煤體結(jié)構(gòu)測井評價在煤層氣開發(fā)中的應用

李松林,逄建東,金力鉆,王文升,孫玉紅

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津300452;2.中海石油(中國)有限公司北京研究中心,北京100022)

0 引 言

隨著煤層氣勘探和開發(fā)程度日益深入,很多學者對煤體結(jié)構(gòu)開展過相關(guān)研究。煤體結(jié)構(gòu)的識別方法主要包括:井下采樣標本描述方法、鉆井取心法、地球物理方法(地震方法和測井方法)。測井方法是利用聲、電、核磁及核能測量鉆孔附近地層的屬性變化[1-3],具有連續(xù)性強、成本低、可靠性高的特點,廣泛應用于煤體結(jié)構(gòu)的識別。

通常情況下,煤體結(jié)構(gòu)評價主要為定性評價。不同學者分別采用電阻率、自然伽馬、聲波時差、密度、井徑中的一條或多條曲線進行定性識別。然而,不同煤體結(jié)構(gòu)間測井曲線存在大量重疊,導致定性識別具有多解性。因此,應用多條測井曲線準確、定量地識別煤體結(jié)構(gòu)尤為重要。

在前人研究的基礎(chǔ)上,本文以壽陽地區(qū)15號煤巖心資料為依托,分析其測井響應特征,應用多元線性回歸方法建立了地質(zhì)強度因子公式,形成了適用于該區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)定量評價方法。

另外,前人關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)的研究主要針對煤層計算含氣量、孔隙度、滲透率等方面的應用[4-5]。本文研究發(fā)現(xiàn),利用煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度、斷層、破裂壓力的關(guān)系,可以為煤層氣區(qū)塊井位布署、儲層改造提供一定支持。

1 煤體結(jié)構(gòu)評價

雖然不同學者針對煤體結(jié)構(gòu)開展了各種研究,但還沒有形成行業(yè)標準。關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)評價,目前形成了根據(jù)不同煤體裂隙發(fā)育程度、煤體破碎程度等的劃分方法[1-2,6],其中以4類劃分標準(GB/T 30050 —2013)最為常用[7]。壽陽區(qū)塊煤層特性亦適用4類劃分標準,煤體結(jié)構(gòu)從好到壞依次劃分為原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述標準,從煤心觀察結(jié)果、煤巖強度、取心收獲率等方面對4類煤體結(jié)構(gòu)(見圖1)得出如下認識。

圖1 壽陽地區(qū)4類煤體結(jié)構(gòu)煤心照片

原生結(jié)構(gòu):取心收獲率高,未受破壞而成完整層狀,煤體成塊狀,割理發(fā)育。碎裂結(jié)構(gòu):取心收獲率高,受到一定程度的破壞,宏觀裂隙已無法觀測,煤體成團塊、碎塊狀,可見外生裂隙,煤體呈層狀透鏡體。碎粒結(jié)構(gòu):取心收獲率較低,破碎較嚴重,手捻易碎,層理難以分辨,煤體較為疏松,煤層主要為透鏡體狀。糜棱結(jié)構(gòu):取心收獲率低甚至無收獲,煤體受到嚴重破壞,原生層理及裂隙消失,煤體極疏松,煤巖呈粉末狀、細小碎粒狀或鱗片狀。

煤體結(jié)構(gòu)越差,其煤體破碎程度越高,煤體越疏松,孔隙裂隙發(fā)育越好,導電性越好,單位體積內(nèi)放射性物質(zhì)含量越低。因此,煤層測井響應特征隨著煤體破碎程度越高,井徑越大,密度越小,聲波時差越大,電阻率越低,自然伽馬越低。

分析研究井眼環(huán)境對測井曲線的影響。原生及碎裂結(jié)構(gòu)煤層井眼規(guī)則,測井曲線受井眼影響小。碎粒及糜棱結(jié)構(gòu)煤層井眼擴徑,導致測井曲線部分失真,自然伽馬、密度、電阻率數(shù)值偏低,中子、聲波數(shù)值偏高,這種失真反映了煤層的破碎程度。

地質(zhì)強度因子(GSI)是HOEK在1995年建立的巖體分類量化指標,可有效表征煤體結(jié)構(gòu)[8]。針對壽陽地區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)表征情況,結(jié)合連續(xù)煤心長度、破碎程度、手試強度等對不同煤體結(jié)構(gòu)對應的地質(zhì)強度因子賦值。為使結(jié)果不受人為影響,明確采樣間隔0.2～0.4 m,步長5,數(shù)值范圍5～90;同時為使測井曲線評價煤體結(jié)構(gòu)更為準確,研究發(fā)現(xiàn)應對原生結(jié)構(gòu)煤分級賦值(見表1)。

表1 壽陽地區(qū)煤體結(jié)構(gòu)地質(zhì)強度因子表征

對不同測井曲線與地質(zhì)強度因子[8-10]相關(guān)性進行研究發(fā)現(xiàn),壽陽區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)主要與自然伽馬、井徑、電阻率、密度相關(guān)[11](見圖2)。

圖2 測井曲線與地質(zhì)強度因子關(guān)系

綜合研究測井曲線與地質(zhì)強度因子關(guān)系,借助多元線性回歸方法建立地質(zhì)強度因子計算公式,可以更加準確地評價煤體結(jié)構(gòu)

GSI=92.400-0.162GR-1.459(CALX+

CALY)/2+0.003Rd+7.889DEN

R2=0.65

(1)

式中,GSI為地質(zhì)強度因子;GR為自然伽馬,API;Rd為電阻率,Ω·m;DEN為密度,g/cm3;CALX、CALY為雙井徑,cm。

圖3為區(qū)塊內(nèi)某井煤體結(jié)構(gòu)評價成果圖,可以看出測井計算的地質(zhì)強度因子與煤心地質(zhì)強度因子符合率較高。對全區(qū)15號煤進行評價并對16口取心井進行符合率分析,符合率為71.4%～93.2%,平均為86.3%。

圖3 測井曲線煤體結(jié)構(gòu)評價與巖心結(jié)果對比圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 煤體結(jié)構(gòu)與破裂壓力關(guān)系

通常情況下,測井資料在破裂壓力計算中應用最為廣泛,其主要是應用縱波、橫波以及密度曲線根據(jù)壓實理論、摩爾-庫倫準則等計算彈性力學參數(shù)、巖石力學參數(shù)后進而計算破裂壓力。

這一方法在砂泥巖、碳酸鹽巖等常規(guī)儲層的破裂壓力計算中獲得了較好應用效果[12-13]。然而,由于煤層本身的特殊性,包括煤層已非巖石而是煤體、可塑性巖體、超高聲波時差等原因,導致該方法在煤層巖石力學評價中應用效果較差。

前人研究[14-15]及現(xiàn)場壓裂施工情況結(jié)合分析發(fā)現(xiàn),煤體結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響煤層破裂壓力的高低。A1井煤體結(jié)構(gòu)較差,其破裂壓力較高,為32 MPa。A2井煤體結(jié)構(gòu)較好,其破裂壓力較低,為13 MPa;破裂壓力曲線由壓裂施工曲線計算得到與地層破裂瞬間對應的套壓值相近(見圖4)。

圖4 煤體結(jié)構(gòu)及對應壓裂施工曲線圖

Fc=FgH/100Fg=3.168K+1.554

為統(tǒng)一不同深度、不同井的對比性,引入破裂壓力梯度,分析其與煤體結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。經(jīng)研究,創(chuàng)新性引入糜棱及碎粒結(jié)構(gòu)煤厚度占煤層厚度比,即煤層破碎指數(shù)K,由于煤層均有裂隙割理,故K≥5%。對該區(qū)13口已壓裂井的破裂壓力梯度與煤層破碎指數(shù)進行分析研究,建立關(guān)系

R2=0.8706

(2)

式中,Fc為破裂壓力,MPa,Fg為破裂壓力梯度,MPa/100 m;H為深度,m;K為煤層破碎指數(shù),%。

相比于傳統(tǒng)破裂壓力計算,該方法反映了煤體結(jié)構(gòu)對破裂壓力大小的影響,與真實情況更為吻合,解決了同一層位、不同井的破裂壓力梯度差異問題。

3 煤體結(jié)構(gòu)在煤層氣開發(fā)中的應用

對壽陽地區(qū)50余口井進行煤體結(jié)構(gòu)評價后,進一步對該區(qū)15號煤層煤體結(jié)構(gòu)進行平面區(qū)域預測,在不連片區(qū),以井為中心外推半個井距,繪制壽陽區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度、斷層疊合圖(見圖5)。

圖5 壽陽地區(qū)煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度、斷層疊合圖

由圖5可知:①壽陽區(qū)塊以原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤為主,工區(qū)北部、東北部煤體結(jié)構(gòu)較好;②煤體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)區(qū)域性,斷層密集區(qū)煤體結(jié)構(gòu)變差;③當煤層厚度大于7 m時,煤巖強度低,容易破碎。

根據(jù)圖5,可以優(yōu)化井位布署,調(diào)整井型結(jié)構(gòu);避開煤體結(jié)構(gòu)差的區(qū)域,選取煤層厚度大、煤體結(jié)構(gòu)好的甜點布置水平井,選取煤層厚度中等、煤體結(jié)構(gòu)較好的碎裂-碎粒區(qū)域,布置直井或定向井。

利用上述研究成果在工區(qū)內(nèi)布置了一口定向井6X井(見圖5)。該井距離斷層較遠,煤層埋深1 280 m,煤層厚度4.5 m,煤層含氣量11 m3/t,煤體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu),煤體結(jié)構(gòu)好,破碎指數(shù)5%。在壓裂施工前通過上述方法對其破裂壓力進行預測,預測破裂壓力為21.6 MPa。在此基礎(chǔ)上進行壓裂射孔段優(yōu)選(見圖6)壓裂施工優(yōu)化措施增加分段加砂工藝(見圖7)。

圖6 6X井測井煤體結(jié)構(gòu)評價及射孔優(yōu)選圖

跟蹤其后續(xù)壓裂情況,其現(xiàn)場施工破裂壓力為19 MPa(見圖7),與預測破裂壓力的絕對誤差為2.6 MPa,誤差較小。跟蹤其后續(xù)投產(chǎn)情況,6X井產(chǎn)氣量為1 064 m3/d,明顯優(yōu)于該區(qū)塊平均單井日產(chǎn)氣量300 m3/d,單井產(chǎn)量明顯改善。同時,結(jié)合多口井的實際壓裂施工發(fā)現(xiàn),當破碎指數(shù)大于45%、深度大于1 000 m時,破裂壓力大于J55型號套管極限強度35 MPa,儲層難以改造,建議選擇強度較高的套管,改進壓裂施工及加砂工藝。

圖7 6X井壓裂施工曲線圖

4 結(jié) 論

(1)煤體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)區(qū)域性,根據(jù)區(qū)域特征優(yōu)選測井參數(shù)后,應用多元線性回歸方法得出地質(zhì)強度因子評價煤體結(jié)構(gòu)準確度較高,測井解釋符合率達86.3%。

(2)應用破裂壓力梯度與煤層破碎指數(shù)關(guān)系法,能夠準確預測煤層破裂壓力,有效解決壽陽區(qū)塊同一層位、不同井的煤層破裂壓力梯度差異問題。

(3)綜合應用煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度、破裂壓力等參數(shù)及斷層發(fā)育情況,確定煤層氣開發(fā)甜點,進而優(yōu)化井位布署,設(shè)計合理壓裂施工方案,單井產(chǎn)量明顯提升。