利用測(cè)井資料評(píng)價(jià)煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育程度

王 劍，王 王君，侯淞譯

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065; 2.中國(guó)石油集團(tuán) 測(cè)井有限公司 隨鉆測(cè)井中心，陜西 西安 710054； 3.中石油 煤氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

利用測(cè)井資料評(píng)價(jià)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(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065; 2.中國(guó)石油集團(tuán) 測(cè)井有限公司 隨鉆測(cè)井中心，陜西 西安 710054； 3.中石油 煤氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

針對(duì)常規(guī)測(cè)井難以有效評(píng)價(jià)煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度的問(wèn)題，對(duì)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(jìn)行巖石力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究。在靜態(tài)力學(xué)參數(shù)刻度測(cè)井資料計(jì)算的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤層頂?shù)装宓耐暾韵禂?shù)、破裂系數(shù)、穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)而對(duì)研究區(qū)煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：所述方法能夠有效地預(yù)測(cè)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(yàn)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(cè)井資料；煤層頂?shù)装?；裂縫發(fā)育程度；巖石力學(xué)參數(shù)；成像測(cè)井

長(zhǎng)期以來(lái)，煤層頂?shù)装辶芽p識(shí)別一直是測(cè)井解釋的難點(diǎn)，常規(guī)測(cè)井識(shí)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(xué)參數(shù)能夠表征裂縫形成機(jī)理和發(fā)育特征[1]。鑒于此，本文對(duì)鄂東氣田韓城礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r層的力學(xué)特性開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，并用于刻度測(cè)井資料計(jì)算的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而開(kāi)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(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

1 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

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(duì)其泊松比、楊氏模量、體積模量、切變模量、抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，表1為部分樣品的測(cè)試結(jié)果。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的是巖石的靜力學(xué)參數(shù)，測(cè)井資料計(jì)算的是巖石的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育程度所用的是能夠表征地下巖石真實(shí)的靜力學(xué)特征參數(shù)。但由于測(cè)試方法各異，以及采用動(dòng)態(tài)方法測(cè)試時(shí)，巖石試樣對(duì)瞬間應(yīng)變、高應(yīng)變速率和很低應(yīng)力作用的響應(yīng)處于完全彈性狀態(tài)，使得動(dòng)態(tài)楊氏模量大于其靜態(tài)楊氏模量，動(dòng)態(tài)泊松比小于靜態(tài)泊松比[2-3]。為便于評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育程度，首先應(yīng)將測(cè)井計(jì)算的動(dòng)力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為靜力學(xué)參數(shù)。已有研究[1]表明，對(duì)于一塊巖心樣品，其動(dòng)、靜力學(xué)參數(shù)較為接近，可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。本文利用工區(qū)50塊巖樣的巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 結(jié)合測(cè)井計(jì)算的巖石力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了如圖1所示的煤層頂?shù)装鍎?dòng)、靜彈性力學(xué)參數(shù)關(guān)系。

圖1 煤層頂?shù)装鍎?dòng)、靜彈性力學(xué)參數(shù)關(guān)系

由圖1可知，研究區(qū)煤層頂?shù)装宓膭?dòng)、靜態(tài)楊氏模量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

Ed=0.721 3Es+24.27。

(1)

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

動(dòng)、靜態(tài)泊松比之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

μs=0.56μd+0.079。

(2)

式中：μs為動(dòng)泊松比，無(wú)量綱；μd為靜泊松比，無(wú)量綱。

2 評(píng)價(jià)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(duì)于巖石的完整程度，用來(lái)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(cè)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(dòng)荷載作用下產(chǎn)生變形，對(duì)巖體中的波動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生一系列影響。聲波遇到巖體中的裂隙時(shí)發(fā)生繞射，影響走時(shí)，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(shí)，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(guò)縱、橫波速度比值來(lái)評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育程度，當(dāng)巖石中裂縫發(fā)育時(shí)，縱、橫波速度都有所下降，但平均來(lái)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(wú)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(cè)井計(jì)算地層的巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)，經(jīng)過(guò)動(dòng)、靜力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化后，將無(wú)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(shí)差和密度測(cè)井資料計(jì)算的動(dòng)楊氏模量與巖石骨架的動(dòng)楊氏模量相比較來(lái)表征[7-8]，即：

(4)

式中：Rf為地層破裂系數(shù)；Etma為無(wú)裂縫巖石的楊氏模量值，MPa；Et為測(cè)井計(jì)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(shí)差，μs/m；Δtp為巖石縱波時(shí)差，μs/m。

巖石的破裂程度與楊氏模量關(guān)系密切，巖石越破碎，楊氏模量越小。對(duì)同一種巖石來(lái)說(shuō)，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(jì)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(duì)楊氏模量的影響，而突出了巖石的破碎程度[1]。

實(shí)際生產(chǎn)中，多數(shù)井未測(cè)橫波時(shí)差，于是可利用縱波時(shí)差和密度等測(cè)井資料來(lái)構(gòu)建適用于研究區(qū)的橫波時(shí)差預(yù)測(cè)模型[9-12]，進(jìn)而計(jì)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(lái)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(shí)，密度測(cè)井將有不同程度的降低，而聲波時(shí)差會(huì)增大，因此，楊氏模量E和巖石切變模量G降低，進(jìn)而使巖石的穩(wěn)定系數(shù)下降。

3 實(shí)例分析

3.1 裂縫單井評(píng)價(jià)

由于巖心的獲得比較困難，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量來(lái)獲取巖石力學(xué)參數(shù)不足以解決實(shí)際問(wèn)題。由于易于獲取測(cè)井資料，且測(cè)井資料能夠連續(xù)表征巖層的巖石力學(xué)信息，因此，常用地球物理測(cè)井資料來(lái)求取巖石的力學(xué)參數(shù)[1]。

由于裂縫對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征的貢獻(xiàn)量有限，利用測(cè)井資料計(jì)算的單一參數(shù)難以有效評(píng)價(jià)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(lái)研究煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育程度。

將上述評(píng)價(jià)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(cè)井平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育程度逐點(diǎn)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(cè)井響應(yīng)特征對(duì)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(píng)價(jià)裂縫的參數(shù)確定，圖中矩形框標(biāo)示的層段為預(yù)測(cè)的裂縫發(fā)育段，從該層段的成像測(cè)井動(dòng)態(tài)加強(qiáng)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(dòng)力活躍。天然構(gòu)造縫的存在，易造成煤層頂板破裂和水動(dòng)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(huì)促使其水動(dòng)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(guò)程中出氣量小、產(chǎn)水量大，對(duì)煤層氣的產(chǎn)量造成直接影響。

煤層頂?shù)装逶诘叵氯龖?yīng)力的作用下，會(huì)形成各種類(lèi)型的裂縫。當(dāng)煤層頂?shù)装蹇箟簭?qiáng)度小于地應(yīng)力時(shí)，煤層頂?shù)装鍟?huì)沿著最大主應(yīng)力方向發(fā)生破裂，因此，埋深淺的巖層上覆壓力小，水平主應(yīng)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(dòng)態(tài)成像可以識(shí)別煤層頂?shù)装宓牧芽p產(chǎn)狀，進(jìn)而可推斷出裂縫形成的地應(yīng)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(píng)價(jià)及對(duì)巖石穩(wěn)定性系數(shù)歸一化的基礎(chǔ)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(qiáng)度指數(shù)計(jì)算模型

F=α1Kv+α2Rg+α3Rf。

(9)

式中：F為裂縫強(qiáng)度指數(shù)，無(wú)量綱；α1、α2、α3為比例系數(shù)，α1+α2+α3=1，當(dāng)3個(gè)參數(shù)在某段煤層頂?shù)装宓臋?quán)重較大時(shí)，可適當(dāng)調(diào)高所對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)。

利用計(jì)算模型式(9)對(duì)研究區(qū)23口井進(jìn)行裂縫強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算，繪制了5#煤層頂?shù)装辶芽p強(qiáng)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(qiáng)度指數(shù)較高，西南部和東南部相對(duì)較低。說(shuō)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(qiáng)度指數(shù)相對(duì)較高，在HS3、HS5及宜4-08井區(qū)裂縫強(qiáng)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(yù)測(cè)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(dǎo)致開(kāi)采過(guò)程中大量出水。

圖2 X3井煤層裂縫成像測(cè)井響應(yīng)特征

圖3 5#煤層頂?shù)装辶芽p強(qiáng)度指數(shù)等值線(xiàn)

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(shí)別裂縫的發(fā)育程度，對(duì)其進(jìn)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(kāi)發(fā)的有利區(qū)域。

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責(zé)任編輯：王 輝

2014-11-21

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013JQ5008)；陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013JK0857)

王劍(1989-)，男，碩士研究生，主要從事非常規(guī)儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方面的研究。E-mail：805539693@qq.com

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

TE132.2

A