鄂尔多斯盆地东缘佳县地区石炭系本溪组8号煤储层脆性评价及开发有利区预测

Brittleness Evaluation and Favorable Development Zone Prediction of the No.8 Coal Reservoir in the Carboniferous Benxi Formation， Jiaxian Area， Eastern Margin of the Ordos Basin

摘要

鄂尔多斯盆地佳县地区深部煤层气资源丰富，目前对煤储层脆性特征研究程度较低，明确脆性特征对深部煤层气开发具有重要意义。基于阵列声波测井、常规测井资料及三轴岩石力学实验，综合考虑力学参数和矿物成分的影响构建了煤层脆性测井评价方法，分析了脆性对煤层力学特征及煤岩学特征的控制作用，明确了本区脆性分布特征。结果表明，佳县地区8号煤层具有上部脆性低、下部脆性高的纵向特征。脆性指数与抗压强度呈负相关，且与宏观煤岩类型、煤体结构均有明显的相关关系：半暗煤、半亮煤、光亮煤的脆性逐渐增强；原生煤、碎裂煤、碎粒煤的脆性逐渐增强。表明煤层黏土矿物含量越低，脆性越强。研究区水力压裂主缝长随煤层脆性指数的增加先升后降，脆性指数居中（45 ~ 60）利于压裂裂缝扩张。基于脆性指数与煤层含气性预测了三类煤层气开发有利区，其中Ⅰ类有利区产气效果好，单井日产气量基本高于3.0 × 10⁴ m³，能够有效指导深部煤层气开发有利区预测。

Abstract

The deep coalbed methane （CBM） resources in the Jiaxian area of the Ordos Basin are abundant； however， studies on coal brittleness characteristics remain limited. Clarifying brittleness features is of great significance for the development of deep CBM. Based on array acoustic logging， conventional logging data， and triaxial rock mechanical experiments， a logging-based coal brittleness evaluation method was established by comprehensively considering the effects of mechanical parameters and mineral composition. The controlling effects of brittleness on the mechanical properties and coal petrological characteristics were analyzed， and the spatial distribution of brittleness in the study area was clarified. The results indicate that the No.8 coal seam in the Jiaxian area exhibits a vertical pattern of lower brittleness in the upper part and higher brittleness in the lower part. The brittleness index shows a negative correlation with compressive strength and displays clear relationships with macroscopic coal lithotypes and coal structure： brittleness increases progressively from semi-dull coal to semi-bright coal and bright coal， and from primary coal to fractured coal and granular coal. This suggests that lower clay mineral content corresponds to higher coal brittleness. In the study area， the length of the main hydraulic fracturing fractures increases initially and then decreases with increasing coal brittleness index， with a moderate brittleness index （45-60） being most favorable for fracture propagation. Based on the relationship between brittleness index and gas content， three types of favorable CBM development zones in the No. 8 coal seam were predicted. Among them， Type I favorable zones exhibit good gas production performance， with single-well daily gas production generally exceeding 30，000 m³， effectively guiding the prediction of favorable zones for deep CBM development.

Graphical abstract

关键词

力学参数 / 测井评价 / 脆性指数 / 煤岩学特征 / 有利区预测 / 深部煤层气 / 本溪组 / 鄂尔多斯盆地

Key words

mechanical parameter / logging evaluation / brittleness index / coal petrological characteristics / favorable zone prediction / deep coalbed methane / Benxi Formation / Ordos Basin

0 引言

我国煤层气资源丰富，埋深2000 m以下的深部煤层气资源量为40.71 × 10¹² m³，开发潜力巨大^［1］。煤层气开发利用是实现清洁能源供应和“双碳”目标的重要途径^［2］。近年来，随着深部煤层气勘探开发的逐渐深入，深部煤储层仍然面临着“高地应力、低孔、低渗、高非均质性”的特点，开发难度大^［3］。压裂规模的提升是实现深部煤层气产量突破的关键，目前水力压裂是我国煤层气主要增产手段，而脆性指数是决定水力压裂能否产生大规模缝网的重要力学参数^［4-5］。构建合适的煤储层脆性评价方法，对深部煤层气压裂增产具有重要指导意义。

为了准确预测岩石脆性，前人提出了基于矿物成分、力学参数或测井数据评价储层脆性的方法。通常，石英含量高的岩石更脆，而黏土含量高的则更塑性。在页岩气开发中，常用基于矿物成分与含量计算脆性指数的方法^{［6 - 7］}。但煤属高脆性岩石，具有较低应变易破坏、高回弹能的特点，需要着重考虑力学参数的影响，因此在煤中应用最为广泛的是力学参数法^［8］。基于力学参数评价储层脆性涉及杨氏模量和泊松比。通过超声波脉冲法及单轴、三轴力学压缩实验获得动、静态岩石力学参数，但岩心实验仅能获得单点参数^{［9 - 10］}。因此，基于测井数据的煤层力学特性研究应用广泛。利用阵列声波、常规测井资料将弹性模量、泊松比与岩石密度相结合，计算煤层脆性指数^{［11 - 13］}。但不同地区煤的力学性质受构造应力影响，需要根据研究区的实测数据确定杨氏模量和泊松比的取值范围^{［14 - 15］}。并且，当前基于测井曲线构建的脆性指数计算模型局限于提高力学参数的计算精度，缺乏对脆性指数影响因素的研究。

针对目前在煤储层脆性特征研究的不足，笔者基于鄂尔多斯盆地东缘佳县地区8号煤层的阵列声波测井、常规测井资料及三轴岩石力学实验建立了煤层力学参数动静态转换模型，考虑了矿物成分对煤储层脆性的影响，综合利用煤储层力学参数和矿物成分构建了煤层脆性评价方法，并对研究区8号煤储层的脆性特征及其与其它力学参数、宏观煤岩类型、煤体结构及裂缝扩展规律进行了分析，最后结合脆性指数与煤层含气性预测了研究区深部煤层气开发有利区。

1 地质概况

佳县地区位于鄂尔多斯盆地东缘，地处伊陕斜坡二级构造单元内，区内构造简单，为一自东向西倾的大型单斜构造，断层不发育。研究区自下而上发育奥陶系、上石炭统本溪组、下二叠统太原组、下二叠统山西组和中二叠统石盒子组等地层^{［16 - 28］}。主要含煤地层位于本溪组、太原组及山西组（图1）。其中，本溪组8号煤层埋深1900 ~ 2600 m，煤层稳定发育且厚度大，为6 ~ 14 m，平均厚度约为8.5 m，最大镜质体反射率为1.5% ~ 1.9%，属烟煤；宏观煤岩类型以亮煤和半亮煤为主；煤体结构主要为原生结构，少量发育碎裂结构，整体结构完整、利于压裂；煤层水分质量分数为0.4% ~ 1.1%；灰分质量分数为5.8% ~ 38.8%；挥发分产率为11.0% ~ 25.0%，具有特低水分、中-高灰分和中-高挥发分产率的特点；显微组分测试结果表明，镜质组体积分数在57.9% ~ 88.1%，惰质组为9.2% ~ 23.8%，壳质组在0.4 % ~ 4.0 %，矿物组分为5.8% ~ 25.5%，矿物成分以黏土矿物为主。佳县地区发育深水草本沼泽相为主，少部分发育覆水森林沼泽相及湿地草本沼泽相煤相类型；顶板和底板主要为泥岩，封盖条件好；煤层总含气量为17.7 ~ 22.8 m³/t，平均含气量为20.56 m³/t，含气性较好。是深部煤层气开发的主要目标层，也是本次研究的目标层位。

2 基于测井的煤储层脆性评价模型

煤层脆性是力学特征和材料特征的综合反映。因此，需要综合分析煤岩特征，充分利用地质、地球物理测井资料构建煤储层脆性评价模型。

2.1 横波时差预测模型

纵波时差及横波时差是计算岩石力学的关键参数，两者均可由阵列声波测井获取，而常规测井仅能获得纵波时差。由于阵列声波测井成本较高，所以绝大部分煤层气井缺少横波时差数据，无法计算岩石力学参数。因此需要利用常规测井资料预测横波时差。由于岩石力学特征受区域影响较大，经验公式不适用，因此，利用研究区32口井的阵列声波测井资料8号煤层的纵波时差和横波时差进行拟合，如图2所示，二者呈线性相关，相关系数达0.66，预测效果较好。据此得到横波时差预测公式：

\mathrm{\Delta }{t}_s=\mathrm{2.71}\mathrm{\Delta }{t}_c-\mathrm{195.45}(1)

式中，Δt_s为煤岩横波时差，μs/m；Δt_c为煤岩纵波时差，μs/m。

2.2 岩石力学特征

脆性指数是储层力学特征、矿物组成及孔裂隙结构的综合反应^［15］。杨氏模量和泊松比是表征煤岩脆性指数的主要岩石力学参数，其准确的静态值是由室内三轴岩石力学实验获取。以研究区8号煤层为实验样品，通过三轴岩石力学实验获得煤层应力应变曲线，根据煤样品在弹性变形阶段的应力应变曲线计算杨氏模量、泊松比、抗拉强度等力学参数，如表1。实验结果显示，测试围压在20 MPa到25 MPa之间，近似地层压力，能够更好地反映样品原位状态下的力学特征。同一口井的不同样品围压条件相同，杨氏模量及抗压强度差异明显，泊松比差异较小。整体样品的三轴实验杨氏模量为1.07 ~ 12.72 GPa，泊松比为0.11 ~ 0.54。

2.3 煤储层脆性指数评价模型的建立

声波在岩石中传播时，岩石颗粒受声波影响产生震动，进而产生弹性形变^［29］。因此，基于阵列声波测井提取纵波速度、横波速度，然后利用横波、纵波速度和补偿密度数据代入式（2）、（3）求取煤层的动态弹性力学参数，包括杨氏模量及泊松比^［30］：

E_{\mathrm{d}}=\frac{{\mathrm{10}}^{\mathrm{9}}\times {\rho }_s\times (\mathrm{3}\mathrm{\Delta }{t}_s^{\mathrm{2}}-\mathrm{4}\mathrm{\Delta }{t}_p^{\mathrm{2}})}{\mathrm{\Delta }{t}_s^{\mathrm{2}}(\mathrm{\Delta }{t}_s^{\mathrm{2}}-\mathrm{\Delta }{t}_p^{\mathrm{2}})}(2)

{\mu }_{\mathrm{d}}=\frac{\mathrm{\Delta }{t}_s^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}\mathrm{\Delta }{t}_p^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}\mathrm{\Delta }{t}_s^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}\mathrm{\Delta }{t}_p^{\mathrm{2}}}(3)

式中，E_d为动态杨氏模量，MPa；μ_d为动态泊松比；ρ_s为煤样密度，g/cm³；Δt_p、Δt_s分别为纵波时差、横波时差，μs/m。

岩石力学参数分为动态和静态，动态力学参数对煤储层力学性质是间接反映，而三轴岩石力学试验获得的静态力学参数是对煤储层力学性质的直接表征，更为准确。因此，在应用时需要利用将动态力学参数转换为静态^{［31 - 32］}。

由于三轴力学实验中不同围压条件下获得的力学参数值不同，进行动静转换时须进行数据筛选。煤层动态弹性模量随着围压的增加而增加，煤层动态泊松比随围压的增加而降低^［33］。因此，不同压力条件下测量的岩石力学参数不同，会影响脆性指数的计算。研究区8号煤层的实测地层压力约为24 MPa，为充分还原真实地层条件下8号煤层的脆性特征，选用围压为25 MPa的煤层岩石力学参数进行动静转换模型的构建。将式（2）、（3）计算得到的动态力学参数与实验获得的静态力学参数拟合，如图3，得到力学参数动静态转换公式：

式中，E_s为静态杨氏模量，MPa；μ_s为静态泊松比。

脆性既是一种变形特性又是一种材料特性。杨氏模量高的岩石通常更硬，脆性更强，而泊松比低的岩石更倾向于脆性。除力学参数外，煤层的矿物成分同样会影响煤的脆性特征。泥质含量越高塑性越强，则脆性越弱，因此将泥质含量（V_sh）引入脆性指数模型^［34］。由于泥浆颗粒的比表面积大，对放射性物质具有很强的吸附能力。伽马测井记录了岩石中放射性元素的强度，因此可以反映岩石的泥质含量^［35］。根据伽马测井评价泥质含量的模型如下：

V_{sh}=\frac{{\mathrm{2}}^{GCUR\cdot I_{GR}}-\mathrm{1}}{{\mathrm{2}}^{GCUR}-\mathrm{1}}(5)

式中，V_sh为泥质含量，%；GCUR为Hilchie指数，与地层地质年龄相关，一般古近系-新近系地层的GCUR = 3.7，老地层的GCUR = 2；I_GR为归一化后的伽马测井曲线，%。

将动静转换后的杨氏模量、泊松比及泥质含量进行归一化，如式（6）、（7）、（8），将结果代入式（9）即可得到煤层脆性指数。

E_B=\frac{E-E_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{E_{\mathrm{m}ax}-E_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}(6)

{\mu }_B=\frac{{\mu }_{\mathrm{m}ax}-\mu }{{\mu }_{\mathrm{m}ax}-{\mu }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}(7)

V_B=\frac{V_{sh}-V_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{V_{\mathrm{m}ax}-V_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}(8)

式中，E_B为归一化杨氏模量，MPa；E_max、E_min为杨氏模量的最大值、最小值，MPa；μ_B为归一化泊松比；μ_max、μ_min为泊松比的最大值、最小值；V_B为归一化泥质含量，%；V_max、V_min为泥质含量的最大值、最小值，%。

结合前人研究确定各因素对脆性指数的影响系数，最终构建脆性指数评价模型^［36］：

B=\mathrm{0.15}\times E_B+\mathrm{0.6}\times {\mu }_B+\mathrm{0.25}\times V_B(9)

式中，B为煤层脆性指数。

3 煤储层力学特性及开发有利区预测

3.1 煤层脆性特征

脆性指数是储层力学特征及矿物组成的综合反映。岩石力学参数、宏观煤岩类型、煤体结构类型、裂缝发育情况与排采曲线均与煤层脆性特征相关。所以，本文基于研究区8号煤层抗拉强度、宏观煤岩类型、煤体结构、裂缝扩展规律和排采数据对煤储层脆性指数评价方法的应用效果进行综合分析。

以研究区内J104，J201和J36三口典型井为例，基于测井曲线和脆性指数评价模型，计算8号煤层脆性指数并分析其变化规律（图4）。J104井中煤层脆性指数呈上部低、下部高的特征，并在2006.5 m及2010 m附近脆性指数、密度与自然伽马均出现异常值，其原因是煤层与顶板或夹矸接触面（煤层边界）泥质含量偏多，密度高、伽马高，进而导致储层脆性指数异常升高。其余纯煤层段的脆性指数仍有变化，说明煤层纵向非均质性较强，与宏观煤岩类型、煤体结构等特征相关。J201井中煤层脆性指数同样呈上部低、下部高的特征，并在2479 m附近受夹矸影响出现密度高、伽马高、脆性高的异常段。J36井中煤层脆性指数同样呈上部低、下部高的特征，相较前两口井，由于煤层段不含夹矸，因此未出现脆性异常段。三口井均有上部脆性低、下部脆性高的纵向特征，这是由于煤层下部在聚煤前期受原始碎屑物影响，泥质含量较高，脆性强；聚煤后期成煤环境稳定，煤质纯，脆性弱。

对研究区32口井的阵列声波测井资料进行处理分析，结合密度、伽马测井计算8号煤层脆性指数，计算煤层段的平均脆性指数，如图5。研究区8号煤层脆性指数为40 ~ 87，整体呈现西南高、中部低、东北高的趋势，整体变化较为平缓。脆性平面规律与煤层最大水平方向主应力平面规律相关，总体趋势上表现为最大主应力越大，脆性指数越高。但两者在细节处仍有差异，表明除与现今地应力大小相关外，煤层脆性受煤岩学特征影响，因此对脆性与力学性质和煤岩学特征进行了分析。

3.2 煤层脆性与抗压强度的关系

将研究区内5口实验井的29块样品不同围压下的抗压强度与脆性指数进行相关性分析，如图6，结果表明不用围压条件下，抗压强度均与脆性指数具有一定的负相关关系。饱水状态下，煤层中水充当润滑剂，岩石内摩擦力减小，力学强度降低^［36］。煤层脆性指数越大，越容易被破坏，则煤层力学强度降低，抗压强度越弱。

3.3 煤层脆性与煤岩学特征的关系

根据18口井的岩心描述成果统计8号煤层的宏观煤岩类型及煤体结构，分别与脆性指数进行相关性分析，结果显示煤层脆性指数与宏观煤岩类型与煤体结构均有明显的相关关系（图7）。

参考GB/T 18023—2000《烟煤的宏观煤岩类型分类》，分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。研究区暗淡煤不发育，因此只对光亮煤、半亮煤、半暗煤进行分析（图7（a））。结果显示光亮煤、半亮煤、半暗煤的脆性逐渐增强。统计不同宏观煤岩类型的矿物成分及含量（表2），数据显示暗煤中黏土矿物含量高于亮煤（图7（b）），与常规认识一致^［37］。黏土矿物含量越高，石英、方解石、斜长石等脆性矿物成分相对越少，煤层脆性越弱。

依照GB/T 30050—2013《煤体结构分类》将研究区煤层分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤；研究区糜棱煤不发育，少量发育碎粒煤，因此只对原生煤、碎裂煤和碎粒煤进行分析（图8）。结果显示原生煤、碎裂煤、碎粒煤的脆性逐渐增强。煤层力学强度越低，脆性越强，煤体结构越破碎^［38-39］。

3.4 煤储层开发有利区预测

3.4.1 脆性指数与水力压裂裂缝扩展

水力压裂是煤层气开发的重要手段。由于研究区8号煤层类型具有低孔、低渗的特点，水力压裂通过向煤层高压注入携砂及其它化学物质的流体，在煤层中形成裂缝，产生煤层气解吸区域，同时形成流体通道，提高排采效率，达到增产目的^{［40 - 43］}。微地震检测技术能够对压裂裂缝进行准确的四维检测，通过在时间域上分析裂缝变化过程来监测地下压裂效果。研究区8号煤层水力压裂微地震资料（表3）表明，区内主缝长度为321 ~ 387 m，缝高为32 ~ 40 m，主裂缝规模较大。

脆性指数是影响压裂效果的关键参数。通过分析脆性指数与水力压裂主裂缝长度的相关关系（图9），结果表明，主裂缝长度随煤层脆性指数增加呈现先升后降的趋势。脆性指数较低时，煤层力学强度大，不利于压裂裂缝的延伸，压裂效果较差。脆性指数较高时，煤层力学强度减弱，煤体结构较破碎，压裂时容易产生大规模裂缝，压裂效果好。脆性指数过高时，煤体结构破碎，煤层内裂隙发育，压裂时泵压不集中，不利于主裂缝延伸，压裂效果一般。

3.4.2 佳县地区8号煤层气开发有利区预测

煤层气开发有利区由地质条件和工程条件共同决定，其中地质条件是由资源条件、保存条件及开采条件等地质类因素综合影响。在前人对煤储层甜点评价参数的研究基础上^［44-48］，优选含气量、煤相、镜质体反射率、封盖系数、地层倾角、渗透率作为地质条件评价指标，将水平主应力差和脆性指数作为工程条件评价指标。采用多层次模糊数学方法，基于各评价参数与产气效果的关系采用标度法对各评价参数的重要性进行赋值，构建煤层气开发有利区评价标准，优选研究区煤层气开发有利区^{［49 - 57］}。

（1）8号煤层含气性。

镜质体反射率反映煤的变质程度。佳县地区8号煤层最大镜质体反射率为1.5% ~ 1.9%，属烟煤，具备较好的生烃能力。含气量是反映煤层气生产、成藏和保存效果的关键地质因素，是影响煤层气井产能的重要因素，随着含气量的增加煤层气井产能呈增加趋势。研究区绳索取心及保压取心测试显示8号煤层含气性整体较好，为17.7 ~ 22.8 m³/t，平均含气量为20.56 m³/t，含气性较好，具有形成规模资源的物质基础。

（2）煤相。

佳县地区煤层分布稳定鄂尔多斯盆地所在的华北地区晚石炭世-早二叠世广泛发育海陆交互相为主的近海盆地含煤沉积体系，主要为障壁海岸成煤环境。受控于区域成煤的有利环境，煤层沉积期间潟湖、潮坪为泥炭沼泽发育提供了有利条件，佳县地区发育深水草本沼泽相为主，少部分发育覆水森林沼泽相及湿地草本沼泽相煤相类型，利于形成稳定发育的优质煤层。

（3）封盖系数。

煤层顶底板的封闭能力是影响煤层气保存条件及富集程度的重要因素之一，如果盖层的封闭能力差，煤储层中后期生成的次生生物气将很容易逸出^［58］。在顶底板的岩性、物性及裂缝发育特征的测井评价的基础上，构建封闭性综合计算模型，根据测井模型对研究区煤层顶底板的封闭能力进行定量评价^［59］。

（4）地层倾角。

盆地经多阶段、多期次构造作用改造，煤层大多具有不同程度的弯曲变形。这些不同程度的变形特征可指示局部构造的发育，局部构造高部位利于气体富集，地应力相对较低、微裂隙发育、渗透性好，是煤层气井高产的关键。佳县地区本溪组8号煤层埋深在1900 ~ 2600 m，构造条件简单，为一简单的单斜构造，倾角较小，煤层整体平缓，局部为小型褶皱核部，有利于煤层气富集。

（5）水平主应力差。

煤层地应力是煤层原位条件下受力情况的综合体现，其组合特征反映了煤储层所处的应力状态，水平主地应力差，差值越大越容易形成单一缝，越接近越容易形成复杂缝，有利于大规模体积压裂^［60］。本文基于煤层纵横波速度测试数据，结合阵列声波测井资料计算研究区地应力大小，进而获得水平主应力差的分布。结果显示，研究区中西部水平主应力差相对较小，基本在4 MPa以内，有利于煤储层大规模压裂体积改造形成复杂缝网。依据佳县地区储层地质及工程条件，给出各评价参数的划分指标与相应得分（表4）。

根据8号煤层煤层气开发有利区评价标准将研究区分为三类：有利区评价指数大于0.8定义为Ⅰ类有利区，主要分布在研究区南部及北部小部分区域，区内单井日产气量基本高于3万m³，产气效果好；有利区评价指数介于0.6 ~ 0.8之间定义为Ⅱ类有利区，主要分布在研究区西南部、东南部及中部，部分为日产气量在1 ~ 3万m³之间的中产井，部分为日产气量在1万方以内的低产井，产气效果一般；有利区评价指数小于0.6的区域定义为Ⅲ类有利区，少量分布在研究区中南部，区内单井日产气量均在1万m³以内，产气效果较差（图10）。生产井产气效果证明基于脆性指数评价模型的煤层气开发有利区的预测效果较好，可以指导煤层气开发方案设计。

4 结论

（1）基于阵列声波测井、常规测井资料及三轴岩石力学实验建立了煤层力学参数动静态转换模型，考虑了矿物成分对煤储层脆性的影响，综合利用煤储层力学参数和矿物成分构建了煤层脆性评价方法。佳县地区8号煤层的脆性具有上低下高的纵向特征，西南、东北高，中部低的平面特征。

（2）脆性指数与抗压强度呈负相关，且与宏观煤岩类型、煤体结构均有明显的相关关系：半暗煤、半亮煤、光亮煤的脆性逐渐增强；原生煤、碎裂煤、碎粒煤的脆性逐渐增强。表明煤层孔隙空间越小，脆性矿物含量越高，脆性越强。

（3）压裂主裂缝长度随煤层脆性指数增加呈现先升高后降低的趋势，脆性指数在45 ~ 60时压裂缝长最大。基于脆性指数与煤层含气性预测了三类8号煤层煤层气开发有利区，其中Ⅰ类有利区产气效果最好，单井日产气量基本高于3万m³，可以有效指导煤层气开发方案设计。

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基金资助

中国石油天然气股份有限公司攻关性应用性科技专项(2023ZZ18)