一種煤巖脆性指數(shù)的確定方法
【專利摘要】一種煤巖脆性指數(shù)的確定方法，針對不同煤體結構的煤儲層，基于灰分、固定碳和泊松比、楊氏模量力學參數(shù)，探討泊松比、楊氏模量與灰分、固定碳含量間的內在定量關系，查明灰分和固定碳的泊松比、楊氏模量值，并通過詳細分析不同煤體結構的測井響應特征，建立煤體結構指數(shù)測井評價模型，進而構建考慮煤體結構影響的煤巖脆性指數(shù)計算模型，以此計算模型對煤巖的脆性指數(shù)進行計算，本發(fā)明能夠有效地進行煤巖脆性指數(shù)計算，提高不同煤體結構地質情況下的煤巖脆性指數(shù)的計算精度，將為煤儲層壓裂施工方案設計提供技術支持。
【專利說明】
一種煤巖脆性指數(shù)的確定方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于煤儲層壓裂施工方案設計過程中的工程測井評價技術，特別涉及一種 煤巖脆性指數(shù)的確定方法。
【背景技術】
[0002] 實際生產中，通過排水降壓解吸來開采煤層氣。為了快速排水降壓，幾乎絕大多數(shù) 煤層氣公司都通過對煤儲層壓裂來實現(xiàn)。煤儲層的可壓裂性受制于煤巖脆性等諸多因素的 影響。一般而言，脆性越大的煤儲層，可壓裂性越好，反之亦然。
[0003] 現(xiàn)有的脆性指數(shù)確定方法，多針對的是石油天然氣領域的砂巖、碳酸鹽巖地層，比 如泊松比、楊氏模量參數(shù)法和脆性礦物含量法等。煤巖與砂巖、碳酸鹽巖地層的地質特性截 然不同，其礦物成分和力學性能差異較大，將常規(guī)石油天然氣領域中的脆性指數(shù)確定方法 用于煤儲層顯然是不適用的。為此，名稱為"一種基于煤巖工業(yè)組分的脆性指數(shù)確定方法" 的專利充分考慮了灰分、固定碳的脆性具有一定的差異，進而構建了基于煤巖工業(yè)組分的 脆性指數(shù)計算模型，在實際生產中取得了一定的應用效果。然而，不同地區(qū)、不同地層的煤 儲層，由于受地應力等影響，造成煤巖具有不同的煤體結構。不同煤體結構的煤巖，其泊松 比、楊氏模量差異巨大，因此，其脆性指數(shù)變化范圍也非常大，而上述專利忽視了煤體結構 對脆性指數(shù)的影響。此外，灰分、固定碳的泊松比、楊氏模量也不盡相同，而上述專利中的計 算模型也并未考慮該因素。
[0004] 從現(xiàn)有煤巖脆性指數(shù)確定方法來看，尚且沒有既考慮煤體結構對脆性指數(shù)的影 響，又兼顧灰分、固定碳的泊松比和楊氏模量的差異性影響的方法，這給煤儲層壓裂施工方 案設計帶來不便。

【發(fā)明內容】

[0005] 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煤巖脆性指數(shù)的確定 方法，首次提出針對不同煤體結構的煤儲層，基于灰分、固定碳和泊松比、楊氏模量力學參 數(shù)，探討泊松比、楊氏模量與灰分、固定碳含量間的內在定量關系，查明灰分和固定碳的泊 松比、楊氏模量值，并通過詳細分析不同煤體結構的測井響應特征，建立煤體結構指數(shù)測井 評價模型，進而構建考慮煤體結構影響的煤巖脆性指數(shù)計算模型，以此計算模型對煤巖的 脆性指數(shù)進行計算，能夠有效地進行煤巖脆性指數(shù)計算，提高不同煤體結構地質情況下的 煤巖脆性指數(shù)的計算精度，將為煤儲層壓裂施工方案設計提供技術支持。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0007] -種煤巖脆性指數(shù)的確定方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一、概率統(tǒng)計法計算煤巖工業(yè)組分:利用實驗室分析化驗的灰分和固定碳含 量及測井數(shù)據，對其煤巖心歸位的基礎上，進行灰分和固定碳含量的測井敏感性參數(shù)分析， 得知補償密度與灰分含量、灰分含量與固定碳含量的敏感性最強，于是，構建煤巖的工業(yè)組 分測井響應方程，具體如下：
[0009] Va = 7.2501 ? Pb-0.5603 (1)
[0010] Vf = -6.6035 ? Va+144.72 (2)
[0011] 式中:Va、Vf分別是灰分、固定碳的含量，％;pb是煤巖的密度值，g/cm 3;
[0012] 通過上述兩個方程建立的煤巖工業(yè)組分概率統(tǒng)計模型，即可求取煤巖中的灰分和 固定碳含量；
[0013] 步驟二、灰分、固定碳的泊松比、楊氏模量計算:依據步驟一計算的灰分和固定碳， 并結合方程(3)、（4)計算的泊松比和楊氏模量，統(tǒng)計待計算井區(qū)的固定碳、灰分、泊松比和 楊氏模量，以固定碳和灰分為自變量，泊松比和楊氏模量為因變量進行相關性分析，查明固 定碳和灰分與泊松比和楊氏模量的內在定量關系，通過對實測資料擬合分析，得出式(5)~ (8)所示方程：
[0016] 式中:y為煤巖的泊松比，無量綱；A t、A ts分別為煤巖的縱波時差、橫波時差，ys/ ft; E為煤巖的楊氏模量，104MPa;
[0017] y = -〇.004 ? Va+0.5426 (5)
[0018] E = 0.5209 ? Va-3.8094 (6)
[0019] y = 〇? 0022 ? Vf+0.2743 (7)
[0020] ￡^109.62-^ C8)
[0021 ]由方程（5)~（8)可知，當灰分含量為100 %時，泊松比為0.1426、楊氏模量為 48.2806,即灰分的泊松比知=0.1426、灰分的楊氏模量￡3 = 48.2806;當固定碳含量為100% 時，泊松比為0.4943、楊氏模量為0.3895，即固定碳的泊松比yf = 0.4943、固定碳的楊氏模 量 Ef = 0.3895;
[0022]步驟三、通過系統(tǒng)剖析原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的測井響應特征，發(fā) 現(xiàn)隨著煤體結構由原生結構煤向糜棱煤過渡，密度測井值和電阻率值減小，而聲波時差和 井徑增大，據此，定義式(9)所示的煤體結構指數(shù)；
[0024] 式中：ICS--煤體結構指數(shù)，無因次;RT-電阻率，Q ? m;CAL-井徑，cm;其他參數(shù) 物理意義同上；
[0025] 依據該方法，將密度、聲波時差、電阻率及井徑測井代入公式(9)，便可求得煤體結 構指數(shù)ICS，考慮到計算的煤體結構指數(shù)ICS值變化范圍較大，對ICS值進行歸一化處理；
[0026] 步驟四、煤巖脆性指數(shù)計算模型構建：依據步驟二可知，煤巖的灰分與脆性成正 比，固定碳與脆性成反比，而灰分、固定碳的泊松比和楊氏模量差異較大，為此，將泊松比、 楊氏模量作為其灰分和固定碳的權系數(shù)，以此來表征灰分和固定碳的脆性特征;據此，構建 了方程(10)、（ 11)所示的兩個脆性指數(shù)計算模型，考慮煤體結構的影響，同時兼顧泊松比和 楊氏模量兩者均對脆性特性有貢獻，最終構建了方程（12)所示的煤巖脆性指數(shù)計算模型， 具體如下：
[0030]式中：泊松比與煤巖工業(yè)組分結合計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;BI2為楊氏模量 與煤巖工業(yè)組分結合計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;BI為最終計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;
[0031]步驟五、煤巖脆性指數(shù)計算:將計算的灰分Va、iia、Ea和固定碳Vf、yf、Ef及煤體結構 指數(shù)Ics輸入公式(10)~（12)得出BI，便可實現(xiàn)煤巖脆性指數(shù)的計算。
[0032] 本發(fā)明為了評估煤儲層能夠有效壓裂，基于煤巖工業(yè)組分中對脆性影響較大的灰 分和固定碳含量，充分考慮到煤體結構對煤巖脆性影響較大這一客觀地質因素，并將煤巖 工業(yè)組合和煤巖力學參數(shù)有機結合，建立煤巖脆性指數(shù)計算模型。該模型不僅查明了煤巖 工業(yè)組分、力學參數(shù)與煤巖脆性間的內在定量關系，而且充分考慮了煤體結構對煤巖脆性 的影響，為此，該方法更能較準確地表征煤巖的真實脆性特征，進而可為煤儲層壓裂施工方 案設計提供技術支持。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明中的煤巖脆性指數(shù)確定方法流程圖。
[0034]圖2為本發(fā)明中的煤巖密度與灰分關系圖。
[0035]圖3為本發(fā)明中的煤巖灰分與固定碳關系圖。
[0036] 圖4為本發(fā)明中的煤巖灰分與泊松比含量關系圖。
[0037] 圖5為本發(fā)明中的煤巖灰分與楊氏模量含量關系圖。
[0038] 圖6為本發(fā)明中的煤巖固定碳與泊松比含量關系圖。
[0039]圖7為本發(fā)明中的煤巖固定碳與楊氏模量含量關系圖。
[0040]圖8為本發(fā)明中的不同煤體結構的井徑與電阻率關系圖。
[0041] 圖9為本發(fā)明中的不同煤體結構的密度與聲波時差關系圖。
[0042] 圖10為本發(fā)明計算的脆性指數(shù)與實測脆性指數(shù)對比圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做詳細敘述。
[0044] 參照圖1，一種基于煤巖工業(yè)組分的脆性指數(shù)的確定方法，包括以下步驟：
[0045] 步驟一、概率統(tǒng)計法計算煤巖工業(yè)組分:煤巖的組分較為復雜，實際生產中?？珊?略相對體積小于1%的成分，于是煤巖便可看成是由固定碳、灰分、揮發(fā)份和水分四部分所 組成。對煤巖的脆性特征而言，由于揮發(fā)份和水分不是固體，而且它們的含量也較少，對煤 巖的脆性影響非常小，為此也可以將揮發(fā)份和水分忽略不計。于是，對煤巖脆性具有較大影 響的便是灰分和固定碳了?；诟怕式y(tǒng)計思想，利用實驗室分析化驗的灰分和固定碳含量 及測井數(shù)據，對其煤巖心歸位的基礎上，進行灰分和固定碳含量的測井敏感性參數(shù)分析，得 知補償密度與灰分含量、灰分含量與固定碳含量的敏感性最強。于是，基于概率統(tǒng)計法的思 想，參照圖2、圖3,構建了煤巖的工業(yè)組分測井響應方程，具體如下：
[0046] Va = 7 ? 2501 ? Pb-0.5603 (1)
[0047] Vf = -6.6035 ? Va+144.72 (2)
[0048]式中:Va、Vf分別是灰分、固定碳的含量，％;pb是煤巖的密度值，g/cm 3。
[0049] 通過上述兩個方程建立的煤巖工業(yè)組分概率統(tǒng)計模型，即可求取煤巖中的灰分和 固定碳含量；
[0050] 步驟二、灰分、固定碳的泊松比、楊氏模量計算：依據步驟一方案計算的灰分和固 定碳，并結合方程(3)、（4)計算的泊松比和楊氏模量，統(tǒng)計待計算井區(qū)的固定碳、灰分、泊松 比和楊氏模量，參照圖4~圖7,以固定碳和灰分為自變量，泊松比和楊氏模量為因變量進行 相關性分析，查明固定碳和灰分與泊松比和楊氏模量的內在定量關系。通過對實測資料擬 合分析，得出式(5)~(8)所示方程：
[0053] 式中:y為煤巖的泊松比，無量綱；A t、A ts分別為煤巖的縱波時差、橫波時差，ys/ ft; E為煤巖的楊氏模量，104MPa;
[0054] y = -〇.004 ? Va+0.5426 (5)
[0055] E = 0.5209 ? Va-3.8094 (6)
[0056] y = 〇? 0022 ? Vf+0.2743 (7)
[0057] ￡=109.62^ <U-M!V (8)
[0058]式中：A t、A ts分別是煤巖的縱波時差和橫波時差，ys/ft;y為煤巖的泊松比，無 量綱;E為煤巖的楊氏模量，104MPa;
[0059] 由方程（5)~（8)可知，當灰分含量為100 %時，泊松比為0.1426、楊氏模量為 48.2806,即灰分的泊松比知=0.1426、灰分的楊氏模量￡3 = 48.2806;當固定碳含量為100% 時，泊松比為0.4943、楊氏模量為0.3895，即固定碳的泊松比yf = 0.4943、固定碳的楊氏模 量 Ef = 0.3895;
[0060] 步驟三、煤體結構指數(shù)計算:煤體結構對壓裂效果具有重要影響。構造煤機械強度 低、煤體結構松散，不能脆性開裂，于是難以形成裂縫。壓裂時形成縫壁的同時，這些崩離剝 落的大量煤粉會堵塞縫道，進而致使煤層的滲透性能得不到改善。因此，有必要充分利用高 分辨率的地球物理測井資料，對其煤層的煤體結構進行合理劃分，無疑對壓裂層位優(yōu)選是 十分必要的。利用電阻率、密度、聲波時差和井徑構建了識別煤體結構的交會圖，參照圖8、 圖9,發(fā)現(xiàn)原生煤視電阻率曲線為中、高幅值，井徑為低值;構造煤的井徑擴大，電阻率為中、 低值;構造煤的密度降低，聲波時差增大;原生煤聲波時差為低值，密度為高值;原生煤的視 電阻率曲線一般為中高幅值、密度為高值、聲波時差為低值、擴徑不太嚴重;而構造煤的密 度降低，電阻率為中低值、聲波時差增大、井眼擴徑非常嚴重，甚至出現(xiàn)極端擴徑情況。通過 系統(tǒng)剖析原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的測井響應特征，發(fā)現(xiàn)隨著煤體結構由原生 結構煤向糜棱煤過渡，密度測井值和電阻率值減小，而聲波時差和井徑增大。據此，定義式 (9)所示的煤體結構指數(shù)；
[0062] 式中：ICS--煤體結構指數(shù)，無因次;RT-電阻率，Q ? m;CAL-井徑，cm;其他參數(shù) 物理意義同上；
[0063]依據該方法，將密度、聲波時差、電阻率及井徑測井代入公式(9)，便可求得煤體結 構指數(shù)Ics;考慮到計算的煤體結構指數(shù)Ics值變化范圍較大，對Ics值進行了歸一化處理； [0064]步驟四、煤巖脆性指數(shù)計算模型構建:依據步驟二方案可知，煤巖的灰分與脆性成 正比，固定碳與脆性成反比。而灰分、固定碳的泊松比和楊氏模量差異較大，為此，將泊松 比、楊氏模量作為其灰分和固定碳的權系數(shù)，以此來表征灰分和固定碳的脆性特征。據此， 構建了方程(1〇)、（11)所示的兩個脆性指數(shù)計算模型。充分考慮煤體結構的影響，同時兼顧 泊松比和楊氏模量兩者均對脆性特性有貢獻，最終構建了方程（12)所示的煤巖脆性指數(shù)計 算模型，具體如下：
[0068] 式中：泊松比與煤巖工業(yè)組分結合計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;BI2為楊氏模量 與煤巖工業(yè)組分結合計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;BI為最終計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;
[0069] 步驟五、煤巖脆性指數(shù)計算:將測井計算的灰分Va、lia、Ea和固定碳Vf、yf、Ef及煤體 結構指數(shù)Ics輸入公式(10)~（12)得出BI，便可實現(xiàn)煤巖脆性指數(shù)的計算。
[0070] 應用例
[0071] -種煤巖脆性指數(shù)的確定方法已經在實際煤儲層中得到試用。在X井的煤巖脆性 指數(shù)計算應用中，參照圖10，744~747米井段為煤層，該井段煤巖心脆性指數(shù)實內測試值分 布范圍為14~40 %，平均值為28.4%，利用本發(fā)明方法計算的脆性指數(shù)值分布范圍為14.7 ~53.4%，平均值為30.3%，室內測試和計算的脆性指數(shù)值較為吻合，平均值最大相對誤差 小于8%，本發(fā)明的方法計算精度完全能夠滿足煤儲層壓裂施工方案設計的要求。
[0072] 詳實對比實驗室測試和本發(fā)明計算的脆性指數(shù)易知，脆性指數(shù)測試值和計算值較 為逼近;灰分含量高、固定碳含量低、泊松比低、楊氏模量大的層段，脆性指數(shù)測試值和計算 值均較高;而灰分含量低、固定碳含量高、泊松比高、楊氏模量小的層段，脆性指數(shù)測試值和 計算值均較低。該方法充分考慮了實際煤儲層中煤體結構對脆性指數(shù)的影響，而且將煤巖 力學參數(shù)和工業(yè)組分有機融合，計算結果能夠滿足煤儲層壓裂施工方案設計的要求，具有 良好的推廣應用前景和價值。
[0073]本領域的技術人員應當理解，由于測井資料計算的煤巖力學參數(shù)屬于動態(tài)參數(shù)， 而煤儲層的力學參數(shù)屬于靜態(tài)參數(shù)，為了更精準地計算煤巖的脆性指數(shù)，利用實驗室測得 的泊松比、楊氏模量靜態(tài)力學參數(shù)來刻度測井計算的動態(tài)力學參數(shù)是十分必須的。
【主權項】
1. 一種煤巖脆性指數(shù)的確定方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、概率統(tǒng)計法計算煤巖工業(yè)組分:利用實驗室分析化驗的灰分和固定碳含量及 測井數(shù)據，對其煤巖心歸位的基礎上，進行灰分和固定碳含量的測井敏感性參數(shù)分析，得知 補償密度與灰分含量、灰分含量與固定碳含量的敏感性最強，于是，構建了煤巖的工業(yè)組分 測井響應方程，具體如下： Va = 7.2501 ? Pb-0.5603 (1) Vf = -6.6035 ? Va+144.72 (2) 式中:Va、Vf分別是灰分、固定碳的含量，％ ;Pb是煤巖的密度值，g/cm3; 通過上述兩個方程建立的煤巖工業(yè)組分概率統(tǒng)計模型，即可求取煤巖中的灰分和固定 碳含量； 步驟二、灰分、固定碳的泊松比、楊氏模量計算:依據步驟一計算的灰分和固定碳，并結 合方程(3)、（4)計算的泊松比和楊氏模量，統(tǒng)計待計算井區(qū)的固定碳、灰分、泊松比和楊氏 模量，以固定碳和灰分為自變量，泊松比和楊氏模量為因變量進行相關性分析，查明固定碳 和灰分與泊松比和楊氏模量的內在定量關系，通過對實測資料擬合分析，得出式(5)~(8) 所示方程：式中：y為煤巖的泊松比，無量綱；A t、A ts分別為煤巖的縱波時差、橫波時差，ys/ft ;E 為煤巖的楊氏模量，1 〇4MPa; y=-0.004 ? Va+0.5426 (5) E = 0.5209 ? Va-3.8094 (6) y = 0.0022 ? Vf+0.2743 (7) E ^109.62-e^m64'Vf ( 8) 由方程(5)~（8)可知，當灰分含量為100%時，泊松比為0.1426、楊氏模量為48.2806， 即灰分的泊松比知=〇. 1426、灰分的楊氏模量￡3 = 48.2806;當固定碳含量為100%時，泊松 比為0.4943、楊氏模量為0.3895，即固定碳的泊松比yf = 0.4943、固定碳的楊氏模量Ef = 0.3895； 步驟三、通過系統(tǒng)剖析原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的測井響應特征，發(fā)現(xiàn)隨 著煤體結構由原生結構煤向糜棱煤過渡，密度測井值和電阻率值減小，而聲波時差和井徑 增大，據此，定義式(9)所示的煤體結構指數(shù)；式中：Ics--煤體結構指數(shù)，無因次;RT-電阻率，Q ?m;CAL-井徑，cm;其他參數(shù)物理 意義同上； 依據該方法，將密度、聲波時差、電阻率及井徑測井代入公式(9)，便可求得煤體結構指 數(shù)Ics，考慮到計算的煤體結構指數(shù)Ics值變化范圍較大，對Ics值進行歸一化處理； 步驟四、煤巖脆性指數(shù)計算模型構建:依據步驟二可知，煤巖的灰分與脆性成正比，固 定碳與脆性成反比，而灰分、固定碳的泊松比和楊氏模量差異較大，為此，將泊松比、楊氏模 量作為其灰分和固定碳的權系數(shù)，以此來表征灰分和固定碳的脆性特征;據此，構建了方程 (10)、（ 11)所示的兩個脆性指數(shù)計算模型，考慮煤體結構的影響，同時兼顧泊松比和楊氏模 量兩者均對脆性特性有貢獻，最終構建了方程（12)所示的煤巖脆性指數(shù)計算模型，具體如 下：式中：泊松比與煤巖工業(yè)組分結合計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;BI2為楊氏模量與煤 巖工業(yè)組分結合計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ;BI為最終計算的煤巖脆性指數(shù)，％ ; 步驟五、煤巖脆性指數(shù)計算:將計算的灰分Va、iia、Ea和固定碳Vf、yf、Ef及煤體結構指數(shù) Ics輸入公式(10)~（12)得出BI，便可實現(xiàn)煤巖脆性指數(shù)的計算。
【文檔編號】G01V11/00GK106054279SQ201610682014
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月17日
【發(fā)明人】湯小燕
【申請人】西安科技大學