特殊測井技術在貴州煤層氣評價中的應用

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 煤層氣識別評價

利用縱橫波時差比、泊松比、體積壓縮系數(shù)等參數(shù)在砂泥巖儲層中進行氣層識別和評價得到了很好的應用，目前還沒有在文獻中見到有關偶極子聲波測井在煤層氣儲層評價中的應用，本文利用這些參數(shù)對煤層氣儲層評價進行探討。

2.1 利用縱橫波時差比評價煤層氣儲層

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。與試采資料對比發(fā)現(xiàn)，橫縱波時差比越小，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)迭合進行煤層氣儲層識別

泊松比、楊氏模量都是直接與縱橫波時差值有關的參數(shù)，儲層含氣時，橫波時差不變或變化很小，縱波時差增大，密度降低，因而泊松比減小，楊氏模量減?。缓瑲怙柡投仍礁?，其值越低。

通過對彈性模量的研究，發(fā)現(xiàn)巖層的體積壓縮系數(shù)也與巖層的縱橫波時差比值有關，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，基本迭合的一般認為是干層，如圖1。

圖1 貴州A1井偶極子聲波識別煤層氣層

圖1為貴州某地區(qū)A1井偶極子聲波識別煤層氣層成果圖，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—楊氏模量迭合包絡面積較大，而煤層段，兩者包絡面積則較小。

3 區(qū)域地質(zhì)評價應用

偶極子聲波確定地層各向異性，影響因素主要有裂縫、地應力、流體性質(zhì)、巖性、儲層的非均質(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?shù)貙訛橥缘貙訒r，快波方位代表的就是現(xiàn)今最大水平主應力方向。

3.1 確定A區(qū)地應力方向

貴州A區(qū)勘探、開發(fā)井多采用常規(guī)測井系列進行煤層評價，技術人員缺乏確定地層最大主應力方向的手段，不利于新井井眼軌跡設計及后期壓裂效果評價。因此，在A區(qū)重點評價井安排了特殊測井項目，利用偶極子聲波與地層傾角測井結(jié)合確定A區(qū)最大主地應力方向。

偶極子陣列聲波測井處理結(jié)果顯示A1井C409煤層地層各向異性較強，統(tǒng)計得到的地應力方向為北東-南西向，角度30°～210°；根據(jù)井眼崩落法判斷C409煤層地應力方向為北東-南西向，角度為20°～200°(見圖2)。兩種不同的測井資料在目的層段指示的地層地應力方向均為北東-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井結(jié)合地層傾角測井確定煤層地應力方向的正確性及可靠性。

本文采用比較分析的方法對提出的垂直搜索引擎性能進行測試，主要測試指標為查全率、查準率、響應時間參數(shù)等，重點針對主題爬蟲模塊。實驗將雅虎（中國）、百度、搜狗、大學搜4 個中文垂直搜索引擎作為比較對象，其中，大學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驗分析對象，因谷歌退出中國，難于實現(xiàn)中文環(huán)節(jié)下的真實查詢結(jié)果顯示，因此放棄。

3.2 為水平井井眼軌跡設計提供依據(jù)

貴州A區(qū)塊C409煤層氣地質(zhì)評價結(jié)果好，開發(fā)潛力大。為了提高單井產(chǎn)量，在A區(qū)塊設計一口單支水平井，水平段長約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)測資料設計水平段井眼軌跡。Y1井壓裂監(jiān)測井眼的南東側(cè)為長縫，長度 117.51m，方位150°；井眼的北西側(cè)為短縫，長度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上，初始方案設計X1-1H的水平段井眼軌跡與正北方向夾角228°，與預測裂縫夾角78°(見圖3左)。

為保證水平井設計成功率，采取多種手段獲取最大主應力方位資料。在A區(qū)塊C2井進行偶極子陣列聲波測井和地層傾角測井，前者解釋C409頂部最大水平主應力方向在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)測結(jié)果差異較大。

分析認為：首先偶極子陣列聲波和地層傾角測井分別基于縱橫波在地層中的傳播速度差異性、不同測試方向井徑的變化獲取應力方位資料，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井臺上幾口定向井多極子測井成果顯示最大主應力方位為北東向；再者附近井田勘查成果顯示主控斷層基本上為北東向。綜合以上分析認為Y1井的裂縫監(jiān)測結(jié)果與實際可能存在一定偏差，所以在X1-1H井水平段設計時，將X1-1H的水平段井眼軌跡做適當?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力方向夾角約45°(見圖3右)。

圖3 X1-1H井水平段方位設計變更圖

4 工程壓裂應用

應用偶極子陣列聲波提取的縱、橫波信息和常規(guī)測井資料密度、孔隙度結(jié)合，可計算出地層的巖石力學參數(shù)，進而開展井眼穩(wěn)定性分析、煤層頂?shù)装甯魧恿W性質(zhì)評價、煤層壓裂裂縫高度預測。

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，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井煤心實驗分析該層的泊松比平均值為0.345，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本一致。

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

4.2 煤層頂?shù)装甯魧恿W性質(zhì)評價

煤層頂?shù)装甯魧拥姆€(wěn)定性，主要依靠其厚度、強度和原始地應力進行評價，當煤層底板厚度較大時，地應力的增大有利于阻止承壓水的上升，當隔水層為薄板時，地應力的增大將導致底板水的突出。只有頂?shù)装寰哂幸欢ǖ暮穸群蛷姸?，才能防止在地應力和水壓的?lián)合作用下，煤層底板遭到剪切破壞，有效阻止裂縫的擴展和延伸，避免壓裂時應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石力學參數(shù)表。

圖4 A1井泊松比、楊氏模量頻率統(tǒng)計直方圖

為了更好的表征頂?shù)装鍘r性的巖石力學參數(shù)關系，分別做彈性模量與四種模量積、模量和的交會圖，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性質(zhì)決定了頂?shù)装宓姆€(wěn)定性、滲透性。當頂?shù)装辶W性質(zhì)相同時，厚度決定了頂?shù)装宓臐B透性和可壓性；反之，當頂?shù)装辶W性質(zhì)差異較大時，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)定性定量判斷標準

圖5 貴州A區(qū)A1井彈性模量—模量和交會圖

圖6 貴州A區(qū)A1井彈性模量—模量積交會圖

4.3 壓裂縫高度預測

研究表明：進行壓裂施工時，當上層巖層中的彈性模量小于下層巖層的彈性模量時，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井煤層壓裂高度預測圖

圖7為貴州A區(qū)塊A1井煤層壓裂高度預測圖，從圖中可以看出：5號層頂板楊氏模量值為20×104MPa，遠小于8號層底板的楊氏模量值38×104MPa；5號層頂板彈性模量值為18×104MPa，也遠小于8號層底板的彈性模量值42×104MPa。利用壓裂理論模型計算出5-8號層，初始破裂壓力分別為12.45、13.32、14.86、16.92×104MPa，當壓力增加1.758MPa，5、6號層(C409)壓力達到14.208、15.078MPa時地層均被壓開，而未壓穿煤層頂?shù)捉缑?，從而為煤層氣壓裂改造設計提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)利用偶極子聲波測井可以定性識別煤層氣儲層，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層含氣量的大小。

(2)偶極子聲波測井結(jié)合地層傾角測井，準確確定了貴州A地區(qū)的地應力方向，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)計算，有效解決了貴州A地層井眼穩(wěn)定性評價、煤層頂?shù)装蹇蓧盒苑治?、壓裂縫高度及延伸方向預測等問題，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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