通过煤层气井割理特征描述优化完井

通过煤层气井割理特征描述优化完井
摘要：裂缝系统构成了煤层气藏的主要流通通道，在煤层中这些裂缝也称作割理，它们决定了储层的特点和储层流体的流动能力。

通常割理与割理之间是相互正交的，与层理之间是相互垂直或者接近垂直的。

标准的测井曲线，如密度、中子、自然伽玛和电阻率曲线，能解释煤层的一些物理特性，但是这些测井曲线以及标准测井评价方法仍然很难解释割理的性质和发育程度。

煤层气井可能要穿过多个储层，合理描述割理特点有利于决定应对那些储层实施完井以及采用什么样的完井方法（如洞穴完井、裸眼完井、定向射孔完井），以优化生产。

煤层中高的割理密度是煤层气藏具有较强流动能力的必要条件，割理的主要方向以及与它相关的原始水平地应力的方向也通过割理影响流体的流动能力，这些是选择合理完井方法的基础。

在这篇文章中，我们将把印度哈尔肯德邦煤层气井的声波全波列测井和高分辨率电子成像测井的资料综合起来，以试图确定理想的完井方案。

我们将介绍P波和S波慢度变化以及斯通利波折射系数是怎样解释割理密度变化的，以及怎样通过微电阻率测井图像分析裂缝系统，以进一步确定割理密度。

割理方向是通过观察高分辨率电阻率图像中裂缝的详细构造来确定，最大水平应力方向是通过分析声波的各向异性来确定，然后综合最大应力方向和层理方向认识煤层，以提高流体产能。

我们将在考虑割理密度、应力方向、割理方向和井壁稳定的基础上，为煤层气井完井方法的选择提供一些指导和建议。

简介
煤层气藏是具有双重渗透系统的气藏，它特点是低渗透的基岩部分通过高渗透垂直或接近垂直（相对于层理）的裂缝部分连接。

连续延伸的裂缝称为面割理，不连续相对较短的裂缝称为端割理。

在煤层中，由于几何形态和连通性的变化，普遍存在面割理和端割理有效渗透率的各向异性]6][5[，图1展示了煤层中的割理系统。

图1 煤层中的裂缝系统
割理系统的渗透率是煤层气藏非常重要的性质，如果割理渗透性差，气藏就不能获得具有经济价值的产量，除非有非常发育天然裂缝系统和井壁相连通。

割理的程度、割理网的性质以及割理系统的连通性在各煤层中都是不断变化的，它们对生产特征甚至多层合采生产方案都有非常重要的作用。

本文将描述一种先进的割理特征描述方法，这种方法主要用声波全波列测井和微电阻率成像测井去识别和解释煤层的性质，以优化生产。

目前研究的井在180米长的地层段中已经钻出了8煤层，通过声波全波列测井和高分辨率电阻率成像测井对割理系统的特征进行描述，以确定各煤层的质量。

这种综合评价方法包括了对割理系统的评价以及与割理系统相关的近井壁应力的评价，制定了完井规范，确定了未来产量的影响因素。

问题阐述
更好理解煤层中割理的发育程度，对了解生产规律和制定完井标准起着至关重要的作用。

通常用密度、伽玛射线和电阻率去描述和确定煤层气藏的潜力。

然而上面提到的所有测井方法可能会受现场次生矿物、煤层性质和井眼状况的影响，因此，并不能为割理发育程度提供有结论性的依据。

本次研究，从X30-Z10层段中共确定了8个煤层，煤的密度在1.45-1.55 gm/cc 之间，压缩慢度值在122-133us/ft之间。

图2展示了不同煤层的综合测井资料。

对于未来的开发，单纯依靠标准的测井分析方法很难认识煤层，而且在多层合采的情况下也很难确定每个产层的特征。

下面将讨论以声波和成像测井响应为基础的割理评价方法，它能够根据割理系统的连通性确定煤层的等级，然后为理想完井方案制定标准。

理论和方法
电阻率成像测井分析
井眼电子成像测井图像具有非常高的分辨率，这些图像是使割理和裂缝系统可视化，并且还可以通过倾角数据确定割理的方向。

分析倾角数据能够识别原生和次生裂缝系，以及它们的方向和它们在三维空间中的关系。

使用成像测井，天然裂缝、机械诱发裂缝以及它们的几何形态都能够清楚的被识别。

在测井图像中，天然裂缝连续性强、方向不单一，而且有多种多样的形态。

井眼破裂和钻井诱发的裂缝往往出现在优选的方向上，这依赖于局部应力和井眼的方向。

割理是由于干燥、岩化、煤化和构造地应力共同作用的形成。

煤层中的割理空间大小从1/4到几英寸不等。

割理空间大小受煤的等级和煤层厚度的影响。

煤层中割理数目往往与煤的等级，镜质组的含量、矿物质含量和储层构造活动有关。

割理发育的程度和变化能在测井图像上看到。

图3中，大多数小割理都集中在单个煤层中，而图4中，大割理往往穿过多个煤层，这使得煤层具有更大垂直连通性。

图2：不同煤层的体积密度、中子孔隙度，光电效应、P波慢度、S波慢度和斯通利波慢度曲线，在大多数煤层，P波的慢度范围为122-130微秒/英尺，密度的范围为1.45-1.55千克/立方厘米。

图3 局限于单个煤层的小割图4 穿过多个煤层的大割理，
理，垂直连通性低垂直连通好
利用成像测井对裂缝进行定量分析能够确定裂缝的一些属性，如长度、密度、孔径和孔隙度。

在裂缝分析中，首先对浅层电阻率测井进行校正，然后通过渗入带电阻率、泥浆电阻率和充满导电泥浆开启裂缝的过剩电流之间的关系计算裂缝开度。

裂缝开度与电流增加的总量成正比，其数学表达式为：
b Rxo
b
∙
=1
∙
W
∙
A
Rm
c-
式中：W—裂缝开度；b—常数，b<1；A—电极的供电电流；c—与仪器有关的常数；Rm—泥浆电阻率；Rxo—渗入带电阻率]3[。

声波测井分析
声波全波波形在煤层气中的传统应用是弄清楚应力剖面、圈定煤层边界等。

现在，一种去确定割理密度的新应用已经发展。

声波全波列测井分析能确定裂缝的特点]4[。

煤是一种软岩石、单极源岩，不能产生横波。

慢度只能从偶极弯曲波形中提取，用Vp-Vs（P波慢变与S波慢变的比值）的比值到P波慢度变化的交会图，研究P波和S波慢度与每一部分的关系。

图 5 在裂缝系统发育的煤层（煤层7）大部分割理倾斜角都超过65°，主要裂缝组的走向方位角朝NW-SE
S波慢度是剪切模量的测量值，剪切模量也称作刚度模量。

像煤这样的软岩石中厚裂缝的存在往往会减少地层的刚度，相反，却能增加S波慢度。

割理程度高的煤层，Vp-Vs的比值也高。

煤层6和煤层7显示Vp-Vs的比值在2.65-3之间，而在浅煤层这个值将增加。

图6展示
了全部层段的Vp-Vs的比值，其中粉红色的点代表的是煤层6和7的Vp-Vs的比值。

根据这种方法，煤层6和7在全井中具有最高的割理密度。

Vp-Vs的比值与DTCO交会图的对比将在下面讨论。

图6 Vp-Vs比值与P波慢度的交会图，红色和洋红色点表示当Vp-Vs比值在2.6-3范围时煤层6和煤层7的响应
斯通利波波形对地层—井筒界面非常敏感。

众所周知，开启裂缝的存在和渗透性会影响慢变和引起斯通利波的衰减。

斯通利波反射率分析用于识别导电性裂缝]2[。

然而在割理非常发育的煤层，大部分能量都衰减而且反射能量可以忽略不计。

在能量衰减测量的情况下，折射系数（STTC）能更好的解释裂缝和割理发育程度。

低的折射系数和反射系数意味着非常高的衰减，这种高的衰减是由高的割理引起的，在煤层6和煤层7中折射系数（STTC）在0.65-0.75之间，在浅煤层中也有相同的增加。

图7展示了STTC在煤层中7的测量结果。

不同煤层之间的STTC比较将在下面的章节中介绍。

煤层8，可计算高折射系数，显示出好的反射系数吗？在如此低割理发育的层，反射系数分析对裂缝的评价仍有较好的效果。

上面两种方法对割理程度提供了一种定性的测量，它们通过与另一种测井方法—电阻率成像测井相结合来确定割理密度，下面的章节将对这进行讨论。

利用弯曲声波的各向异性去计算横波方位角]1[，一般情况下它代表当前最大水平应力方向。

这种分析展示了煤的各向异性以及横波的方位角走向NW-SE（图8）。

在下面我们将讨论当前最大水平应力方向与割理方向之间的关系。