一种定量评价煤层顶底板封盖性能的方法与流程

本发明属于煤层气开采过程中的测井定量评价技术，特别涉及一种定量评价煤层顶底板封盖性能的方法。

背景技术：

煤层气勘探开发中，为了探明煤层气并进行开发，必须要评估煤层顶底板的封盖性能。一般而言，煤层直接顶为厚层泥岩，且不含裂缝时，则渗透率低、封盖性能好；如果直接顶为渗透性能好的砂岩，且含有裂缝时，则渗透率高、封盖性能差。

现有的煤层顶底板封盖性能评价方法，多根据顶底板的岩性特征来评价，有些评价方法也考虑了渗透率和排驱压力对封盖性能的影响。实际上，煤层顶底板的封盖性能不仅仅与岩性特征、渗透率和排驱压力有关，而且与顶底板岩层的厚度、裂缝发育指数和侧压系数有关。然而，现有的专利没有考虑到顶底板岩层的厚度、裂缝发育指数和侧压系数对煤层顶底板封盖性能的影响。此外，现有煤层顶底板封盖性能评价中，尚且没有充分利用煤层气测井资料来计算煤层顶底板岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数，进而来对煤层顶底板的封盖性能进行定量评价，这给煤层气勘探和开发均带来不便。

技术实现要素：

为了克服上述现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种定量评价煤层顶底板封盖性能的方法。基于煤层顶底板岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数，建立了煤层顶底板封盖性能评价标准，以此评价标准对煤层顶底板封盖性能进行划分，将为煤层气高效勘探和开发提供技术支持。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种定量评价煤层顶底板封盖性能的方法，包括以下步骤：

步骤一、计算煤层顶底板岩性综合指数：利用三孔隙度测井基于方程(1)～(3)求取反映岩性的m、n、p参数，利用自然伽马测井基于方程(4)计算相对自然伽马之后，然后利用方程(5)计算岩性系数rg；对岩性系数和泥质含量进行相关性分析，进而建立方程(6)所示的地区经验模型；将泥质含量与砂质比值作为衡量岩性封闭性能的参数，并考虑到顶底板岩层厚度对封闭性能的影响，于是构建了方程(7)所示的煤层顶底板岩性综合指数计算模型，具体如下：

式中：m、n、p均为反映岩性的参数，无量纲；δtma、δtf分别为煤层顶底板骨架、流体的声波时差，μs/ft；ρma、ρf分别为煤层顶底板骨架、流体的密度值，g/cm³；φnma、φnf分别为煤层顶底板骨架、流体的补偿中子值，％；δgr为相对自然伽马，无量纲；gr、grmax、grmin分别为计算层点、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马值，api；rg为岩性系数，无量纲；vsh为泥质含量，％；a、b为回归系数；il为煤层顶底板岩性综合指数，无量纲；φ为煤层顶底板的孔隙度，％；mi为顶底板岩层计算点距煤层的距离，m。

步骤二、计算煤层顶底板的渗透率：泥质含量小于8％时，利用方程(8)的渗透率计算模型计算顶底板的渗透率；但当泥质含量大于8％时，泥质含量对渗透率的影响显著增大，构建渗透率测井解释模型时需要引入泥质含量这一参数，以孔隙度为自变量，渗透率为因变量，进行最小二乘法回归拟合，得到方程(9)所示渗透率计算模型；

顶底板岩石的泥质含量小于8％时：

k＝0.0036·e^0.814·φ(8)

顶底板岩石的泥质含量大于8％时：

k＝0.0209·φ-0.0378·log(vsh)+0.0794(9)

式中：k为顶底板的渗透率，md；其他参数物理意义同前。

步骤三、计算煤层顶底板的排驱压力：顶底板排驱压力与埋深、声波时差及泥质含量有较好的相关性，于是构建方程(10)所示的排驱压力计算模型，

p＝c·z×vsh+d·δt+e(10)

式中：p为排驱压力，z为顶底板的埋深；δt为顶底板的声波时差，μs/ft；c、d、e为回归系数，无量纲；其他参数物理意义同前。

步骤四、计算煤层顶底板的裂缝发育指数：利用测井资料计算的泊松比，构建式(11)所示的裂缝系数计算方程，并利用方程(12)计算顶底板的稳定性系数，进而建立了方程(13)所示的煤层顶底板裂缝发育指数计算模型，

rg＝kb×g(12)

式中：rf为泊松比计算的顶底板裂缝系数，无量纲；μ为煤岩的泊松比，无量纲；rg为顶底板的稳定性系数，无量纲；kb为体积模量，mpa；g为切变模量，mpa；if为顶底板的裂缝发育指数，无量纲；δt、δts分别为顶底板的纵波和横波时差，μs/ft；ρb为顶底板的密度值，g/cm³；vp、vs为顶底板的纵、横波速度，m/s；α为biot系数，无量纲；其他参数物理意义同前。

步骤五、计算煤层顶底板的侧压系数：侧压系数被用来反映水平应力与垂直应力之间的关系，侧压系数λ表示两个水平应力的平均值与垂直应力之比，

式中：λ为侧压系数，无量纲；σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa；σv为垂向地应力，mpa；pp为孔隙压力，mpa；e为杨氏模量，mpa；εh为最大水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；εh为最小水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；ρo为没有密度测井深度段的岩层平均密度值，g/cm³；h0为密度测井的起始深度，m；h为计算点的深度，m；其他参数物理意义同前。

步骤六、确定煤层顶底板封盖性能评价标准：基于步骤一～步骤五中的方案，利用测井资料对其煤层顶底板的岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数进行了计算，并对岩性综合指数和裂缝发育指数进行了归一化处理，依据其计算结果，在系统对比实际勘探开发资料的基础上，参考常规石油天然气储层盖层评价的要求之后，并考虑到顶底板的封盖性能与岩性综合指数、排驱压力及侧压系数成正比，与渗透率、裂缝发育指数成反比，最终给出了表1所示的煤层顶底板封盖性能等级划分标准：

表1煤层顶底板封盖性能评价等级划分表

步骤七、定量评价煤层顶底板封盖性能：基于上述煤层顶底板封盖性能各个评价指标计算模型，在编制处理解释程序的基础上，计算岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数，并依据步骤六中所示评价标准，确定所评价煤层顶底板的封盖性能类型。

本发明首次针对煤层顶底板封盖性能，提出了一种定量评价煤层顶底板封盖性能的方法，能够有效地利用测井资料对煤层顶底板封盖性能五个指标进行计算，以期为煤层气勘探开发提供钻孔测井技术支持。该发明既充分考虑了煤层顶底板岩性特征、渗透率对封盖性能的影响，又兼顾了顶底板计算点距煤层的距离、煤层顶底板排驱压力、裂缝发育程度及侧压系数的影响，所评价的煤层顶底板封盖性能与煤层气封盖实际地质情况较为吻合。

基于对煤层顶底板封盖性能影响较大的岩性特征、渗透率等参数的分析，并充分考虑到顶底板岩层的厚度、排驱压力、裂缝发育程度及侧压系数对封盖性能也具有较大影响，在系统分析岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数和侧压系数与煤层顶底板封盖性能间的内在关系之后，建立了煤层顶底板封盖性能评价标准。该评价标准从多个方面综合考虑了对煤层顶底板封盖性能影响较大的五个指标，因此，该评价方法更能较准确地定量表征煤层顶底板的封盖性能，进而可为煤层气优质高效开采提供技术支持。

附图说明

图1为本发明中的定量评价煤层顶底板封盖性能方法流程图。

图2为本发明中的煤层顶底板孔隙度与渗透率关系图。

图3为本发明中的煤层顶底板封盖性能定量评价成果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做详细叙述。

参照图1，一种定量评价煤层顶底板封盖性能的评价方法，包括以下步骤：

步骤一、计算煤层顶底板岩性综合指数：利用三孔隙度测井基于方程(1)～(3)求取反映岩性的m、n、p参数，利用自然伽马测井基于方程(4)计算相对自然伽马之后，然后利用方程(5)计算岩性系数rg；对岩性系数和泥质含量进行相关性分析，进而建立方程(6)所示的地区经验模型；将泥质含量与砂质比值作为衡量岩性封闭性能的参数，并考虑到顶底板岩层厚度对封闭性能的影响，距离煤层越近的顶底板，对封盖性能的影响越大，即权系数越大。依据煤层气生产经验，距煤层顶底5m范围内的岩层对封盖性能的影响较大。由于测井数据是1米采集8个数据点，为此加权数据点定为40。据此，构建了方程(7)所示的煤层顶底板岩性综合指数计算模型，具体如下：

式中：m、n、p均为反映岩性的参数，无量纲；δtma、δtf分别为煤层顶底板骨架、流体的声波时差，μs/ft；ρma、ρf分别为煤层顶底板骨架、流体的密度值，g/cm³；φnma、φnf分别为煤层顶底板骨架、流体的补偿中子值，％；δgr为相对自然伽马，无量纲；gr、grmax、grmin分别为计算层点、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马值，api；rg为岩性系数，无量纲；vsh为泥质含量，％；a、b为回归系数；il为煤层顶底板岩性综合指数，无量纲；φ为煤层顶底板的孔隙度，％；mi为顶底板岩层计算点距煤层的距离，m。

步骤二、计算煤层顶底板的渗透率：实际生产经验表明，渗透率与孔隙度相关性较好，但岩层的泥质含量也对渗透率影响较大。渗透率与孔隙度、泥质含量相关性分析表明，泥质含量小于8％时，参照图2利用孔隙度能够较准确地计算顶底板的渗透率；但当泥质含量大于8％时，泥质含量对渗透率的影响显著增大，构建渗透率测井解释模型时需要引入泥质含量这一参数。以孔隙度为自变量，渗透率为因变量，进行最小二乘法回归拟合，便可得到方程(8)所示渗透率计算模型；同理，便可得到方程(9)所示渗透率计算模型。

顶底板岩石的泥质含量小于8％时：

k＝0.0036·e^0.814·φ(8)

顶底板岩石的泥质含量大于8％时：

k＝0.0209·φ-0.0378·log(vsh)+0.0794(9)

式中：k为顶底板的渗透率，md；其他参数物理意义同前。

步骤三、计算煤层顶底板的排驱压力：盖层评价经验揭示，岩层的排驱压力与泥质含量相关性较好。由于随着埋深增大，盖层的压实程度增大，渗透率变差、声波时差减小，为此在构建顶底板岩层排驱压力计算模型时，利用埋深、声波时差及泥质含量三个参数。构建的排驱压力计算模型如方程(10)所示。

p＝c·z×vsh+d·δt+e(10)

式中：p为排驱压力，z为顶底板的埋深；δt为顶底板的声波时差，μs/ft；c、d、e为回归系数，无量纲；其他参数物理意义同前。

步骤四、计算煤层顶底板的裂缝发育指数：岩层破碎，泊松比大；岩层完整，泊松比小。据此，利用测井资料计算的泊松比，构建式(11)所示的裂缝系数计算方程。岩石稳定性好，越不容易产生裂缝。于是，利用方程(12)计算的顶底板稳定性系数来表征裂缝发育程度的一个参数。有机融合裂缝系数和稳定性系数，建立了方程(13)所示的煤层顶底板裂缝发育指数计算模型。

rg＝kb×g(12)

式中：rf为泊松比计算的顶底板裂缝系数，无量纲；μ为煤岩的泊松比，无量纲；rg为顶底板的稳定性系数，无量纲；kb为体积模量，mpa；g为切变模量，mpa；if为顶底板的裂缝发育指数，无量纲；δt、δts分别为顶底板的纵波和横波时差，μs/ft；ρb为顶底板的密度值，g/cm³；vp、vs为顶底板的纵、横波速度，m/s；α为biot系数，无量纲；其他参数物理意义同前。

步骤五、计算煤层顶底板的侧压系数：随着顶底板埋深增大，侧压系数增大。换言之，埋深较浅、较为疏松，且易于发育裂缝的高渗透性岩层，侧向压力较小。据此，利用侧压系数来表征煤层顶底板封盖性能的一个参数。方程(17)是侧向系数计算模型。

式中：λ为侧压系数，无量纲；σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa；σv为垂向地应力，mpa；pp为孔隙压力，mpa；e为杨氏模量，mpa；εh为最大水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；εh为最小水平地应力方向的构造应力系数，无量纲；ρo为没有密度测井深度段的岩层平均密度值，g/cm³；h0为密度测井的起始深度，m；h为计算点的深度，m；其他参数物理意义同前。

步骤六、确定煤层顶底板封盖性能评价标准：基于步骤一～步骤五中的方案，利用测井资料对其煤层顶底板的岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数进行了计算，并对岩性综合指数和裂缝发育指数进行了归一化处理。据此，本发明依据其计算结果，在系统对比实际勘探开发资料的基础上，参考常规石油天然气储层盖层评价的要求之后，并考虑到顶底板的封盖性能与岩性综合指数、排驱压力及侧压系数成正比，与渗透率、裂缝发育指数成反比，最终给出了表1所示的煤层顶底板封盖性能等级划分标准：

表1煤层顶底板封盖性能评价等级划分表

步骤七、定量评价煤层顶底板封盖性能：基于上述煤层顶底板封盖性能各个评价指标计算模型，在编制处理解释程序的基础上，计算岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数，并依据方案六中所示评价标准，确定所评价煤层顶底板的封盖性能类型。

将本发明在实际煤层气田中试用。在x井的定量评价煤层顶底板封盖性能的应用中，参照图3，742.2～747.1m井段为煤层，该井段直接顶岩性为泥岩，厚度为6m，利用本发明方法计算的岩性综合指数il分布范围为0.67～0.86，渗透率k分布范围为0.001～0.005，排驱压力p为8～11.5，裂缝发育指数if为0.2～0.4，侧压系数λ为0.8～0.86，煤层顶底板封盖性能综合评价为较强。该井742.2～747.1m煤层实测含气量主频分布范围为12.71～15.47m³/t，平均值为13.21m³/t，含气量较高。这也充分说明，封闭性能好的井区，煤层含气量大，表明是煤层气富集井区。由于煤层顶底板的封盖性能较强，生成的煤层气基本保存在煤储层中，基本未发生煤层气逸散到顶底板岩层的情况。这亦进一步印证了本研究得出的顶底板封闭能力评价结果与实际地质特征较为吻合。

该方法既充分考虑了煤层顶底板岩性特征、渗透率对封盖性能的影响，又兼顾了顶底板计算点距煤层的距离、煤层顶底板排驱压力、裂缝发育程度及侧压系数的影响，所评价的煤层顶底板封盖性能与煤层气封盖实际地质情况较为吻合。该方法中的各个评价指标都能够从煤田钻孔测井资料来求取，而几乎所有的煤田均具有大量的钻孔测井数据。因此，本发明所述煤层顶底板封盖性能定量评价方法具有良好的推广应用前景和价值。

本领域的技术人员应当理解，由于测井资料易受扩径等钻孔环境的影响，为了更精准地评价煤层顶底板的封盖性能，对其测井资料进行环境影响校正是十分必要的，煤层顶底板岩性综合指数、渗透率、排驱压力、裂缝发育指数及侧压系数等五个评价指标计算较为准确，煤层顶底板封盖性能定量评价结果才具有较高的精度。