壽陽區塊高階煤煤體結構及破裂壓力測井解釋方法

李松林，李忠城，王利娜，段 靜，向 念

壽陽區塊高階煤煤體結構及破裂壓力測井解釋方法

李松林1，李忠城2，王利娜2，段 靜2，向 念1

(1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2. 中聯煤層氣有限責任公司，北京 100022)

煤體結構及破裂壓力直接影響煤層氣開發的工程設計和產氣效果，其中煤體結構評價方法較多，但針對壽陽區塊高階煤，地質強度因子(GSI)法效果最好，但其具有很強的地域適用性；煤層的非均質性極強，破裂壓力預測效果并不理想。針對上述問題，通過引入取心率、連續心長等參數優化地質強度因子法，進而建立適用于本區的煤體結構定量評價方法，結果表明，其測井解釋結果準確性達到86.3%。同時，在煤體結構評價的基礎上，引入煤體破碎指數并建立煤層破裂壓力預測公式，利用公式計算的破裂壓力與實際相對誤差2.5%~16.1%，平均誤差8%。提出的煤體結構及破裂壓力預測方法對沁水盆地高階煤適用性較好，能夠為煤層氣勘探開發及壓裂改造提供有力支撐。

測井曲線；煤體結構；地質強度因子；煤層破碎指數；破裂壓力

隨著煤層氣勘探和開發進程日益加深，煤體結構及破裂壓力因其直接影響煤層氣的開發效果，其評價越來越受到重視，很多學者進行了相關研究，形成了多種理論及方法。煤體結構評價方法主要有采樣標本描述法、鉆井取心法、常規測井方法。常規測井方法具有連續性強、成本低、可靠性強的特點，廣泛應用于煤體結構識別[1-3]。逐漸形成了聚類分析法、BP神經網絡方法、主成分分析法、對應分析技術等定性評價方法[4-6]。近年來，部分學者通過引入地質強度因子GSI來探討煤體結構精細描述的定量表達[7-9]，表現出較好的應用效果。煤層氣開發需要儲層改造，而破裂壓力是煤層改造中的重要參數，很多學者進行了相關研究。杜國峰等[10]應用黃氏(黃榮樽)模型對地應力和破裂壓力進行計算；李劍等[11]、倪小明等[12]開展了煤體結構在射孔優化及巖石力學方面的研究。一方面，不同地區受沉積、構造環境影響，煤儲層非均質性強，煤體結構差異大，前人在他區開展的煤體結構評價很難直接套用到本區。另一方面，前人利用縱橫波、密度等參數基于壓實理論、摩爾庫倫法則計算煤層破裂壓力，但由于煤層超高的聲波時差，其效果并不理想。

針對上述問題，有必要開展壽陽區塊煤體結構評價及破裂壓力預測方法研究。沁水盆地壽陽區塊屬于高煤階煤層，基于已有研究基礎，結合本區儲層條件，筆者通過引入取心率、連續心長、破碎程度、煤體強度表征煤心煤體結構，優化地質強度因子GSI法后建立了適合本區的評價方法；而后在煤體結構評價的基礎上，引入煤層破碎指數，建立煤層破碎指數與破裂壓力關系，預測破裂壓力，以期為煤層氣開發過程中工程設計提供依據。

1 煤體結構評價

根據煤的碎裂程度、成因類型及結構特征，不同學者提出了不同的煤體結構劃分方法[8,13-14]。目前，應用最廣泛的煤體結構劃分辦法為GB/T 30050—2013《煤體結構分類》，將煤體結構劃分為4類：原生結構、碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構。壽陽區塊屬于沁水盆地高煤階煤層，適用上述4類劃分方法。

近年來，部分學者通過引入地質強度因子GSI來探討煤體結構精細描述的定量表達[7-9]，表現出較好的應用效果。地質強度因子GSI(Geological Strength Index)是由E. Hoek等[15-17]在1995年建立的巖體分類方法中一種量化指標，可有效表征煤體結構。GSI值的確定主要取決于巖體結構的完整度、巖體結構面裂隙、節理的質量狀況等(表1)。

表1 不同煤體結構的GSI估測值(李廣生等[4]，2015)

在此基礎上，本文結合煤層鉆井及取心情況研究發現，煤體結構與取心率及連續心長存在一定相關性。一方面，由于煤體機械強度低，導致隨著煤層破碎程度增加取心率降低；另一方面，連續心長越大煤層強度越高，煤體結構越好。因此，取心率及連續心長也可以作為煤體結構表征參數。

綜合以上分析研究，確定壽陽區塊煤體結構及GSI表征參數為取心率、連續心長、破碎程度和煤巖強度。表現為：原生結構為完整層狀，取心率高，連續心長大，煤巖成塊狀；碎裂結構受到一定程度的破壞，取心率較高，煤樣呈厘米級，團塊、碎塊狀，可見外生裂隙；碎粒結構煤取心率較低，煤樣呈粒級，煤體破碎較嚴重，煤體強度低；糜棱結構煤體受到嚴重破壞，取心率特低甚至取不到煤心，煤體呈粉末狀、細小碎粒狀或煤漿狀。研究區取樣結果如圖1所示，煤樣地質強度因子見表2。

圖1 壽陽區塊不同煤體結構煤心

煤體結構一般與伽馬、密度、中子、聲波、井徑、電阻率等測井數據相關[18]。本文對上述參數研究發現，壽陽區塊煤體結構僅與井徑、伽馬、密度以及電阻率關系較好(圖2)，其測井曲線響應特征為：煤體破碎程度越高，鉆井擴徑越大，孔隙率越大，電阻率越低，煤體疏松，密度越小；煤體孔隙和裂隙越發育，單位體積內放射性物質含量降低，伽馬越低。不同煤體結構測井響應參數值見表3。

通過上述測井曲線響應關系，應用Excel數據分析模塊，借助多元線性回歸建立GSI計算方法：

GSI=92.399 7–0.162 05×GR–1.458 88×(CALX+

CALY)/2+0.002 938×RD+7.888 8×DEN

2=0.648 5 (1)

式中：GSI為地質強度因子；GR為伽馬，API；RD為電阻率，Ω·m；DEN為密度，g/cm3；CALX、CALY為雙井徑，cm。

通過上述方法對研究區煤層進行評價，如圖3所示。從圖中可以看出，利用測井參數計算得到的GSI值與煤心GSI值數據(綠色點)吻合度較高。對研究區16口取心井(共183個樣本點)進行吻合度分析，煤體結構解釋結果與煤心樣品吻合率71.4%~93.2%，平均86.3%，結果見表4。

表2 壽陽區塊煤樣地質強度因子表征

圖2 不同測井數據與地質強度因子交會圖

表3 不同煤體結構測井參數響應值

圖3 測井曲線煤體結構解釋與煤心結果對比

表4 測井資料煤體結構評價結果

2 煤體結構與破裂壓力關系

根據測井曲線中縱波、橫波及密度曲線，利用壓實理論、摩爾庫倫法則計算常規儲層(砂泥巖、碳酸鹽巖等)巖石力學參數效果較好。部分學者將該方法引入到煤層地應力、破裂壓力計算中來[19-20]，但效果并不理想。其方法是先計算地層壓力，垂向應力、最大最小水平主應力等巖石力學參數后，進而計算地層破裂壓力[15-16]：

通常情況下，H=3h、將式(3)、式(4)代入式(2)，整理得到：

式中：F為破裂壓力，MPa；v為垂向應力，MPa；H、h、w分別為最大、最小和水平主應力，MPa；為彈性模量，GPa；為泊松比；P為地層壓力，MPa；H、h為構造應力系數；Δ、Δn分別為壓實線聲波時差和實測聲波時差，μs/304.8 mm；t為抗張強度，MPa。

由式(5)可知，地層壓力是聲波時差函數，煤層本身超高聲波時差(并非由孔隙和孔隙流體引起)導致煤層地層壓力計算值過高。由式(3)、式(4)、式(6)可知，破裂壓力與地層壓力正相關，過高的地層壓力會直接影響地應力和破裂壓力的計算。因此，對于煤層這種特殊儲層，測井巖石力學計算方法需要進一步改進。

本文通過研究分析現場壓裂施工情況，結合前人研究[21-22]發現，煤體結構直接影響煤層破裂壓力的大小，這為煤層破裂壓力預測提供了一種新的途徑。

A1井煤體結構為碎裂結構–糜棱結構，其破裂壓力較高(32 MPa)，A2井煤體結構為原生結構–碎裂結構，其破裂壓力較低(13 MPa)(破裂壓力由圖4中套壓曲線讀取。為統一不同深度、不同井的可對比性，將破裂壓力轉化為破裂壓力梯度，進而可以系統地分析其與煤體結構之間的關系。

由圖4發現，煤層含有糜棱及碎粒結構煤時(圖4b)，對應的破裂壓力均會升高。針對這一現象，建立煤層破碎指數：即糜棱結構及碎粒結構煤層厚度占煤層總厚度比，由于所有煤層本身均存在裂隙，所以煤層均存在一定破碎，故全≥5%。

=(m+b)/(7)

c=g×/100 (8)

式中：c為破裂壓力，MPa；g為破裂壓力梯度，MPa/hm；m、b分別為煤層中糜棱煤厚度和碎粒煤厚度，m；為煤層總厚度，m。

通過對該區已壓裂井的破裂壓力梯度與煤層破碎指數(表5，圖5)進行分析研究，并利用圖5中的擬合公式計算了13口參數井的破裂壓力，計算結果與真實施工破裂壓力的相對誤差2.5%~16.1%，平均誤差8%(表5)。由表中可以看出，基于煤體結構的煤層破裂壓力預測方法效果較好。這種方法可有效解決同一地區、同一煤層不同井間、不同深度煤層的破裂壓力梯度差異較大問題。

圖5 破碎指數與破裂壓力梯度關系

表5 煤體破碎指數與煤層破裂壓力關系

為進一步驗證該方法的準確性，對研究區內2口待壓裂井的煤層破裂壓力進行預測。B1井：煤層埋深1 004 m，煤體結構差，煤層破碎指數=66.8%，預測破裂壓力37.1 MPa；B2井：煤層埋深1 202 m，煤體結構好，破碎指數=5%，預測破裂壓力20.7 MPa。跟蹤2口井壓裂施工情況，其真實施工破裂壓力分別為35 MPa和20 MPa，與預測破裂壓力誤差較小(圖6)。

利用煤體結構評價、煤層破裂壓力預測結果，可有效為壓裂射孔優選、壓裂規模、造縫模擬、加砂規模等儲層改造優化提供有力支撐[23-24]。

3 結論

a. 引入取心率、連續心長等參數用于表征煤體結構，并對地質強度因子GSI法進行優化，進而利用多元線性回歸方法建立了適用于壽陽區塊的煤體結構定量評價方法，測井解釋符合率86.3%。

b. 在煤體結構評價的基礎上，建立煤層破碎指數與破裂壓力梯度關系法，預測破裂壓力相對誤差2.5%~16.1%，平均相對誤差8%，為煤層破裂壓力預測提供了新的途徑。

c. 煤體結構評價及破裂壓力預測方法可以為煤層氣勘探開發及壓裂施工優化提供有力支持。研究成果對沁水盆地高煤階煤層適用性較好，其他區塊及類似煤層有待進一步研究。

[1] 陳健杰，江林華，張玉貴，等. 不同煤體結構類型煤的導電性質研究[J]. 煤炭科學技術，2011，39(7)：90–93. CHEN Jianjie，JIANG Linhua，ZHANG Yugui，et al. Study on coal conductive properties of different coal structure[J]. Coal Science and Technology，2011，39(7)：90–93.

[2] 陳躍，湯達禎，許浩，等. 應用測井資料識別煤體結構及分層[J]. 煤田地質與勘探，2014，42(1)：19–23. CHEN Yue，TANG Dazhen，XU Hao，et al. Application of logging data in recognition of coal structure and stratification[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(1)：19–23.

[3] 倪小明，陳鵬，李廣生，等. 恩村井田煤體結構與煤層氣垂直井產能關系[J]. 天然氣地球科學，2010，21(3)：508–215. NI Xiaoming，CHEN Peng，LI Guangsheng，et al. Relations between productivity of CBM vertical wells and coal structure in Encun mine field[J]. Natural Gas Geoscience，2010，21(3)：508–215.

[4] 李廣生，孫明闖，史小衛，等. 基于地質強度因子的煤體結構精細描述[J]. 中州煤炭，2015(7)：121–124. LI Guangsheng，SUN Mingchuang，SHI Xiaowei，et al. Fine description of coal structure based on geological strength index[J]. Zhongzhou Coal，2015(7)：121–124.

[5] 馬國棟，陳同俊，崔若飛. 測井曲線識別構造煤實例研究[J]. 地球物理學進展，2017，32(3)：1208–1216. MA Guodong，CHEN Tongjun，CUI Ruofei. Identification of tectonically deformed coal using well logs：A case study[J]. Progress in Geophysics，2017，32(3)：1208–1216.

[6] 侯月華，姚艷斌，楊延輝，等. 基于對應分析技術的煤體結構判別：以沁水盆地安澤區塊為例[J]. 煤炭學報，2016，41(8)：2041–2049. HOU Yuehua，YAO Yanbin，YANG Yanhui，et al. Discriminate method of coal structure based on correspondence analysis technology：Acase study in the Anze area，Qinshui basin[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(8)：2041–2049.

[7] 李廣生，孫明闖，史小衛，等. 基于地質強度因子的煤體結構精細描述[J]. 中州煤炭，2015(7)：121–124. LI Guangsheng，SUN Mingchuang，SHI Xiaowei，et al. Fine description of coal structure based on geological strength index[J]. Zhongzhou Coal，2015(7)：121–124.

[8] 謝學恒，樊明珠. 基于測井響應的煤體結構定量判識方法[J]. 中國煤層氣，2013，10(5)：27–29. XIE Xueheng，FAN Mingzhu. Quantitative identification of deformed coals based on logging response[J]. China Coalbed Methane，2013，10(5)：27–29.

[9] 陶傳奇，王延斌，倪小明，等. 基于測井參數的煤體結構預測模型及空間展布規律[J]. 煤炭科學技術，2017，45(2)：173–177. TAO Chuanqi，WANG Yanbin，NI Xiaoming，et al. Prediction model of coalbody structure and spatial distribution law based on logging parameters[J]. Coal Science and Technology，2017，45(2)：173–177.

[10] 杜國峰，郭大立，薛玲，等. 煤層地應力及破裂壓力解釋技術[J]. 大慶石油地質與開發，2014，33(6)：171–174. DU Guofeng，GUO Dali，XUE Ling，et al. Interpreting techniques of the terrestrial stress and fracture pressure for coal beds[J]. Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing，2014，33(6)：171–174.

[11] 李劍，劉琦，熊先鉞，等. 渭北區塊煤體結構測井評價及其在射孔段優化中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2017，45(6)：54–59. LI Jian，LIU Qi，XIONG Xianyue，et al. Evaluation of coal structure by logging and its application in optimization of perforation section of coal reservoir in Weibei block[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(6)：54–59.

[12] 倪小明，蘇現波，張小冬. 煤層氣開發地質學[M]. 北京：化學工業出版社，2009NI Xiaoming，SU Xianbo，ZHANG Xiaodong. Coal bed methane development geology[M]. Beijing：Chemical Industry press，2009.

[13] 張許良，單菊萍，彭蘇萍. 地質測井技術劃分煤體結構探析[J]. 煤炭科學技術，2009，37(12)：88–92.ZHANG Xuliang，SHAN Juping，PENG Suping . Discussion and analysis on geological logging technology applied to divide coal mass structure[J]. Coal Science and Technology，2009，37(12)：88–92.

[14] 姜波，秦勇，葉詩忠，等. 用測井曲線劃分煤體結構和預測煤儲層滲透率[J]. 測井技術，2003(2)：140–143. JIANG Bo，QIN Yong，YE Shizhong，et al. Classification of coal structure and prediction of coal reservoir permeability by logging curve[J]. Logging Technology，2003(2)：140–143.

[15] HOEK E，BROWN E T. Practical estimates of rock mass strength[J]. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.，1997，34(8)：1165–1186.

[16] BIENIAWSKI VON PREINL Z T，TAMAMES B C，FERNáNDEZ J M G，et al. Rock mass excavability indicator：New way to selecting the optimum tunnel construction method[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21：237.

[17] HOEK E. KAISER P. K. Support of underground excavation in hard rock[M]. Rotterdam：Balkema，1995：99–105.

[18] 魏迎春，閔洛平，常東亮，等. 基于測井資料的臨汾區塊煤體結構識別及其分布規律[J]. 中國煤炭，2017，44(4)：35–40. WEI Yingchun，MIN Luoping，CHANG Dongliang，et al. Structure identification and distribution regularities of coal in Linfen block based on well logging data[J]. China Coal，2017，44(4)：35–40.

[19] 邢力仁，柳迎紅，王存武，等. 基于測井信息的煤層氣地區地應力預測與綜合評價[J]. 煤炭科學技術，2018，46(10)：216–221.XING Liren，LIU Yinghong，WANG Cunwu，et al. Geostress prediction and comprehensive evaluation based on logging information in coalbed methane block[J]. Coal Science and Technology，2018，46(10)：216–221.

[20] 陳勉. 頁巖氣儲層水力裂縫轉向擴展機制[J]. 中國石油大學學報(自然科學版)，2013，37(5)：88–94. CHEN Mian. Re-orientation and propagation of hydraulic fractures in shale gas reservoir[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2013，37(5)：88–94.

[21] 趙立強，劉飛，王佩珊，等. 復雜水力裂縫網絡延伸規律研究進展[J]. 石油與天然氣地質，2014，35(4)：562–569. ZHAO Liqiang，LIU Fei，WANG Peishan，et al. A review of creation and propagation of complex hydraulic fracture network[J]. Oil & Gas Geology，2014，35(4)：562–569.

[22] 賈奇峰，倪小明，趙永超，等. 不同煤體結構煤的水力壓裂裂縫延伸規律[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(2)：51–57. JIA Qifeng，NI Xiaoming，ZHAO Yongchao，et al. Fracture extension law of hydraulic fracture in coal with different structure[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(2)：51–57.

[23] 嚴成增，鄭宏，孫冠華，等. 基于FDEM–Flow研究地應力對水力壓裂的影響[J]. 巖土力學，2016，37(1)：237–246. YAN Chengzeng，ZHENG Hong，SUN Guanhua，et al. Effect of in-situ stress on hydraulic fracturing based on FDEM-Flow[J]. Rock and Soil Mechanics，2016，37(1)：237–246.

[24] 郭紅玉，蘇現波，夏大平，等. 煤儲層滲透率與地質強度指標的關系研究及意義[J]. 煤炭學報，2010，35(8)：1319–1322. GUO Hongyu，SU Xianbo，XIA Daping，et al. Relationship of the permeability and geological strength index(GSI) of coal reservoir and its significance[J]. Journal of China Coal Society，2010，35(8)：1319–1322.

High rank coal structure and log interpretation method of fracture pressure in Shouyang block

LI Songlin1, LI Zhongcheng2, WANG Lina2, DUAN Jing2, XIANG Nian1

(1. CNOOC Energy Technology-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China; 2. China United Coalbed Methane Corporation, Beijing 100022, China)

Coal structure and fracture pressure directly affect the engineering design and gas production effect of coalbed methane development. There are many evaluation methods of coal body structure, for the high rank coal in Shouyang block, the geological intensity factor(GSI) method has the best effect, but it has strong regional applicability; The heterogeneity of coal seam is very strong, and the prediction effect of fracture pressure is not ideal. In view of the above problems, the geological intensity factor method is optimized by introducing parameters such as coring rate and continuous coring length, and then a quantitative evaluation method for coal structure in this area is established. The results show that the accuracy of logging interpretation is 86.3%. At the same time, based on the evaluation of coal structure, the coal fragmentation index is introduced and the prediction formula of coal seam fracture pressure is established. The relative error between the calculated fracture pressure and the actual value is 2.5%-16.1%, and the average error is 8%. The prediction method of coal structure and fracture pressure is suitable for high rank coal in Qinshui basin, and it can provide strong support for CBM exploration, development and fracturing.

logging curve; coal structure; geological intensity factor; coalbed crushing index; fracture pressure

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

P618.11；TE377

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.020

1001-1986(2020)06-0146-09

2020-07-15；

2020-10-15

國家科技重大專項項目(2017ZX05064)

National Science and Technology Major Project(2017ZX05064)

李松林，1986年生，男，天津市人，碩士，工程師，從事測井處理解釋及研究工作. E-mail：lisl4@cnooc.com.cn

李松林，李忠城，王利娜，等. 壽陽區塊高階煤煤體結構及破裂壓力測井解釋方法[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：146–154.

LI Songlin，LI Zhongcheng，WANG Lina，et al. High rank coal structure and log interpretation method of fracture pressure in Shouyang block[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：146–154.

(責任編輯 范章群)