间应力场的要求之后，给出了表1所示的煤层气储层可压裂性评价等级划分标准：

表1煤层气储层可压裂性评价等级划分表

由表1可知，将煤层的可压裂性评价划分为三类，Ⅰ类表示可压裂性评价好、可压裂性强；Ⅱ类表示可压裂性评价中等、具备一定的压裂性；Ⅲ类表示可压裂性评价差、难以成功压裂。

基于上述煤层气储层可压裂性评价各个评价指标测井计算模型，在编制处理解释程序的基础上，对研究区各井主力煤层气储层的可压裂性进行了测井处理解释。

参见图2，是X井煤层气储层可压裂性测井定量评价成果图。该井主力煤层气储层段573.5-577.4m，厚度为3.9m，层中无明显夹矸。该煤层气储层上部573.5-576.0m井段，测井曲线显示煤质较好。自然伽马曲线数值在35.0-60.0API之间，密度曲线数值在1.37-1.66g/cm³之间，双井径显示微扩径，计算的固定碳在85.0％左右，灰分含量低，煤岩心分析含气量为8.9-19.4m³/t，测井解释的孔隙度在6.2～8.9％之间，渗透率在0.53～0.91×10^-3μm²之间。煤层气储层品质评价为Ⅰ类，顶底板封盖品质评价为Ⅱ类，表明是煤层气富集井区。然而，该煤层段脆性指数为I_B＝30，煤层自身水平主应力差异系数K_h＝0.5，煤层与顶底板的最小水平主应力差Δσ＝2.3，可压裂性评价综合评价为Ⅲ类，表明可压裂性差。以往压裂层段优选主要考虑煤层气储层品质的缘故，对该煤层段进行了压裂，但压裂后排水三个多月仍未出气。压裂效果监测和排采动态表明，该煤层段由于可压裂性评价差，压裂施工过程中崩离剥落的大量煤粉堵塞了缝道。

该煤层气储层下部576.0-577.4m井段，固定碳在含量较低、灰分含量较高，测井计算的含气量为6.3-10.2m³/t、孔隙度为5.4～7.6％、渗透率为0.48～0.79×10^-3μm²，煤层气储层品质评价为Ⅱ类；但该煤层段脆性指数I_B＝45，煤层自身水平主应力差异系数K_h＝0.15，煤层与顶底板的最小水平主应力差Δσ＝2.3，可压裂性评价综合评价为Ⅰ类，表明可压裂性强。在上部573.5-576.0m煤层段压裂失败后，重新对该层下部576.0-577.4m煤层段进行压裂，压裂施工后排水20多天后，日产气873方。

这充分说明本研究评价的可压裂性评价与实际压裂排采较为吻合，同时也进一步表明可压裂性测井定量评价的精准与否对煤层气压裂层段的优选起到关键作用。该方法充分挖掘了测井资料中所蕴藏的煤层气储层可压裂性信息，评价能够满足煤层气储层压裂层位优选的要求。

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，煤岩脆性指数、煤层水平主应力差异系数、煤层及其顶底板间的最小主应力差等三个评价指标计算较为准确，煤层气储层可压裂性测井定量评价结果才具有较高的精度。

Claims (1)

1.一种煤层气储层可压裂性的测井定量评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：

煤岩脆性指数确定：采用式(1)～式(3)确定煤岩的脆性指数：

$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(1\right)$

$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{\μ}=\frac{0.5t_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2}{{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2},E=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\Δt}}_s^2}\·\frac{{3\mathrm{\Δt}}_s^2-4{\mathrm{\Δt}}^2}{{\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2}$

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、E_max、E_min分别为煤层的杨氏模量、最大杨氏模量和最小杨氏模量比，10⁴MPa；μ、μ_max、μ_min分别为煤层的泊松比、最大泊松比和最小泊松比，无量纲；ρ_b为体积密度，g/cm³；Δt、Δt_s分别为煤层的纵、横波时差，μs/ft；

步骤二：

煤层水平主应力差异系数确定：采用式(4)确定水平主应力差异系数：

$K_h=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_2}---\left(4\right)$

其中， ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)+{\mathrm{\β}}_1({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)+{\mathrm{\αP}}_p$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)+{\mathrm{\αP}}_p$

${\mathrm{\σ}}_v=0.0980665\×({\mathrm{\ρ}}_o\×H_o+\underset{H_0}{\overset{H}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\mathrm{dH})$

$P_p={\mathrm{\σ}}_v-145.31\×{\left(\frac{\frac{1}{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ma}}}-\frac{1}{\mathrm{\Δt}}}{A}\right)}^{\frac{1}{B}}$

式中：K_h为水平主应力差异系数，无因次；σ₁为煤层最大水平主应力，MPa；σ₂为煤层最小水平主应力，MPa；σ_v为垂向地应力，MPa；α为Biot系数，无量纲；P_p为地层孔隙压力，MPa；β₁为最大水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；β₂为最小水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；ρ_o为没有测井密度深度段的地层平均密度值，g/cm³；H_o为密度测井的起始深度，m；H为计算点的深度，m；Δt_ma为煤岩骨架的声波时差，μs/ft；A、B为地区系数，无量纲；其他参数物理意义同上；

步骤三：

煤层及其顶底板间的最小水平主应力差确定：利用测井资料，在确定煤层及其顶底板地应力的基础上，采用式(5)确定煤层及其顶底板间的最小水平主应力差：

Δσ＝σ_s-σ₂   (5)

其中， ${\mathrm{\σ}}_s=\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αP}}_p)+{\mathrm{\αP}}_p$

式中：Δσ为煤层及其顶底板间的最小水平主应力差，MPa；σ_s为煤层顶底板的最小水平主应力，MPa；其他参数物理意义同上；

步骤四：

可压裂性评价：依据以上步骤的结果，得出了表1所示的煤层气储层可压裂性评价等级划分标准：

表1 煤层气储层可压裂性评价等级划分表

由表1可知，将煤层的可压裂性评价划分为三类：Ⅰ类表示可压裂性评价好、可压裂性强；Ⅱ类表示可压裂性评价中等、具备一定的压裂性；Ⅲ类表示可压裂性评价差、难以成功压裂。