利用测井资料评价煤层顶底板的裂缝发育程度

王 剑，王 王君，侯淞译

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065; 2.中国石油集团 测井有限公司 随钻测井中心，陕西 西安 710054； 3.中石油 煤气有限责任公司，北京 100028)

利用测井资料评价煤层顶底板的裂缝发育程度

王 剑1，王 王君2，侯淞译3

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065; 2.中国石油集团 测井有限公司 随钻测井中心，陕西 西安 710054； 3.中石油 煤气有限责任公司，北京 100028)

针对常规测井难以有效评价煤层顶底板裂缝发育程度的问题，对鄂东气田东缘韩城矿区50块煤层顶底板砂泥岩样品进行岩石力学特性实验研究。在静态力学参数刻度测井资料计算的动态岩石力学参数的基础上，对煤层顶底板的完整性系数、破裂系数、稳定性系数进行了计算，进而对研究区煤层顶底板裂缝发育程度进行评价。结果表明：所述方法能够有效地预测煤层顶底板的裂缝发育程度；研究区煤层顶底板裂缝较为发育。煤层含气量分析化验和排采结果显示，在裂缝发育的井区含气性和排采出气量较低，表明煤层顶底板的封闭性较差。

测井资料；煤层顶底板；裂缝发育程度；岩石力学参数；成像测井

长期以来，煤层顶底板裂缝识别一直是测井解释的难点，常规测井识别煤层顶底板裂缝发育程度具有一定局限性，而岩石力学参数能够表征裂缝形成机理和发育特征[1]。鉴于此，本文对鄂东气田韩城矿区煤层顶底板岩层的力学特性开展实验研究，并用于刻度测井资料计算的动态岩石力学参数，进而开展煤层顶底板裂缝发育特征研究，以期为煤层气封闭性能评价提供技术支持。

1 煤层顶底板岩石力学实验

选取鄂尔多斯盆地东缘韩城矿区HS3井等7口井50块煤层顶底板砂泥岩样品，对其泊松比、杨氏模量、体积模量、切变模量、抗压强度、抗张强度进行测量，表1为部分样品的测试结果。

表1 岩石力学参数实验统计数据

实验室测量得到的是岩石的静力学参数，测井资料计算的是岩石的动力学参数，而评价裂缝发育程度所用的是能够表征地下岩石真实的静力学特征参数。但由于测试方法各异，以及采用动态方法测试时，岩石试样对瞬间应变、高应变速率和很低应力作用的响应处于完全弹性状态，使得动态杨氏模量大于其静态杨氏模量，动态泊松比小于静态泊松比[2-3]。为便于评价裂缝发育程度，首先应将测井计算的动力学参数转换为静力学参数。已有研究[1]表明，对于一块岩心样品，其动、静力学参数较为接近，可以进行相互转换。本文利用工区50块岩样的岩石力学参数实验结果， 结合测井计算的岩石力学参数，构建了如图1所示的煤层顶底板动、静弹性力学参数关系。

图1 煤层顶底板动、静弹性力学参数关系

由图1可知，研究区煤层顶底板的动、静态杨氏模量间的转换关系为

Ed=0.721 3Es+24.27。

(1)

式中：Ed为动态杨氏模量，MPa；Es为静态杨氏模量，MPa。

动、静态泊松比之间的转换关系为

μs=0.56μd+0.079。

(2)

式中：μs为动泊松比，无量纲；μd为静泊松比，无量纲。

2 评价裂缝发育程度的参数

2.1 岩体完整性系数Kv

岩体完整性系数是岩体纵波速度与岩石理论纵波速度比值的平方。其物理意义是岩体相对于岩石的完整程度，用来表征岩体的完整性特征[4]。

(3)

式中：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。

煤层顶底板中往往包含有各种层面结构，在动荷载作用下产生变形，对岩体中的波动过程产生一系列影响。声波遇到岩体中的裂隙时发生绕射，影响走时，裂隙愈多，纵波速度就越小，则Kv值越小。

Kv值反映了岩体的完整性，Vp越接近Vr时，Kv值越大，裂缝越不发育，即岩体越完整。反之，裂缝越发育。另外，可通过纵、横波速度比值来评价裂缝发育程度，当岩石中裂缝发育时，纵、横波速度都有所下降，但平均来看，横波受影响更大，即下降得更多，使得比值变大[5]。

2.2 岩石破裂系数

已有研究表明， 无裂缝岩石的弹性模量比有裂缝岩石的弹性模量值大[6]，因此，可以利用测井计算地层的岩石动力学参数，经过动、静力学参数转化后，将无裂缝岩石的弹性模量与地层的弹性模量相比，根据比值同样可以判断裂缝的发育程度。

破裂系数反映的是岩石的破裂程度，用纵横波时差和密度测井资料计算的动杨氏模量与岩石骨架的动杨氏模量相比较来表征[7-8]，即：

(4)

式中：Rf为地层破裂系数；Etma为无裂缝岩石的杨氏模量值，MPa；Et为测井计算得到的地层杨氏模量值，MPa。

(5)

式中：E为杨氏模量，MPa；ρb为岩石体积密度，g/cm3；Δts为岩石横波时差，μs/m；Δtp为岩石纵波时差，μs/m。

岩石的破裂程度与杨氏模量关系密切，岩石越破碎，杨氏模量越小。对同一种岩石来说，岩石骨架的杨氏模量是一常数，于是岩石越破碎，杨氏模量计算的破裂系数越大。显然，用破裂系数表征岩石的破碎程度，在一定程度上消除了岩石本身性质对杨氏模量的影响，而突出了岩石的破碎程度[1]。

实际生产中，多数井未测横波时差，于是可利用纵波时差和密度等测井资料来构建适用于研究区的横波时差预测模型[9-12]，进而计算杨氏模量和破裂系数。

2.3 岩石稳定系数Rg

岩石的稳定性系数可用体积模量与切变模量的积来求取。

Rg=KbG，

(6)

(7)

(8)

式中：Kb为体积模量，MPa；G为切变模量，MPa；Vs为岩体的横波速度，m/s；α为单位换算因子，1.34×108。

煤层顶底板发育裂缝时，密度测井将有不同程度的降低，而声波时差会增大，因此，杨氏模量E和岩石切变模量G降低，进而使岩石的稳定系数下降。

3 实例分析

3.1 裂缝单井评价

由于岩心的获得比较困难，通过实验室测量来获取岩石力学参数不足以解决实际问题。由于易于获取测井资料，且测井资料能够连续表征岩层的岩石力学信息，因此，常用地球物理测井资料来求取岩石的力学参数[1]。

由于裂缝对测井响应特征的贡献量有限，利用测井资料计算的单一参数难以有效评价煤层顶底板的裂缝发育程度。鉴于此，本文试图联合利用完整性系数、岩石破裂系数和岩石稳定系数来研究煤层顶底板的裂缝发育程度。

将上述评价裂缝发育程度的完整性系数Kv、岩石破裂系数Rf及岩石稳定系数Rg程序化，挂接在Forward测井平台上，实现研究区煤层顶底板裂缝发育程度逐点可视化处理与解释。图2为本文所述方法处理解释的X3井5#煤层顶底板裂缝发育程度成果与成像测井响应特征对比图。由图2可知，在589.3～592.5 m和597.5～598.0 m层段，煤层顶板岩石完整性系数Kv值低，岩石稳定性指数Rg和破裂系数Rf较大，根据上述评价裂缝的参数确定，图中矩形框标示的层段为预测的裂缝发育段，从该层段的成像测井动态加强图上也反映该段裂缝较为发育。

在590～600 m层段，电阻率偏低，反映构造缝发育、水动力活跃。天然构造缝的存在，易造成煤层顶板破裂和水动力活跃，不利于吸附气的保存。存在于煤层顶底板的天然裂缝会促使其水动力活跃，在水的交替作用下，易将煤层中的甲烷气体携带走，致使煤层的含气量降低[15]。因此，排采过程中出气量小、产水量大，对煤层气的产量造成直接影响。

煤层顶底板在地下三应力的作用下，会形成各种类型的裂缝。当煤层顶底板抗压强度小于地应力时，煤层顶底板会沿着最大主应力方向发生破裂，因此，埋深浅的岩层上覆压力小，水平主应力大，易于产生水平裂缝；而埋深大的地层上覆压力大，易形成高角度和垂直裂缝[16]。从图2所示的电阻率动态成像可以识别煤层顶底板的裂缝产状，进而可推断出裂缝形成的地应力分布规律。

3.2 顶底板裂缝发育平面分布特征

在单井裂缝发育特征评价及对岩石稳定性系数归一化的基础上，依据完整性系数、稳定性系数、破裂系数，采用综合概率的思想，构建了式(9)所示的裂缝强度指数计算模型

F=α1Kv+α2Rg+α3Rf。

(9)

式中：F为裂缝强度指数，无量纲；α1、α2、α3为比例系数，α1+α2+α3=1，当3个参数在某段煤层顶底板的权重较大时，可适当调高所对应的比例系数。

利用计算模型式(9)对研究区23口井进行裂缝强度指数计算，绘制了5#煤层顶底板裂缝强度指数平面分布特征(图3)。由该组图可知，5#煤层顶板东部、东北部及中部裂缝强度指数较高，西南部和东南部相对较低。说明在5#煤层顶板中部、东部以及东北部容易形成裂缝。

5#煤层底板南部和西北部裂缝强度指数相对较高，在HS3、HS5及宜4-08井区裂缝强度指数较大，裂缝发育可能性最大，其他区域较低， 表明裂缝发育可能性小。

将上述预测的裂缝发育区与该区含气性、封闭性比较得知，有裂缝存在的地方，煤层含气量差，煤层顶底板封闭性也较差；与排采出水量比较，显示在出水量大的区域裂缝发育，表明裂缝勾通了顶底板围岩中的含水层，导致开采过程中大量出水。

图2 X3井煤层裂缝成像测井响应特征

图3 5#煤层顶底板裂缝强度指数等值线

4 结 论

(1)利用岩石的完整性系数、破裂系数及稳定性系数能够有效地识别裂缝的发育程度，对其进行重叠，便可直观地显示裂缝发育层段。

(2)研究区5#煤层顶板东部、东北部及中部裂缝较为发育，西南部和东南部发育裂缝的可能性较低。底板南部和西北部易发育裂缝，其他区域几乎不发育裂缝。

(3)煤层顶底板裂缝欠发育区域，煤层气封闭性能好，排采气量高、出水量小，是煤层气勘探开发的有利区域。

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责任编辑：王 辉

2014-11-21

陕西省自然科学基础研究计划项目(编号：2013JQ5008)；陕西省教育厅专项科研计划项目(编号：2013JK0857)

王剑(1989-)，男，硕士研究生，主要从事非常规储层测井评价方面的研究。E-mail：805539693@qq.com

1673-064X(2015)03-0007-05

TE132.2

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