煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井評(píng)價(jià)在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)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(xué)者對(duì)煤體結(jié)構(gòu)開展過相關(guān)研究。煤體結(jié)構(gòu)的識(shí)別方法主要包括:井下采樣標(biāo)本描述方法、鉆井取心法、地球物理方法(地震方法和測(cè)井方法)。測(cè)井方法是利用聲、電、核磁及核能測(cè)量鉆孔附近地層的屬性變化[1-3],具有連續(xù)性強(qiáng)、成本低、可靠性高的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于煤體結(jié)構(gòu)的識(shí)別。

通常情況下,煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)主要為定性評(píng)價(jià)。不同學(xué)者分別采用電阻率、自然伽馬、聲波時(shí)差、密度、井徑中的一條或多條曲線進(jìn)行定性識(shí)別。然而,不同煤體結(jié)構(gòu)間測(cè)井曲線存在大量重疊,導(dǎo)致定性識(shí)別具有多解性。因此,應(yīng)用多條測(cè)井曲線準(zhǔn)確、定量地識(shí)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(hào)煤巖心資料為依托,分析其測(cè)井響應(yīng)特征,應(yīng)用多元線性回歸方法建立了地質(zhì)強(qiáng)度因子公式,形成了適用于該區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)定量評(píng)價(jià)方法。

另外,前人關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)的研究主要針對(duì)煤層計(jì)算含氣量、孔隙度、滲透率等方面的應(yīng)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(chǔ)層改造提供一定支持。

1 煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

雖然不同學(xué)者針對(duì)煤體結(jié)構(gòu)開展了各種研究,但還沒有形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià),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(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn),從煤心觀察結(jié)果、煤巖強(qiáng)度、取心收獲率等方面對(duì)4類煤體結(jié)構(gòu)(見圖1)得出如下認(rèn)識(shí)。

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(cè),煤體成團(tuán)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(yán)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(yán)重破壞,原生層理及裂隙消失,煤體極疏松,煤巖呈粉末狀、細(xì)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(dǎo)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(cè)井響應(yīng)特征隨著煤體破碎程度越高,井徑越大,密度越小,聲波時(shí)差越大,電阻率越低,自然伽馬越低。

分析研究井眼環(huán)境對(duì)測(cè)井曲線的影響。原生及碎裂結(jié)構(gòu)煤層井眼規(guī)則,測(cè)井曲線受井眼影響小。碎粒及糜棱結(jié)構(gòu)煤層井眼擴(kuò)徑,導(dǎo)致測(cè)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(qiáng)度因子(GSI)是HOEK在1995年建立的巖體分類量化指標(biāo),可有效表征煤體結(jié)構(gòu)[8]。針對(duì)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(zhǎng)度、破碎程度、手試強(qiáng)度等對(duì)不同煤體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的地質(zhì)強(qiáng)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(zhǎng)5,數(shù)值范圍5～90;同時(shí)為使測(cè)井曲線評(píng)價(jià)煤體結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確,研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)對(duì)原生結(jié)構(gòu)煤分級(jí)賦值(見表1)。

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

對(duì)不同測(cè)井曲線與地質(zhì)強(qiáng)度因子[8-10]相關(guān)性進(jìn)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(cè)井曲線與地質(zhì)強(qiáng)度因子關(guān)系

綜合研究測(cè)井曲線與地質(zhì)強(qiáng)度因子關(guān)系,借助多元線性回歸方法建立地質(zhì)強(qiáng)度因子計(jì)算公式,可以更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)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(qiáng)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(píng)價(jià)成果圖,可以看出測(cè)井計(jì)算的地質(zhì)強(qiáng)度因子與煤心地質(zhì)強(qiáng)度因子符合率較高。對(duì)全區(qū)15號(hào)煤進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)16口取心井進(jìn)行符合率分析,符合率為71.4%～93.2%,平均為86.3%。

圖3 測(cè)井曲線煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與巖心結(jié)果對(duì)比圖*非法定計(jì)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(cè)井資料在破裂壓力計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛,其主要是應(yīng)用縱波、橫波以及密度曲線根據(jù)壓實(shí)理論、摩爾-庫倫準(zhǔn)則等計(jì)算彈性力學(xué)參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)后進(jìn)而計(jì)算破裂壓力。

這一方法在砂泥巖、碳酸鹽巖等常規(guī)儲(chǔ)層的破裂壓力計(jì)算中獲得了較好應(yīng)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(shí)差等原因,導(dǎo)致該方法在煤層巖石力學(xué)評(píng)價(jià)中應(yīng)用效果較差。

前人研究[14-15]及現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算得到與地層破裂瞬間對(duì)應(yīng)的套壓值相近(見圖4)。

圖4 煤體結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)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(duì)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(duì)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(jìn)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(jì)算,該方法反映了煤體結(jié)構(gòu)對(duì)破裂壓力大小的影響,與真實(shí)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(yīng)用

對(duì)壽陽地區(qū)50余口井進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)后,進(jìn)一步對(duì)該區(qū)15號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面區(qū)域預(yù)測(cè),在不連片區(qū),以井為中心外推半個(gè)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(dāng)煤層厚度大于7 m時(shí),煤巖強(qiáng)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(diǎn)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(yuǎn),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(duì)其破裂壓力進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)破裂壓力為21.6 MPa。在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(cè)井煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)及射孔優(yōu)選圖

跟蹤其后續(xù)壓裂情況,其現(xiàn)場(chǎng)施工破裂壓力為19 MPa(見圖7),與預(yù)測(cè)破裂壓力的絕對(duì)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(shí),結(jié)合多口井的實(shí)際壓裂施工發(fā)現(xiàn),當(dāng)破碎指數(shù)大于45%、深度大于1 000 m時(shí),破裂壓力大于J55型號(hào)套管極限強(qiáng)度35 MPa,儲(chǔ)層難以改造,建議選擇強(qiáng)度較高的套管,改進(jìn)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(cè)井參數(shù)后,應(yīng)用多元線性回歸方法得出地質(zhì)強(qiáng)度因子評(píng)價(jià)煤體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確度較高,測(cè)井解釋符合率達(dá)86.3%。

(2)應(yīng)用破裂壓力梯度與煤層破碎指數(shù)關(guān)系法,能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(yīng)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(diǎn),進(jìn)而優(yōu)化井位布署,設(shè)計(jì)合理壓裂施工方案,單井產(chǎn)量明顯提升。