常规测井参数对煤层气储层地应力敏感性分析

黄昌杰， 丁文龙， 尹 帅

(1中国地质大学能源学院 2中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室 3页岩气资源战略评价国土资源部重点实验室 4西安石油大学地球科学与工程学院)

煤储层作为双重孔隙介质，渗透性受地应力的影响作用显著[1-5]。随着地层埋深的增加，煤储层所受应力环境增加，孔渗逐渐发生降低。前人对煤储层地应力多有研究，如Suman等[6]探讨了煤割理方向、主渗方向及地应力方向间的耦合关系；孟昭平等[7-8]对鄂尔多斯盆地东南缘煤储层地应力与储层压力间关系及渗透率应力敏感性进行了研究；Guo等[9]分析了浦和煤矿地应力与区域构造特征间的关系；Liu等[10]探讨了埋深在600～1 500 m范围内中-深煤层地应力分布变化规律。这些研究主要集中在探讨地应力分布及其对煤储层渗透性的影响方面，而对于地应力的影响因素研究相对较少。常规测井作为一种最常应用的测井资料，分析各测井参数对煤层气储层地应力的敏感程度，对进一步深入探讨不同类型煤储层地应力特征及产能预测等方面均具有一定指导意义。基于此，该文分析了沁水盆地南部上古生界二叠系山西组主力产气煤层地应力特征，并在此基础上进行了常规测井参数对地应力的敏感性分析。

一、煤储层测井响应特征

山西组3号煤层含气层较好，钻井过程中槽面可见气泡，该煤层从常规测井曲线上易于识别[11]。3号煤层常规测井响应曲线与顶底板砂泥岩具有明显区别，表现为三低三高特征，即低伽马(GR)、低自然电位(SP)、低密度(DEN)、高纵波时差(AC)、高补偿中子(CNL)及高电阻率(深侧向电阻率RD及浅侧向电阻率RS)特征，这类典型的测井特征使3号煤层易于识别。从微电阻率成像测井图像上观察，3号煤层岩心尺度裂缝通常不发育。

二、煤储层地应力特征

水力压裂法可以确定煤储层地应力，前人对此多有研究[12-13]。水平最大地应力(σH)可由理论公式进行确定[14]：

σH=3σh-pf-αpp+σt

式中：α—有效应力系数，无量纲；pp—地层压力，MPa；σt—抗张强度，MPa。

利用上述压裂法求取了研究区22口煤层气井(垂直井)的主应力。σh主要分布在10～16.6 MPa，平均值为13.2 MPa；σH主要分布在12.77～20.72 MPa，平均值为16.82 MPa；σv主要分布在11.33～17.57 MPa，平均值为14.22 MPa；σH-σh主要分布在0.5～7.52 MPa，平均值为3.61 MPa。地应力状态满足σH>σv>σh，水力破裂缝易于沿着σH和σv所形成的平面方向进行扩展，形成一些高角度及近垂直的水力缝。

三、常规测井参数对地应力的敏感性分析

对上述22口单井的3号煤层压裂段的常规测井参数进行统计提取。包括纵波时差(AC)、井径(CAL)、密度(DEN)、自然伽马(GR)、孔隙度(POR)、深侧向电阻率(RD)、浅侧向电阻率(RS)、深浅侧向电阻率差(RD-RS)及自然电位(SP) 9个常规测井参数。对9个常规测井参数分别与地应力(σH、σh及σH-σh)间的敏感性进行分析，结果表明，σh及σH-σh与各测井参数间的相关性明显好于σH，因而本文主要分析常规测井参数对σh及σH-σh的敏感性。

相关性分析结果表明，RD、RS、RD-RS、AC及GR 5个测井参数与煤岩σh间均具有较好的相关性(图1a～d)，其它4个常规测井参数(井径CAL、密度DEN、孔隙度POR、自然电位SP)与σh间无明显相关性；而煤岩水平方向主应力差(σH-σh)仅与RD、RS及RD-RS 3个参数间具有较好的相关性(图1e～f)，与其它6个测井参数均无明显相关性。

图1 常规测井参数对地应力敏感性分析

从图1a可以看出，随着地层应力(σh)的增加，煤层的电阻率有逐渐升高的趋势；而从图1e可以看出，随着水平方向主应力差(σH-σh)的增加，煤层电阻率有逐渐降低的趋势。对于致密砂岩储层而言，通常具有较高的含水饱和度，因而岩石电阻率会随着σH-σh的增加而出现指数型增长趋势[15]。这主要是由于随着地层岩石σH-σh的增加，岩石内部流体逐渐被排出，从而使电阻率升高。但对于所研究煤储层，其含水量平均为1.23%，从各单井日产水量也可以看出，这22口单井平均日产水量仅有约0.136 m3(表1)，因而可以认为煤层中几乎不含水。因此，煤层电阻率的变化主要受煤层中气体的影响，气体组分含量越高，其电阻率也越高。

表1 单井产能情况统计表

煤储层为发育孔隙和裂隙的双重介质，其内部孔缝的开闭受σH和σh的共同影响。当煤层中σH-σh较小时，岩石内部应力较为均匀，此时，孔缝空间易于张开；反之，岩石内部孔缝空间，特别是裂隙，易于发生闭合。这与该地区应力差较小的地区产气量相对较高的实际情况相一致。因此，图1e中随着σH-σh的增加，煤层中部分孔缝逐渐发生闭合，气体含量降低，岩石电阻率降低[16]。由于所压裂煤层的σH-σh与σh间具有一定负相关性，因而σh与电阻率间为正相关性。这也说明，决定煤岩中孔缝空间开闭的的应力因素不仅仅与σh有关，而是受σH及σh的共同影响。

电阻率差(RD-RS)与σh间具有一定正相关性(图1b)，与σH-σh间则具有一定负相关性(图1f)，说明高含气层段具有相对更高的电阻率差值。图1c显示，煤储层σh与AC间具有一定负相关性，与前述原因类似。

煤储层σh与GR间具有一定正相关性(图1d)，这主要是由于，随着GR值的增加，代表煤岩中具有吸附性的有机质或泥质的含量不断增加，这些物质具有较强的韧性。韧性岩石相比硬脆性岩石而言，应力要相对高一些。如盐岩密度较小(约2.1 g/cm3)，具有强流变性，在钻遇盐岩地层时，常规套管易于发生挤压变形；而对于硬度较大的纯砂岩地层，在钻井过程中常规套管通常无形变[17]。

最后，对影响22口单井产能指数(表1)的常规测井参数及地应力参数进行分析，产能指数定义为单井日产气量与层厚和生产压差的比值。分析发现，RD、RS、AC及σH-σh与煤层气单井产能指数的相关性最好(图2)，这几个参数也是煤储层含气性好差的重要识别参数，因此，这些参数可用于煤层气井产能或含气性预测中；RD-RS、GR、POR、SP及σh与煤层气单井产能指数间具有弱相关性；其它因素如层厚、CAL、DEN及σH与煤层气单井产能指数均无明显相关性。

图2 煤储层产能指数影响因素分析

四、结论

(1)该文利用压裂法分析了沁水盆地南部山西组主力产气煤层地应力特征，煤层地应力状态满足σH>σv>σh，水力破裂缝易于沿着σH和σv平面方向形成一些高角度及近垂直的水力缝。

(2)对各压裂井段常规测井参数进行了提取，发现RD、RS、RD-RS、AC及GR 5个测井参数与煤岩σh具有较好的相关性；煤岩水平方向主应力差(σH-σh)仅与RD、RS及RD-RS 3个参数具有较好的相关性。

(3)研究发现，RD、RS、AC及σH-σh与煤层气单井产能指数或含气性间密切联系，因此这几个参数在煤层气井产能或含气性的预测中具有一定的参考价值。

[1]车长波. 新一轮全国油气资源评价煤层气资源评价成果报告[R]. 北京:中国国土资源部, 2006.

[2]李松,汤达祯,许浩,等. 深部煤层气储层地质研究进展[J]. 地学前缘, 2016,23(3): 10-16.

[3]宋岩,柳少波,马行徙,等. 中高煤阶煤层气富集高产区形成模式与地质评价方法[J]. 地学前缘, 2016,23(3): 1-9.

[4]Daniel V N, Jonathan P M. Molecular representations of Permian-aged vitrinite-rich and inertinite-rich South African coals[J]. 2010, 89(Fuel): 73-82.

[5]Mohammad S, Alireza K, Abdul R M A, et al. Investigation of varying-composition gas injection for coalbed methane recovery enhancement: A simulation-based study[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 27: 1205-1212.

[6]Suman P, Rima C. Determination of in-situ stress direction from cleat orientation mapping for coal bed methane exploration in south-eastern part of Jharia coalfield, India[J]. International Journal of Coal Geology. 2011, 87: 87-96.

[7]孟昭平,蓝强,刘翠丽,等. 鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系[J]. 煤炭学报, 2013,38(1): 122-128.

[8]孟昭平,侯泉林. 高煤级煤储层渗透性与应力耦合模型及控制机理[J]. 地球物理学报, 2013,56(2): 667-675.

[9]Guo Z B, Jiang Y L, Pang J W, et al. Distribution of ground stress on Puhe coal mine[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2013,23: 139-143.

[10]Liu C R. Distribution lows of in-situ stress in deep underground coal mines[J]. Prodedia Engineering, 2011,26: 909-917.

[11]邵龙义,肖正辉,汪浩,等. 沁水盆地石炭-二叠纪含煤岩系高分辨率层序地层及聚煤模式[J]. 地质科学, 2008, 43 (4)： 777-791.

[12]Deng J, Zhu W Y, Ma Q.A new seepage model for shale gas reservoir and productivity analysis of fractured well[J].2014,124(Fuel):232-240.

[13]孟文,陈群策,吴满路,等.龙门山断裂带现今构造应力场特征及分段性研究[J].地球物理学进展,2013,28(3):1150-1160.

[14]Kang H, Zhang X, Si L， et al. In-situ stress measurements and stress distribution characteristics in underground coal mines in China[J]. Engineering Geology, 2010, 116： 333-345.

[15]陈啸宇,章成广,朱雷, 等.致密砂岩储层地应力对电阻率测井的影响[J].岩性油气藏, 2016, 28(1):106-110.

[16]Brace W F, Orange A S. Elastrical resistivity change in saturated rocks during fracture and frictional sliding[J].Journal of Geophysical Research, 1968, 73(4):1433-1445.

[17]Rios A, Roegiers J. Dilatancy criterion applied for borehole stability during dring salt formations[J].SPE 153627, 2012： 1-14.