金留青 李 雁 韓顏峰 喬治清 李群德

(1.貴州天然氣能源投資股份有限公司,貴州 550081;2.中石化華北石油工程公司,河南 450000)

1 地質(zhì)概況

2 煤層氣識(shí)別評(píng)價(jià)

利用縱橫波時(shí)差比、泊松比、體積壓縮系數(shù)等參數(shù)在砂泥巖儲(chǔ)層中進(jìn)行氣層識(shí)別和評(píng)價(jià)得到了很好的應(yīng)用，目前還沒有在文獻(xiàn)中見到有關(guān)偶極子聲波測(cè)井在煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，本文利用這些參數(shù)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)進(jìn)行探討。

2.1 利用縱橫波時(shí)差比評(píng)價(jià)煤層氣儲(chǔ)層

一般情況下，貴州地區(qū)A區(qū)泥巖縱橫波速度比在1.9～2.0左右，煤層的縱、橫波速比則明顯降低，在1.4～1.8之間。與試采資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橫縱波時(shí)差比越小，煤層產(chǎn)氣量越高，反之煤層產(chǎn)氣量越低(見圖1)。

2.2 泊松比與體積壓縮系數(shù)迭合進(jìn)行煤層氣儲(chǔ)層識(shí)別

泊松比、楊氏模量都是直接與縱橫波時(shí)差值有關(guān)的參數(shù)，儲(chǔ)層含氣時(shí)，橫波時(shí)差不變或變化很小，縱波時(shí)差增大，密度降低，因而泊松比減小，楊氏模量減??；含氣飽和度越高，其值越低。

通過對(duì)彈性模量的研究，發(fā)現(xiàn)巖層的體積壓縮系數(shù)也與巖層的縱橫波時(shí)差比值有關(guān)，將泊松比、體積壓縮系數(shù)以地區(qū)正常值為基線迭合在一起，由于兩者受氣體影響的方向相反，在含氣層段，兩曲線間必然會(huì)產(chǎn)生偏移，偏移距離的大小，客觀上反映了煤層含氣量的多少。偏移區(qū)大而穩(wěn)定，且體積壓縮系數(shù)右偏于泊松比曲線的為煤層氣層，反之，左偏的則判斷為水層，基本迭合的一般認(rèn)為是干層，如圖1。

圖1 貴州A1井偶極子聲波識(shí)別煤層氣層

圖1為貴州某地區(qū)A1井偶極子聲波識(shí)別煤層氣層成果圖，圖中顯示在煤層氣層段，縱橫波波速比為1.7，泊松比、楊氏模量減小，體積壓縮系數(shù)增大，且泊松比-體積壓縮系數(shù)迭合、泊松比—楊氏模量迭合包絡(luò)面積較大，而煤層段，兩者包絡(luò)面積則較小。

3 區(qū)域地質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用

偶極子聲波確定地層各向異性，影響因素主要有裂縫、地應(yīng)力、流體性質(zhì)、巖性、儲(chǔ)層的非均質(zhì)性等。在鉆開煤層后，由于裂隙和割理的存在，煤巖呈非均質(zhì)性特征，快波方位代表的是煤巖各向異性的方位。當(dāng)?shù)貙訛橥缘貙訒r(shí)，快波方位代表的就是現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向。

3.1 確定A區(qū)地應(yīng)力方向

貴州A區(qū)勘探、開發(fā)井多采用常規(guī)測(cè)井系列進(jìn)行煤層評(píng)價(jià)，技術(shù)人員缺乏確定地層最大主應(yīng)力方向的手段，不利于新井井眼軌跡設(shè)計(jì)及后期壓裂效果評(píng)價(jià)。因此，在A區(qū)重點(diǎn)評(píng)價(jià)井安排了特殊測(cè)井項(xiàng)目，利用偶極子聲波與地層傾角測(cè)井結(jié)合確定A區(qū)最大主地應(yīng)力方向。

偶極子陣列聲波測(cè)井處理結(jié)果顯示A1井C409煤層地層各向異性較強(qiáng)，統(tǒng)計(jì)得到的地應(yīng)力方向?yàn)楸睎|-南西向，角度30°～210°；根據(jù)井眼崩落法判斷C409煤層地應(yīng)力方向?yàn)楸睎|-南西向，角度為20°～200°(見圖2)。兩種不同的測(cè)井資料在目的層段指示的地層地應(yīng)力方向均為北東-南西向，角度變化范圍基本一致為30(20)°～210(200)°，證明了偶極子陣列聲波測(cè)井結(jié)合地層傾角測(cè)井確定煤層地應(yīng)力方向的正確性及可靠性。

本文采用比較分析的方法對(duì)提出的垂直搜索引擎性能進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試指標(biāo)為查全率、查準(zhǔn)率、響應(yīng)時(shí)間參數(shù)等，重點(diǎn)針對(duì)主題爬蟲模塊。實(shí)驗(yàn)將雅虎（中國(guó)）、百度、搜狗、大學(xué)搜4 個(gè)中文垂直搜索引擎作為比較對(duì)象，其中，大學(xué)搜是通過百度搜索推薦的一款優(yōu)秀垂直搜索引擎，原本想將谷歌搜索引擎列為重要的實(shí)驗(yàn)分析對(duì)象，因谷歌退出中國(guó)，難于實(shí)現(xiàn)中文環(huán)節(jié)下的真實(shí)查詢結(jié)果顯示，因此放棄。

3.2 為水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)提供依據(jù)

貴州A區(qū)塊C409煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果好，開發(fā)潛力大。為了提高單井產(chǎn)量，在A區(qū)塊設(shè)計(jì)一口單支水平井，水平段長(zhǎng)約600m，井眼軌跡位于煤層頂部(煤層厚度5～7m)。

在方案論證初期，參考相鄰B區(qū)塊Y1井的裂縫監(jiān)測(cè)資料設(shè)計(jì)水平段井眼軌跡。Y1井壓裂監(jiān)測(cè)井眼的南東側(cè)為長(zhǎng)縫，長(zhǎng)度 117.51m，方位150°；井眼的北西側(cè)為短縫，長(zhǎng)度87.02m，方位330°。在考慮煤層發(fā)育有利部位、地層傾向傾角、后期排采需求等因素的基礎(chǔ)上，初始方案設(shè)計(jì)X1-1H的水平段井眼軌跡與正北方向夾角228°，與預(yù)測(cè)裂縫夾角78°(見圖3左)。

為保證水平井設(shè)計(jì)成功率，采取多種手段獲取最大主應(yīng)力方位資料。在A區(qū)塊C2井進(jìn)行偶極子陣列聲波測(cè)井和地層傾角測(cè)井，前者解釋C409頂部最大水平主應(yīng)力方向在30°～40°，后者解釋在15°～20°(見圖2)，兩種結(jié)果相近，但與B區(qū)塊Y1井的裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果差異較大。

分析認(rèn)為：首先偶極子陣列聲波和地層傾角測(cè)井分別基于縱橫波在地層中的傳播速度差異性、不同測(cè)試方向井徑的變化獲取應(yīng)力方位資料，兩者原理不同，但結(jié)果相近，相互印證結(jié)果可信；其次B區(qū)塊Y1井臺(tái)上幾口定向井多極子測(cè)井成果顯示最大主應(yīng)力方位為北東向；再者附近井田勘查成果顯示主控?cái)鄬踊旧蠟楸睎|向。綜合以上分析認(rèn)為Y1井的裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際可能存在一定偏差，所以在X1-1H井水平段設(shè)計(jì)時(shí)，將X1-1H的水平段井眼軌跡做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，調(diào)整后的方位與正北方向的夾角為255°，使水平井井眼軌跡與最大水平主應(yīng)力方向夾角約45°(見圖3右)。

圖3 X1-1H井水平段方位設(shè)計(jì)變更圖

4 工程壓裂應(yīng)用

應(yīng)用偶極子陣列聲波提取的縱、橫波信息和常規(guī)測(cè)井資料密度、孔隙度結(jié)合，可計(jì)算出地層的巖石力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而開展井眼穩(wěn)定性分析、煤層頂?shù)装甯魧恿W(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)、煤層壓裂裂縫高度預(yù)測(cè)。

4.1 井眼穩(wěn)定性分析

一般情況下，泊松比在0.35～0.40之間變化時(shí)，代表巖石質(zhì)量變壞，井壁極易垮塌、掉塊，造成井眼不規(guī)則。A1井泊松比在0.24～0.43之間，峰值在0.32，主力煤層段C409泊松比均值為0.34。本區(qū)A2井煤心實(shí)驗(yàn)分析該層的泊松比平均值為0.345，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

A1井的楊氏模量在5～45MPa之間，有兩個(gè)峰值17～18MPa，32～36MPa，表明在井軸方向，地層受力后容易發(fā)生形變，這也與本井井徑擴(kuò)徑明顯(井眼擴(kuò)大率大于10%以上)、井眼不規(guī)則相對(duì)應(yīng)(詳見圖4)。

4.2 煤層頂?shù)装甯魧恿W(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)

煤層頂?shù)装甯魧拥姆€(wěn)定性，主要依靠其厚度、強(qiáng)度和原始地應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)煤層底板厚度較大時(shí)，地應(yīng)力的增大有利于阻止承壓水的上升，當(dāng)隔水層為薄板時(shí)，地應(yīng)力的增大將導(dǎo)致底板水的突出。只有頂?shù)装寰哂幸欢ǖ暮穸群蛷?qiáng)度，才能防止在地應(yīng)力和水壓的聯(lián)合作用下，煤層底板遭到剪切破壞，有效阻止裂縫的擴(kuò)展和延伸，避免壓裂時(shí)應(yīng)力變化而造成底板突出、突水事故的發(fā)生。

表1為貴州A區(qū)塊A1井煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表。

圖4 A1井泊松比、楊氏模量頻率統(tǒng)計(jì)直方圖

為了更好的表征頂?shù)装鍘r性的巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系，分別做彈性模量與四種模量積、模量和的交會(huì)圖，見圖5、6，從圖中可以看出，隨著巖性變粗，彈性模量逐漸減小，泥巖與其它巖性彈性模量的分界線為17×104MPa(見表2)。

因此，煤層頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)決定了頂?shù)装宓姆€(wěn)定性、滲透性。當(dāng)頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)相同時(shí)，厚度決定了頂?shù)装宓臐B透性和可壓性；反之，當(dāng)頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)差異較大時(shí)，巖石物理參數(shù)大小決定了頂?shù)装宓臐B透性和可壓性。

表1 貴州A區(qū)塊A1井煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

表2 貴州A區(qū)塊A1井煤層頂?shù)装灏宸€(wěn)定性定量判斷標(biāo)準(zhǔn)

圖5 貴州A區(qū)A1井彈性模量—模量和交會(huì)圖

圖6 貴州A區(qū)A1井彈性模量—模量積交會(huì)圖

4.3 壓裂縫高度預(yù)測(cè)

研究表明：進(jìn)行壓裂施工時(shí)，當(dāng)上層巖層中的彈性模量小于下層巖層的彈性模量時(shí)，下層巖層中的裂縫將突破交界面向上層巖層中延伸；反之，則上一巖層要阻擋下一巖層中的裂縫向上擴(kuò)展，裂縫將終止于界面。

圖7 貴州A區(qū)塊A1井煤層壓裂高度預(yù)測(cè)圖

圖7為貴州A區(qū)塊A1井煤層壓裂高度預(yù)測(cè)圖，從圖中可以看出：5號(hào)層頂板楊氏模量值為20×104MPa，遠(yuǎn)小于8號(hào)層底板的楊氏模量值38×104MPa；5號(hào)層頂板彈性模量值為18×104MPa，也遠(yuǎn)小于8號(hào)層底板的彈性模量值42×104MPa。利用壓裂理論模型計(jì)算出5-8號(hào)層，初始破裂壓力分別為12.45、13.32、14.86、16.92×104MPa，當(dāng)壓力增加1.758MPa，5、6號(hào)層(C409)壓力達(dá)到14.208、15.078MPa時(shí)地層均被壓開，而未壓穿煤層頂?shù)捉缑妫瑥亩鵀槊簩託鈮毫迅脑煸O(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)利用偶極子聲波測(cè)井可以定性識(shí)別煤層氣儲(chǔ)層，泊松比與楊氏模量迭合面積的大小、泊松比與體積壓縮系數(shù)跌合面積的大小，一定程度上反映了煤層氣儲(chǔ)層含氣量的大小。

(2)偶極子聲波測(cè)井結(jié)合地層傾角測(cè)井，準(zhǔn)確確定了貴州A地區(qū)的地應(yīng)力方向，為該區(qū)域水平井井眼軌跡優(yōu)化提供了依據(jù)。

(3)偶極子聲波資料在煤層壓裂施工中具有重要的作用，通過巖石物理參數(shù)計(jì)算，有效解決了貴州A地層井眼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、煤層頂?shù)装蹇蓧盒苑治觥毫芽p高度及延伸方向預(yù)測(cè)等問題，為施工參數(shù)優(yōu)選，提高壓裂施工效果提供了有效手段。

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