基于地應力場分析提高產氣量的測井評價技術
——以樊莊煤層氣區塊為例

張 杰 李軍成 張 浩 劉鴻洲 賈利軍

(1.中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 062550 2. 中國石油渤海鉆探工程公司第四鉆井工程分公司，河北 062550)

樊莊區塊位于沁水盆地南部的寺頭斷層東側，隸屬于山西省晉城市。目前該區塊主要以開發3號煤層為主，發育于山西組，屬高階煤范疇，高效井開發時間長、采出程度高，產量呈下降趨勢，亟需開發調整彌補產量遞減以保持長期穩產，實現樊莊區塊有效益、可持續發展。本文以測井評價成果為依據，綜合分析開發區煤層氣地應力場分布特征，制定開發評價依據，提出有利開發部署區。

1 巖石力學參數測井評價

巖石力學參數主要是指巖石的彈性參數(楊氏模量、體積模量、泊松比、剪切模量等)和強度參數(抗壓強度、抗拉強度、內聚力等)。在常規測井系列中，通常只測量縱波速度，而橫波速度是進行巖石力學參數、測井解釋和地應力計算的關鍵因素，其準確性也直接關系到巖石力學參數解釋的精度和可靠性。

1.1 橫波時差預測

研究區內測量橫波時差的井較少，需要利用現有常規測井資料預測橫波時差，建立一個符合該地區的縱橫波關系式。由于研究區塊面積大及資料采集時間跨度長問題，將其分成Q、HG、HP、HX、HY、ZC等6個井區，分別做橫波時差預測。圖1以Q井區為例，分別擬合煤層和非煤層的橫波時差預測公式，經相關性分析，其關系式符合實際地質特征。

圖1 Q井區縱橫波時差關系

基于聲波測井資料可以確定巖石的彈性參數。當已知密度、縱橫波時差時，可以利用彈性力學公式計算巖石的動態楊氏模量和動態泊松比，其他的地層巖石彈性力學參數，如剪切模量、體積模量、抗剪強度等則可通過楊氏模量和泊松比轉換得到。

1.2 巖石動、靜參數轉換關系

巖石力學彈性參數的靜態值與動態值存在著一定的差值，靜態測試參數更能代表石油工程中的受載條件，因此，巖石的靜態力學特征參數更適合石油工程需要。利用現場提供的測井資料提取巖石力學參數時，需要采用動、靜參數的轉換模型來標定和校正，以求得符合需要的巖石力學參數。通過實驗分析得到巖樣的動、靜態測試數據，采用回歸擬合得到如下關系(圖2)。

圖2 樊莊地區巖石力學彈性參數動、靜態轉化關系

1.3 巖石力學參數特征

通過統計煤巖巖石力學參數的特性，進一步認識煤巖縱向上的含氣性發育程度。不同巖石由于其巖性、結構以及成巖強度等差異，造成其變形特征及形成巖石破裂的力學條件也不盡相同。樊莊地區3號煤層的主要巖石力學參數包含泊松比、楊氏模量、體積模量、剪切模量、抗剪強度等，以F73井為例(表1)，一般煤層頂板和底板巖石的動態泊松、動態楊氏模量和抗剪強度大于煤層。利用BP神經網絡技術，以井點參數作為樣點學習，建立井中波阻抗與各巖石力學參數的非線性映射關系，進行巖石物性參數反演，可以從空間展布上進行全區評價。

表1 F73井巖石力學彈性參數表

2 地層壓力測井評價

從地層壓力的概念出發，統計分析了樊莊區塊井數據，采用等效深度法計算了樊莊區塊地層壓力值，繪制該區塊地層壓力平面展布圖，明確整個區塊地層壓力特征。

2.1 正常壓實曲線

針對該區地質構造特點，建立了一套測井資料處理與地應力的計算方法，并對一批井進行了地層壓力計算，利用測試資料對計算結果進行了檢驗。建立正常壓實趨勢線的關鍵是取準純泥巖段的聲波時差，以HG40-8井和HX10-24井測井數據為例，求取了360.0～514.0m和610.0～825.0m井段的壓實趨勢線(圖3)，其方程為：

Depth=-20.185×AC+5956.9

(1)

圖3 聲波時差和深度之間的相關關系

式中，Depth為深度，m；AC為聲波時差，μs/m。

壓實趨勢線可以看作是一條虛擬的聲波時差測井曲線，落在正常壓實趨勢線上的聲波時差對應的壓力系數為1。

2.2 地層壓力計算

利用HG8-10、HX8-12、HP3-16、HY14-10等井的密度測井資料對地層密度與深度之間的關系進行分析，擬合密度和深度的關系式如下：

Y=-0.002×X+2.6088

(2)

式中，Y為密度，g/cm3；X為深度，m。

則上覆地層壓力可以表示為：

(3)

式中，P0為上覆地層壓力，g/cm2；H為深度，m。設置地面(0，0)為初始點。那么：

P0=-0.0001*H2+2.6088*H

(4)

通過幾口井上覆地層的密度測井曲線，可以擬合出上覆地層密度隨深度的變化公式，從而根據相應的數學運算，得出上覆地層的壓力大小。

3 地應力分析綜合評價

3.1 地應力計算

地應力大小一般通過三個主應力表示(圖4)，即：垂直應力(Sv)、水平最大主應力(SH)和水平最小主應力(Sh)。

圖4 地應力表示方法示意圖

垂直主應力由上覆地層壓力確定， 其中， 水平最大、最小主應力大小的表達式如下：

(5)

式中,α為孔隙彈性系數；μ為地層泊松比；Pp為地層孔隙壓力,MPa。

3.2 地應力平面分布特征

壓裂力學中，裂縫方向總是垂直于最小主應力，確定了水力壓裂裂縫的方位就可以確定地應力的方向，由于樊莊區塊多為高角度縫，因此只需計算水平方向上地應力。對樊莊區塊測井數據進行地應力計算，根據彈性理論，經過數值模擬研究及破裂壓力梯度預測，見表2。結果表明，煤巖在不同抗拉強度下，煤儲層破裂壓力均隨主應力差的增大而減小，隨最小水平主應力增大而增大。

表2 地應力和煤儲層破裂壓力

經過煤儲層裂縫測井評價技術研究和煤層氣地應力場分布特征分析，并結合最大、最小主應力空間分布圖預測有利壓裂帶，對開發區進行綜合評價，制定了開發評價依據，提出四個有利開發部署區，見表3。

表3 樊莊地區有利開發部署區評價表

對樊莊區塊已壓裂投產的生產井日產氣量進行統計，設置低產(<800m3/天)、中產(800～1200m3/天)、高產(>1200m3/天)三個指標。將其與測井綜合評價的有利開發部署區進行對比，其中中高產井吻合度高，達70%以上。該套測井評價技術，在樊莊地區有較好的預測效果，對于未開采的區塊具有重要指導意義。

4 結論

以樊莊區塊為例，進行煤層氣有利開發區測井評價技術研究，優選煤層氣有利開發部署區。首先，建立工區橫波時差預測、巖石動靜態參數轉換、巖石彈性參數等計算模型；再次，刻畫巖石力學參數空間分布特征，建立地層壓力測井評價的方法；最后，通過分析煤儲層地應力場分布特征，提供開發評價依據，綜合評價開發區，并結合實際生產資料驗證，可以取得較好的生產效果。