一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法
【專利摘要】一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，基于煤巖工業組分，充分利用固定碳、灰分含量與楊氏模量、泊松比間的內在關系，構建基于固定碳和灰分含量的脆性指數計算模型，進而對煤巖的脆性指數進行計算，提高煤巖脆性指數計算精度的同時，將為提高煤層可壓裂性預測精度提供測井技術支持；本發明基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，將煤巖工業組分與煤巖力學參數有機結合在一起，所計算的脆性指數與實驗室分析化驗的脆性指數值基本重疊，其精度大大提高。
【專利說明】一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于煤層氣勘探開發技術中的工程測井技術，特別涉及一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法。
【背景技術】
[0002]煤層氣開發過程中往往采用壓裂排水降壓才能獲得工業氣流，煤巖脆性評價成為劃分有利煤層氣儲層以及制定壓裂方案的一項重要工作。在影響煤巖可壓裂性的諸多因素中，脆性是其中一個主要因素，脆性程度越高的煤巖越容易被改造，在壓裂后能夠產生更多的次生裂縫進而易于排水降壓采氣。
[0003]現有脆性指數評價方法中，最常用的方法是根據煤巖力學參數實驗室分析化驗值來求取脆性指數，譬如根據應力-應變測試得到的楊氏模量和泊松比來獲得煤巖的脆性指數。在石油天然氣領域的砂巖儲層中，常常利用測井資料計算的楊氏模量和泊松比來獲取脆性指數。另一種常用的方法是，利用測井資料計算的砂巖脆性礦物含量(石英礦物和方解石礦物)和黏土礦物含量來求取脆性指數。然而，對煤巖而言，工業組分的固體成分為固定碳和灰分，固定碳和灰分是否具有脆性不得而知，因此，尚未見到利用測井資料計算的脆性礦物含量來確定煤巖的脆性指數。
[0004]從現有方法來看，尚且沒有利用測井資料計算煤巖脆性指數的方法，這給煤層氣儲層可壓裂性評價帶來不便。
[0005]該方法在國內首次針對煤層氣儲層，提出了基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，能夠有效地利用測井資料進行煤巖脆性指數計算，提高了煤巖脆性指數的逐點計算精度。
【發明內容】
[0006]為了克服上述現有方法的不足，本發明的目的在于提供一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，基于煤巖工業組分，充分利用固定碳、灰分含量與楊氏模量、泊松比間的內在關系，構建基于固定碳和灰分含量的脆性指數計算模型，進而對煤巖的脆性指數進行計算，提高煤巖脆性指數計算精度的同時，將為提高煤層可壓裂性預測精度提供測井技術支持。
[0007]為了達到上述目的，本發明的技術方案為:
[0008]一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一、煤巖工業組分確定:忽略相對體積小于I %的成分，如二氧化硅、硝酸鹽、菱鐵礦、硫以及一些稀散元素等，把煤層看成是由固定碳、灰分、揮發份和水分四部分所組成；根據煤巖工業組分體積物理模型的基本思想，構建煤巖的工業組分測井響應方程，具體如下:
[0010]時差:At= Vf* Δ tf+Va.Δ ta+Vv.Λ tv+Vw.Atw (I)
[0011 ]密度:P b = Vf.P f+Va.P a+Vv.P v+Vw.Pw (2)
[0012]中子:φΝ= Vf.φ?+ν3.Φ3+νν.Φν+ν￥.Φ￥ (3)
[0013]其中:1= Vf+Va+Vv+Vw (4)
[0014]式中:Λ t、Λ tf、Δ ta、Δ tv、Δ tw分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的縱波時差，單位μ s/ft ; P b、P f、P a、P v、P w分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的密度值，單位g/cm3 ； ΦΝ、Φν> 分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的補償中子，％ ;Vf、Va、Vv、Vw分別是固定碳、灰分、揮發份、水分的體積百分數，％。
[0015]通過上述四個方程建立的煤巖工業組分體積物理模型，即可求取煤層中固定碳、灰分、揮發份、水分的含量；
[0016]步驟二、煤巖泊松比、楊氏模量確定:煤巖泊松比μ是煤巖縱向應變與橫向應變之比；楊氏彈性模量是煤巖張變彈性強弱的標志，是施加的單向應力與法向應變之比，利用蘊藏著大量地層信息的測井資料來提取煤巖動態泊松比和楊氏彈性模量等煤巖力學參數，具體如下:
At1: — IAt2
[0017]泊松比:蘆=(5)
2(Δ/; -Ar)
P 9.290304< 17-a-(1 + ^)(1-2/0
[0018]楊氏模量:五=-—(6；
(1-μ) At'
[0019]式中:μ為煤巖的泊松比，無量綱；Λ t、Ats分別為煤巖的縱波、橫波時差，μ s/ft ；E為煤巖的楊氏模量，14MPa ；
[0020]步驟三、煤巖力學參數與脆性指數相關性分析:用彈性力學參數法來計算巖石的脆性指數，具體確定方法如下:
[0021]/m=l0(d(7;
-^max - ^min
[0022]4"=.Π
L 」/W1-ZWc(8)
Γ?TIbe + Ιβμ
[0023]Ib =-----,、
2(9)
[0024]式中:IBE、Ibij分別為楊氏模量和泊松比法計算的脆性指數，% ；IB為煤層的脆性指數，％ ;Emax、Emin煤巖的靜態楊氏模量最大值、最小值,14MPa ; μ max、Umin為巖石的靜態泊松比最大值、最小值，無量綱，由方程(7)、(8)可知，煤巖的脆性指數與楊氏模量成正比、與泊松比成反比；
[0025]步驟四、煤巖工業組分與脆性指數相關性分析:依據步驟一方案計算的煤巖工業組分，并依據步驟二方案計算煤巖的泊松比和楊氏模量，統計待計算井區的固定碳、灰分、泊松比和楊氏模量，以固定碳和灰分含量為自變量，泊松比和楊氏模量為因變量進行相關性分析，探明固定碳和灰分與泊松比和楊氏模量的內在關系，通過對實測資料擬合分析，得出如下方程:
[0026]E = 3{)125e~°'010Wf(10)
[0027]μ = 0.2989e()O()51F/(11)
[0028]E = 0.0508 Cojm2 1)1(12)
[0029]μ = 0.559e^°-0238Ffl(13)
[0030]由方程(10)?(13)可知,煤巖的固定碳與楊氏模量成正相關、與泊松比成負相關；灰分與楊氏模量成負相關、與泊松比成正相關，結合步驟三方案可知，煤巖的固定碳與脆性指數成負相關，灰分與脆性指數成正相關；
[0031]步驟五、煤層脆性指數計算模型構建:利用測井資料計算的灰分和固定碳來定義煤巖的脆性指數，具體如下:
[0032]Ib=-^-XUW(14)
Va + V f
[0033]步驟六、煤巖脆性指數確定:將測井計算的灰分Va和固定碳Vf輸入公式(7)得出Ib，便可實現煤巖脆性指數的確定。
[0034]本發明基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，將煤巖工業組分與煤巖力學參數有機結合在一起，所計算的脆性指數與實驗室分析化驗的脆性指數值基本重疊，其精度大大提聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明中的煤巖脆性指數確定方法流程圖。
[0036]圖2為本發明中的煤巖固定碳與楊氏模量含量關系圖。
[0037]圖3為本發明中的煤巖固定碳與泊松比含量關系圖。
[0038]圖4為本發明中的煤巖灰分與楊氏模量含量關系圖。
[0039]圖5為本發明中的煤巖灰分與泊松比含量關系圖。
[0040]圖6為本發明計算的脆性指數與實測脆性指數對比圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖對本發明的技術方案做詳細敘述。
[0042]參照圖1，一種基于煤巖工業組分的脆性指數的確定方法，包括以下步驟:
[0043]步驟一、煤巖工業組分計算:對于煤層來說，其組成成分是復雜的，如果忽略相對體積小于I %的成分，如二氧化硅、硝酸鹽、菱鐵礦、硫以及一些稀散元素等，那么可以把煤層看成是由固定碳、灰分、揮發份和水分三部分所組成。灰分是指煤完全燃燒后剩下來的礦物質殘渣，水分包括內在水分和外在水分。根據煤巖工業組分體積物理模型的基本思想，構建了煤巖的工業組分測井響應方程，具體如下:
[0044]時差:Δt = Vf.Δ tf+Va.Δ ta+Vv.Δ tv+Vw.Δ tw (I)
[0045]密度:Pb = Vf.P f+Va.P a+Vv.P v+Vw.Pw (2)
[0046]中子:ΦΝ= Vf.Φf+Va.Φa+Vv.Φv+Vw.Φ￥ (3)
[0047]其中:1= Vf+Va+Vv+Vw ⑷
[0048]式中:Λ t、Λ tf、Δ ta、Δ tv、Δ tw分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的縱波時差，μ s/ft ; P b、P f、P a、P v、P w分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的密度值，g/cm3 ；φΝ>νΓ, Φ3、νν、分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的補償中子，% ;Vf、Va、Vv、Vw分別是固定碳、灰分、揮發份、水分的體積百分數，％。
[0049]通過上述四個方程建立的煤巖工業組分體積物理模型，即可求取煤層中工業組分的含量。
[0050]步驟二、煤巖泊松比、楊氏模量計算:煤巖泊松比μ是煤巖縱向應變與橫向應變之比；楊氏彈性模量是煤巖張變彈性強弱的標志，是施加的單向應力與法向應變之比。通過煤巖力學性質實驗來獲取煤巖泊松比和楊氏彈性模量。由于鉆井取心數量有限、成本高、不連續，可利用蘊藏著大量地層信息的測井資料來提取煤巖動態泊松比和楊氏彈性模量等煤巖力學參數，具體如下:
—2At2
剛、泊獅(5)
[0052]楊氏模量,歸丨；^，)0-2")
0~μ)Μ-
[0053]式中:μ為煤巖的泊松比,無量綱；Ats為煤巖的橫波時差，μ s/ft ;E為煤巖的楊氏模量，14MPa0
[0054]步驟三、煤巖力學參數與脆性指數相關性分析:彈性力學參數對煤層的可壓性具有重要作用和影響，泊松比反映了煤巖在應力作用下的破裂能力，而彈性模量反映了煤巖破裂后的支撐能力。認為楊氏模量越高，泊松比越低的巖石脆性更強。據此，目前常用彈性力學參數法來計算巖石的脆性指數。具體確定方法如下:
[0055]/冊=]00X /I"(7)
尤 max ~ -^min
I — I HO V " ~ "imx
[0056]、-剛x…
r^min "max、8 J
j Z / — Ιβμ
[0057]h=~^(9)
[0058]式中:IBE、Ibij分別為楊氏模量和泊松比法計算的脆性指數，% ；IB為煤層的脆性指數，％ ;Emax>Emin煤巖的靜態楊氏模量最大值、最小值14MPa ； μ max、μ min為巖石的靜態泊松比最大值、最小值，無量綱。
[0059]由方程(7)、⑶可知，煤巖的脆性指數與楊氏模量成正比、與泊松比成反比。
[0060]步驟四、煤巖工業組分與脆性指數相關性分析:考慮到水分和揮發份對煤巖的脆性影響很小，可以忽略不計，在此僅探討影響煤巖脆性的固定碳、灰分這兩個固體工業組分參數與脆性指數的相關性。由步驟三可知，常用彈性力學參數法來計算巖石的脆性指數，于是分析固定碳、灰分與脆性指數的相關性，則轉換為探討固定碳、灰分與楊氏模量、泊松比的相關性這一問題上。
[0061]依據步驟一方案計算的煤巖工業組分，并依據步驟二方案計算煤巖的泊松比和楊氏模量，統計待計算井區的固定碳、灰分、泊松比和楊氏模量，以固定碳和灰分含量為自變量，泊松比和楊氏模量為因變量進行相關性分析，探明固定碳和灰分與泊松比和楊氏模量的內在關系。通過對實測資料擬合分析，參照圖2?圖5，得出如下方程:
_2] ￡ = 307.25e—0.0704F/(10)
_3] " = 0.2989/()()5 丨丨:/(11)
[0064]E = 0.0508 --03302 ia(12)
[0065]/i = 0.559e 0 0238Ffl(13)
[0066]由方程(10)?(13)可知,煤巖的固定碳與楊氏模量成正相關、與泊松比成負相關；灰分與楊氏模量成負相關、與泊松比成正相關。結合步驟三方案可知，煤巖的固定碳與脆性指數成負相關，灰分與脆性指數成正相關；
[0067]步驟五、煤層脆性指數計算模型構建:依據步驟四方案可知，煤巖的灰分與脆性指數成正相關，固定碳與脆性指數成負相關。據此，可以利用測井資料計算的灰分和固定碳來定義煤巖的脆性指數，具體如下:
[0068]4-TT^Vx 100(14)
Va+Vf
[0069]步驟六、煤巖脆性指數計算:將測井計算的灰分Va和固定碳Vf輸入公式(7)得出Ib，便可實現煤巖脆性指數的計算。
[0070]基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法已經在實際煤層氣儲層中得到試用。在X井的煤巖工業組分的脆性指數計算應用中，參照圖6，570.4?571.1,573.3?577.3井段均為煤層，從所計算的脆性指數剖面可知，脆性指數變化區間為3.7?51，主頻為10-40，平均值為20.8，由煤心室內分析化驗的脆性指數可知，該段脆性指數為5?41，平均值為21.4，充分說明本發明方法計算的脆性指數與實驗室實測值基本一致，最大誤差小于5%，其精度完全能夠滿足煤層氣儲層壓裂施工設計的要求。
[0071]對比本發明方法計算的脆性指數與煤巖心脆性指數實驗室分析值可知，灰分含量較高的井段，所計算的脆性指數值較高；在灰分含量低、固定碳含量高的井段，所計算的脆性指數明顯偏低。計算的脆性指數與實驗室分析的脆性指數非常接近。該方法充分挖掘了測井資料中所蘊藏的煤巖脆性信息，計算結果能夠滿足煤層氣儲層壓裂設計施工的要求。因此，該法提高了煤巖脆性指數計算精度的同時，開辟了利用測井資料計算煤巖脆性指數的新途徑，且該方法簡單、實用，具有良好的推廣應用價值。
[0072]本領域的技術人員應當理解，由于煤層氣測井受環境因素的影響較為嚴重，為了保證該方法的有效可行性，必須保障測井資料的環境影響校正效果較好，煤巖工業組分計算較準確，煤巖脆性指數計算結果才具有較高的精度。
【權利要求】
1.一種基于煤巖工業組分的脆性指數確定方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、煤巖工業組分確定:忽略相對體積小于1%的成分，如二氧化硅、硝酸鹽、菱鐵礦、硫以及一些稀散元素等，把煤層看成是由固定碳、灰分、揮發份和水分四部分所組成；根據煤巖工業組分體積物理模型的基本思想，構建煤巖的工業組分測井響應方程，具體如下:
時差:Δ t = Vf.Δ tf+Va.Δ ta+Vv.Δ tv+Vw.Δ tw (1)
密度:P b = Vf.P f+Va.P a+Vv.P v+Vw.P w (2)
中子:ΦΝ = Vf.ΦΓ+ν3.Φ3+νν.Φν+ν￥.Φ￥ (3) 其中:1 = Vf+Va+Vv+Vw (4) 式中:At、Atf、Ata、Atv、Λ tw分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的縱波時差，單位ys/ft;pb、Pf、Pa、Pv、Pw分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的密度值，單位g/cm3 ； ΦΝ、Φν> 分別是煤巖、固定碳、灰分、揮發份、水分的補償中子，％ ;Vf、Va、\、\分別是固定碳、灰分、揮發份、水分的體積百分數，％。 通過上述四個方程建立的煤巖工業組分體積物理模型，即可求取煤層中固定碳、灰分、揮發份、水分的含量； 步驟二、煤巖泊松比、楊氏模量確定:煤巖泊松比μ是煤巖縱向應變與橫向應變之比；楊氏彈性模量是煤巖張變彈性強弱的標志，是施加的單向應力與法向應變之比，利用蘊藏著大量地層信息的測井資料來提取煤巖動態泊松比和楊氏彈性模量等煤巖力學參數，具體如下:
Δ?: — 2At2泊松比(5) 楊氏模量:五 式中:μ為煤巖的泊松比，無量綱；At、Λ ts分別為煤巖的縱波、橫波時差，ys/ft;E為煤巖的楊氏模量，104MPa ； 步驟三、煤巖力學參數與脆性指數相關性分析:用彈性力學參數法來計算巖石的脆性指數，具體確定方法如下: / =l()Ox ￡~￡|1lin(7)
l,hl =100χ μ ~,t/|1iax~ "maxC 8 )
j _ I BE + ΙβμB= 一2一(9) 式中:IBE、Ibu分別為楊氏模量和泊松比法計算的脆性指數，％ ;IB為煤層的脆性指數，％ ;Emax、Emin煤巖的靜態楊氏模量最大值、最小值,104MPa ； μ max、μ min為巖石的靜態泊松比最大值、最小值，無量綱，由方程(7)、(8)可知，煤巖的脆性指數與楊氏模量成正比、與泊松比成反比； 步驟四、煤巖工業組分與脆性指數相關性分析:依據步驟一方案計算的煤巖工業組分，并依據步驟二方案計算煤巖的泊松比和楊氏模量，統計待計算井區的固定碳、灰分、泊松比和楊氏模量，以固定碳和灰分含量為自變量，泊松比和楊氏模量為因變量進行相關性分析，探明固定碳和灰分與泊松比和楊氏模量的內在關系，通過對實測資料擬合分析，得出如下方程: ￡ = 307.25c'°'0704F/(10) μ = 0.2989e°°051F/(11) E = 0.0508f(U302rfl(12) μ = 0.559c 0 0238Fa(13) 由方程(10)?(13)可知,煤巖的固定碳與楊氏模量成正相關、與泊松比成負相關；灰分與楊氏模量成負相關、與泊松比成正相關，結合步驟三方案可知，煤巖的固定碳與脆性指數成負相關，灰分與脆性指數成正相關； 步驟五、煤層脆性指數計算模型構建:利用測井資料計算的灰分和固定碳來定義煤巖的脆性指數，具體如下: I = ν° χ?οο(14)
Va+Vf 步驟六、煤巖脆性指數確定:將測井計算的灰分^和固定碳丨輸入公式(7)得出IB，便可實現煤巖脆性指數的確定。
【文檔編號】G06F19/00GK104268377SQ201410461329
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】劉之的, 趙靖舟, 王松, 馮拴勛 申請人:西安石油大學