基于测井信息的煤层顶板水平井抽采煤层气技术

巩泽文 贾建称 许耀波 石 娟

1.煤炭科学研究总院 2.中煤科工集团西安研究院有限公司

0 引言

我国煤层气地质资源为30.05×1012m3[1-3]，其中可采资源量12.50×1012m3[1-3]，煤层气资源量是美国的61.13%，但年产量仅为美国的9.95%，产量与资源量占比不匹配。其主要原因是我国煤盆地经历了多期次构造作用的叠加和改造[4]，使煤结构发生了强烈的改造，碎软煤层广泛发育[5-6]，水平井钻井成孔率低、压裂改造效果差，严重影响了煤层气的开发效果[7-8]。为了提高碎软煤层水平井的成孔率和煤体改造效率，2012 年中煤科工集团西安研究院有限公司在淮北芦岭井田施工了一口顶板煤层气水平井，最高日产气量达10 358 m3。截至2017 年底，该井已累计产气500×104m3，创造了我国碎软低渗煤层煤层气水平井产量的新纪录，也为我国碎软低渗透煤层煤层气开发提供了新思路。截至2019 年底，全国碎软低渗煤层顶板水平井共施工完成约7 口，技术处于探索阶段。如何提高顶板水平井的抽采效率，完善煤层气抽采技术，一直是制约我国碎软煤层煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈；井田测井资料丰富，相比于常规油气开发挖掘度低，如何利用测井资料提高顶板水平井抽采效率，完善煤层顶板水平井开发技术是亟待解决的问题。为此，笔者以沁水盆地赵庄井田3 号煤层为研究对象，通过综合利用井田测井信息，提出了一套基于测井信息的顶板水平井煤层气开发优化技术，以期提高煤层气抽采效率。

1 地质概况

赵庄井田位于沁水煤田东南部，地层自老到新依次发育中奥陶统马家沟组（O2m）、峰峰组（O2f）、中石炭统本溪组（C2b）、上石炭统太原组（C3t）、下二叠统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、上二叠统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh）、下三叠统刘家沟组（T1l）、古近系、新近系和第四系。其中太原组和山西组为井田内主要含煤地层。山西组和太原组含煤15 层，编号由上至下依次为山西组1、2、3 号煤层，太原组5、6、7、8-1、8-2、9、11、12、13、14、15、16 号煤层，煤层总厚介于3.38 ～18.21 m，平均12.80 m，2、3、8-1、14、15、16 号煤层为井田内可采煤层，其中3 号煤层全区发育，平均厚度介于3.98 ～4.69 m，气含量介于12 ～18 m3/t，煤体结构主要以碎裂煤和碎粒煤为主。

2 井位部署

综合分析井田3 号煤层厚度、含气量、水文、构造等信息，选择气含量大于10 m3/t，煤层厚度大于4.0 m，水文地质简单，避开现有煤田钻孔、断层和陷落柱区域，且水平井井眼轨迹穿越位置，次级褶曲不发育或起伏不大的部署原则，2018 年，在井田北部部署了一组紧邻煤层顶板的“U”形水平井组X-01。

3 井壁稳定性测井综合评价

3.1 煤系三向地应力测井评价方法

获取地应力的方法主要有实测和测井预测，实测方法获得的数据直接可靠[9-10]，但数据离散和数据有限，对指导大跨度、全井段地层钻井工程和压裂工程的实施具有很大的局限性和不适应性，必须依靠测井资料才能实现从点到线的剖面延伸，获得对全井段地层岩石力学特性的整体认识。地应力包含垂向主应力、最大和最小水平主应力。垂向地应力是由上覆地层重力引起的，可用密度测井数据求取。水平主应力主要通过各种经验模型计算获取，计算水平主应力模型主要分为两种：①最大和最小水平主应力相等计算模型，包括金尼克地应力计算模型、Mattews 和Kelly 模 型、Terzaghi 模 型、Anderson 模型和Neberry 模型[9-15]；②最大和最小水平主应力不相等计算模型，包括Mohr-Coulumb 模型、Anderson 修正模型、黄氏模型、组合弹簧模型、葛氏模型、多孔弹性水平应变模型和黏弹性地应力模型[9-15]（表1）。

井田煤层气井垂向主应力采取密度曲线积分方式求取，其公式为：

式中h0表示密度测井起始深度，m；ρ0表示表层地层平均密度，g/cm3；ρ 表示密度测井岩石体积密度，g/cm3；g 表示重力加速度，一般取9.8 m/s2。

由于煤系非均质性强，水平主应力采用水平最大和最小主应力不相等模型求取，多孔弹性水平应变模型和黏弹性地应力模型，利用煤层气开发资料无法确定评价参数，不参与此次模型优选，通过剩余5种模型解释结果与试井地应力数据对比，其结果如表2 所示。

优选组合弹簧模型作为煤系地应力基础评价模型为：

表1 地应力计算公式及基本特征表

表2 3 号煤层水平最小主应力计算结果与实测应力值对比表

组合弹簧模型是基于砂泥岩地层建立的，构建煤层地应力模型时，考虑到相较于常规砂泥岩地层，煤层具有双重孔隙结构，易破碎、易形变，煤层越破碎，孔隙结构越复杂，孔隙流体作用在同等面积上的比例就越小，孔隙流体压力对地应力的贡献就越小。为了使组合弹簧模型更匹配煤层易于变形的特性，引入形变系数（B）对模型有效应力系数进行修正，定义如下：形变系数B 表征岩体破坏的程度。砂泥岩地层B=1；原生结构煤和碎裂结构煤，B=0.5 ～1.0；碎粒结构煤和糜棱结构煤，B=0 ～0.5。

修正模型为：式中ρ 表示测井体积密度，g/cm3；ρma表示矿物骨架密度，g/cm3；DTS、DTC 分别表示地层横波、纵波时差，μs/ft（1 ft=0.304 8 m，下同）；DTSma、DTCma分别表示地层骨架横波、纵波时差，μs/ft。

修正后组合弹簧模型[公式（5）、（6）]的精度达到93%。

3.1.1 水平构造应力系数

3 号煤层储层压力、破裂压力和水平最小主应力通过注入压降试井获取，水平最大主应力通过破裂压力计算公式（7）反推。

式中pf表示破裂压力，MPa；St表示岩石抗张强度，MPa。

水平构造应力系数εh和εH通过修正的组合弹簧模型联立3 号煤层水平最大主应力和最小主应力求解，确定赵庄井田煤系εh为0.000 787，εH为0.002 638。

3.1.2 储层压力

式中p压力梯度表示地层压力梯度，MPa/m；H 表示地层深度，m。

3.1.3 动态杨氏模量（Es）和动态泊松比（μs）

式中Es表示动态杨氏模量，MPa；μs表示动态泊松比，无量纲；ΔΤs、ΔΤc分别表示地层横波、纵波时差，μs/m。

X-01V 井煤系垂向主应力通过式（1）求取，水平主应力通过式（5）、（6）求取，地应力剖面如图1所示，解释结果与后期压裂数据对比，其精度高、数据可靠。

3.2 水平井井壁围岩应力分析

在柱坐标系和线弹性力学的基本假设条件下[14-15]，Fairhurst 基于连续介质力学推导得到的任意井井眼围岩应力分布表达式为：

图1 X-01V 井3 号煤层地应力解释剖面图

变换坐标系如图2 所示，新坐标系的z 轴平行于井眼轴线，x、y 轴位于垂直井眼轴线的截平面内。

图2 原地应力坐标转换图

变换后的原地应力分量与原地应力σH、σh、σv间的关系为：

3.3 水平井安全密度窗口

Mohr-Coulomb 准则是井壁稳定性判断最为广泛的强度准则[16-19]，X-01H 井采用Mohr-Coulomb 准则和拉伸屈服准则，联立公式（7）和以下公式，计算3 号煤层顶板水平井安全钻进的钻井液密度窗口（ρm，ρf）介于1.15 ～1.81 g/cm3，调节的范围较宽，依靠钻井液密度来保持井壁稳定切实可行。

4 顶板水平井压裂段射孔位置“双曲线”优选技术

4.1 水平段井身轨迹与目标煤层的相对位置曲线

煤层气水平井随钻测井数据包括井眼顶、底部自然伽马值和井眼附近围岩平均伽马值，通过随钻自然伽马数据与周围钻孔目标煤层及顶底板自然伽马数据进行空间对比，结合地层起伏信息，确定水平井水平段井身轨迹与目标煤层的相对位置，绘制水平井与目标煤层的相对位置曲线。

4.2 水平段井身轨迹泥质含量曲线

X-01H 井水平段井身轨迹90%在煤层顶板，10%在煤层底板，计算泥质含量时，井身轨迹在煤层顶板时，自然伽马数据取值取下行伽马值，井身轨迹在煤层底板时，自然伽马数据取上行伽马值，通过测井泥质含量计算模型，计算水平段不同位置泥质含量，绘制水平井水平段泥质含量曲线。

4.3 压裂段射孔位置“双曲线”优选法

X-01H 井压裂施工初期，依据水平段井身轨迹距离煤层小于1 m、避开套管接箍、各压裂段距离分散和固井质量良好的原则，优选8 个压裂层段施工，压裂第1 段和第2 段施工正常，压裂第3 段和第4 段时，施工压力很大，加砂率低，分析原因发现第1 压裂段和第2 压裂段距离煤层近，泥质含量小于50%，第3 压裂段和第4 压裂段泥质含量达68%。在泥岩段进行压裂改造，由于泥岩高弹性模量、低泊松比的力学特性和黏土矿物遇水膨胀的影响，会导致泵压增高和加砂困难[20-21]，为降低破裂压力和储层改造难度，射孔段应尽量选在泥质含量较低层段，综合第1 段和第2 段压裂施工情况，泥质含量50%设定为X-01H井射孔位置选择上限，后续对第3 段和第4 段按设定泥质含量上限，优化射孔位置，进行第二次压裂改造，施工顺利，且对第5 段和第6 段射孔位置进行微调（图3），后续4 段施工的压力介于22 ～27 MPa，平均砂比12%，加砂完成率达110%。压裂曲线如图4 ～7所示。

图3 X-01H 井水平段分段射孔位置图

图4 第3 段第一次压裂施工曲线图

图5 第3 段第二次压裂施工曲线图

图6 第4 段第一次压裂施工曲线图

5 应用效果

X-01H 井埋深介于703.0 ～706.0 m，煤厚5.35 m，水平段长度约748.6 m，结合地应力解释结果和地形情况，水平井井身轨迹方位设计为ES10°，钻井过程中，利用安全钻进密度窗口，结合方向伽马+ 视电阻率随钻测井控制技术，X-01H 井水平段钻井周期8 d，无卡钻和塌孔问题发生，完钻后，储层改造过程中，通过水平井水平段泥质含量曲线和井眼轨迹相对位置曲线优化第3压裂段至第6压裂段射孔位置，施工压力平稳，加砂完成率达110%，截至2020 年1 月，累计产气168×104m3，日产气突破10 000 m3（图8）。

图7 第4 段第二次压裂施工曲线图

图8 X-01H 井产气量图

6 结论

1）煤层的煤体结构不同会影响储层压力对地应力的贡献，引入形变系数对组合弹簧模型进行修正，修正后组合弹簧模型解释精度达93%，结合拉伸屈服准则和摩尔库伦剪切定律，确定赵庄井田煤层顶板水平井安全密度窗口符合实际生产需求。

2）通过煤层顶板水平井水平段井眼轨迹相对位置曲线和水平段泥质含量曲线，优化X-01H 井第3压裂段至第6 压裂段射孔位置，压裂施工压力平稳，加砂量得到极大改善。

3）研究形成两个基于测井信息的碎软低渗煤层顶板水平井煤层气抽采关键技术：①利用修正后组合弹簧模型评价煤系地应力的测井评价方法；②煤层顶板水平井“泥质含量曲线和井眼轨迹相对位置曲线”射孔位置优选技术。现场应用取得了良好产气效果。

4）上述关键技术对于含煤盆地复杂构造区煤层气勘探开发有着重要的理论和实际意义。