一种煤储层现今地应力预测方法与流程

本发明涉及煤层气勘探开发技术领域，具体是指一种煤储层现今地应力预测方法。

背景技术：

随着油气勘探开发的深入，煤层气、页岩气以及致密油气等非常规油气逐渐显示出巨大潜力。煤层气是一种以吸附状态为主赋存于煤层及其围岩中的非常规天然气，其全球资源量约为256.3×10¹²m³，中国埋深2000m以内的煤层气地质资源量为36.8×10¹²m³，其中可采资源量为10.9×10¹²m³。

现今地应力状态对煤层气勘探开发具有重要影响：(1)煤层渗透率是制约煤层气开发的关键因素之一，其变化对现今地应力非常敏感，明显受地应力控制。低地应力区煤层渗透率高，随深度增加渗透率变化幅度不大，煤层气单井产气量高；而高地应力区煤层渗透率低，随深度增加渗透率急剧减小，单井产气量低。(2)现今地应力影响煤层天然裂缝的有效性，当区域最大主应力方向与煤层中裂缝的优势方向一致时，裂缝受拉张而呈开启状态；而当区域最大主应力方向与煤层中裂缝优势方向垂直时，裂缝受挤压而呈闭合状态。(3)现今地应力控制水力压裂裂缝的形态及其扩展规律，水力压裂时，裂缝总是趋于弱面形成并扩展。在其它条件相同前提下，三轴应力差别不大时，在平面和剖面上都容易形成近似圆形的裂缝；而三轴应力差别越大时，形成的裂缝长轴与短轴差别越大，三轴应力椭球体的形态大致反映出裂缝延伸的形态。煤层水力压裂缝的形态主要受地应力大小、方向以及岩石性质等控制。(4)现今地应力影响煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流，从而影响煤层气的产出。(5)现今地应力影响煤层气开发方案设计，是煤层气储层开发井网部署的关键参数。

因此，准确预测煤储层现今地应力状态至关重要。目前，针对煤层现今地应力的预测，现有技术主要包括两种：(1)对常规砂泥岩储层地应力的预测研究已较为深入，对煤层现今地应力的预测仍使用砂泥岩储层地应力预测方法，没有考虑到煤岩具有低杨氏模量、高泊松比、低强度、易变形等力学特点，与常规砂泥岩相比差异明显；(2)在煤储层地应力预测时注意到煤岩易变形等特点，但在其预测方法中现今地应力因素考虑不全面，如：煤层变形受温度影响，温度变化产生附加应力。由此表明，无论使用上述哪种预测方法，其结果与实际必然存在偏差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种煤储层现今地应力预测方法，包括以下步骤：

(1)采集钻孔岩芯中煤层上覆不同时代的岩石样品，测试获取古应力值，确定最后期强构造活动的地质时间；

(2)采集钻孔岩芯煤岩样品，测试获取其静态杨氏模量、静态泊松比、静态粘性系数和静态biot系数；

(3)获取声波时差测井曲线和密度测井曲线，计算煤岩动态杨氏模量、动态泊松比和动态biot系数；

(4)基于步骤(2)实验和步骤(3)计算结果，构建煤岩动态/静态杨氏模量、动态/静态泊松比、动态/静态biot系数、静态粘性系数/动态杨氏模量之间的关系，实现基于测井曲线表征煤岩岩石力学参数的目的；

(5)基于煤储层试井分析获取应力参数，结合步骤(3)的密度测井曲线，计算实测深度处的现今地应力；

(6)基于步骤(5)实测储层压力和步骤(3)测井曲线，反演计算伊顿系数，实现基于测井曲线表征煤储层压力的目的；

(7)综合步骤(1)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)的分析计算结果，反演获取煤储层现今地应力模型中的未知参数，构建基于maxwell粘弹性体的煤储层现今地应力预测模型，利用测井曲线准确计算煤储层地应力连续剖面，实现预测煤储层现今地应力的目的。

优选地，所述步骤(1)包括以下子步骤：

(1.1)确定煤层发育层位，在钻孔中采集煤层上部不同时代岩石样品，在实验室内加工成50mm×25mm(长度×直径)的标准圆柱塞状；

(1.2)通过岩石声发射法测试kaiser点，获取不同时期古应力值，确定最后期强构造活动的地质时间，记至现今经历时间为t。

优选地，所述步骤(2)包括以下子步骤：

(2.1)按照国家标准gb/t23561.9-2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》，测试获取煤岩静态杨氏模量(es)和静态泊松比(μs)；

(2.2)基于cross-plotting法测试获取煤岩样品的静态biot系数(αs)；

(2.3)基于煤岩的三角波周期加载，反推确定maxwell体的静态粘性系数(η)。

优选地，所述步骤(3)包括以下子步骤：

(3.1)获取声波时差测井和密度测井曲线，对其进行校正；

(3.2)计算煤岩的动态杨氏模量(ed)、动态泊松比(μd)和动态biot系数(αd)；

其中，煤岩的动态杨氏模量(ed)计算公式为：

式中：ed为煤岩动态杨氏模量，ρ为煤岩密度，δts为横波时差，δtp为纵波时差，β为单位转换系数；

煤岩动态泊松比(μd)计算公式为：

式中：μd为煤岩动态泊松比，δts为横波时差，δtp为纵波时差；

煤岩动态biot系数(αd)计算公式为：

式中：αd为煤岩动态biot系数，ρ和ρma分别为煤岩和煤岩骨架密度，νp和νmp分别为煤岩和煤岩骨架纵波速度，νs和νms分别为煤岩和煤岩骨架横波速度。

优选地，所述步骤(4)包括以下子步骤：

(4.1)构建煤岩动态/静态杨氏模量关系，记为：

es＝f1(ed)(4)

(4.2)构建煤岩动态/静态泊松比关系，记为：

μs＝f2(μd)(5)

(4.3)构建煤岩动态/静态biot系数关系，记为：

αs＝f3(αd)(6)

(4.4)构建煤岩静态粘性系数/动态杨氏模量关系，记为：

η＝f4(ed)(7)

优选地，所述步骤(5)包括以下子步骤：

(5.1)基于煤储层试井分析，获取实测处埋深(z)，储层压力(po)，破裂压力(pf)，闭合压力(pc)和重张压力(pr)；

(5.2)依据步骤(3)的密度测井曲线，对其积分获得实测深度处的垂向应力，其计算公式为：

式中：sv为垂向应力，ρ为煤岩密度，h为深度，z为实测处埋深，g为重力加速度；

(5.3)计算实测深度处的水平最大主应力和水平最小主应力，其计算公式为：

式中：sv为垂向应力，sh和sh分别为水平最小和最大主应力，t为煤岩抗张强度，po为储层压力，pf为破裂压力，pc为闭合压力，pr为重张压力。

优选地，所述步骤(6)中的伊顿系数计算公式为：

式中：sv为垂向应力，po为储层压力，s为静水压力，δt为计算点的声波时差，δtn为计算点对应的正常趋势线上的声波时差，c为伊顿系数。

优选地，所述步骤(7)包括以下子步骤：

(7.1)选取maxwell体表征煤岩，maxwell体由一个弹簧和一个阻尼器串联而成，可反映岩石应力应变的时间特性，有效表征煤岩的易变形等特征；

(7.2)综合步骤(1)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)的分析计算结果，反推获取水平最大主应力和水平最小主应力方向上的应变(εh和εh)和应力附加项(st和st)，其中，应力附加项主要用于校正由温度等其它因素造成的附加应力，应变和应力附加项均采取平均值处理方式：

式中：n为样品总数，εh和εh为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的平均应变，st和st为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的应力附加项平均值；

(7.3)构建带有应力附加项的maxwell煤储层地应力模型，其计算公式如下：

式中：sv为垂向应力，sh和sh分别为水平最小和最大主应力，μs为静态泊松比，es为静态杨氏模量，αs为静态biot系数，po为储层压力，εh和εh为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的平均应变，st和st为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的应力附加项平均值，η为maxwell体的静态粘性系数，t为最后期强构造活动至现今经历时间；

(7.4)公式(12)中垂向应力sv可通过公式(8)计算，静态参数可通过公式(4)～公式(7)计算，储层压力po可通过公式(10)计算，平均应变(εh和εh)和应力附加项平均值(st和st)可由前述步骤反推后取平均值确定，最后期强构造活动至现今经历时间t通过多组声发射实验结果确定，由此，构建基于maxwell粘弹性体的煤储层现今地应力预测模型，利用测井曲线准确计算煤储层地应力连续剖面，实验预测煤储层现今地应力的目的。

采用以上预测方法后，本发明具有如下优点：

(1)本发明在煤岩参数实验测试和测井曲线计算基础上，建立静态参数与动态参数之间的量化关系，考虑煤岩低杨氏模量、高泊松比、低强度、易变形等岩石力学特点，反演获取基于maxwell煤储层现今地应力模型中的未知参数，建立基于测井曲线的煤储层地应力剖面；

(2)本发明针对性强，可准确预测煤储层现今地应力，为煤层气有效勘探开发奠定基础，减小风险和成本。

附图说明

图1是一种煤储层现今地应力预测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明。

结合附图1，一种煤储层现今地应力预测方法，包括以下步骤：

(1)采集钻孔岩芯中煤层上覆不同时代的岩石样品，测试获取古应力值，确定最后期强构造活动的地质时间，包括以下子步骤：

(1.1)确定煤层发育层位，在钻孔中采集煤层上部不同时代岩石样品，在实验室内加工成50mm×25mm(长度×直径)的标准圆柱塞状；

(1.2)通过岩石声发射法测试kaiser点，获取不同时期古应力值，确定最后期强构造活动的地质时间，记至现今经历时间为t；

(2)采集钻孔岩芯煤岩样品，测试获取其静态杨氏模量、静态泊松比、静态粘性系数和静态biot系数，包括以下子步骤：

(2.1)按照国家标准gb/t23561.9-2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》，测试获取煤岩静态杨氏模量(es)和静态泊松比(μs)；

(2.2)基于cross-plotting法测试获取煤岩样品的静态biot系数(αs)；

(2.3)基于煤岩的三角波周期加载，反推确定maxwell体的静态粘性系数(η)；

(3)获取声波时差测井曲线和密度测井曲线，计算煤岩动态杨氏模量、动态泊松比和动态biot系数，包括以下子步骤：

(3.1)获取声波时差测井和密度测井曲线，对其进行校正；

(3.2)计算煤岩的动态杨氏模量(ed)、动态泊松比(μd)和动态biot系数(αd)；

其中，煤岩的动态杨氏模量(ed)计算公式为：

式中：ed为煤岩动态杨氏模量，ρ为煤岩密度，δts为横波时差，δtp为纵波时差，β为单位转换系数；

煤岩动态泊松比(μd)计算公式为：

式中：μd为煤岩动态泊松比，δts为横波时差，δtp为纵波时差；

煤岩动态biot系数(αd)计算公式为：

式中：αd为煤岩动态biot系数，ρ和ρma分别为煤岩和煤岩骨架密度，νp和νmp分别为煤岩和煤岩骨架纵波速度，νs和νms分别为煤岩和煤岩骨架横波速度；

(4)基于步骤(2)实验和步骤(3)计算结果，构建煤岩动态/静态杨氏模量、动态/静态泊松比、动态/静态biot系数、静态粘性系数/动态杨氏模量之间的关系，实现基于测井曲线表征煤岩岩石力学参数，包括以下子步骤：

(4.1)构建煤岩动态/静态杨氏模量关系，记为：

es＝f1(ed)(4)

(4.2)构建煤岩动态/静态泊松比关系，记为：

μs＝f2(μd)(5)

(4.3)构建煤岩动态/静态biot系数关系，记为：

αs＝f3(αd)(6)

(4.4)构建煤岩静态粘性系数/动态杨氏模量关系，记为：

η＝f4(ed)(7)

(5)基于煤储层试井分析获取应力参数，结合步骤(3)的密度测井曲线，计算实测深度处的现今地应力，包括以下子步骤：

(5.1)基于煤储层试井分析，获取实测处埋深(z)，储层压力(po)，破裂压力(pf)，闭合压力(pc)和重张压力(pr)；

(5.2)依据步骤(3)的密度测井曲线，对其积分获得实测深度处的垂向应力，其计算公式为：

式中：sv为垂向应力，ρ为煤岩密度，h为深度，z为实测处埋深，g为重力加速度；

(5.3)计算实测深度处的水平最大主应力和水平最小主应力，其计算公式为：

式中：sv为垂向应力，sh和sh分别为水平最小和最大主应力，t为煤岩抗张强度，po为储层压力，pf为破裂压力，pc为闭合压力，pr为重张压力；

(6)基于步骤(5)实测储层压力和步骤(3)测井曲线，反演计算伊顿系数，实现基于测井曲线表征煤储层压力，伊顿系数计算公式为：

式中：sv为垂向应力，po为储层压力，s为静水压力，δt为计算点的声波时差，δtn为计算点对应的正常趋势线上的声波时差，c为伊顿系数；

(7)综合步骤(1)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)的分析计算结果，反演获取煤储层现今地应力模型中的未知参数，构建基于maxwell粘弹性体的煤储层现今地应力预测模型，利用测井曲线准确计算煤储层地应力连续剖面，实现预测煤储层现今地应力的目的，包括以下子步骤：

(7.1)选取maxwell体表征煤岩，maxwell体由一个弹簧和一个阻尼器串联而成，可反映岩石应力应变的时间特性，有效表征煤岩的易变形等特征；

(7.2)综合步骤(1)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)的分析计算结果，反推获取水平最大主应力和水平最小主应力方向上的应变(εh和εh)和应力附加项(st和st)，其中，应力附加项主要用于校正由温度等其它因素造成的附加应力，应变和应力附加项均采取平均值处理方式：

式中：n为样品总数，εh和εh为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的平均应变，st和st为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的应力附加项平均值；

(7.3)构建带有应力附加项的maxwell煤储层地应力模型，其计算公式如下：

式中：sv为垂向应力，sh和sh分别为水平最小和最大主应力，μs为静态泊松比，es为静态杨氏模量，αs为静态biot系数，po为储层压力，εh和εh为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的平均应变，st和st为水平最大主应力和水平最小主应力方向上的应力附加项平均值，η为maxwell体的静态粘性系数，t为最后期强构造活动至现今经历时间；

(7.4)公式(12)中垂向应力sv可通过公式(8)计算，静态参数可通过公式(4)～公式(7)计算，储层压力po可通过公式(10)计算，平均应变(εh和εh)和应力附加项平均值(st和st)可由前述步骤反推后取平均值确定，最后期强构造活动至现今经历时间t通过多组声发射实验结果确定，由此，构建基于maxwell粘弹性体的煤储层现今地应力预测模型，利用测井曲线准确计算煤储层地应力连续剖面，实现预测煤储层现今地应力的目的。