黃昌杰， 丁文龍， 尹 帥

(1中國(guó)地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院 2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院)

煤儲(chǔ)層作為雙重孔隙介質(zhì)，滲透性受地應(yīng)力的影響作用顯著[1-5]。隨著地層埋深的增加，煤儲(chǔ)層所受應(yīng)力環(huán)境增加，孔滲逐漸發(fā)生降低。前人對(duì)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力多有研究，如Suman等[6]探討了煤割理方向、主滲方向及地應(yīng)力方向間的耦合關(guān)系；孟昭平等[7-8]對(duì)鄂爾多斯盆地東南緣煤儲(chǔ)層地應(yīng)力與儲(chǔ)層壓力間關(guān)系及滲透率應(yīng)力敏感性進(jìn)行了研究；Guo等[9]分析了浦和煤礦地應(yīng)力與區(qū)域構(gòu)造特征間的關(guān)系；Liu等[10]探討了埋深在600～1 500 m范圍內(nèi)中-深煤層地應(yīng)力分布變化規(guī)律。這些研究主要集中在探討地應(yīng)力分布及其對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響方面，而對(duì)于地應(yīng)力的影響因素研究相對(duì)較少。常規(guī)測(cè)井作為一種最常應(yīng)用的測(cè)井資料，分析各測(cè)井參數(shù)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層地應(yīng)力的敏感程度，對(duì)進(jìn)一步深入探討不同類型煤儲(chǔ)層地應(yīng)力特征及產(chǎn)能預(yù)測(cè)等方面均具有一定指導(dǎo)意義?；诖?，該文分析了沁水盆地南部上古生界二疊系山西組主力產(chǎn)氣煤層地應(yīng)力特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了常規(guī)測(cè)井參數(shù)對(duì)地應(yīng)力的敏感性分析。

一、煤儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征

山西組3號(hào)煤層含氣層較好，鉆井過(guò)程中槽面可見(jiàn)氣泡，該煤層從常規(guī)測(cè)井曲線上易于識(shí)別[11]。3號(hào)煤層常規(guī)測(cè)井響應(yīng)曲線與頂?shù)装迳澳鄮r具有明顯區(qū)別，表現(xiàn)為三低三高特征，即低伽馬(GR)、低自然電位(SP)、低密度(DEN)、高縱波時(shí)差(AC)、高補(bǔ)償中子(CNL)及高電阻率(深側(cè)向電阻率RD及淺側(cè)向電阻率RS)特征，這類典型的測(cè)井特征使3號(hào)煤層易于識(shí)別。從微電阻率成像測(cè)井圖像上觀察，3號(hào)煤層巖心尺度裂縫通常不發(fā)育。

二、煤儲(chǔ)層地應(yīng)力特征

水力壓裂法可以確定煤儲(chǔ)層地應(yīng)力，前人對(duì)此多有研究[12-13]。水平最大地應(yīng)力(σH)可由理論公式進(jìn)行確定[14]：

σH=3σh-pf-αpp+σt

式中：α—有效應(yīng)力系數(shù)，無(wú)量綱；pp—地層壓力，MPa；σt—抗張強(qiáng)度，MPa。

利用上述壓裂法求取了研究區(qū)22口煤層氣井(垂直井)的主應(yīng)力。σh主要分布在10～16.6 MPa，平均值為13.2 MPa；σH主要分布在12.77～20.72 MPa，平均值為16.82 MPa；σv主要分布在11.33～17.57 MPa，平均值為14.22 MPa；σH-σh主要分布在0.5～7.52 MPa，平均值為3.61 MPa。地應(yīng)力狀態(tài)滿足σH>σv>σh，水力破裂縫易于沿著σH和σv所形成的平面方向進(jìn)行擴(kuò)展，形成一些高角度及近垂直的水力縫。

三、常規(guī)測(cè)井參數(shù)對(duì)地應(yīng)力的敏感性分析

對(duì)上述22口單井的3號(hào)煤層壓裂段的常規(guī)測(cè)井參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提取。包括縱波時(shí)差(AC)、井徑(CAL)、密度(DEN)、自然伽馬(GR)、孔隙度(POR)、深側(cè)向電阻率(RD)、淺側(cè)向電阻率(RS)、深淺側(cè)向電阻率差(RD-RS)及自然電位(SP) 9個(gè)常規(guī)測(cè)井參數(shù)。對(duì)9個(gè)常規(guī)測(cè)井參數(shù)分別與地應(yīng)力(σH、σh及σH-σh)間的敏感性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，σh及σH-σh與各測(cè)井參數(shù)間的相關(guān)性明顯好于σH，因而本文主要分析常規(guī)測(cè)井參數(shù)對(duì)σh及σH-σh的敏感性。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，RD、RS、RD-RS、AC及GR 5個(gè)測(cè)井參數(shù)與煤巖σh間均具有較好的相關(guān)性(圖1a～d)，其它4個(gè)常規(guī)測(cè)井參數(shù)(井徑CAL、密度DEN、孔隙度POR、自然電位SP)與σh間無(wú)明顯相關(guān)性；而煤巖水平方向主應(yīng)力差(σH-σh)僅與RD、RS及RD-RS 3個(gè)參數(shù)間具有較好的相關(guān)性(圖1e～f)，與其它6個(gè)測(cè)井參數(shù)均無(wú)明顯相關(guān)性。

圖1 常規(guī)測(cè)井參數(shù)對(duì)地應(yīng)力敏感性分析

從圖1a可以看出，隨著地層應(yīng)力(σh)的增加，煤層的電阻率有逐漸升高的趨勢(shì)；而從圖1e可以看出，隨著水平方向主應(yīng)力差(σH-σh)的增加，煤層電阻率有逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層而言，通常具有較高的含水飽和度，因而巖石電阻率會(huì)隨著σH-σh的增加而出現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)[15]。這主要是由于隨著地層巖石σH-σh的增加，巖石內(nèi)部流體逐漸被排出，從而使電阻率升高。但對(duì)于所研究煤儲(chǔ)層，其含水量平均為1.23%，從各單井日產(chǎn)水量也可以看出，這22口單井平均日產(chǎn)水量?jī)H有約0.136 m3(表1)，因而可以認(rèn)為煤層中幾乎不含水。因此，煤層電阻率的變化主要受煤層中氣體的影響，氣體組分含量越高，其電阻率也越高。

表1 單井產(chǎn)能情況統(tǒng)計(jì)表

煤儲(chǔ)層為發(fā)育孔隙和裂隙的雙重介質(zhì)，其內(nèi)部孔縫的開(kāi)閉受σH和σh的共同影響。當(dāng)煤層中σH-σh較小時(shí)，巖石內(nèi)部應(yīng)力較為均勻，此時(shí)，孔縫空間易于張開(kāi)；反之，巖石內(nèi)部孔縫空間，特別是裂隙，易于發(fā)生閉合。這與該地區(qū)應(yīng)力差較小的地區(qū)產(chǎn)氣量相對(duì)較高的實(shí)際情況相一致。因此，圖1e中隨著σH-σh的增加，煤層中部分孔縫逐漸發(fā)生閉合，氣體含量降低，巖石電阻率降低[16]。由于所壓裂煤層的σH-σh與σh間具有一定負(fù)相關(guān)性，因而σh與電阻率間為正相關(guān)性。這也說(shuō)明，決定煤巖中孔縫空間開(kāi)閉的的應(yīng)力因素不僅僅與σh有關(guān)，而是受σH及σh的共同影響。

電阻率差(RD-RS)與σh間具有一定正相關(guān)性(圖1b)，與σH-σh間則具有一定負(fù)相關(guān)性(圖1f)，說(shuō)明高含氣層段具有相對(duì)更高的電阻率差值。圖1c顯示，煤儲(chǔ)層σh與AC間具有一定負(fù)相關(guān)性，與前述原因類似。

煤儲(chǔ)層σh與GR間具有一定正相關(guān)性(圖1d)，這主要是由于，隨著GR值的增加，代表煤巖中具有吸附性的有機(jī)質(zhì)或泥質(zhì)的含量不斷增加，這些物質(zhì)具有較強(qiáng)的韌性。韌性巖石相比硬脆性巖石而言，應(yīng)力要相對(duì)高一些。如鹽巖密度較小(約2.1 g/cm3)，具有強(qiáng)流變性，在鉆遇鹽巖地層時(shí)，常規(guī)套管易于發(fā)生擠壓變形；而對(duì)于硬度較大的純砂巖地層，在鉆井過(guò)程中常規(guī)套管通常無(wú)形變[17]。

最后，對(duì)影響22口單井產(chǎn)能指數(shù)(表1)的常規(guī)測(cè)井參數(shù)及地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行分析，產(chǎn)能指數(shù)定義為單井日產(chǎn)氣量與層厚和生產(chǎn)壓差的比值。分析發(fā)現(xiàn)，RD、RS、AC及σH-σh與煤層氣單井產(chǎn)能指數(shù)的相關(guān)性最好(圖2)，這幾個(gè)參數(shù)也是煤儲(chǔ)層含氣性好差的重要識(shí)別參數(shù)，因此，這些參數(shù)可用于煤層氣井產(chǎn)能或含氣性預(yù)測(cè)中；RD-RS、GR、POR、SP及σh與煤層氣單井產(chǎn)能指數(shù)間具有弱相關(guān)性；其它因素如層厚、CAL、DEN及σH與煤層氣單井產(chǎn)能指數(shù)均無(wú)明顯相關(guān)性。

圖2 煤儲(chǔ)層產(chǎn)能指數(shù)影響因素分析

四、結(jié)論

(1)該文利用壓裂法分析了沁水盆地南部山西組主力產(chǎn)氣煤層地應(yīng)力特征，煤層地應(yīng)力狀態(tài)滿足σH>σv>σh，水力破裂縫易于沿著σH和σv平面方向形成一些高角度及近垂直的水力縫。

(2)對(duì)各壓裂井段常規(guī)測(cè)井參數(shù)進(jìn)行了提取，發(fā)現(xiàn)RD、RS、RD-RS、AC及GR 5個(gè)測(cè)井參數(shù)與煤巖σh具有較好的相關(guān)性；煤巖水平方向主應(yīng)力差(σH-σh)僅與RD、RS及RD-RS 3個(gè)參數(shù)具有較好的相關(guān)性。

(3)研究發(fā)現(xiàn)，RD、RS、AC及σH-σh與煤層氣單井產(chǎn)能指數(shù)或含氣性間密切聯(lián)系，因此這幾個(gè)參數(shù)在煤層氣井產(chǎn)能或含氣性的預(yù)測(cè)中具有一定的參考價(jià)值。

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