一种利用测井资料定量评价煤层气开采难易程度的方法与流程

本发明涉及煤层气开采过程中的测井定量评价技术，特别涉及一种利用测井资料定量评价煤层气开采难易程度的方法。
背景技术：
：为了高效地开采煤层气，必须要评估煤层气开采的难易程度。一般而言，煤储层压裂后出水量小，则降压解吸快，有利于产出煤层气，则煤层气开采较为容易；如果煤体结构为碎粒煤、糜棱煤等构造煤，且脆性指数低、完井品质指数小，则难易成功压裂，甚至出现煤粉堵塞裂缝通道的情况，则煤气开采难度较大。截至时日，国内外尚且没有利用测井资料定量评价煤层气开采难易程度的方法。现有研究成果报道中，仅局限于排采出水量和煤储层可压裂性对煤层气开发的影响研究。实际上，煤层气开采难易程度不仅仅与排采出水量有关，而且与煤体结构、完井品质指数有关。现有煤层气开采难易程度评价中，尚且没有充分利用煤层气测井资料来计算排采出水量、煤体结构和完井品质指数，进而来对煤层气开采难易程度进行定量评价，这给煤层气开发带来不便。技术实现要素：为了克服上述现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种利用测井资料定量评价煤层气开采难易程度的方法，基于煤层气排采出水量、煤体结构和完井品质指数，建立了煤层气开采难易程度定量评价模型和标准，以此评价标准对煤层气开采难易程度进行划分，将为煤层气高效开发提供技术支持。为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种利用测井资料定量评价煤层气开采难易程度的方法，包括以下步骤：步骤一、煤层气排采产水量与测井参数相关性分析：利用测井参数与实际煤层气排采产水量进行相关性分析，筛选出煤层气排采产水量较为敏感的测井参数；步骤二、构建煤层气排采产水量预测模型：基于步骤一可知，煤层气顶底板的出水量与砂岩厚度、孔隙度及砂岩距煤层距离具有良好的相关性，据此，构建了如下煤层顶底板出水量预测模型：式中：qwtb为煤层气排采出水量，m3/d；htb为顶底板岩层厚度，m；φ为砂岩孔隙度，％；s为砂岩距煤层的距离，m；w1、w2、w3为分别为砂岩厚度、孔隙度及砂岩距煤层距离的权系数，无量纲。由煤层排采自身产水量敏感性参数研究可知，密度、声波时差、电阻率及煤层厚度与煤层出水量关系较为密切，于是，利用该组参数构建了式(2)所示的煤层自身排采出水量预测模型：qwc＝-7.518-0.375×ρb+0.021×δt-0.184×log(rt)+0.128×hcr2＝0.739(2)式中：qwc为煤层自身排采出水量，m3/d；ρb为煤层的体积密度，g/cm3；δt为煤层的声波时差，μs/m；rt为煤层的电阻率，ω.m；hc为煤层的厚度，m；其他参数量纲同前；基于煤层顶底板和自身排采出水量，便可得到方程(3)所示的煤层气排采产水量。qw＝qwtb+qwc(3)式中：qw为总的排采出水量，m3/d；其他参数量纲同前；步骤三、计算煤体结构指数：煤层的完整性系数能够在一定程度上反映煤体结构，于是在构建煤体结构指数计算模型时引入完整性系数，据此，定义式(4)所示的煤体结构指数测井计算模型。式中：ics为煤体结构指数，无量纲；kv为煤层的完整性系数，无量纲；vp为岩体的纵波声速，可用测井纵波声速代替，m/s；vr为岩石骨架的理论纵波声速，m/s；其他参数量纲同前；煤体结构指数ics越大，表明煤岩越趋近于原生结构煤；煤体结构指数ics越小，表明煤岩越趋近于碎粒煤和糜棱煤。步骤四、预测煤储层的完井品质指数：泊松比反映了煤岩在应力作用下的破裂能力，而弹性模量反映了煤岩破裂后的支撑能力，弹性模量越高、泊松比越低，煤岩的脆性越强，于是，采用式(6)～式(8)来计算煤岩的脆性指数。式中：ibe、ibμ分别为杨氏模量和泊松比法计算的脆性指数，％；ib为煤层的脆性指数，％；e为煤层的杨氏模量，104mpa；μ为煤层的泊松比；δt、δts为煤层的纵、横波时差，μs/m；其他参数物理意义同前；用纵横波时差和密度测井资料计算的杨氏模量与岩石骨架的杨氏模量相比较来表征煤层的裂缝发育程度，裂缝发育程度指数计算模型如方程(11)所示：式中：rf为煤层的裂缝发育指数；etma为无裂缝煤层的杨氏模量值，mpa；其他参数量纲如前所示；煤层与顶底板层间水平主应力差计算方程如式(12)所示。δσ＝σs-σc(12)式中：δσ为煤层及其顶底板间的地应力差，mpa；σs为顶底板的最小水平主应力，mpa；σc为煤层的最小水平主应力，mpa；σv为垂向地应力，mpa；a为biot系数，无量纲；pp为地层孔隙压力，mpa；β为构造应力系数，无量纲；其他参数量纲如前所示；采用方程(14)来计算煤层内部的水平应力差异系数：式中：kh为煤层水平主应力差异系数，无量纲；σ1为煤层的最大水平主应力，mpa；σ2为煤层的最小水平主应力，mpa。利于煤层的脆性指数、裂缝发育系数、层间地应力差及水平应力差异系数，构建了方程(15)所示的煤层完井品质指数预测模型：式中：icp为煤层完井品质指数，无量纲；其他参数量纲如前所示。步骤五、计算煤层气开采难易程度评价指数：基于步骤二～步骤四中的计算的出水量、煤体结构指数及完井品质指数，将其进行归一化处理后，考虑到1m有8个测井采样数据点、煤层厚度和顶底板厚度的影响，并考虑到含水量增大会加大煤层气开采难度，煤体结构指数和完井品质指数值高时易于成功压裂，构建了方程(16)所示的煤层气开采难易程度评价指数的定量计算模型：式中：ier为煤层气开采难易程度评价指数，无量纲；i为待计算的测井数据点数，无量纲；icsn、icpn、qwn分别为归一化后的煤体结构指数、完井品质指数及排采出水量，无量纲；步骤六、确定煤层气开采难易程度评价标准：依据步骤五中计算的煤层气开采难易程度评价指数值，在系统对比煤层气实际开发资料的基础上，给出了表1所示的煤层气开采难易程度等级划分标准：表1煤层气开采难易程度评价等级划分表煤层气开采难度类型煤层气开采难易程度指数ier易ier＞0.8较易0.6<ier≤0.8较难0.4<ier≤0.6难ier≤0.4步骤七、煤层气开采难易程度评价：基于步骤二～步骤四中的煤层气开采难易程度各个评价指标计算模型，在编制处理解释程序的基础上，计算出水量、煤体结构指数和完井品质指数，进而利用方案五中的模型计算出煤层气开采难易程度评价指数，最后依据方案六中所示的煤层气开采难易程度评价标准，确定出所评价煤层气开采难易程度评价。本发明首次针对煤层气开采难易程度，提出了一种定量评价煤层气开采难易程度的方法，能够有效地利用测井资料对煤层气开采难易程度三个指标进行计算，以期为煤层气开发提供钻孔测井技术支持，既充分考虑了排采出水量对煤层气开采难易程度的影响，又兼顾了煤体结构和完井品质指数的影响，所评价的煤层气开采难易程度与煤层气开采实际生产情况较为吻合。附图说明图1为本发明中的定量评价煤层气开采难易程度方法流程图。图2为本发明中的煤层气日产水量与砂岩厚度间关系图。图3为本发明中的煤层气日产水量与砂岩距煤层距离间关系图。图4为本发明中的煤层气日产水量与孔隙度间关系图。图5为本发明中的煤层自身日产水量与密度间关系图。图6为本发明中的煤层自身日产水量与声波时差间关系图。图7为本发明中的煤层自身日产水量与电阻率间关系图。图8为本发明中的煤层自身日产水量与煤层厚度间关系图。图9为本发明中的识别煤体结构的井径与电阻率交会图。图10为本发明中的识别煤体结构的密度与声波时差交会图。图11为本发明中的煤层气开采难易程度定量评价成果图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案做详细叙述。参照图1，一种定量评价煤层气开采难易程度的评价方法，包括以下步骤：步骤一、煤层气排采产水量与测井参数相关性分析：煤层直接顶底板为砂岩时，物性较好，且砂岩厚度越大，则顶底板砂岩的含水性越强，煤层压裂后顶底板砂岩的排采出水量较大。充分考虑到地球物理测井技术对煤层气排采出水量的映射能力，从顶底板和煤层自身两方面开展产水量分析。参照图2～图5，利用砂岩厚度、砂岩距煤层距离及孔隙度与日产水量相关性分析得知，排采日产水量与砂岩厚度、孔隙度等参数敏感性较强，于是利用此组参数来构建排采时顶底板岩层的出水量预测模型。参照图6～图9，利用煤层的密度、声波时差和电阻率及煤层厚度与日产水量的相关性分析得知，声波时差和煤层厚度与煤层出水量关系较为密切，煤层体积密度和电阻率对煤层含水性亦具有一定的敏感性，因此利用该组参数来构建煤层自身的出水量预测模型。步骤二、构建煤层气排采产水量预测模型：基于步骤一可知，煤层气顶底板的出水量与砂岩厚度、孔隙度及砂岩距煤层距离具有良好的相关性。据此，构建了如下煤层顶底板出水量预测模型：式中：qwtb为煤层气排采出水量，m3/d；htb为顶底板岩层的厚度，m；φ为砂岩孔隙度，％；s为砂岩距煤层的距离，m；w1、w2、w3为分别为砂岩厚度、孔隙度及砂岩距煤层距离的权系数，无量纲。由步骤一得知，密度、声波时差、电阻率及煤层厚度与煤层出水量关系较为密切，于是，利用该组参数构建了如式(2)所示的煤层自身排采出水量预测模型。qwc＝-7.518-0.375×ρb+0.021×δt-0.184×log(rt)+0.128×hcr2＝0.739(2)式中：qwc为煤层自身排采出水量，m3/d；ρb为煤层的体积密度，g/cm3；δt为煤层的声波时差，μs/m；rt为煤层的电阻率，ω.m；hc为煤层的厚度，m；其他参数量纲同前。基于煤层顶底板和自身排采出水量，便可得到方程(3)所示的煤层气排采产水量。qw＝qwtb+qwc(3)式中：qw为总的排采出水量，m3/d；其他参数量纲同前。步骤三、计算煤体结构指数：构造煤机械强度低、煤体结构松散，不能脆性开裂，于是难以形成裂缝。压裂时形成缝壁的同时，这些崩离剥落的大量煤粉会堵塞缝道，进而致使煤层的渗透性能得不到改善。参照图10、图11，原生结构煤的电阻率曲线一般为中高幅值、密度为高值、声波时差为低值；而构造煤的密度降低，电阻率为中低值、声波时差增大。通过系统剖析研究区的原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的测井响应特征，发现随着煤体结构由原生结构煤向糜棱煤过渡，密度测井值和电阻率值减小，而声波时差和井径增大。由于电阻率、密度及声波时差均受到扩径的影响，于是构建煤体结构指数测井评价模型时，可不引入井径这一参数。煤层的完整性系数能够在一定程度上反映煤体结构，于是在构建煤体结构指数计算模型时引入完整性系数。据此，定义式(4)所示的煤体结构指数。式中：ics为煤体结构指数，无量纲；kv为煤层的完整性系数，无量纲；vp为岩体的纵波声速，可用测井纵波声速代替，m/s；vr为岩石骨架的理论纵波声速，m/s；其他参数量纲同前。煤体结构指数ics越大，表明煤岩越趋近于原生结构煤；煤体结构指数ics越小，表明煤岩越趋近于碎粒煤和糜棱煤。步骤四、预测煤储层的完井品质指数：泊松比反映了煤岩在应力作用下的破裂能力，而弹性模量反映了煤岩破裂后的支撑能力。弹性模量越高、泊松比越低，煤岩的脆性越强。于是，采用式(6)～式(8)来计算煤岩的脆性指数。式中：ibe、ibμ分别为杨氏模量和泊松比法计算的脆性指数，％；ib为煤层的脆性指数，％；e为煤层的杨氏模量，104mpa；μ为煤层的泊松比；δt、δts为煤层的纵、横波时差，μs/m；其他参数物理意义同前。用纵横波时差和密度测井资料计算的杨氏模量与岩石骨架的杨氏模量相比较来表征煤层的裂缝发育程度。裂缝发育程度指数计算模型如方程(11)所示。式中：rf为煤层的裂缝发育指数；etma为无裂缝岩石的杨氏模量值，mpa；其他参数量纲如前所示。煤层与顶底板层间水平主应力差计算方程如式(12)所示。δσ＝σs-σc(12)式中：δσ为煤层及其顶底板间的地应力差，mpa；σs为顶底板的最小水平主应力，mpa；σc为煤层的最小水平主应力，mpa；σv为垂向地应力，mpa；a为biot系数，无量纲；pp为地层孔隙压力，mpa；β为构造应力系数，无量纲；其他参数量纲如前所示。采用方程(14)来计算煤层内部的水平应力差异系数。式中：kh为煤层水平主应力差异系数，无量纲；σ1为煤层的最大水平主应力，mpa；σ2为煤层的最小水平主应力，mpa。煤储层压裂效果与煤层的脆性指数、裂缝发育程度成正比；煤层及其顶底板间的地应力差较大时，压裂缝易于控制在煤层内部，而不会沟通顶底板含水层；煤层水平主应力差异系数越小，压裂是易于在煤层内部形成复杂的网状裂缝，进而利于煤层排水降压。基于该认识，利于煤层的脆性指数、裂缝发育系数、层间地应力差及水平应力差异系数，构建了方程(15)所示的煤层完井品质指数预测模型。式中：icp为煤层完井品质指数，无量纲；其他参数量纲如前所示。步骤五、计算煤层气开采难易程度评价指数：基于步骤二～步骤四中的计算的出水量、煤体结构指数及完井品质指数，将其进行归一化处理后，考虑到1m有8个测井采样数据点、煤层厚度和顶底板厚度的影响，并考虑到含水量增大会加大煤层气开采难度，煤体结构指数和完井品质指数值高时易于成功压裂，构建了方程(16)所示的煤层气开采难易程度评价指数的定量计算模型：式中：ier为煤层气开采难易程度评价指数，无量纲；i为待计算的测井数据点数，无量纲；icsn、icpn、qwn分别为归一化后的煤体结构指数、完井品质指数及排采出水量，无量纲。步骤六、确定煤层气开采难易程度评价标准：依据步骤五中计算的煤层气开采难易程度评价指数值，在系统对比煤层气实际开发资料的基础上，给出了表1所示的煤层气开采难易程度等级划分标准：表1煤层气开采难易程度评价等级划分表煤层气开采难度类型煤层气开采难易程度指数ier易ier＞0.8较易0.6<ier≤0.8较难0.4<ier≤0.6难ier≤0.4步骤七、煤层气开采难易程度评价：基于步骤二～步骤四中的煤层气开采难易程度各个评价指标计算模型，在编制处理解释程序的基础上，计算出水量、煤体结构指数和完井品质指数，进而利用方案五中的模型计算出煤层气开采难易程度评价指数，最后依据方案六中所示的煤层气开采难易程度评价标准，确定出所评价煤层气开采难易程度评价。将本发明在实际煤田中试用。在x井的定量评价煤层气开采难易程度的应用中，参照图11，该井主力煤层气储层段573.5-577.4m，厚度为3.9m，层中无明显夹矸。该煤层气储层上部573.5-576.0m井段，测井曲线显示煤质较好，煤岩心分析含气量为8.9～19.4m3/t，表明是煤层气富集井段。然而，该煤层段计算的煤体结构指数、完井品质指数均较小，测井预测的日产水量较高，利用该发明所述方法计算的煤层气开采难易程度指数介于0.4～0.6之间，表明该井段难以开采煤层气。实际生产中，对该煤层段进行了压裂，但压裂后排水三个多月仍未出气。压裂效果监测和排采动态表明，该煤层段由于完井品质差，压裂施工过程中崩离剥落的大量煤粉堵塞了缝道。该煤层气储层下部576.0-577.4m井段，固定碳在含量较低、灰分含量较高，测井计算的含气量为6.3-10.2m3/t，煤层气储层品质相对较差；但该煤层段煤体结构指数、完井品质指数较上部煤层段高，预测的日产水量相对较低，利用该发明所述方法计算的煤层气开采难易程度指数大于0.8，表明该井段易于开采煤层气。在上部煤层段压裂失败后，重新对该下部煤层段进行压裂，压裂施工后排水20多天后，日产气873方。这充分说明本研究定量评价的煤层气开采难易程度与实际生产特征较为吻合。该方法既充分考虑了排采出水量对煤层气开采难易程度的影响，又兼顾了煤体结构、完井品质指数的影响，所评价的煤层气开采难易程度与煤层气实际生产情况较为吻合。该法中的各个评价指标都能够从煤田钻孔测井资料来求取，而几乎所有的煤田均具有大量的钻孔测井数据。因此，本发明所述煤层气开采难易程度测井定量评价方法具有良好的推广应用前景和价值。本领域的技术人员应当理解，由于测井资料易受扩径等钻孔环境的影响，为了更精准地评价煤层气开采的难易程度，对其测井资料进行环境影响校正是十分必要的，且完井品质指数评价中所涉及的岩石力学参数必须经过动静态转换，煤层气开采难易程度定量评价结果才具有较高的精度。当前第1页12