大吉区块深部(层)煤层气储层地应力测井预测研究
Log-based in situ stress prediction of deep coalbed methane reservoirs in the Daji block
通讯作者: 刘之的(1978-),男,博士,教授,从事煤层气储层测井评价研究等工作。Email:546759942@qq.com
责任编辑: 王萌
收稿日期: 2022-12-9 修回日期: 2023-08-29
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Received: 2022-12-9 Revised: 2023-08-29
作者简介 About authors
谢正龙(2000-),男,硕士研究生,主要从事测井地质学方面的学习和研究工作。Email:
深部(层)煤层气勘探开发过程中,精准预测地应力对于安全高效钻完井具有重要意义。曾被认为是勘探开发禁区的深部(层)煤层气,近几年相继获得高产而备受关注,但与之相适应的地应力预测模型尚未进行过有益探讨。据此,本文翔实梳理和系统分析了常规油气储层和煤层气等非常规天然气储层中常用的6种地应力预测模型,基于常用的预测模型开展了地应力计算,通过闭合压力对比分析,得知组合弹簧模型和Newberry模型精度相对较高。为提升地应力预测模型的精度,采用煤岩的有效应力系数对两种模型进行优化。优化后的地应力模型预测精度较优化前误差降低了4%,其精度基本能满足大吉区块深部(层)煤层气勘探开发对地应力预测精度的要求。
关键词:
For deep coalbed methane (CBM) exploration and production, accurate in situ stress prediction holds critical significance for safe and efficient drilling and completion of wells. Deep CBM reservoirs, once considered restricted areas for exploration and exploitation, have been highly anticipated owing to their high yields in recent years. However, their in situ stress prediction model has not been investigated effectively. Hence, this study systematically analyzed six in situ stress prediction models commonly used for conventional oil and gas reservoirs and unconventional gas (like CBM) reservoirs. Based on these prediction models, this study calculated the in situ stress, and found that the combined spring model and the Newberry model yielded relatively high accuracy through comparative analysis of closure pressures. To improve the accuracy of in-situ stress prediction models, the effective stress coefficient of coal rocks was employed to optimize the two models. The optimized in-situ stress models yielded prediction accuracy errors reduced by 4%, roughly meeting the requirements of in-situ stress prediction accuracy for deep CBM exploration and production in the Daji block.
Keywords:
本文引用格式
谢正龙, 刘之的, 韩鸿来, 王舵, 王成旺, 王伟, 季亮.
XIE Zheng-Long, LIU Zhi-Di, HAN Hong-Lai, WANG Duo, WANG Cheng-Wang, WANG Wei, JI Liang.
0 引言
1 地应力预测模型适用性分析
1.1 单轴应变模型
1)Eaton模型
Eaton[16]基于沉积过程中水平方向的变形受限、应变为零的单轴应变理论,考虑到孔隙流体压力对地应力的影响,提出了式(1)地应力预测模型。
式中:SH1、SH2分别为最大、最小水平主应力,MPa;PR为泊松比,无量纲;σv为垂向地应力,MPa;Pp为地层孔隙压力,MPa;UB为水平地应力转换因子,一般取1.25。
2)Anderson模型
式中:α为有效应力系数(Biot系数),无量纲。
3)Newberry模型
上述3种单轴应变模型假设地层在沉积过程中水平方向形变受限,片面认为水平地应力应该小于垂直地应力,忽视了水平构造应力的影响,造成地应力预测结果与实测值相悖,因此该套模型通常只适用于构造运动不强且比较平缓区块的中浅层,如盆地腹部等[21]。
1.2 三轴应变模型
1.2.1 黄荣樽模型
黄荣樽等[24]在地层破裂压力机理及模型的研究过程中受到启发,意识到构造运动会使地层产生水平方向的应变,于是引入水平构造应力系数后提出了式(4)模型。
式中:β1、β2表示水平方向上两个构造应力大小的系数,可通过现场破裂压力试验反算求得,反映了构造运动的剧烈程度。
黄氏模型克服了单轴应变模型的片面假设,提出了上覆岩层压力和水平方向构造应力的共同作用才是水平地应力产生的根本原因,地质因素之一的构造应力对地应力的分布规律存在显著影响,因此需要引入构造应力系数来解释三向地应力不相等,从而明确最大水平主应力大于垂向地应力的现象[25]。欠缺之处在于未考虑地层刚性对水平地应力的影响,导致不同岩性地应力差异并不明显,无法突出地应力分布规律,因此主要针对的是构造平缓地区,在构造活动较为剧烈的地区则适用性变差。
1.2.2 分层模型
葛洪魁等[26]不仅考虑了构造应力和地层温度的影响,还认为从构造运动初期开始在地层水平方向就存在剥蚀现象,而水平地应力在这一过程中会出现损耗,因此需要在两个方向上给予一定的附加量以校正剥蚀现象造成的损耗。据此,提出的引入线性膨胀系数和水平附加量的两组适用于垂直缝和水平缝的地应力预测模型如式(5)、(6)所示:
1)当水力压裂为垂直缝时:
2)当水力压裂为水平缝时:
式中:E为静态杨氏模量,MPa;αT为线性膨胀系数,无量纲;ΔT为地层温度增量值,℃;ΔσH、Δσh分别为水平地层剥蚀附加量的最小值、最大值,MPa。
该模型考虑了热应力、构造应力、地层剥蚀应力对水平应力的影响,属于多场耦合作用下的水平地应力预测模型,具有前瞻性,能够合理反映地应力的分布规律,模型中涉及的关键参数也易获取,所以在一定范围内具有较好的适用性,尤其在构造运动较为剧烈的地区应用效果良好。但欠缺之处在于忽略了地层的非线弹性特性。
1.2.3 组合弹簧模型
中国石油大学(华东)假定岩石为均质且各向同性介质,地层在构造运动过程中位置相对固定,则认为水平方向的应变均为常数[27],这一假设实质上克服了黄氏模型的不足。据此,引入弹性参数和水平应变后提出了下式所示的组合弹簧模型。
式中:εh、εH分别为岩石在最小、最大水平主应力方向的应变,无量纲。
该模型建立的前提是岩石为均质且各向同性的线弹性体,还要假设在沉积和构造运动中的水平方向应变为常数,因此数学模型实质是把地层假定为平行板之间的一组弹簧[28]。现对该数学模型进行受力分析,如果两板只发生横向位移且位移量相等,此时刚度大的弹簧受到的应力比刚度小的弹簧受到的应力大,这一数学模型巧妙地解释了为何砂岩地层会比相邻的页岩地层的地应力值高。该模型欠妥之处在于忽视了非线弹性的影响,所假设的各岩层水平方向应变相等也有待考证。
1.3 模型中关键参数的获取
1.3.1 泊松比和杨氏模量
1)由声波时差资料直接计算
泊松比和杨氏模量表征岩石在弹性变形范围内的岩石变形难易程度[29]。利用纵横波时差、体积密度等测井资料由式(8)、式(9)可计算泊松比和杨氏模量。
式中:Δtc、Δts分别为纵、横波时差,μs/ft;ρb为体积密度,g/cm3;β为转乘因子,
2)由刚度系数矩阵计算
根据胡克定律,刚度系数可以表示为:
式中:C11、C13、C33、C44、C66分别为地层弹性刚度系数,GPa。
描述应力应变的刚度系数通过下式计算出[30]:
式中:vch、vsh为地层水平方向纵、横波速度,km/s;vcv、vsv为地层垂直方向纵、横波速度,km/s;vcθ为与水平方向呈45°角条件下纵波速度,km/s。
根据所得到的刚性系数,可以直接计算出杨氏模量、泊松比等各项异性参数[31]。
式中:Ev、Eh为垂直和水平方向的杨氏模量,GPa;μv、μh为垂直和水平方向的泊松比。
1.3.2 有效应力系数
式中:ρg为骨架密度,g/cm3;Δtcm、Δtsm为骨架的纵、横波时差,μs/ft;Cma为岩石骨架压缩系数,MPa-1;Cb为岩石体积的压缩系数,MPa-1。
1.3.3 地层孔隙压力
地层孔隙压力直接关系到地应力预测。地层孔隙压力可根据上覆岩层压力(垂向地应力)、有效应力、纵横波速度比等参数拟合回归的模型来预测,如式(14)所示:
1.3.4 垂直地应力
式中:ρaver为地层平均密度,g/cm3;H0为顶界深度,m;H为底界深度,m;ρ(h)为随深度变化的密度函数,g/cm3;g为重力加速度,m/s2(取值为0.009 81)。
2 深部(层)煤层气储层地应力预测模型优选及优化
为优选并优化适用于大吉区块深部(层)煤层气储层的地应力模型,程序化前述6种地应力预测模型,并挂接在Forward.Net测井地质综合应用网络平台上,实现地应力可视化处理解释。有机融合地应力处理结果和适用性理论分析,优选和优化适用于研究区的地应力测井预测模型。
2.1 地应力预测模型优选
大宁—吉县区块位于晋西挠褶带南段与伊陕斜坡东南缘,为国内典型的深部(层)煤层气开采示范区,主力开采的8#煤层气储层埋深为2 200~2 400 m。为探明适用于研究区深部(层)煤层气储层的地应力模型,本文对工区内具有实测闭合压力(约等于最小水平主应力)的D7-5、D40两口井进行了预测处理。图1、图2为分别为D7-5和D40井深部(层)煤储层地应力计算成果对比,并与实测地应力进行对比和误差分析。D40井在1 863.5~1 868.0 m深度范围射孔,厚度4.5 m。压裂液采用活性水、滑溜液和石英砂/陶粒,压裂前置液量431 m3,混砂液量1 489 m3,顶替液量80 m3,平均砂比1.9%,平均施工排量为8.58 m3/min,从图3中可以得出破裂压力为53.9 MPa,闭合压力为36.92 MPa;D7-5井在2 231.0~2 236.0 m深度范围射孔,厚度5.0 m。压裂液采用活性水、滑溜液和石英砂/陶粒,压裂前置液量727 m3,混砂液量1 055 m3,顶替液量97 m3,平均砂比4.8%,平均施工排量为7.1 m3/min,从图4中可以得出破裂压力为47.9,闭合压力为32.89 MPa。
图1
图1
D7-5井2 233~2 238 m深部(层)煤储层预测地应力与实测闭合压力对比
Fig.1
Comparison of predicted ground stress and measured closure pressure in the deep (seam) coal reservoir of D7-5 well 2 233~2 238 m
图2
图2
D40井1 865~1 873 m深部(层)煤储层预测地应力与实测闭合压力对比
Fig.2
Comparison of predicted ground stress and measured closure pressure in the deep (seam) coal reservoir of D40 well 1 865~1 873 m
图3
图4
表1 最小水平主应力预测值与实测值对比
Table 1
井号 | 层位 | 深度/m | 实测闭 合压力/MPa | 预测闭合压力/MPa | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Anderson 模型 | Eaton 模型 | Newberry 模型 | 黄氏模型 | 分层模型 | 组合弹 簧模型 | ||||
D7-5 | 深8#煤 | 2234.5 | 32.89 | 17.60 | 27.70 | 30.31 | 23.12 | 25.37 | 35.68 |
D40 | 深8#煤 | 1868.0 | 36.92 | 28.53 | 26.30 | 32.51 | 43.19 | 27.90 | 38.16 |
图5
2.2 地应力预测模型优化
相对其他4种模型,组合弹簧模型和Newberry模型的预测精度相对较高,但仍存在较大误差,尤其是Newberry模型,因此需要对其模型进行优化。
煤储层中煤岩作为主要成分,泊松比较大,杨氏模量较小,因此原公式不仅在理论上无法解释煤岩的存在,而且不能正确描述煤岩骨架的刚度。假设相同的孔隙压力对岩石应力的影响因弹性模量的不同而存在差异,则煤岩的有效应力系数(Biot系数)αc如式(16)所示:
式中:Es为煤岩的静态弹性模量,MPa。
煤岩的弹性模量是静态参数,利用大吉区块煤层岩心测量结果,在此给出了煤岩杨氏模量动静态转换关系模板(图6)。
图6
图6
煤岩杨氏模量动静态转换图版
Fig.6
Plate of dynamic-static conversion of Young's modulus of coal rock
Higgins等[39]在组合弹簧模型的基础上提出了考虑各向异性的组合弹簧(shannon)模型,本文在此基础上将式(12)、式(16)代入组合弹簧(shnnon)模型和Newberry模型,便可获得优化后的各向异性组合弹簧、Newberry模型,如式(17)、式(18)所示:
式中:相关参数的物理意义同上。
3 实例分析
根据优化后的上述两个模型对H3井深部(层)煤储层进行了地应力预测处理,图7为H3井2 164.5~2 172.5 m深部(层)煤储层预测地应力与实测闭合压力对比。该图中,第6道为优化前后Newberry模型预测地应力与实测闭合压力对比,第7道为优化前后组合弹簧预测的最小地应力与实测闭合压力对比,该井2 166.5 m煤层段实测闭合压力(最小水平主应力)为33.30 MPa,优化前组合弹簧模型计算的最小水平主应力为37.17 MPa,相对误差为11.62%;优化后各向异性组合弹簧模型计算的最小水平主应力为35.77 MPa,相对误差为7.44%,可以得出较优化前相对误差降低了4.18%。优化前Newberry模型计算的最小水平主应力为37.42 MPa,相对误差为12.37%;优化后Newberry模型计算的最小水平主应力为36.11 MPa,相对误差为8.46%,可以得出较优化前相对误差降低了3.91%。优化后两种模型较优化前的平均相对误差降低了4.05%。
图7
图7
H3井2 164.5~2 172.5 m深部(层)煤储层预测地应力与实测闭合压力对比
Fig.7
Comparison of predicted ground stress and measured closure pressure in the deep (seam) coal reservoir at 2 164.5~2 172.5 m in well H3
总体上来看,这两种模型的预测精度均能满足现场实测的需要,但各向异性组合弹簧模型的预测精度较Newberry模型高。利用各向异性组合弹簧模型对区块内20口井进行地应力计算,平均相对误差在12%以内,具有较好的应用效果。
4 结论与认识
1)系统分析了6种地应力预测模型的适用性,认为组合弹簧和Newberry模型较适用于深部(层)煤层气储层,从而降低了深部(层)煤层地应力计算模型选择的盲目性。
2)针对大吉区块深部(层)煤层气储层的地质特点对组合弹簧模型和Newberry模型进行了优化,优化后两种地应力预测模型在H3井相对误差降低了4%左右,但组合弹簧模型的预测精度较Newberry模型高。区块内20口井测井解释结果与压裂作业结果基本相符合,优化后的各向异性组合弹簧模型平均相对误差在12%以内,模型的相对误差能满足现场压裂施工对精度的需求,具备一定的应用价值。
3)现有地应力模型多针对常规油气储层而研发,由于煤岩学特征、成煤环境和构造演化与常规油气储层截然不同,尽管根据煤储层地质特征对其地应力预测模型进行了优化,但仍需持续改进和优化,以期获得普适性更高的深部(层)煤层气储层地应力测井预测模型。
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深部煤层气资源是中国煤层气产业规模性发展的重要基础,但目前关于"深部"的含义、定义、特殊性等基本地质问题尚无明确表述。前期探索成果显示,深部煤储层地质条件的特殊性起源于较高的地应力和地层温度,由此导致深部煤层可压缩性高、渗透性低和弹性低。研究认为:在科学层面,煤层气领域的"深部"不仅是一种深度,更重要的是一种状态,这种状态取决于地应力、温度及煤(有机)储层三重地层状态;在操作层面,定义深部与浅部之间的临界深度,需要考虑地应力状态转换、煤吸附性(含气量)和煤岩力学性质三重地质因素。近期研究进展为解决本领域基本地质问题提供了新的启示,阐释游离气量在深部低阶煤储层含气量中的重要性,探讨深部煤层气可解吸性与产出阶段敏感性之间关系,分析变孔隙压缩系数对深部低阶煤储层渗透率的深刻影响,建立基于成藏效应的深部煤层气有利区优选方法。今后几年期间,深部煤层气勘探开发仍需解决4方面地质问题:1深部煤层气资源潜力深化评价与再认识;2深部煤储层可改造性及其与深部基本地质特点的耦合效应;3深部应力场、温度场、化学场作用下煤层气高效开采技术原理的地质控制;4深部煤系"三气"共生特性、共探方法与共采有效性地质评价。问题的实质,在于发展出一套适应于深部地层条件的煤层气勘探与开发地质技术方法。
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Deep coalbed methane(CBM) resources is an important basis for the scale development of the CBM industry in China,but some basic geological problems such as the meaning,definition and the particularities on the "deep" are still not clear.Preliminary investigation shows that the particularity of deep coal reservoir is resulted from higher strata temperature and pressure,which bring about higher compressibility,lower permeability and lower elasticity of deep coals.At the scientific level,the "deep" in CBM fields means not only a depth,more important is a state,which is dependent on threefold formation states the including stress,temperature and(organic) reservoir.At the operational level,the definition of the critical depth between deep and shallow CBM needs to takes into account three geological factors such as the stress state conversion,coal adsorption(gas content) and mechanical properties of coals.Recent research progress provides new insights for solving the basic geological problems.The importance of the free gas to the gas content of deep low-rank coal reservoir is explained,the relationship between the desorption and output stage sensitivity of deep CBM is discussed,the profound impact of variable pore compression coefficient on deep low-rank coal reservoir permeability is analyzed,and the seek-optimizing method of favorable deep-CBM zone based on the accumulation effects is set up.It is suggested that still the geological problems of the four aspects need to solve for deep CBM exploration and development.The first is the deepening evaluation and recognition of deep CBM resource potential,the second is the coupling effect of the basic deep geological characteristics to deep coal reservoir,the third is the geological control of the principles of efficient deep CBM development technology under deep strata stress field,temperature field and chemical field,and the fourth is the geological evaluation of the symbiotic characteristics,co-exploring method and co-mining effectiveness of deep CBM,tight sandstone gas and shale gas in coal measure.
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合川地区须二段致密砂岩气资源十分丰富,但该区复杂地质条件对目前油气资源勘探开发造成了巨大影响,尤其是现今地应力方向认识不清制约了后期水平井部署和压裂改造的持续推进。基于波速各向异性、差应变及古地磁等实验测试分析,并结合特殊测井与微地震监测资料,开展了各类地应力方向测试与解释方法在致密砂岩储层中应用的适用性评价研究,查明了合川地区现今地应力方向的分布特征。结果表明合川地区须二段最大水平主应力方向主要分布在N103.1°E-N134.3°E,平均最大水平主应力的方位角为N117.4°E,即合川地区须家河组砂岩现今最大水平主应力方向为NWW-SEE。平面上,地应力方向变化不明显,其较小的地应力偏转主要受沉积结构影响,而合川地区须二段致密砂岩均质性相对较强,各向异性偏弱,波速各向异性测试方法在该区无法适用。通过微地震监测和井壁成像测井评价地应力方向,认为差应变联合古地磁的实验测试结果与上述评价结果具有较高的一致性,故该测试方法更加适用于该区均质且各向异性较弱的砂岩地层。并结合地应力方向和裂缝优势走向等,建议水平井的部署方位为N40°E-N55°E。
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大宁—吉县地区是中国煤层气开发的重点区域之一,现代地应力对煤储层渗透性具有关键的控制作用。文中以煤层气开发井测井曲线分析和计算为主要手段,探索了一套适合于煤储层的地应力评价方法与技术流程。研究表明,大宁—吉县地区的5#煤储层的最大与最小水平主应力具有自东向西总体上呈低—高—低—高的波浪式变化趋势;垂向主应力总体上呈东低西高的变化趋势,但在中部构造较复杂区域递增的趋势减缓;5#煤层总体处于转换深度以下,受垂向应力作用较为显著,处于拉张的应力环境,有利于煤层裂隙的张开和渗透率的升高;最大水平主应力与优势裂隙发育方向接近,有利于裂隙的张开,相应提高了煤储层的渗透率,最小主应力低和主应力差大的区域渗透率较高。
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地应力预测方法在川南地区大寨页岩气田的应用
[J].针对川南大寨地区页岩气储层三维地应力预测的需求,建立基于横向各向同性介质的Suárez-Rivera地应力计算模型,进行三维空间地应力预测。计算结果表明:Suárez- Rivera横向各向同性介质地应力模型计算结果与单井地应力评价结果高度吻合,模型预测的最小水平主应力与压裂施工地层瞬时闭合压力一致,证实了该方法在川南大寨地区页岩地应力预测中的可靠性。该方法的成功应用,为川南地区页岩气地应力评价提供了理论支持,预测结果对后续页岩气的井位部署和压裂参数设计具有一定的指导意义。
Application of geo-stress prediction in the dazhai shale gasfield of southern Sichuan
[J].
In-situ stress distribution laws of coal and rock in deep mining based on the Griffith criterion
[J].DOI:10.1007/s40948-022-00395-1 [本文引用: 1]
Anisotropic stress models improve completion design in the Baxter shale
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