CN104483706B - 一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，基于煤岩力学参数，充分利用完整性系数、破裂系数及稳定性系数与煤体结构间的内在关系，构建基于煤岩力学参数的煤体结构指数计算模型，进而对煤体结构指数进行计算，能够有效地利用测井资料进行煤体结构指数计算，将测井计算的煤岩力学参数与煤体结构有机结合在一起，所定量识别的煤体结构与煤岩心观察分析的煤体结构值基本一致，从而提高了煤体结构测井定量识别的精度大大提高，为煤层气储层压裂层位优选提供测井技术支持。

Description

一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法

技术领域

本发明属于煤层气勘探、排采开发中的测井评价技术，特别涉及一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法。

背景技术

煤体结构对压裂效果具有重要影响。构造煤的发育程度是制约煤层气开发的关键因素，构造煤既降低了煤层的渗透性，又不利于压裂施工等工艺措施。构造煤机械强度低、煤体结构松散，不能脆性开裂，于是难以形成裂缝。压裂时形成缝壁的同时，这些崩离剥落的大量煤粉会堵塞缝道，进而致使煤层的渗透性能得不到改善。因此，如何利用测井资料，对其煤层气储层的煤体结构做出合理划分，不仅对煤层气储层品质的划分具有重要意义，而且对压裂层位优选是十分必要的。

由于煤岩性脆、易碎，机械强度低，钻井取心过程中极易受到破坏，取心收获率低，而且取心成本昂贵，因此利用岩心识别煤体结构受到岩心完整程度和数量的限制。不容置疑的是，测井资料非常丰富，蕴藏着识别煤体结构的重要煤岩物理信息。傅雪海、汤友谊等学者利用电阻率、自然伽玛、密度、声波时差等测井资料，依据不同的煤体结构，具有不同的测井响应特征这一思想，对煤体结构进行过识别研究，并取得了一定的成果。

煤岩在构造应力的作用下，煤体结构会从原生结构煤向碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤转化，相应地，其煤岩的力学特性会发生变化。也就是说，不同的煤体结构，其煤岩的力学参数也具有一定的差异性。利用测井资料，在计算煤岩力学参数的基础上，系统剖析不同煤体结构与其力学参数间的内在关系，并构建煤体结构测井定量识别模型，并以此开展煤体结构识别，无疑对煤层气勘探开发是十分必要的。

从现有方法来看，尚且没有利用测井资料在计算煤岩力学参数的基础上，系统剖析煤岩力学参数与煤体结构间的内在关系，并构建煤体结构识别方法，这给煤层气储层压裂层位优选等带来不便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有方法的不足，提供一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，提高煤体结构测井定量识别精度的同时，为煤层气储层压裂层位优选提供测井技术支持。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，包括以下步骤：

步骤一、测井资料环境影响校正：

对测井资料环境影响进行校正，保证用于煤岩力学参数计算的测井资料真实可靠；

步骤二：计算煤岩的完整性系数K_ν：

完整性系数K_ν值反映煤岩的完整性，K_ν值越大，裂缝越不发育，煤体结构越完整；反之，裂缝越发育，煤体结构越不完整；

步骤三：计算煤岩的破裂系数R_f：

煤岩的破裂程度与杨氏模量关系密切，煤岩越破裂，杨氏模量越小；对同一种煤岩来说，煤岩骨架的杨氏模量是一常数，于是煤岩越破碎，杨氏模量计算的破裂系数越大；

步骤四：计算煤岩的稳定性系数R_g：

煤层发育裂缝时，密度测井将不同程度地降低，声波时差会增大，因此杨氏模量E和切变模量G降低，进而致使煤岩的稳定性系数R_g下降；

步骤五：确定煤岩的完整性系数K_ν、破裂系数R_f及稳定性系数R_g与煤体结构内在关系：

以完整性系数和稳定性系数为横坐标，破裂系数为纵坐标，制作完整性系数～破裂系数、稳定性系数～破裂系数交会图版；由该套图版可知，由原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤逐渐过渡，煤岩的完整性系数和稳定性系数减小，破裂系数逐渐增大；

步骤六：构建煤体结构指数计算模型：

构建公式(4)所示的煤体结构指数计算模型：

$I_{CS}=\frac{K_v}{R_f}\·log\left(R_g\right)---\left(4\right)$

煤体结构指数I_CS越大，表明煤岩越趋近于碎裂煤和原生结构煤；煤体结构指数I_CS越小，表明煤岩越趋近于碎粒煤和糜棱煤；

步骤七、识别煤体结构：

针对不同矿区的煤岩心，在对其分析描述煤体结构的基础上，将计算的完整性系数、破裂系数及稳定性系数代入步骤六中的公式(4)，求得煤体结构指数I_CS，并对其I_CS值进行归一化处理，统计分析原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤的煤体结构指数I_CS值，便可得出如下不同煤体结构的I_CS值划分标准：

I_CS值大于0.7时为原生结构煤，I_CS介于0.7至0.4之间为碎裂煤，I_CS介于0.4至0.2之间为碎粒煤，I_CS小于0.2为糜棱煤，依据此标准实现基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别。

作为本发明的进一步优化方案，步骤一中采用图版法和迭代反演相结合的方法进行测井资料环境影响校正。

作为本发明的进一步优化方案，步骤二中煤岩的完整性系数K_ν用骨架的声波时差与煤岩的声波时差比值的平方用来表征，如公式(1)：

$K_v={\left(\frac{{\mathrm{\Δt}}_{ma}}{\mathrm{\Δ}t}\right)}^2---\left(1\right)$

式中：K_ν为煤岩的完整性系数，无量纲；Δt_ma为煤岩骨架的声波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤三中破裂系数R_f采用纵、横波时差和密度测井资料计算的杨氏模量与煤岩骨架的杨氏模量相比来表征，如公式(2)：

$R_f=\frac{E_{ma}-E}{E_{ma}}---\left(2\right)$

其中：

式中：R_f为煤岩的破裂系数，无量纲；E_ma为无裂缝煤岩的杨氏模量值，MPa；E为杨氏模量，MPa；ρ_b为煤岩的体积密度，g/cm³；Δt_s为煤岩的横波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤四中煤岩的稳定性系数R_g采用体积模量与切变模量的积来求取，如公式(2)：

R_g＝K_b×G (3)

其中，

$G=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\Δt}}_s^2}\×{10}^9$

式中：R_g为煤岩稳定性系数，无量纲；K_b为体积模量，MPa；G为切变模量，MPa；ρ_b为煤岩的体积密度，g/cm³；Δt_s为煤岩的横波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。

本发明基于煤岩力学参数的煤体结构计算方法，基于煤岩力学参数，充分利用完整性系数、破裂系数及稳定性系数与煤体结构间的内在关系，构建基于煤岩力学参数的煤体结构指数计算模型，进而对煤体结构指数进行计算，能够有效地利用测井资料进行煤体结构指数计算，将测井计算的煤岩力学参数与煤体结构有机结合在一起，所定量识别的煤体结构与煤岩心观察分析的煤体结构值基本一致，从而提高了煤体结构测井定量识别的精度大大提高，为煤层气储层压裂层位优选提供测井技术支持。

附图说明

图1为本发明中的煤体结构计算方法流程图。

图2为本发明中的煤岩完整性系数与破裂系数关系图。

图3为本发明中的煤岩稳定性系数与破裂系数关系图。

图4为本发明的煤体结构测井定量识别成果图。

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1，一种煤岩可压裂性测井定量评价方法，包括以下步骤：

步骤一、测井资料环境影响校正：利用密度、电阻率及自然伽马测井曲线识别煤岩煤层的基础上，对比煤层段的钻头直径与井径测井曲线，判断煤层段受扩径等环境因素的影响程度。以煤岩室内实测密度、声波时差值为反演的约束条件，针对不同系列的测井仪器，优选相应的环境影响校正图版，将图版读值拟合成校正公式的基础上进行计算机自动可视化校正处理，并考虑到图版法的局限性，采用非线性数学方法来迭代反演煤岩煤层的真实密度、声波时差等测井信息，以保障用于煤岩力学参数计算的测井资料真实可靠。

步骤二：计算煤岩的完整性系数K_ν：煤岩的完整性系数是骨架的声波时差与煤岩的声波时差比值的平方，用来表征煤岩的完整性特征。

$K_v={\left(\frac{{\mathrm{\Δt}}_{ma}}{\mathrm{\Δ}t}\right)}^2---\left(1\right)$

式中：K_ν为煤岩的完整性系数，无量纲；Δt_ma为煤岩骨架的声波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。

K_ν值反映了煤岩的完整性，当Δt越接近于Δt_ma时，K_ν值越大，裂缝越不发育，煤体结构越完整。反之，裂缝越发育，煤体结构越不完整。

步骤三：计算煤岩的破裂系数R_f：已有研究表明，无裂缝煤岩的弹性模量比有裂缝煤岩的弹性模量值大，因此，可以利用测井计算煤层的煤岩动力学参数，经过动、静力学参数转化后，将无裂缝煤岩的弹性模量与煤岩的弹性模量相比，根据比值同样可以判断裂缝的发育程度。

破裂系数反映的是煤岩的破裂程度，常用纵、横波时差和密度测井资料计算的杨氏模量与煤岩骨架的杨氏模量相比来表征，即：

$R_f=\frac{E_{ma}-E}{E_{ma}}---\left(2\right)$

其中：

式中：R_f为煤岩的破裂系数，无量纲；E_ma为无裂缝煤岩的杨氏模量值，MPa；E为杨氏模量，MPa；ρ_b为煤岩的体积密度，g/cm³；Δt_s为煤岩的横波时差，μs/m；其他参数物理意义同上。

由于煤岩的破裂程度与杨氏模量关系密切，煤岩越破裂，杨氏模量越小；而对同一种煤岩来说，煤岩骨架的杨氏模量是一常数，于是煤岩越破碎，杨氏模量计算的破裂系数越大。显然，用破裂系数表征煤岩的破碎程度，在一定程度上消除了煤岩本身性质对杨氏模量的影响，而突出了煤岩的破碎程度。

实际生产中，多数井未测横波时差，于是可用利用纵波时差和密度等测井资料来构建适用于研究区的横波时差预测模型，进而来计算杨氏模量和破裂系数。

步骤四：计算煤岩的稳定性系数R_g：煤层发育裂缝时，密度测井将不同程度地降低，而声波时差会增大，因此杨氏模量E和切变模量G降低，进而致使煤岩的稳定性系数下降。煤岩的稳定性系数可用体积模量与切变模量的积来求取。

R_g＝K_b×G (3)

其中，

$G=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\Δt}}_s^2}\×{10}^9$

式中：R_g为煤岩稳定性系数，无量纲；K_b为体积模量，MPa；G为切变模量，MPa；其他参数物理意义同上。

步骤五：完整性系数、破裂系数及稳定性系数与煤体结构间内在关系分析。依据步骤二、方案三、方案四计算的完整性系数、破裂系数及稳定性系数，以完整性系数和稳定性系数为横坐标，破裂系数为纵坐标，制作完整性系数～破裂系数、稳定性系数～破裂系数交会图版，如图2和图3所示。由该套图版可知，由原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤逐渐过渡，煤岩的完整性系数和稳定性系数减小，破裂系数逐渐增大。换言之，原生结构煤的完整性系数和稳定性系数最大，破裂系数最小；而碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的完整性系数和稳定性系数逐渐减小，破裂系数逐渐增大。

步骤六：构建煤体结构指数计算模型：由步骤五方案的分析可知，煤体结构由原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤逐渐过渡，完整性系数和稳定性系数逐渐减小，破裂系数逐渐增大。考虑到稳定性系数数值较大，在构建煤体结构指数计算公式时对其进行了对数处理。据此，构建了公式(4)所示的煤体结构指数计算模型：

$I_{\mathrm{CS}}=\frac{K_v}{R_f}\·\log \left(R_g\right)---\left(4\right)$

煤体结构指数I_CS越大，表明煤岩越趋近于碎裂煤和原生结构煤；煤体结构指数I_CS越小，表明煤岩越趋近于碎粒煤和糜棱煤。

步骤七、识别煤体结构：依据步骤二、步骤三和步骤四中的方案，将测井计算的完整性系数、破裂系数及稳定性系数代入步骤六方案中的公式(4)，便可求得煤体结构指数I_CS。考虑到计算的煤体结构指数I_CS值变化范围较大，对I_CS值进行了归一化处理。基于归一化后的煤体结构指数I_CS值，结合煤岩心煤体结构观察描述结果对I_CS值的标定，最终将不同煤体结构的I_CS值划分为如下标准。

I_CS值大于0.7时为原生结构煤，I_CS介于0.7至0.4之间为碎裂煤，I_CS介于0.4至0.2之间为碎粒煤，I_CS小于0.2为糜棱煤。依据此标准，便可实现基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别。

基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法已经在实际煤层气储层中得到试用。在X井的煤体结构测井定量识别中，参照图4，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。从该图第7道可知，该煤层气储层573.5-574.7m井段识别为碎粒煤，574.7-575.9m、576.8-577.4m井段识别为碎裂煤，575.9-576.8m井段识别为原生结构煤。对比该图第7道煤体结构识别结果与第8道的煤岩心观察描述结果可知，本发明方法识别的煤体结构完全与煤岩心观察描述的煤体结构一致。

该方法充分挖掘了测井资料中所蕴藏的煤岩力学信息，基于煤岩力学参数定量识别的煤体结构能够满足煤层气储层压裂层位优选的要求。因此，该法提高了煤体结构识别精度的同时，开辟了利用测井资料识别煤体结构的新途径，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，煤岩力学参数计算较准确，煤体结构识别结果才具有较高的精度。

Claims (5)

1.一种基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、测井资料环境影响校正：

对测井资料环境影响进行校正，保证用于煤岩力学参数计算的测井资料真实可靠；

步骤二：计算煤岩的完整性系数K_ν：

完整性系数K_ν值反映煤岩的完整性，K_ν值越大，裂缝越不发育，煤体结构越完整；反之，裂缝越发育，煤体结构越不完整；

步骤三：计算煤岩的破裂系数R_f：

煤岩的破裂程度与杨氏模量关系密切，煤岩越破裂，杨氏模量越小；对同一种煤岩来说，煤岩骨架的杨氏模量是一常数，于是煤岩越破碎，杨氏模量计算的破裂系数越大；

步骤四：计算煤岩的稳定性系数R_g：

煤层发育裂缝时，密度测井将不同程度地降低，声波时差会增大，因此杨氏模量E和切变模量G降低，进而致使煤岩的稳定性系数R_g下降；

步骤五：确定煤岩的完整性系数K_ν、破裂系数R_f及稳定性系数R_g与煤体结构内在关系：

以完整性系数和稳定性系数为横坐标，破裂系数为纵坐标，制作完整性系数～破裂系数、稳定性系数～破裂系数交会图版；由该套图版可知，由原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤逐渐过渡，煤岩的完整性系数和稳定性系数减小，破裂系数逐渐增大；

步骤六：构建煤体结构指数计算模型：

构建公式(4)所示的煤体结构指数计算模型：

$I_{CS}=\frac{K_v}{R_f}\·log\left(R_g\right)---\left(4\right)$

煤体结构指数I_CS越大，表明煤岩越趋近于碎裂煤和原生结构煤；煤体结构指数I_CS越小，表明煤岩越趋近于碎粒煤和糜棱煤；

步骤七、识别煤体结构：

针对不同矿区的煤岩心，在对其分析描述煤体结构的基础上，将计算的完整性系数、破裂系数及稳定性系数代入步骤六中的公式(4)，求得煤体结构指数I_CS，并对其I_CS值进行归一化处理，统计分析原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤的煤体结构指数I_CS值，便可得出如下不同煤体结构的I_CS值划分标准：

I_CS值大于0.7时为原生结构煤，I_CS介于0.7至0.4之间为碎裂煤，I_CS介于0.4至0.2之间为碎粒煤，I_CS小于0.2为糜棱煤，依据此标准实现基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别。

2.根据权利要求1所述的基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，其特征在于：步骤一中采用图版法和迭代反演相结合的方法进行测井资料环境影响校正。

3.根据权利要求1所述的基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，其特征在于：步骤二中煤岩的完整性系数K_ν用骨架的声波时差与煤岩的声波时差比值的平方用来表征，如公式(1)：

$K_{\mathrm{\ν}}={\left(\frac{{\mathrm{\Δt}}_{ma}}{\mathrm{\Δ}t}\right)}^2---\left(1\right)$

式中：K_ν为煤岩的完整性系数，无量纲；Δt_ma为煤岩骨架的声波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。

4.根据权利要求1所述的基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，其特征在于：所述步骤三中破裂系数R_f采用纵、横波时差和密度测井资料计算的杨氏模量与煤岩骨架的杨氏模量相比来表征，如公式(2)：

$R_f=\frac{E_{ma}-E}{E_{ma}}---\left(2\right)$

其中：

式中：R_f为煤岩的破裂系数，无量纲；E_ma为无裂缝煤岩的杨氏模量值，MPa；E为杨氏模量，MPa；ρ_b为煤岩的体积密度，g/cm³；Δt_s为煤岩的横波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。

5.根据权利要求1所述的基于煤岩力学参数的煤体结构测井定量识别方法，其特征在于：所述步骤四中煤岩的稳定性系数R_g采用体积模量与切变模量的积来求取，如公式(2)：

R_g＝K_b×G (3)

其中，

$G=\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\Δt}}_s^2}\×{10}^9$

式中：R_g为煤岩稳定性系数，无量纲；K_b为体积模量，MPa；G为切变模量，MPa；ρ_b为煤岩的体积密度，g/cm³；Δt_s为煤岩的横波时差，μs/m；Δt为煤岩的声波时差，μs/m。