基于地应力场分析提高产气量的测井评价技术
——以樊庄煤层气区块为例

张 杰 李军成 张 浩 刘鸿洲 贾利军

(1.中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北 062550 2. 中国石油渤海钻探工程公司第四钻井工程分公司，河北 062550)

樊庄区块位于沁水盆地南部的寺头断层东侧，隶属于山西省晋城市。目前该区块主要以开发3号煤层为主，发育于山西组，属高阶煤范畴，高效井开发时间长、采出程度高，产量呈下降趋势，亟需开发调整弥补产量递减以保持长期稳产，实现樊庄区块有效益、可持续发展。本文以测井评价成果为依据，综合分析开发区煤层气地应力场分布特征，制定开发评价依据，提出有利开发部署区。

1 岩石力学参数测井评价

岩石力学参数主要是指岩石的弹性参数(杨氏模量、体积模量、泊松比、剪切模量等)和强度参数(抗压强度、抗拉强度、内聚力等)。在常规测井系列中，通常只测量纵波速度，而横波速度是进行岩石力学参数、测井解释和地应力计算的关键因素，其准确性也直接关系到岩石力学参数解释的精度和可靠性。

1.1 横波时差预测

研究区内测量横波时差的井较少，需要利用现有常规测井资料预测横波时差，建立一个符合该地区的纵横波关系式。由于研究区块面积大及资料采集时间跨度长问题，将其分成Q、HG、HP、HX、HY、ZC等6个井区，分别做横波时差预测。图1以Q井区为例，分别拟合煤层和非煤层的横波时差预测公式，经相关性分析，其关系式符合实际地质特征。

图1 Q井区纵横波时差关系

基于声波测井资料可以确定岩石的弹性参数。当已知密度、纵横波时差时，可以利用弹性力学公式计算岩石的动态杨氏模量和动态泊松比，其他的地层岩石弹性力学参数，如剪切模量、体积模量、抗剪强度等则可通过杨氏模量和泊松比转换得到。

1.2 岩石动、静参数转换关系

岩石力学弹性参数的静态值与动态值存在着一定的差值，静态测试参数更能代表石油工程中的受载条件，因此，岩石的静态力学特征参数更适合石油工程需要。利用现场提供的测井资料提取岩石力学参数时，需要采用动、静参数的转换模型来标定和校正，以求得符合需要的岩石力学参数。通过实验分析得到岩样的动、静态测试数据，采用回归拟合得到如下关系(图2)。

图2 樊庄地区岩石力学弹性参数动、静态转化关系

1.3 岩石力学参数特征

通过统计煤岩岩石力学参数的特性，进一步认识煤岩纵向上的含气性发育程度。不同岩石由于其岩性、结构以及成岩强度等差异，造成其变形特征及形成岩石破裂的力学条件也不尽相同。樊庄地区3号煤层的主要岩石力学参数包含泊松比、杨氏模量、体积模量、剪切模量、抗剪强度等，以F73井为例(表1)，一般煤层顶板和底板岩石的动态泊松、动态杨氏模量和抗剪强度大于煤层。利用BP神经网络技术，以井点参数作为样点学习，建立井中波阻抗与各岩石力学参数的非线性映射关系，进行岩石物性参数反演，可以从空间展布上进行全区评价。

表1 F73井岩石力学弹性参数表

2 地层压力测井评价

从地层压力的概念出发，统计分析了樊庄区块井数据，采用等效深度法计算了樊庄区块地层压力值，绘制该区块地层压力平面展布图，明确整个区块地层压力特征。

2.1 正常压实曲线

针对该区地质构造特点，建立了一套测井资料处理与地应力的计算方法，并对一批井进行了地层压力计算，利用测试资料对计算结果进行了检验。建立正常压实趋势线的关键是取准纯泥岩段的声波时差，以HG40-8井和HX10-24井测井数据为例，求取了360.0～514.0m和610.0～825.0m井段的压实趋势线(图3)，其方程为：

Depth=-20.185×AC+5956.9

(1)

图3 声波时差和深度之间的相关关系

式中，Depth为深度，m；AC为声波时差，μs/m。

压实趋势线可以看作是一条虚拟的声波时差测井曲线，落在正常压实趋势线上的声波时差对应的压力系数为1。

2.2 地层压力计算

利用HG8-10、HX8-12、HP3-16、HY14-10等井的密度测井资料对地层密度与深度之间的关系进行分析，拟合密度和深度的关系式如下：

Y=-0.002×X+2.6088

(2)

式中，Y为密度，g/cm3；X为深度，m。

则上覆地层压力可以表示为：

(3)

式中，P0为上覆地层压力，g/cm2；H为深度，m。设置地面(0，0)为初始点。那么：

P0=-0.0001*H2+2.6088*H

(4)

通过几口井上覆地层的密度测井曲线，可以拟合出上覆地层密度随深度的变化公式，从而根据相应的数学运算，得出上覆地层的压力大小。

3 地应力分析综合评价

3.1 地应力计算

地应力大小一般通过三个主应力表示(图4)，即：垂直应力(Sv)、水平最大主应力(SH)和水平最小主应力(Sh)。

图4 地应力表示方法示意图

垂直主应力由上覆地层压力确定， 其中， 水平最大、最小主应力大小的表达式如下：

(5)

式中,α为孔隙弹性系数；μ为地层泊松比；Pp为地层孔隙压力,MPa。

3.2 地应力平面分布特征

压裂力学中，裂缝方向总是垂直于最小主应力，确定了水力压裂裂缝的方位就可以确定地应力的方向，由于樊庄区块多为高角度缝，因此只需计算水平方向上地应力。对樊庄区块测井数据进行地应力计算，根据弹性理论，经过数值模拟研究及破裂压力梯度预测，见表2。结果表明，煤岩在不同抗拉强度下，煤储层破裂压力均随主应力差的增大而减小，随最小水平主应力增大而增大。

表2 地应力和煤储层破裂压力

经过煤储层裂缝测井评价技术研究和煤层气地应力场分布特征分析，并结合最大、最小主应力空间分布图预测有利压裂带，对开发区进行综合评价，制定了开发评价依据，提出四个有利开发部署区，见表3。

表3 樊庄地区有利开发部署区评价表

对樊庄区块已压裂投产的生产井日产气量进行统计，设置低产(<800m3/天)、中产(800～1200m3/天)、高产(>1200m3/天)三个指标。将其与测井综合评价的有利开发部署区进行对比，其中中高产井吻合度高，达70%以上。该套测井评价技术，在樊庄地区有较好的预测效果，对于未开采的区块具有重要指导意义。

4 结论

以樊庄区块为例，进行煤层气有利开发区测井评价技术研究，优选煤层气有利开发部署区。首先，建立工区横波时差预测、岩石动静态参数转换、岩石弹性参数等计算模型；再次，刻画岩石力学参数空间分布特征，建立地层压力测井评价的方法；最后，通过分析煤储层地应力场分布特征，提供开发评价依据，综合评价开发区，并结合实际生产资料验证，可以取得较好的生产效果。