基于地质因素的煤层气储层压裂产能分类评价

万金彬,何羽飞,杨林,王志月,黄科,董瑞

(1.中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;2.中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京102200;3.中国石油煤层气有限责任公司临汾分公司,山西临汾042300)

0 引 言

压裂是煤层气开采过程中的主要增产措施之一,优选压裂层段、优化压裂施工参数是提高煤层气井压裂产能及实现煤层气开发利用的关键问题。针对研究工区煤层气压裂产能及后期产量评价难题,在地质主控因素分析的基础上,通过测井手段对煤层气压裂地质主控因素进行定量表征及综合分类评价,形成了基于地质主控因素的煤层气储层压裂产能预测技术。分析认为,在煤层气储层地质条件中,煤层厚度、煤体结构、含气量、地应力、天然裂缝是影响压裂裂缝扩展模式和导致压裂产能好坏的主控因素,利用测井资料对各主控因素进行定量表征,结合压裂产能建立适用于研究区的主控因素综合分类评价标准,能够实现压裂层段及有利区优选。该技术创新引入测井表征煤体结构、地应力、含气量等压裂主控参数模型,建立压裂产能预测评价标准,有效预测新井压裂产能、评价老井重复压裂改造潜力,为研究工区煤层气32口井储层改造过程提供技术支撑,在煤层气压裂增产及高效开发中具有推广应用价值。

图1 鄂东缘H区Z井煤层厚度的识别

1 地质因素分析及压裂产能定量计算

煤层气储层压裂产能受地质因素和工程因素共同作用影响。研究区评价井现场压裂施工工程参数影响因素基本相近,因此,重点分析不同地质因素对压裂产能的影响,并建立各个地质因素测井定量计算方法。

1.1 煤层厚度

煤层厚度直接影响煤层压裂排采结果。从常规测井曲线煤层响应特征看,井径、自然电位和电阻率测井对煤层不具备明显区别于其他岩性的特殊响应,因而无识别煤层的能力,而煤层独特的成分和结构使得声波时差、补偿中子、体积密度具有明显的区别于其他岩性的响应特征,可识别出煤层。结合微电阻率扫描成像,可准确划分煤层界限以及识别出煤层夹矸,从而确定出煤层的有效厚度(见图1)。

1.2 煤体结构

煤体结构是影响压裂产能的主要地质因素。构造破碎煤机械强度低、煤体结构松散,不易脆性开裂,难以形成裂缝,同时压裂崩离剥落的大量煤粉会堵塞缝道,导致煤层的渗透性能得不到改善。有必要充分利用连续、经济的常规测井资料,对其煤储层的煤体结构进行准确地判别和划分。分析鄂东缘H区煤心实验,将其煤体结构主要划分为3类,即原生煤、碎裂煤、碎粒煤,不同的煤体结构在常规测井资料上具有明显不同的响应特征差异。充分利用测井资料纵向分辨率较高、连续性好、获取时间较短等优势,建立测井信息与不同煤体结构之间的关系。

分析不同煤体结构典型测井响应特征,随着煤体结构越破碎,井径扩径越严重,深电阻率逐渐降低。同时,不同煤体结构煤层自然伽马也会有不同影响(见图2)。综合井径、深电阻率和自然伽马曲线及构建煤体结构综合指数,对煤体结构进行识别和划分。

图2 鄂东缘H区不同煤体结构测井识别图版

由于各种测井曲线机制不同,各测井曲线的量纲及测井仪测量状态有所差异,因此,在构建煤体结构判别因子前,有必要对煤体结构敏感测井曲线进行归一化处理

(1)

式中,X为实测测井响应值;Xmax为处理井段最大值;Xmin为处理井段最小值。

构建煤体结构判别因子表达式为

(2)

图3 鄂东缘H区含气量与优选的灰分、密度交会分析

式中,A为煤体结构因子;GR为自然伽马,API;CAL为井径,cm;Rt为深电阻率,Ω·m;ΔGR为归一化后的自然伽马值;ΔCAL为归一化后的井径值;ΔlgRt为归一化后的电阻率对数值。

结合具体鄂东缘H区测井响应,形成煤体结构测井评价标准(见表1)。以鄂尔多斯盆地H区块为例,煤体结构因子判别标准:A1=0.54,A2=0.75。能够有效判别煤层煤体结构类型。

表1 鄂东缘H区煤体结构判别标准

1.3 含气量

煤层气储层含气量测井评价是煤层气压裂产能产气的关键参数之一。煤储层含气量是压裂后气井产能的物质基础,一般含气量越大表明对天然气的吸附能力越强,则煤层气井的供气能力越强,稳产期达到的最大的产气量越大,稳产期时间越长[3-5]。通过对鄂东缘H区24口探井、评价井煤心实验和测井数据标定,从测井响应机理研究出发,结合实验数据和实际资料统计,从常规测井曲线中优选得出反映煤含气量的敏感测井曲线;利用多元统计回归方法,得到煤层含气量测井评价模型。

通过煤心含气量与工业组分实验资料分析之间存在一定关系,随着工业组分中灰分含量的增加,含气量减小;随着固定碳含量的增加,含气量增加,这也是煤储层含气量与煤岩吸附以及煤的变质程度存在内在联系的一种表现。不同密度、声波时差、中子等测井响应反映不同煤层含气量。通过煤心标定测井分析含气量的测井敏感参数。优选含气量与灰分和密度存在很好的相关性(见图3),结合该区煤层特征建立含气量计算模型。

由图2含气量交会图分析可得出,优选灰分、密度与煤心含气量拟合关系分别为

Vg=18.275e-0.039AadR2=0.73

(3)

Vg=77.187DEN-4.974R2=0.52

(4)

基于灰分、密度拟合含气量计算模型为

Vg=14.02e-0.04DEN+56.01e-Aad-9.7

R2=0.87

(5)

式中,Vg为含气量,m3/t;DEN为测井密度,g/cm3;Aad为灰分体积分数,%;Mad为水分体积分数,%。

1.4 地应力

地应力影响煤层的渗透性及压裂裂缝扩展方式,是压裂产能的主要地质影响因素之一。煤层气储层压裂时,裂缝总是趋于应力弱面形成并延伸。在其他条件相同前提下,三轴应力大小关系大致反映出裂缝延伸形态[7-8]。

图4 鄂东缘H区X井煤层气地应力计算成果图

煤层气储层受到的地应力可以用3个相互正交的主应力表示,一般认为垂向主应力等于上覆岩层压力,可以利用密度测井数据积分得到,水平方向的2个主应力分析采用黄氏模型计算,水平主应力差异大小的指标是水平应力差异系数,公式为

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,kh为水平主应力差异系数,无量纲;σV、σH、σh分别为垂向主应力和水平方向的2个主应力,MPa;h1、h2分别为起始深度和终止深度,m;ρ0为起始深度的上覆地层密度,g/cm3;ρ(h)为随深度变化的密度测井值,g/cm3;pp地层孔隙压力,MPa;μ为地层泊松比,无量纲;α为有效应力系数,无量纲;β1、β2为构造应力系数,构造应力系数一般根据地应力实测值或钻井中的地漏试验数据确定。

水平主应力差值影响压后裂缝的形态特征,水平主应力差异系数kh越大,压裂裂缝沟通天然裂缝,压裂裂缝的扩展模式复杂,压裂产能一般。水平主应力差异系数kh越小,压裂形成较为平直的裂缝,裂缝扩展模式单一,压裂产能较好(见图4)。

1.5 构造曲率

鄂东缘H区煤层气地层受到构造应力挤压时,必然会发生弯曲或者变形。地层变形程度可以反映构造活动的强弱,构造变形会使煤层过度破碎,降低储层渗透率;构造导致的裂缝发育可局部改变地应力分布格局,易形成复杂的多条裂缝,不利于压裂产能贡献。构造曲率与天然裂缝密度呈正相关,构造曲率愈高,裂缝愈发育,因此,地层构造曲率可以定量化表征地层变形程度。

煤层顶面标高等值线趋势面拟合方程为

f(x,y)=ax2+by2+cxy+dy+ey+f

(10)

则构造曲率计算公式为

(11)

2 压裂产能分类与预测

对鄂东缘H区的压裂、排采、地质参数和地质环境进行具体分析,并把影响压裂产能的煤体结构、含气量、地应力、天然裂缝地质主控因素加以归类,按压裂产能好坏,把储层划分为Ⅰ类(产气量>1 500 m3)、Ⅱ类(产气量800～1 500 m3)、Ⅲ类(产气量<800 m3)这3种类型。进而,通过测井资料定量计算各个地质因素,建立压裂产能分类预测评价标准体系,预测新井储层压裂产能,给出最终预测结果(见表2)。

表2 鄂东缘H区煤层压裂产能分类地质特征

2.1 灰色关联压裂产能评价指标建立

对鄂东缘H区的煤层气井生产情况和煤层气地质环境进行具体细致的分析,按排采产能的大小把储层划分为若干类别,并把对应的地质影响因素加以归类,以产能类别(或等级)的方式(如高、中产能和低产能等)给出最终结果。

假定储层产能各地质因素的评价标准数据列为

X0i={X01(1),X02(2),…,X0i(n)}

(12)

式中,X0为煤层气储层压裂产能评价标准数据列;n为煤层气储层压裂产能地质评价参数的个数,n=5;i为1,…,m,m为储层产能的划分等级个数,m=3。

按压裂产能好坏把储层划分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类的压裂产能好、压裂产能中等和压裂产能差3种类型。利用参数指标准确率与分辨率的组合分析对各项参数赋予不同的权值,具体根据研究区地质特征进行参数统计分析与调整,建立了鄂东缘H区压裂产能分类预测评价标准体系(见表3)。

表3 鄂东缘H区煤层气压裂产能分类预测评价标准体系

2.2 灰色关联理论方法分析处理

利用煤层气压裂产能的评价参数和分类级别,进行产能评价指标数据的综合分析处理。采用矩阵分析、标准化、标准指标绝对差的极值加权组合放大技术,计算灰色加权系数[9-10]

Pi(k)={Pi(1),Pi(2),…,Pi(n)}

(12)

采用综合归一化技术,避免了由于系数较多,信息过于分散,将各参数系数集中为一个值,其表达式为

(13)

式中,Pi为灰色多元关联加权归一化系数的行矩阵。

采用最大隶属的原则,作为灰色关联理论综合评价预测结论

Pmax=max{Pi}

(14)

根据行矩阵的数据值,确定评价结论精度及可靠性,利用灰色关联理论集成提取影响压裂产能地质主控因素反映的储层含气、渗流、裂缝扩展等多种信息,实现对煤层气储层压裂产能预测的灰色理论分析评价处理[10]。

2.3 应用实例

基于上述煤层气压裂产能分类预测评价标准体系,利用灰色多元加权综合评价方法,指导鄂东缘H区新井现场压裂。图5所示H区A井891.0～898.0 m段发育7.0 m厚的煤层,压裂优选煤层层段为891.5～894.0 m,该层段测井评价煤体结构主要为原生煤,含气量高,利用灰色关联压裂产能分类评价为Ⅰ类,为压裂产能好井段,结果压裂试气日产气量达到3 600 m3/d,其灰色理论产能预测结果与试气产能结果相吻合。其中,对21口新井32个煤层气压裂层段进行了压裂产能预测检验,17口新井27个煤层压裂层段评价预测结果与现场压裂产能相吻合,预测符合率达84.4%。

图5 A井压裂产能分类效果验证图

3 结 论

(1)鄂东缘H区煤体结构主要划分为3种类型,即原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤,建立测井信息与不同煤体结构之间的关系随着煤体结构越破碎,井径扩径越严重,深电阻率逐渐降低。

(2)煤层厚度、煤体结构、含气量、地应力、天然裂缝是影响压裂产能的地质主控因素,建立了研究区压裂产能分类预测评价标准体系,指导新井现场压裂,21口新井32个煤层气压裂层段进行了压裂产能预测检验,预测符合率达84.4%。