煤层可压性评价方法研究及应用

钱玉萍

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，河北三河 065201）

对于岩石脆性的评价，主要有三种方法。一种是利用岩石中脆性矿物含量占总矿物含量的百分比来表示岩石的脆性[1-2]。一种是采用杨氏模量和泊松比计算得到，是测井上最常用的计算脆性的方法[3-4]。还有一种是采用应力应变曲线，它反映的是岩石变形破坏过程的特征，是室内脆性评价的重要方法。对于岩石可压性的评价，许多学者也作了一些工作，主要从岩石的脆性指数、断裂韧性、岩石力学特性等三个方面开展研究[5-7]。唐晓明提出利用钻井过程导致的井壁附近岩石波速变化来综合评估岩石脆裂性的方法[8]。

相对于其它岩石来说，煤层具有其特殊性，煤岩质地较软，且煤岩是具有双重孔隙介质的岩石，既有微孔隙，又发育大量微裂隙，煤岩质地软增加了压裂的难度，而微裂隙的发育又使得裂缝起裂及扩展更加容易。所以对于煤层可压性的评价需要综合考虑煤岩基质、微裂隙的发育等多种因素。本文通过对比基于岩石力学参数与基于弹性波径向变化这两种评价可压性的方法，探讨哪一种方法对煤层可压性评价更为有效实用，为正确评估煤层可压性提供指导意见。

1 煤层可压性评价方法

1.1 基于岩石力学参数的脆性指数法

这种方法是测井比较常用的方法，通过阵列声波资料求取纵、横波速度，结合密度计算杨氏模量和泊松比，再根据以下公式计算，取归一化后的杨氏模量及泊松比的平均值作为脆性指数。

式中：E为杨氏模量， MPa；Emin和Emax分别是某一地区或某一岩性的最小杨氏模量和最大杨氏模量值，MPa；μ 为泊松比，μmin和μmax分别是某一地区或某一岩性的最小泊松比和最大泊松比，无量纲；EBrit为归一化的杨氏模量，μBrit为归一化的泊松比，脆性指数BBrit为杨氏模量E与泊松比μ归一化后的均值，均无量纲。

1.2 基于弹性波速径向变化评价脆性的方法

钻井过程中，由钻头撞击、地层应力释放或泥浆侵入等引起的岩石机械破损，会导致井壁附近产生大量的微裂隙（图1），微裂隙的出现就会导致井壁附近地层速度的降低。利用基于弹性波速径向变化进行脆性评价的根据是，受钻井等因素影响，相对于脆性差的岩石来说，脆性好的岩石产生的微裂缝较多，速度降低更加明显，所以可以应用弹性波速径向变化量的大小来反过来评价岩石的脆性[8-9]。

图1 实际地层井壁附近破损图Fig. 1 Damage diagram of the actual formation near borehole

采用B.E.Hornby提出的射线追踪法[10]建立纵波径向速度剖面。Hornby假设井壁附近地层的慢度在井的轴向和径向都有变化，用x=(xr,xz)来表征图2中模型任一点的径向和轴向位置，u(x)表示未知的慢度函数，声波沿任一射线路径的走时tk由下式的慢度积分表示：

图2 速度径向变化地层中的声波射线路径示意图Fig. 2 Schematic diagram of acoustic ray paths in radial acoustic velocity variation formation

式中：tk为声波传播路径，ft（英尺）；Tk(u)是声波在地层中所走过的最短路径，ft（英尺）；u(x)为慢度函数，μs/ft。由于射线路径Tk(u)依赖于慢度函数u(x)，因此tk和u(x)的函数关系是非线性的，因而产生反演的非唯一性。在反演计算的时候，走时tk为从单极阵列波形中提取的纵波走时，也就是说走时tk是已知的，且每个接收器上的波形都有一个走时tk。为解决反演的非唯一性问题，利用代数重建法将测得的tk离散化为u(x)的线性叠加，得到关于这些未知数的线性方程组，求解得到这些u(x)，即得到径向速度剖面。

2 应用效果

对SX煤层气井的煤层及顶底板岩石力学参数及脆性进行了计算（图3），结果显示煤层(图中黑框所示)的纵、横波时差较大，体积模量、切变模量、杨氏模量相对于顶底板较低，泊松比、纵横波速比、体积压缩系数较高，煤层的脆性指数极低，反映煤层的脆性较差，即可压裂性较差。这是根据岩石力学参数的分析结果。

图3 SX煤层气井岩石力学参数及脆性指数成果图Fig. 3 Results of rock mechanics parameters and brittleness index of SX coalbed methane well

对SX煤层气井压裂前、后均进行了径向速度剖面的处理（图4），图中显示，压裂前，煤层段径向速度变化最为明显，说明在钻井过程中，即在钻井对围岩所做的破坏性力学试验中，相对于上下的砂泥岩段，煤岩表现出来的可钻性是最好的，反映煤岩的可压性是最好的。这个结论实际上是与上述基于岩石力学参数计算的脆性结果是相反的。

图4 SX煤层气井压裂前后径向速度剖面Fig. 4 Radial velocity profile before and after fracturing of SX coalbed methane well

该井对煤层段进行了压裂，通过压裂前、后速度剖面的对比（图4），可以看出，煤层段压裂效果较好，并未压穿围岩段，也侧面证实了煤层的可压性相较于上下砂泥岩段要好。

基于岩石力学参数计算的脆性结果与基于弹性波速径向变化反映的脆性互相矛盾主要是因为煤岩中大量发育的微裂隙及钻井造成的裂缝发育均极大地降低了岩石的模量，岩石杨氏模量的降低使得计算的脆性指数降低明显，反映煤岩脆性较差，所以不能真实反映微裂缝对地层可压性的影响；而径向速度剖面本身反映的就是在岩石基质骨架、微裂缝发育等机制共同作用下，钻井对岩石的机械破坏。受钻井影响，煤岩本身发育的割理、微裂缝会导致井眼附近煤层速度降低更加明显，即割理、微裂缝的发育是煤层可压性强弱的关键因素。

3 结论

（1）本文通过对比基于岩石力学参数与基于弹性波径向变化这两种评价可压性的方法，探讨了哪一种方法对煤层可压性评价更为有效实用，为正确评估煤层可压性提供指导意见。

（2）通过文中实例分析可看出，基于岩石力学参数计算的脆性结果与基于弹性波速径向变化反映的脆性是互相矛盾的，主要是因为煤岩中大量发育的微裂隙及钻井造成的裂缝发育均极大地降低了岩石的模量，岩石杨氏模量的降低使得计算的脆性指数降低明显，反映煤岩脆性较差，所以基于岩石力学参数计算的脆性不能真实反映微裂缝对煤层可压性的影响。

（3）径向速度剖面本身反映的就是在岩石基质骨架、微裂缝发育等机制共同作用下，钻井对井壁岩石机械破坏造成的弹性波速径向变化。所以对于煤层，基于弹性波速径向变化评价脆性的方法能够更好地反映煤层的可压性强弱。