王 劍，王 王君，侯淞譯

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065; 2.中國石油集團 測井有限公司 隨鉆測井中心，陜西 西安 710054； 3.中石油 煤氣有限責任公司，北京 100028)

利用測井資料評價煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育程度

王 劍1，王 王君2，侯淞譯3

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065; 2.中國石油集團 測井有限公司 隨鉆測井中心，陜西 西安 710054； 3.中石油 煤氣有限責任公司，北京 100028)

針對常規(guī)測井難以有效評價煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度的問題，對鄂東氣田東緣韓城礦區(qū)50塊煤層頂?shù)装迳澳鄮r樣品進行巖石力學特性實驗研究。在靜態(tài)力學參數(shù)刻度測井資料計算的動態(tài)巖石力學參數(shù)的基礎上，對煤層頂?shù)装宓耐暾韵禂?shù)、破裂系數(shù)、穩(wěn)定性系數(shù)進行了計算，進而對研究區(qū)煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度進行評價。結(jié)果表明：所述方法能夠有效地預測煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育程度；研究區(qū)煤層頂?shù)装辶芽p較為發(fā)育。煤層含氣量分析化驗和排采結(jié)果顯示，在裂縫發(fā)育的井區(qū)含氣性和排采出氣量較低，表明煤層頂?shù)装宓姆忾]性較差。

測井資料；煤層頂?shù)装?；裂縫發(fā)育程度；巖石力學參數(shù)；成像測井

長期以來，煤層頂?shù)装辶芽p識別一直是測井解釋的難點，常規(guī)測井識別煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度具有一定局限性，而巖石力學參數(shù)能夠表征裂縫形成機理和發(fā)育特征[1]。鑒于此，本文對鄂東氣田韓城礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r層的力學特性開展實驗研究，并用于刻度測井資料計算的動態(tài)巖石力學參數(shù)，進而開展煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育特征研究，以期為煤層氣封閉性能評價提供技術(shù)支持。

1 煤層頂?shù)装鍘r石力學實驗

選取鄂爾多斯盆地東緣韓城礦區(qū)HS3井等7口井50塊煤層頂?shù)装迳澳鄮r樣品，對其泊松比、楊氏模量、體積模量、切變模量、抗壓強度、抗張強度進行測量，表1為部分樣品的測試結(jié)果。

表1 巖石力學參數(shù)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

實驗室測量得到的是巖石的靜力學參數(shù)，測井資料計算的是巖石的動力學參數(shù)，而評價裂縫發(fā)育程度所用的是能夠表征地下巖石真實的靜力學特征參數(shù)。但由于測試方法各異，以及采用動態(tài)方法測試時，巖石試樣對瞬間應變、高應變速率和很低應力作用的響應處于完全彈性狀態(tài)，使得動態(tài)楊氏模量大于其靜態(tài)楊氏模量，動態(tài)泊松比小于靜態(tài)泊松比[2-3]。為便于評價裂縫發(fā)育程度，首先應將測井計算的動力學參數(shù)轉(zhuǎn)換為靜力學參數(shù)。已有研究[1]表明，對于一塊巖心樣品，其動、靜力學參數(shù)較為接近，可以進行相互轉(zhuǎn)換。本文利用工區(qū)50塊巖樣的巖石力學參數(shù)實驗結(jié)果， 結(jié)合測井計算的巖石力學參數(shù)，構(gòu)建了如圖1所示的煤層頂?shù)装鍎?、靜彈性力學參數(shù)關系。

圖1 煤層頂?shù)装鍎印㈧o彈性力學參數(shù)關系

由圖1可知，研究區(qū)煤層頂?shù)装宓膭印㈧o態(tài)楊氏模量間的轉(zhuǎn)換關系為

Ed=0.721 3Es+24.27。

(1)

式中：Ed為動態(tài)楊氏模量，MPa；Es為靜態(tài)楊氏模量，MPa。

動、靜態(tài)泊松比之間的轉(zhuǎn)換關系為

μs=0.56μd+0.079。

(2)

式中：μs為動泊松比，無量綱；μd為靜泊松比，無量綱。

2 評價裂縫發(fā)育程度的參數(shù)

2.1 巖體完整性系數(shù)Kv

巖體完整性系數(shù)是巖體縱波速度與巖石理論縱波速度比值的平方。其物理意義是巖體相對于巖石的完整程度，用來表征巖體的完整性特征[4]。

(3)

式中：Vp為巖體的縱波聲速，可用測井縱波聲速代替，m/s；Vr為巖石骨架的理論縱波聲速，m/s。

煤層頂?shù)装逯型懈鞣N層面結(jié)構(gòu)，在動荷載作用下產(chǎn)生變形，對巖體中的波動過程產(chǎn)生一系列影響。聲波遇到巖體中的裂隙時發(fā)生繞射，影響走時，裂隙愈多，縱波速度就越小，則Kv值越小。

Kv值反映了巖體的完整性，Vp越接近Vr時，Kv值越大，裂縫越不發(fā)育，即巖體越完整。反之，裂縫越發(fā)育。另外，可通過縱、橫波速度比值來評價裂縫發(fā)育程度，當巖石中裂縫發(fā)育時，縱、橫波速度都有所下降，但平均來看，橫波受影響更大，即下降得更多，使得比值變大[5]。

2.2 巖石破裂系數(shù)

已有研究表明， 無裂縫巖石的彈性模量比有裂縫巖石的彈性模量值大[6]，因此，可以利用測井計算地層的巖石動力學參數(shù)，經(jīng)過動、靜力學參數(shù)轉(zhuǎn)化后，將無裂縫巖石的彈性模量與地層的彈性模量相比，根據(jù)比值同樣可以判斷裂縫的發(fā)育程度。

破裂系數(shù)反映的是巖石的破裂程度，用縱橫波時差和密度測井資料計算的動楊氏模量與巖石骨架的動楊氏模量相比較來表征[7-8]，即：

(4)

式中：Rf為地層破裂系數(shù)；Etma為無裂縫巖石的楊氏模量值，MPa；Et為測井計算得到的地層楊氏模量值，MPa。

(5)

式中：E為楊氏模量，MPa；ρb為巖石體積密度，g/cm3；Δts為巖石橫波時差，μs/m；Δtp為巖石縱波時差，μs/m。

巖石的破裂程度與楊氏模量關系密切，巖石越破碎，楊氏模量越小。對同一種巖石來說，巖石骨架的楊氏模量是一常數(shù)，于是巖石越破碎，楊氏模量計算的破裂系數(shù)越大。顯然，用破裂系數(shù)表征巖石的破碎程度，在一定程度上消除了巖石本身性質(zhì)對楊氏模量的影響，而突出了巖石的破碎程度[1]。

實際生產(chǎn)中，多數(shù)井未測橫波時差，于是可利用縱波時差和密度等測井資料來構(gòu)建適用于研究區(qū)的橫波時差預測模型[9-12]，進而計算楊氏模量和破裂系數(shù)。

2.3 巖石穩(wěn)定系數(shù)Rg

巖石的穩(wěn)定性系數(shù)可用體積模量與切變模量的積來求取。

Rg=KbG，

(6)

(7)

(8)

式中：Kb為體積模量，MPa；G為切變模量，MPa；Vs為巖體的橫波速度，m/s；α為單位換算因子，1.34×108。

煤層頂?shù)装灏l(fā)育裂縫時，密度測井將有不同程度的降低，而聲波時差會增大，因此，楊氏模量E和巖石切變模量G降低，進而使巖石的穩(wěn)定系數(shù)下降。

3 實例分析

3.1 裂縫單井評價

由于巖心的獲得比較困難，通過實驗室測量來獲取巖石力學參數(shù)不足以解決實際問題。由于易于獲取測井資料，且測井資料能夠連續(xù)表征巖層的巖石力學信息，因此，常用地球物理測井資料來求取巖石的力學參數(shù)[1]。

由于裂縫對測井響應特征的貢獻量有限，利用測井資料計算的單一參數(shù)難以有效評價煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育程度。鑒于此，本文試圖聯(lián)合利用完整性系數(shù)、巖石破裂系數(shù)和巖石穩(wěn)定系數(shù)來研究煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育程度。

將上述評價裂縫發(fā)育程度的完整性系數(shù)Kv、巖石破裂系數(shù)Rf及巖石穩(wěn)定系數(shù)Rg程序化，掛接在Forward測井平臺上，實現(xiàn)研究區(qū)煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度逐點可視化處理與解釋。圖2為本文所述方法處理解釋的X3井5#煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度成果與成像測井響應特征對比圖。由圖2可知，在589.3～592.5 m和597.5～598.0 m層段，煤層頂板巖石完整性系數(shù)Kv值低，巖石穩(wěn)定性指數(shù)Rg和破裂系數(shù)Rf較大，根據(jù)上述評價裂縫的參數(shù)確定，圖中矩形框標示的層段為預測的裂縫發(fā)育段，從該層段的成像測井動態(tài)加強圖上也反映該段裂縫較為發(fā)育。

在590～600 m層段，電阻率偏低，反映構(gòu)造縫發(fā)育、水動力活躍。天然構(gòu)造縫的存在，易造成煤層頂板破裂和水動力活躍，不利于吸附氣的保存。存在于煤層頂?shù)装宓奶烊涣芽p會促使其水動力活躍，在水的交替作用下，易將煤層中的甲烷氣體攜帶走，致使煤層的含氣量降低[15]。因此，排采過程中出氣量小、產(chǎn)水量大，對煤層氣的產(chǎn)量造成直接影響。

煤層頂?shù)装逶诘叵氯龖Φ淖饔孟拢瑫纬筛鞣N類型的裂縫。當煤層頂?shù)装蹇箟簭姸刃∮诘貞r，煤層頂?shù)装鍟刂畲笾鲬Ψ较虬l(fā)生破裂，因此，埋深淺的巖層上覆壓力小，水平主應力大，易于產(chǎn)生水平裂縫；而埋深大的地層上覆壓力大，易形成高角度和垂直裂縫[16]。從圖2所示的電阻率動態(tài)成像可以識別煤層頂?shù)装宓牧芽p產(chǎn)狀，進而可推斷出裂縫形成的地應力分布規(guī)律。

3.2 頂?shù)装辶芽p發(fā)育平面分布特征

在單井裂縫發(fā)育特征評價及對巖石穩(wěn)定性系數(shù)歸一化的基礎上，依據(jù)完整性系數(shù)、穩(wěn)定性系數(shù)、破裂系數(shù)，采用綜合概率的思想，構(gòu)建了式(9)所示的裂縫強度指數(shù)計算模型

F=α1Kv+α2Rg+α3Rf。

(9)

式中：F為裂縫強度指數(shù)，無量綱；α1、α2、α3為比例系數(shù)，α1+α2+α3=1，當3個參數(shù)在某段煤層頂?shù)装宓臋?quán)重較大時，可適當調(diào)高所對應的比例系數(shù)。

利用計算模型式(9)對研究區(qū)23口井進行裂縫強度指數(shù)計算，繪制了5#煤層頂?shù)装辶芽p強度指數(shù)平面分布特征(圖3)。由該組圖可知，5#煤層頂板東部、東北部及中部裂縫強度指數(shù)較高，西南部和東南部相對較低。說明在5#煤層頂板中部、東部以及東北部容易形成裂縫。

5#煤層底板南部和西北部裂縫強度指數(shù)相對較高，在HS3、HS5及宜4-08井區(qū)裂縫強度指數(shù)較大，裂縫發(fā)育可能性最大，其他區(qū)域較低， 表明裂縫發(fā)育可能性小。

將上述預測的裂縫發(fā)育區(qū)與該區(qū)含氣性、封閉性比較得知，有裂縫存在的地方，煤層含氣量差，煤層頂?shù)装宸忾]性也較差；與排采出水量比較，顯示在出水量大的區(qū)域裂縫發(fā)育，表明裂縫勾通了頂?shù)装鍑鷰r中的含水層，導致開采過程中大量出水。

圖2 X3井煤層裂縫成像測井響應特征

圖3 5#煤層頂?shù)装辶芽p強度指數(shù)等值線

4 結(jié) 論

(1)利用巖石的完整性系數(shù)、破裂系數(shù)及穩(wěn)定性系數(shù)能夠有效地識別裂縫的發(fā)育程度，對其進行重疊，便可直觀地顯示裂縫發(fā)育層段。

(2)研究區(qū)5#煤層頂板東部、東北部及中部裂縫較為發(fā)育，西南部和東南部發(fā)育裂縫的可能性較低。底板南部和西北部易發(fā)育裂縫，其他區(qū)域幾乎不發(fā)育裂縫。

(3)煤層頂?shù)装辶芽p欠發(fā)育區(qū)域，煤層氣封閉性能好，排采氣量高、出水量小，是煤層氣勘探開發(fā)的有利區(qū)域。

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責任編輯：王 輝

2014-11-21

陜西省自然科學基礎研究計劃項目(編號：2013JQ5008)；陜西省教育廳專項科研計劃項目(編號：2013JK0857)

王劍(1989-)，男，碩士研究生，主要從事非常規(guī)儲層測井評價方面的研究。E-mail：805539693@qq.com

1673-064X(2015)03-0007-05

TE132.2

A