本發(fā)明屬于煤層氣開采過程中的測井定量評價技術，特別涉及一種定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能的方法。

背景技術：

煤層氣勘探開發(fā)中，為了探明煤層氣并進行開發(fā)，必須要評估煤層頂?shù)装宓姆馍w性能。一般而言，煤層直接頂為厚層泥巖，且不含裂縫時，則滲透率低、封蓋性能好；如果直接頂為滲透性能好的砂巖，且含有裂縫時，則滲透率高、封蓋性能差。

現(xiàn)有的煤層頂?shù)装宸馍w性能評價方法，多根據(jù)頂?shù)装宓膸r性特征來評價，有些評價方法也考慮了滲透率和排驅(qū)壓力對封蓋性能的影響。實際上，煤層頂?shù)装宓姆馍w性能不僅僅與巖性特征、滲透率和排驅(qū)壓力有關，而且與頂?shù)装鍘r層的厚度、裂縫發(fā)育指數(shù)和側(cè)壓系數(shù)有關。然而，現(xiàn)有的專利沒有考慮到頂?shù)装鍘r層的厚度、裂縫發(fā)育指數(shù)和側(cè)壓系數(shù)對煤層頂?shù)装宸馍w性能的影響。此外，現(xiàn)有煤層頂?shù)装宸馍w性能評價中，尚且沒有充分利用煤層氣測井資料來計算煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)，進而來對煤層頂?shù)装宓姆馍w性能進行定量評價，這給煤層氣勘探和開發(fā)均帶來不便。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能的方法?；诿簩禹?shù)装鍘r性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)，建立了煤層頂?shù)装宸馍w性能評價標準，以此評價標準對煤層頂?shù)装宸馍w性能進行劃分，將為煤層氣高效勘探和開發(fā)提供技術支持。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

一種定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能的方法，包括以下步驟：

步驟一、計算煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)：利用三孔隙度測井基于方程(1)～(3)求取反映巖性的m、n、p參數(shù)，利用自然伽馬測井基于方程(4)計算相對自然伽馬之后，然后利用方程(5)計算巖性系數(shù)rg；對巖性系數(shù)和泥質(zhì)含量進行相關性分析，進而建立方程(6)所示的地區(qū)經(jīng)驗模型；將泥質(zhì)含量與砂質(zhì)比值作為衡量巖性封閉性能的參數(shù)，并考慮到頂?shù)装鍘r層厚度對封閉性能的影響，于是構建了方程(7)所示的煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)計算模型，具體如下：

式中：m、n、p均為反映巖性的參數(shù)，無量綱；δtma、δtf分別為煤層頂?shù)装骞羌堋⒘黧w的聲波時差，μs/ft；ρma、ρf分別為煤層頂?shù)装骞羌?、流體的密度值，g/cm³；φnma、φnf分別為煤層頂?shù)装骞羌?、流體的補償中子值，％；δgr為相對自然伽馬，無量綱；gr、grmax、grmin分別為計算層點、純泥巖、純砂巖的自然伽馬值，api；rg為巖性系數(shù)，無量綱；vsh為泥質(zhì)含量，％；a、b為回歸系數(shù)；il為煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)，無量綱；φ為煤層頂?shù)装宓目紫抖龋?；mi為頂?shù)装鍘r層計算點距煤層的距離，m。

步驟二、計算煤層頂?shù)装宓臐B透率：泥質(zhì)含量小于8％時，利用方程(8)的滲透率計算模型計算頂?shù)装宓臐B透率；但當泥質(zhì)含量大于8％時，泥質(zhì)含量對滲透率的影響顯著增大，構建滲透率測井解釋模型時需要引入泥質(zhì)含量這一參數(shù)，以孔隙度為自變量，滲透率為因變量，進行最小二乘法回歸擬合，得到方程(9)所示滲透率計算模型；

頂?shù)装鍘r石的泥質(zhì)含量小于8％時：

k＝0.0036·e^0.814·φ(8)

頂?shù)装鍘r石的泥質(zhì)含量大于8％時：

k＝0.0209·φ-0.0378·log(vsh)+0.0794(9)

式中：k為頂?shù)装宓臐B透率，md；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟三、計算煤層頂?shù)装宓呐膨?qū)壓力：頂?shù)装迮膨?qū)壓力與埋深、聲波時差及泥質(zhì)含量有較好的相關性，于是構建方程(10)所示的排驅(qū)壓力計算模型，

p＝c·z×vsh+d·δt+e(10)

式中：p為排驅(qū)壓力，z為頂?shù)装宓穆裆睿沪膖為頂?shù)装宓穆暡〞r差，μs/ft；c、d、e為回歸系數(shù)，無量綱；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟四、計算煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育指數(shù)：利用測井資料計算的泊松比，構建式(11)所示的裂縫系數(shù)計算方程，并利用方程(12)計算頂?shù)装宓姆€(wěn)定性系數(shù)，進而建立了方程(13)所示的煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育指數(shù)計算模型，

rg＝kb×g(12)

式中：rf為泊松比計算的頂?shù)装辶芽p系數(shù)，無量綱；μ為煤巖的泊松比，無量綱；rg為頂?shù)装宓姆€(wěn)定性系數(shù)，無量綱；kb為體積模量，mpa；g為切變模量，mpa；if為頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育指數(shù)，無量綱；δt、δts分別為頂?shù)装宓目v波和橫波時差，μs/ft；ρb為頂?shù)装宓拿芏戎担琯/cm³；vp、vs為頂?shù)装宓目v、橫波速度，m/s；α為biot系數(shù)，無量綱；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟五、計算煤層頂?shù)装宓膫?cè)壓系數(shù)：側(cè)壓系數(shù)被用來反映水平應力與垂直應力之間的關系，側(cè)壓系數(shù)λ表示兩個水平應力的平均值與垂直應力之比，

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)，無量綱；σh為最大水平主應力，mpa；σh為最小水平主應力，mpa；σv為垂向地應力，mpa；pp為孔隙壓力，mpa；e為楊氏模量，mpa；εh為最大水平地應力方向的構造應力系數(shù)，無量綱；εh為最小水平地應力方向的構造應力系數(shù)，無量綱；ρo為沒有密度測井深度段的巖層平均密度值，g/cm³；h0為密度測井的起始深度，m；h為計算點的深度，m；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟六、確定煤層頂?shù)装宸馍w性能評價標準：基于步驟一～步驟五中的方案，利用測井資料對其煤層頂?shù)装宓膸r性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)進行了計算，并對巖性綜合指數(shù)和裂縫發(fā)育指數(shù)進行了歸一化處理，依據(jù)其計算結果，在系統(tǒng)對比實際勘探開發(fā)資料的基礎上，參考常規(guī)石油天然氣儲層蓋層評價的要求之后，并考慮到頂?shù)装宓姆馍w性能與巖性綜合指數(shù)、排驅(qū)壓力及側(cè)壓系數(shù)成正比，與滲透率、裂縫發(fā)育指數(shù)成反比，最終給出了表1所示的煤層頂?shù)装宸馍w性能等級劃分標準：

表1煤層頂?shù)装宸馍w性能評價等級劃分表

步驟七、定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能：基于上述煤層頂?shù)装宸馍w性能各個評價指標計算模型，在編制處理解釋程序的基礎上，計算巖性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)，并依據(jù)步驟六中所示評價標準，確定所評價煤層頂?shù)装宓姆馍w性能類型。

本發(fā)明首次針對煤層頂?shù)装宸馍w性能，提出了一種定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能的方法，能夠有效地利用測井資料對煤層頂?shù)装宸馍w性能五個指標進行計算，以期為煤層氣勘探開發(fā)提供鉆孔測井技術支持。該發(fā)明既充分考慮了煤層頂?shù)装鍘r性特征、滲透率對封蓋性能的影響，又兼顧了頂?shù)装逵嬎泓c距煤層的距離、煤層頂?shù)装迮膨?qū)壓力、裂縫發(fā)育程度及側(cè)壓系數(shù)的影響，所評價的煤層頂?shù)装宸馍w性能與煤層氣封蓋實際地質(zhì)情況較為吻合。

基于對煤層頂?shù)装宸馍w性能影響較大的巖性特征、滲透率等參數(shù)的分析，并充分考慮到頂?shù)装鍘r層的厚度、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育程度及側(cè)壓系數(shù)對封蓋性能也具有較大影響，在系統(tǒng)分析巖性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)和側(cè)壓系數(shù)與煤層頂?shù)装宸馍w性能間的內(nèi)在關系之后，建立了煤層頂?shù)装宸馍w性能評價標準。該評價標準從多個方面綜合考慮了對煤層頂?shù)装宸馍w性能影響較大的五個指標，因此，該評價方法更能較準確地定量表征煤層頂?shù)装宓姆馍w性能，進而可為煤層氣優(yōu)質(zhì)高效開采提供技術支持。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能方法流程圖。

圖2為本發(fā)明中的煤層頂?shù)装蹇紫抖扰c滲透率關系圖。

圖3為本發(fā)明中的煤層頂?shù)装宸馍w性能定量評價成果圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做詳細敘述。

參照圖1，一種定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能的評價方法，包括以下步驟：

步驟一、計算煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)：利用三孔隙度測井基于方程(1)～(3)求取反映巖性的m、n、p參數(shù)，利用自然伽馬測井基于方程(4)計算相對自然伽馬之后，然后利用方程(5)計算巖性系數(shù)rg；對巖性系數(shù)和泥質(zhì)含量進行相關性分析，進而建立方程(6)所示的地區(qū)經(jīng)驗模型；將泥質(zhì)含量與砂質(zhì)比值作為衡量巖性封閉性能的參數(shù)，并考慮到頂?shù)装鍘r層厚度對封閉性能的影響，距離煤層越近的頂?shù)装澹瑢Ψ馍w性能的影響越大，即權系數(shù)越大。依據(jù)煤層氣生產(chǎn)經(jīng)驗，距煤層頂?shù)?m范圍內(nèi)的巖層對封蓋性能的影響較大。由于測井數(shù)據(jù)是1米采集8個數(shù)據(jù)點，為此加權數(shù)據(jù)點定為40。據(jù)此，構建了方程(7)所示的煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)計算模型，具體如下：

式中：m、n、p均為反映巖性的參數(shù)，無量綱；δtma、δtf分別為煤層頂?shù)装骞羌?、流體的聲波時差，μs/ft；ρma、ρf分別為煤層頂?shù)装骞羌?、流體的密度值，g/cm³；φnma、φnf分別為煤層頂?shù)装骞羌?、流體的補償中子值，％；δgr為相對自然伽馬，無量綱；gr、grmax、grmin分別為計算層點、純泥巖、純砂巖的自然伽馬值，api；rg為巖性系數(shù)，無量綱；vsh為泥質(zhì)含量，％；a、b為回歸系數(shù)；il為煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)，無量綱；φ為煤層頂?shù)装宓目紫抖?，％；mi為頂?shù)装鍘r層計算點距煤層的距離，m。

步驟二、計算煤層頂?shù)装宓臐B透率：實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，滲透率與孔隙度相關性較好，但巖層的泥質(zhì)含量也對滲透率影響較大。滲透率與孔隙度、泥質(zhì)含量相關性分析表明，泥質(zhì)含量小于8％時，參照圖2利用孔隙度能夠較準確地計算頂?shù)装宓臐B透率；但當泥質(zhì)含量大于8％時，泥質(zhì)含量對滲透率的影響顯著增大，構建滲透率測井解釋模型時需要引入泥質(zhì)含量這一參數(shù)。以孔隙度為自變量，滲透率為因變量，進行最小二乘法回歸擬合，便可得到方程(8)所示滲透率計算模型；同理，便可得到方程(9)所示滲透率計算模型。

頂?shù)装鍘r石的泥質(zhì)含量小于8％時：

k＝0.0036·e^0.814·φ(8)

頂?shù)装鍘r石的泥質(zhì)含量大于8％時：

k＝0.0209·φ-0.0378·log(vsh)+0.0794(9)

式中：k為頂?shù)装宓臐B透率，md；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟三、計算煤層頂?shù)装宓呐膨?qū)壓力：蓋層評價經(jīng)驗揭示，巖層的排驅(qū)壓力與泥質(zhì)含量相關性較好。由于隨著埋深增大，蓋層的壓實程度增大，滲透率變差、聲波時差減小，為此在構建頂?shù)装鍘r層排驅(qū)壓力計算模型時，利用埋深、聲波時差及泥質(zhì)含量三個參數(shù)。構建的排驅(qū)壓力計算模型如方程(10)所示。

p＝c·z×vsh+d·δt+e(10)

式中：p為排驅(qū)壓力，z為頂?shù)装宓穆裆?；δt為頂?shù)装宓穆暡〞r差，μs/ft；c、d、e為回歸系數(shù)，無量綱；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟四、計算煤層頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育指數(shù)：巖層破碎，泊松比大；巖層完整，泊松比小。據(jù)此，利用測井資料計算的泊松比，構建式(11)所示的裂縫系數(shù)計算方程。巖石穩(wěn)定性好，越不容易產(chǎn)生裂縫。于是，利用方程(12)計算的頂?shù)装宸€(wěn)定性系數(shù)來表征裂縫發(fā)育程度的一個參數(shù)。有機融合裂縫系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)，建立了方程(13)所示的煤層頂?shù)装辶芽p發(fā)育指數(shù)計算模型。

rg＝kb×g(12)

式中：rf為泊松比計算的頂?shù)装辶芽p系數(shù)，無量綱；μ為煤巖的泊松比，無量綱；rg為頂?shù)装宓姆€(wěn)定性系數(shù)，無量綱；kb為體積模量，mpa；g為切變模量，mpa；if為頂?shù)装宓牧芽p發(fā)育指數(shù)，無量綱；δt、δts分別為頂?shù)装宓目v波和橫波時差，μs/ft；ρb為頂?shù)装宓拿芏戎担琯/cm³；vp、vs為頂?shù)装宓目v、橫波速度，m/s；α為biot系數(shù)，無量綱；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟五、計算煤層頂?shù)装宓膫?cè)壓系數(shù)：隨著頂?shù)装迓裆钤龃?，?cè)壓系數(shù)增大。換言之，埋深較淺、較為疏松，且易于發(fā)育裂縫的高滲透性巖層，側(cè)向壓力較小。據(jù)此，利用側(cè)壓系數(shù)來表征煤層頂?shù)装宸馍w性能的一個參數(shù)。方程(17)是側(cè)向系數(shù)計算模型。

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)，無量綱；σh為最大水平主應力，mpa；σh為最小水平主應力，mpa；σv為垂向地應力，mpa；pp為孔隙壓力，mpa；e為楊氏模量，mpa；εh為最大水平地應力方向的構造應力系數(shù)，無量綱；εh為最小水平地應力方向的構造應力系數(shù)，無量綱；ρo為沒有密度測井深度段的巖層平均密度值，g/cm³；h0為密度測井的起始深度，m；h為計算點的深度，m；其他參數(shù)物理意義同前。

步驟六、確定煤層頂?shù)装宸馍w性能評價標準：基于步驟一～步驟五中的方案，利用測井資料對其煤層頂?shù)装宓膸r性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)進行了計算，并對巖性綜合指數(shù)和裂縫發(fā)育指數(shù)進行了歸一化處理。據(jù)此，本發(fā)明依據(jù)其計算結果，在系統(tǒng)對比實際勘探開發(fā)資料的基礎上，參考常規(guī)石油天然氣儲層蓋層評價的要求之后，并考慮到頂?shù)装宓姆馍w性能與巖性綜合指數(shù)、排驅(qū)壓力及側(cè)壓系數(shù)成正比，與滲透率、裂縫發(fā)育指數(shù)成反比，最終給出了表1所示的煤層頂?shù)装宸馍w性能等級劃分標準：

表1煤層頂?shù)装宸馍w性能評價等級劃分表

步驟七、定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能：基于上述煤層頂?shù)装宸馍w性能各個評價指標計算模型，在編制處理解釋程序的基礎上，計算巖性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)，并依據(jù)方案六中所示評價標準，確定所評價煤層頂?shù)装宓姆馍w性能類型。

將本發(fā)明在實際煤層氣田中試用。在x井的定量評價煤層頂?shù)装宸馍w性能的應用中，參照圖3，742.2～747.1m井段為煤層，該井段直接頂巖性為泥巖，厚度為6m，利用本發(fā)明方法計算的巖性綜合指數(shù)il分布范圍為0.67～0.86，滲透率k分布范圍為0.001～0.005，排驅(qū)壓力p為8～11.5，裂縫發(fā)育指數(shù)if為0.2～0.4，側(cè)壓系數(shù)λ為0.8～0.86，煤層頂?shù)装宸馍w性能綜合評價為較強。該井742.2～747.1m煤層實測含氣量主頻分布范圍為12.71～15.47m³/t，平均值為13.21m³/t，含氣量較高。這也充分說明，封閉性能好的井區(qū)，煤層含氣量大，表明是煤層氣富集井區(qū)。由于煤層頂?shù)装宓姆馍w性能較強，生成的煤層氣基本保存在煤儲層中，基本未發(fā)生煤層氣逸散到頂?shù)装鍘r層的情況。這亦進一步印證了本研究得出的頂?shù)装宸忾]能力評價結果與實際地質(zhì)特征較為吻合。

該方法既充分考慮了煤層頂?shù)装鍘r性特征、滲透率對封蓋性能的影響，又兼顧了頂?shù)装逵嬎泓c距煤層的距離、煤層頂?shù)装迮膨?qū)壓力、裂縫發(fā)育程度及側(cè)壓系數(shù)的影響，所評價的煤層頂?shù)装宸馍w性能與煤層氣封蓋實際地質(zhì)情況較為吻合。該方法中的各個評價指標都能夠從煤田鉆孔測井資料來求取，而幾乎所有的煤田均具有大量的鉆孔測井數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明所述煤層頂?shù)装宸馍w性能定量評價方法具有良好的推廣應用前景和價值。

本領域的技術人員應當理解，由于測井資料易受擴徑等鉆孔環(huán)境的影響，為了更精準地評價煤層頂?shù)装宓姆馍w性能，對其測井資料進行環(huán)境影響校正是十分必要的，煤層頂?shù)装鍘r性綜合指數(shù)、滲透率、排驅(qū)壓力、裂縫發(fā)育指數(shù)及側(cè)壓系數(shù)等五個評價指標計算較為準確，煤層頂?shù)装宸馍w性能定量評價結果才具有較高的精度。