一种基于力学地层学的煤储层工程甜点评价方法

本发明属于煤层气地质与勘探开发，具体涉及一种基于力学地层学的煤储层工程甜点评价方法。

背景技术：

1、煤层气作为一种重要的非常规天然气资源，在全球能源结构中占据重要地位。然而，由于煤储层通常具有低孔隙度和低渗透率的特点，需要储层改造才能形成工业产能。因此，准确评估煤储层的可改造性、进而进行准确的煤储层工程甜点评价是储层改造成功的前提。

2、虽然前人提供了多种煤储层工程甜点评价方法，但这些方法主要基于静态的地质和岩石力学数据，忽略了裂缝本身的形成和扩展过程，忽视了支撑剂的镶嵌对裂缝导流能力的影响，未能充分考虑人工裂缝沟通含水层对储层改造效果的负面影响，导致难以准确预测复杂地质条件下煤储层改造效果。而且前人提供的煤储层工程甜点评价方法多局限于二维评价，难以全面反应煤储层的三维可改造性特征。

3、若在煤储层工程甜点评价中引入力学地层学理论，通过测井解释查明煤系垂向力学层特征，通过组、段、力学段、层和力学层五级地层精细对比查明层面力学层特征，基于煤系垂向和层面力学层特征约束下结合三维地质建模软件建立高精度力学地层学三维地质模型，然后在模型框架下结合测试分析、数值模拟、物理模拟和理论分析，查明煤系力学地层学动态过程，能够为煤层气勘探与开发提供理论和技术支撑。

技术实现思路

1、本发明针对煤层气开发现状，立足于煤层气地质理论，面向煤层气开发技术，提供一种基于力学地层学理论的煤储层工程甜点评价方法。通过测井方法计算地质强度因子、镶嵌指数及突水系数等多个关键指标，继而对计算结果进行归一化处理，基于多层次模糊数学评判法计算了各指标的权重，建立了煤储层工程甜点评价模型，精确评价了煤储层垂向可改造性特征。

2、本发明首次提出了工程力学层的概念，并建立了煤储层可改造性工程力学层的划分标准，并对煤储层内部进行了工程力学层的划分和精细对比，将煤储层垂向可改造性评价扩展到了层面评价，并在此基础上进行了高精度三维地质建模，将传统的煤储层工程甜点评价由二维扩展到了三维，精确和可靠的评估了煤储层工程甜点的空间展布情况。该评价方法不仅为煤储层工程甜点的评价提供了依据，更为煤层气的地质工程一体化开发模式提供支撑。

3、为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

4、一种基于力学地层学的煤储层工程甜点评价方法，包括以下步骤：

5、步骤1：确定煤储层工程甜点评价指标；

6、步骤2：确定煤储层工程甜点评价指标计算方法；

7、步骤3：煤储层工程甜点评价指标计算结果归一化处理；

8、步骤4：各评价指标权重的确定和评价模型的建立；

9、步骤5：进行单井可改造性评价，并绘制力学地层学剖面图；

10、步骤6：建立煤储层可改造性工程力学层评价标准，并进行连井对比；

11、步骤7：三维地质模型的建立和工程甜点评价。

12、进一步的，步骤1中主要包括：选择煤系力学地层学静态特征中岩体力学属性的地质强度因子表征天然裂缝发育特征、选择岩体力学脆性指数表征人工裂缝形成难易程度、选择临界应变能释放率表征裂缝进一步延伸需要能量的多少、选择地应力差异系数表征压裂裂缝网络的复杂程度、选择破裂压力表征储层破裂形成裂缝所需要的压力大小、选择镶嵌指数表征储层改造后支撑剂发生镶嵌的难易程度；同时，选择煤系力学地层学静态特征中流体力学属性的突水系数表征储层改造沟通含水层的可能。

13、进一步的，步骤2，各评价指标的计算方法如下：

14、步骤2.1，地质强度因子计算公式为：

15、gsi＝a×calav+b×den+c×cnl+d×ac+e×lnrd+f×lnrs+g(1)

16、式中，gsi为量化地质强度因子，无量纲；a，b，c，d，e，f为回归系数，无量纲；g为常数，无量纲；calav为平均井径，mm；den为补偿密度，g/cm3；cnl为补偿中子，pu；ac为补偿声波，μs/m；rd为深侧向电阻率，ω·m；rs为浅侧向电阻率，ω·m。

17、进一步的，步骤2.2，岩体力学脆性指数计算包括：

18、步骤2.2.1，利用横波时差、纵波时差，结合常规密度测井获取的地层体积密度计算煤储层的杨氏模量和泊松比：

19、

20、式(2)中，e为杨氏模量，mpa；ρ为地层体积密度，g/cm3；δts2为横波时差，μs/m；δtp2为纵波时差，μs/m；式(3)中，μ为泊松比，无量纲；δts2为横波时差，μs/m；δtp2为纵波时差，μs/m；

21、步骤2.2.2，对杨氏模量、泊松比进行归一化处理：

22、

23、式(4)中，ebrit为归一化杨氏模量，emax和emin分别为煤储层最大和最小杨氏模量，gpa；式(5)中，μbrit为归一化泊松比，μmax和μmin分别为煤储层最大和最小泊松比，无量纲；

24、步骤2.2.3，岩体力学脆性指数计算公式为：

25、

26、式中，bi为岩体力学脆性指数，无量纲；ebrit为归一化杨氏模量，无量纲；μbrit为归一化泊松比，无量纲。

27、进一步的，步骤2.3，临界应变能释放率计算公式为：

28、

29、式中，g为临界应变能释放率，j/m2；e为杨氏模量，mpa；μ为泊松比，无量纲。

30、进一步的，步骤2.4，地应力差异系数计算包括：

31、步骤2.4.1，孔隙压力计算公式为：

32、

33、式中，p0为孔隙压力，mpa；pi为上覆岩层压力，mpa；pn为正常地层孔隙压力，mpa；δtn为声波时差，μs/m；δts为同一深度正常压实曲线上的声波时差值，μs/m；c为压实指数，地区常数，无量纲，通过实测压力资料与测井数据联合反演求出；

34、步骤2.4.2，垂向地应力、最大水平主应力、最小水平主应力计算公式为：

35、

36、式中，σv为垂向地应力，mpa；ρ(h)为地层密度随地层深度变化的函数，kg/m3；μ为泊松比，无量纲；γ、β为水平方向上构造应力系数，无量纲；p0为孔隙压力，mpa；σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa；a为有效应力系数，无量纲，低渗储层一般取0.7；

37、步骤2.4.3，地应力差异系数计算公式为：

38、

39、式中，σ为地应力差异系数，无量纲；σh为最大水平主应力，mpa；σh为最小水平主应力，mpa。

40、进一步的，步骤2.5，破裂压力计算包括：

41、步骤2.5.1，泥质含量计算公式为：

42、

43、式中，vsh为目标层泥质含量值，无量纲；gcur为希尔奇指数，新生代地层取值3.7，老地层取值2.0，无量纲；igr为泥质含量指数，目标层自然伽马相对值，无量纲；gr为目标层的自然伽马曲线测井值，api；grmin为纯砂岩的自然伽马曲线测井值，api；grmax为纯泥岩的自然伽马曲线测井值，api；

44、步骤2.5.2，抗压强度计算公式为：

45、σc＝0.0045e(1-vsh)+0.008vshe(12)

46、式中，σc为抗压强度，mpa；vsh为目标层泥质含量值，无量纲；e为杨氏模量，mpa；

47、步骤2.5.3，抗拉强度计算公式为：

48、

49、式中，rm为抗拉强度，mpa；σc为抗压强度，mpa；

50、步骤2.5.4，破裂压力计算公式为：

51、pf＝3σh-σh-ap0+rm(14)

52、式中，pf为破裂压力，mpa；σh为水平最小主应力，mp；σh为水平最大主应力，mpa；a为有效应力系数，低渗储层一般取0.7；p0为孔隙压力，mpa；rm为抗拉强度，mpa。

53、进一步的，步骤2.6，镶嵌指数计算公式为：

54、

55、式中，mi为镶嵌指数，无量纲；σh为水平最小主应力，mp；p0为孔隙压力，mpa；σc为抗压强度，mpa。

56、进一步的，步骤2.7，突水系数计算公式为：

57、

58、式中，t为突水系数，mpa/m；p为底板隔水层承受的实际水头值，mpa；m为底板隔水层厚度，m。

59、进一步的，步骤3，对步骤2中求得的各评价指标进行归一化处理：

60、步骤3.1，对地质强度因子进行归一化处理：

61、

62、式中，gsi为量化地质强度因子，无量纲。

63、进一步的，步骤3.2，对步骤2.2中获取的岩体力学脆性指数进行归一化处理：

64、

65、式中，bi为岩体力学脆性指数，无量纲。

66、进一步的，步骤3.3，对临界应变能释放率进行归一化处理：

67、

68、式中gmax、gmin分别为最大、最小临界应变能释放率，j/m2。

69、进一步的，步骤3.4，对地应力差异系数进行归一化处理：

70、

71、式中，σ为地应力差异系数，无量纲。

72、进一步的，步骤3.5，对破裂压力进行归一化处理：

73、

74、式中，pf为破裂压力，mpa；pfmax为最大破裂压力，mpa；pfmin为最小破裂压力，mpa。

75、进一步的，步骤3.6，对镶嵌指数进行归一化处理：

76、

77、式中，mi为镶嵌指数，无量纲；mimax为最大镶嵌指数，无量纲；mimin为最小镶嵌指数，无量纲。

78、进一步的，步骤3.7，对突水系数进行归一化处理：

79、

80、式中，t为突水系数，mpa/m，突水系数的临界值在正常地质块段为0.1mpa/m，在构造破碎块段为0.06mpa/m。

81、进一步的，步骤4，采用模糊综合评判法确定各评价指标所占权重，具体步骤如下：

82、步骤4.1，确定地质强度因子、岩体力学脆性指数、临界应变能释放率、地应力差异系数、破裂压力、镶嵌指数相互之间的重要程度；

83、步骤4.2，建立判断矩阵a，其中的元素表示地质强度因子、岩体力学脆性指数、临界应变能释放率、地应力差异系数、破裂压力、镶嵌指数中任意两者之间的比例标度值；

84、步骤4.3，计算判断矩阵a的特征向量wi，并根据wi＝[w1 w2 w3 w4 w5 w6]t，计算归一化地质强度因子所占权重比例w1、归一化煤储层脆性指数所占权重比例w2、归一化临界应变能释放率所占权重比例w3、归一化地应力差异系数所占权重比例w4、归一化破裂压力所占权重比例w5和归一化镶嵌指数所占权重比例w6；

85、步骤4.4，依据突水系数判断储层改造能否沟通含水层：

86、突水系数独立于其他评价指标外，直接决定是否适合改造，若储层改造过程中沟通含水层则极易引起淹井事故，直接导致储层改造失败；

87、步骤4.5，建立煤储层可改造性计算模型：

88、fi＝(w1gsi+w2bi+w3g+w4σ+w5pf+w6mi)t(24)

89、式中，fi为可改造性指数，无量纲；gsi为归一化地质强度因子，无量纲；bi为归一化岩体力学脆性指数，无量纲；g为临界应变能释放率，无量纲；σ为归一化地应力差异系数，无量纲；pf为归一化破裂压力，无量纲；mi为归一化镶嵌指数，无量纲；t为归一化突水系数，无量纲。

90、进一步的，步骤5，进行单井可改造性评价，并绘制力学地层学剖面图，具体步骤如下：

91、步骤5.1，综合步骤2、3、4的结果，进行单井煤储层可改造性评价；

92、步骤5.2，绘制单井煤系力学地层学剖面图，包括地层单元、测井曲线(常规测井曲线+横波时差+纵波时差)、井深(垂深)、地层岩性、各评价指标和可改造性指数。

93、进一步的，步骤6，建立煤储层可改造性工程力学层评价标准，并进行连井对比：

94、步骤6.1，依据可改造性系数将煤储层划分为三类可改造性工程力学层，i类为可改造指数大于等于0.65的可改造性强的煤储层；ii类为可改造指数介于0.5～0.65的可改造性中等的煤储层；iii类为可改造指数小于等于0.5的可改造性弱的煤储层。

95、步骤6.2，查明研究区各煤层气井煤储层可改造性力学层相序特征，建立研究区煤储层可改造性力学层标准相序。

96、步骤6.3，依据研究区煤储层可改造性力学层标准相序，进行全区煤储层可改造性力学层的连井对比。

97、进一步的，步骤7，建立三维地质模型并提出煤储层工程甜点评价方法：

98、步骤7.1，数据处理后进行构造建模和各指标的属性建模；

99、步骤7.2，对模型进行粗化与输出，建立高精度煤储层力学地层学三维模型；

100、步骤7.3，输出结果，对煤储层工程甜点进行评价。

101、进一步的，基于一个总的发明构思，本发明还提供了基于上述评价方法建立的煤储层工程甜点评价模型。

102、进一步的，本发明还提供了所述评价模型在提高煤储层工程甜点预测准确性和可靠性方面的应用。

103、本发明采用煤系力学地层学理论和方法，为背景技术中提到的现有技术中煤储层工程甜点评价方法中存在的技术问题，提供了解决方案，具有良好的应用前景。

104、与现有技术相比，本发明的优势在于：

105、本发明提供了一种基于力学地层学理论的煤储层工程甜点评价方法，综合利用地质强度因子、岩体力学脆性指数、临界应变能释放率、地应力差异系数、破裂压力、镶嵌指数和吐水系数等多个关键指标，建立了煤储层可改造性评价模型，有效评估煤储层的垂向可改造性特征。

106、本发明首次提出了工程力学层的概念，并建立了可改造性工程力学层的划分标准，在煤储层内部进行了可改造性工程力学层的划分和精细对比，将煤储层垂向可改造性评价扩展到了层面评价。

107、本发明在垂向可改造性特征和层面可改造性特征的约束下，进行了高精度三维地质建模，将传统的煤储层工程甜点评价由二维扩展到三维，精确地评价了煤储层工程甜点的三维展布特征。该评价方法不仅搭建起了煤层气地质与开发之间的桥梁，更为煤层气的科学开发提供了理论基础和技术支撑。

技术特征：

1.一种基于力学地层学的煤储层工程甜点评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中主要包括：选择煤系力学地层学静态特征中岩体力学属性的地质强度因子表征天然裂缝发育特征、选择岩体力学脆性指数表征人工裂缝形成难易程度、选择临界应变能释放率表征裂缝进一步延伸需要能量的多少、选择地应力差异系数表征压裂裂缝网络的复杂程度、选择破裂压力表征储层破裂形成裂缝所需要的压力大小、选择镶嵌指数表征储层改造后支撑剂发生镶嵌的难易程度；同时，选择煤系力学地层学静态特征中流体力学属性的突水系数表征储层改造沟通含水层的可能。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，各评价指标的计算方法如下：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，对步骤2中求得的各评价指标进行归一化处理：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，采用模糊综合评判法确定各评价指标所占权重，具体步骤如下：

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，进行单井可改造性评价，并绘制力学地层学剖面图，具体步骤如下：

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤6中，建立煤储层可改造性工程力学层评价标准，并进行连井对比，具体步骤如下：

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤7中，提出煤储层工程甜点评价方法：

9.采用权利要求1-8任一所述评价方法建立的煤储层工程甜点评价模型。

10.权利要求9所述的评价模型在提高煤储层工程甜点预测准确性和可靠性方面的应用。

技术总结
本发明属于煤层气地质与勘探开发技术领域，具体涉及一种基于力学地层学的煤储层工程甜点评价方法。本发明的方法包括，步骤1：确定煤储层工程甜点评价指标；步骤2：确定煤储层工程甜点评价指标计算方法；步骤3：煤储层工程甜点评价指标计算结果归一化处理；步骤4：各评价指标权重的确定和评价模型的建立；步骤5：进行单井可改造性评价，并绘制力学地层学剖面图；步骤6：建立煤储层可改造性工程力学层评价标准，并进行连井对比；步骤7：三维地质模型的建立和工程甜点评价。本发明所述评价方法不仅为煤储层工程甜点的评价提供了理论依据，更为煤层气的地质工程一体化开发模式提供技术支撑。

技术研发人员：孙长彦,程驰,王婷婷,张勐,王乾
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5