煤体结构测井评价在煤层气开发中的应用

李松林,逄建东,金力钻,王文升,孙玉红

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津300452;2.中海石油(中国)有限公司北京研究中心,北京100022)

0 引 言

随着煤层气勘探和开发程度日益深入,很多学者对煤体结构开展过相关研究。煤体结构的识别方法主要包括:井下采样标本描述方法、钻井取心法、地球物理方法(地震方法和测井方法)。测井方法是利用声、电、核磁及核能测量钻孔附近地层的属性变化[1-3],具有连续性强、成本低、可靠性高的特点,广泛应用于煤体结构的识别。

通常情况下,煤体结构评价主要为定性评价。不同学者分别采用电阻率、自然伽马、声波时差、密度、井径中的一条或多条曲线进行定性识别。然而,不同煤体结构间测井曲线存在大量重叠,导致定性识别具有多解性。因此,应用多条测井曲线准确、定量地识别煤体结构尤为重要。

在前人研究的基础上,本文以寿阳地区15号煤岩心资料为依托,分析其测井响应特征,应用多元线性回归方法建立了地质强度因子公式,形成了适用于该区的煤体结构定量评价方法。

另外,前人关于煤体结构的研究主要针对煤层计算含气量、孔隙度、渗透率等方面的应用[4-5]。本文研究发现,利用煤体结构、煤层厚度、断层、破裂压力的关系,可以为煤层气区块井位布署、储层改造提供一定支持。

1 煤体结构评价

虽然不同学者针对煤体结构开展了各种研究,但还没有形成行业标准。关于煤体结构评价,目前形成了根据不同煤体裂隙发育程度、煤体破碎程度等的划分方法[1-2,6],其中以4类划分标准(GB/T 30050 —2013)最为常用[7]。寿阳区块煤层特性亦适用4类划分标准,煤体结构从好到坏依次划分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构。根据上述标准,从煤心观察结果、煤岩强度、取心收获率等方面对4类煤体结构(见图1)得出如下认识。

图1 寿阳地区4类煤体结构煤心照片

原生结构:取心收获率高,未受破坏而成完整层状,煤体成块状,割理发育。碎裂结构:取心收获率高,受到一定程度的破坏,宏观裂隙已无法观测,煤体成团块、碎块状,可见外生裂隙,煤体呈层状透镜体。碎粒结构:取心收获率较低,破碎较严重,手捻易碎,层理难以分辨,煤体较为疏松,煤层主要为透镜体状。糜棱结构:取心收获率低甚至无收获,煤体受到严重破坏,原生层理及裂隙消失,煤体极疏松,煤岩呈粉末状、细小碎粒状或鳞片状。

煤体结构越差,其煤体破碎程度越高,煤体越疏松,孔隙裂隙发育越好,导电性越好,单位体积内放射性物质含量越低。因此,煤层测井响应特征随着煤体破碎程度越高,井径越大,密度越小,声波时差越大,电阻率越低,自然伽马越低。

分析研究井眼环境对测井曲线的影响。原生及碎裂结构煤层井眼规则,测井曲线受井眼影响小。碎粒及糜棱结构煤层井眼扩径,导致测井曲线部分失真,自然伽马、密度、电阻率数值偏低,中子、声波数值偏高,这种失真反映了煤层的破碎程度。

地质强度因子(GSI)是HOEK在1995年建立的岩体分类量化指标,可有效表征煤体结构[8]。针对寿阳地区不同煤体结构表征情况,结合连续煤心长度、破碎程度、手试强度等对不同煤体结构对应的地质强度因子赋值。为使结果不受人为影响,明确采样间隔0.2～0.4 m,步长5,数值范围5～90;同时为使测井曲线评价煤体结构更为准确,研究发现应对原生结构煤分级赋值(见表1)。

表1 寿阳地区煤体结构地质强度因子表征

对不同测井曲线与地质强度因子[8-10]相关性进行研究发现,寿阳区块煤体结构主要与自然伽马、井径、电阻率、密度相关[11](见图2)。

图2 测井曲线与地质强度因子关系

综合研究测井曲线与地质强度因子关系,借助多元线性回归方法建立地质强度因子计算公式,可以更加准确地评价煤体结构

GSI=92.400-0.162GR-1.459(CALX+

CALY)/2+0.003Rd+7.889DEN

R2=0.65

(1)

式中,GSI为地质强度因子;GR为自然伽马,API;Rd为电阻率,Ω·m;DEN为密度,g/cm3;CALX、CALY为双井径,cm。

图3为区块内某井煤体结构评价成果图,可以看出测井计算的地质强度因子与煤心地质强度因子符合率较高。对全区15号煤进行评价并对16口取心井进行符合率分析,符合率为71.4%～93.2%,平均为86.3%。

图3 测井曲线煤体结构评价与岩心结果对比图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 煤体结构与破裂压力关系

通常情况下,测井资料在破裂压力计算中应用最为广泛,其主要是应用纵波、横波以及密度曲线根据压实理论、摩尔-库伦准则等计算弹性力学参数、岩石力学参数后进而计算破裂压力。

这一方法在砂泥岩、碳酸盐岩等常规储层的破裂压力计算中获得了较好应用效果[12-13]。然而,由于煤层本身的特殊性,包括煤层已非岩石而是煤体、可塑性岩体、超高声波时差等原因,导致该方法在煤层岩石力学评价中应用效果较差。

前人研究[14-15]及现场压裂施工情况结合分析发现,煤体结构的优劣直接影响煤层破裂压力的高低。A1井煤体结构较差,其破裂压力较高,为32 MPa。A2井煤体结构较好,其破裂压力较低,为13 MPa;破裂压力曲线由压裂施工曲线计算得到与地层破裂瞬间对应的套压值相近(见图4)。

图4 煤体结构及对应压裂施工曲线图

Fc=FgH/100Fg=3.168K+1.554

为统一不同深度、不同井的对比性,引入破裂压力梯度,分析其与煤体结构之间关系。经研究,创新性引入糜棱及碎粒结构煤厚度占煤层厚度比,即煤层破碎指数K,由于煤层均有裂隙割理,故K≥5%。对该区13口已压裂井的破裂压力梯度与煤层破碎指数进行分析研究,建立关系

R2=0.8706

(2)

式中,Fc为破裂压力,MPa,Fg为破裂压力梯度,MPa/100 m;H为深度,m;K为煤层破碎指数,%。

相比于传统破裂压力计算,该方法反映了煤体结构对破裂压力大小的影响,与真实情况更为吻合,解决了同一层位、不同井的破裂压力梯度差异问题。

3 煤体结构在煤层气开发中的应用

对寿阳地区50余口井进行煤体结构评价后,进一步对该区15号煤层煤体结构进行平面区域预测,在不连片区,以井为中心外推半个井距,绘制寿阳区块煤体结构、煤层厚度、断层叠合图(见图5)。

图5 寿阳地区煤体结构、煤层厚度、断层叠合图

由图5可知:①寿阳区块以原生、碎裂结构煤为主,工区北部、东北部煤体结构较好;②煤体结构呈现区域性,断层密集区煤体结构变差;③当煤层厚度大于7 m时,煤岩强度低,容易破碎。

根据图5,可以优化井位布署,调整井型结构;避开煤体结构差的区域,选取煤层厚度大、煤体结构好的甜点布置水平井,选取煤层厚度中等、煤体结构较好的碎裂-碎粒区域,布置直井或定向井。

利用上述研究成果在工区内布置了一口定向井6X井(见图5)。该井距离断层较远,煤层埋深1 280 m,煤层厚度4.5 m,煤层含气量11 m3/t,煤体结构为碎裂结构,煤体结构好,破碎指数5%。在压裂施工前通过上述方法对其破裂压力进行预测,预测破裂压力为21.6 MPa。在此基础上进行压裂射孔段优选(见图6)压裂施工优化措施增加分段加砂工艺(见图7)。

图6 6X井测井煤体结构评价及射孔优选图

跟踪其后续压裂情况,其现场施工破裂压力为19 MPa(见图7),与预测破裂压力的绝对误差为2.6 MPa,误差较小。跟踪其后续投产情况,6X井产气量为1 064 m3/d,明显优于该区块平均单井日产气量300 m3/d,单井产量明显改善。同时,结合多口井的实际压裂施工发现,当破碎指数大于45%、深度大于1 000 m时,破裂压力大于J55型号套管极限强度35 MPa,储层难以改造,建议选择强度较高的套管,改进压裂施工及加砂工艺。

图7 6X井压裂施工曲线图

4 结 论

(1)煤体结构呈现区域性,根据区域特征优选测井参数后,应用多元线性回归方法得出地质强度因子评价煤体结构准确度较高,测井解释符合率达86.3%。

(2)应用破裂压力梯度与煤层破碎指数关系法,能够准确预测煤层破裂压力,有效解决寿阳区块同一层位、不同井的煤层破裂压力梯度差异问题。

(3)综合应用煤体结构、煤层厚度、破裂压力等参数及断层发育情况,确定煤层气开发甜点,进而优化井位布署,设计合理压裂施工方案,单井产量明显提升。