張 杰 李軍成 張 浩 劉鴻洲 賈利軍

(1.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 062550 2. 中國石油渤海鉆探工程公司第四鉆井工程分公司，河北 062550)

樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部的寺頭斷層東側，隸屬于山西省晉城市。目前該區(qū)塊主要以開發(fā)3號煤層為主，發(fā)育于山西組，屬高階煤范疇，高效井開發(fā)時間長、采出程度高，產(chǎn)量呈下降趨勢，亟需開發(fā)調整彌補產(chǎn)量遞減以保持長期穩(wěn)產(chǎn)，實現(xiàn)樊莊區(qū)塊有效益、可持續(xù)發(fā)展。本文以測井評價成果為依據(jù)，綜合分析開發(fā)區(qū)煤層氣地應力場分布特征，制定開發(fā)評價依據(jù)，提出有利開發(fā)部署區(qū)。

1 巖石力學參數(shù)測井評價

巖石力學參數(shù)主要是指巖石的彈性參數(shù)(楊氏模量、體積模量、泊松比、剪切模量等)和強度參數(shù)(抗壓強度、抗拉強度、內聚力等)。在常規(guī)測井系列中，通常只測量縱波速度，而橫波速度是進行巖石力學參數(shù)、測井解釋和地應力計算的關鍵因素，其準確性也直接關系到巖石力學參數(shù)解釋的精度和可靠性。

1.1 橫波時差預測

研究區(qū)內測量橫波時差的井較少，需要利用現(xiàn)有常規(guī)測井資料預測橫波時差，建立一個符合該地區(qū)的縱橫波關系式。由于研究區(qū)塊面積大及資料采集時間跨度長問題，將其分成Q、HG、HP、HX、HY、ZC等6個井區(qū)，分別做橫波時差預測。圖1以Q井區(qū)為例，分別擬合煤層和非煤層的橫波時差預測公式，經(jīng)相關性分析，其關系式符合實際地質特征。

圖1 Q井區(qū)縱橫波時差關系

基于聲波測井資料可以確定巖石的彈性參數(shù)。當已知密度、縱橫波時差時，可以利用彈性力學公式計算巖石的動態(tài)楊氏模量和動態(tài)泊松比，其他的地層巖石彈性力學參數(shù)，如剪切模量、體積模量、抗剪強度等則可通過楊氏模量和泊松比轉換得到。

1.2 巖石動、靜參數(shù)轉換關系

巖石力學彈性參數(shù)的靜態(tài)值與動態(tài)值存在著一定的差值，靜態(tài)測試參數(shù)更能代表石油工程中的受載條件，因此，巖石的靜態(tài)力學特征參數(shù)更適合石油工程需要。利用現(xiàn)場提供的測井資料提取巖石力學參數(shù)時，需要采用動、靜參數(shù)的轉換模型來標定和校正，以求得符合需要的巖石力學參數(shù)。通過實驗分析得到巖樣的動、靜態(tài)測試數(shù)據(jù)，采用回歸擬合得到如下關系(圖2)。

圖2 樊莊地區(qū)巖石力學彈性參數(shù)動、靜態(tài)轉化關系

1.3 巖石力學參數(shù)特征

通過統(tǒng)計煤巖巖石力學參數(shù)的特性，進一步認識煤巖縱向上的含氣性發(fā)育程度。不同巖石由于其巖性、結構以及成巖強度等差異，造成其變形特征及形成巖石破裂的力學條件也不盡相同。樊莊地區(qū)3號煤層的主要巖石力學參數(shù)包含泊松比、楊氏模量、體積模量、剪切模量、抗剪強度等，以F73井為例(表1)，一般煤層頂板和底板巖石的動態(tài)泊松、動態(tài)楊氏模量和抗剪強度大于煤層。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術，以井點參數(shù)作為樣點學習，建立井中波阻抗與各巖石力學參數(shù)的非線性映射關系，進行巖石物性參數(shù)反演，可以從空間展布上進行全區(qū)評價。

表1 F73井巖石力學彈性參數(shù)表

2 地層壓力測井評價

從地層壓力的概念出發(fā)，統(tǒng)計分析了樊莊區(qū)塊井數(shù)據(jù)，采用等效深度法計算了樊莊區(qū)塊地層壓力值，繪制該區(qū)塊地層壓力平面展布圖，明確整個區(qū)塊地層壓力特征。

2.1 正常壓實曲線

針對該區(qū)地質構造特點，建立了一套測井資料處理與地應力的計算方法，并對一批井進行了地層壓力計算，利用測試資料對計算結果進行了檢驗。建立正常壓實趨勢線的關鍵是取準純泥巖段的聲波時差，以HG40-8井和HX10-24井測井數(shù)據(jù)為例，求取了360.0～514.0m和610.0～825.0m井段的壓實趨勢線(圖3)，其方程為：

Depth=-20.185×AC+5956.9

(1)

圖3 聲波時差和深度之間的相關關系

式中，Depth為深度，m；AC為聲波時差，μs/m。

壓實趨勢線可以看作是一條虛擬的聲波時差測井曲線，落在正常壓實趨勢線上的聲波時差對應的壓力系數(shù)為1。

2.2 地層壓力計算

利用HG8-10、HX8-12、HP3-16、HY14-10等井的密度測井資料對地層密度與深度之間的關系進行分析，擬合密度和深度的關系式如下：

Y=-0.002×X+2.6088

(2)

式中，Y為密度，g/cm3；X為深度，m。

則上覆地層壓力可以表示為：

(3)

式中，P0為上覆地層壓力，g/cm2；H為深度，m。設置地面(0，0)為初始點。那么：

P0=-0.0001*H2+2.6088*H

(4)

通過幾口井上覆地層的密度測井曲線，可以擬合出上覆地層密度隨深度的變化公式，從而根據(jù)相應的數(shù)學運算，得出上覆地層的壓力大小。

3 地應力分析綜合評價

3.1 地應力計算

地應力大小一般通過三個主應力表示(圖4)，即：垂直應力(Sv)、水平最大主應力(SH)和水平最小主應力(Sh)。

圖4 地應力表示方法示意圖

垂直主應力由上覆地層壓力確定， 其中， 水平最大、最小主應力大小的表達式如下：

(5)

式中,α為孔隙彈性系數(shù)；μ為地層泊松比；Pp為地層孔隙壓力,MPa。

3.2 地應力平面分布特征

壓裂力學中，裂縫方向總是垂直于最小主應力，確定了水力壓裂裂縫的方位就可以確定地應力的方向，由于樊莊區(qū)塊多為高角度縫，因此只需計算水平方向上地應力。對樊莊區(qū)塊測井數(shù)據(jù)進行地應力計算，根據(jù)彈性理論，經(jīng)過數(shù)值模擬研究及破裂壓力梯度預測，見表2。結果表明，煤巖在不同抗拉強度下，煤儲層破裂壓力均隨主應力差的增大而減小，隨最小水平主應力增大而增大。

表2 地應力和煤儲層破裂壓力

經(jīng)過煤儲層裂縫測井評價技術研究和煤層氣地應力場分布特征分析，并結合最大、最小主應力空間分布圖預測有利壓裂帶，對開發(fā)區(qū)進行綜合評價，制定了開發(fā)評價依據(jù)，提出四個有利開發(fā)部署區(qū)，見表3。

表3 樊莊地區(qū)有利開發(fā)部署區(qū)評價表

對樊莊區(qū)塊已壓裂投產(chǎn)的生產(chǎn)井日產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計，設置低產(chǎn)(<800m3/天)、中產(chǎn)(800～1200m3/天)、高產(chǎn)(>1200m3/天)三個指標。將其與測井綜合評價的有利開發(fā)部署區(qū)進行對比，其中中高產(chǎn)井吻合度高，達70%以上。該套測井評價技術，在樊莊地區(qū)有較好的預測效果，對于未開采的區(qū)塊具有重要指導意義。

4 結論

以樊莊區(qū)塊為例，進行煤層氣有利開發(fā)區(qū)測井評價技術研究，優(yōu)選煤層氣有利開發(fā)部署區(qū)。首先，建立工區(qū)橫波時差預測、巖石動靜態(tài)參數(shù)轉換、巖石彈性參數(shù)等計算模型；再次，刻畫巖石力學參數(shù)空間分布特征，建立地層壓力測井評價的方法；最后，通過分析煤儲層地應力場分布特征，提供開發(fā)評價依據(jù)，綜合評價開發(fā)區(qū)，并結合實際生產(chǎn)資料驗證，可以取得較好的生產(chǎn)效果。