[发明专利]一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法

摘要

一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，基于煤岩工业组分，充分利用固定碳、灰分含量与杨氏模量、泊松比间的内在关系，构建基于固定碳和灰分含量的脆性指数计算模型，进而对煤岩的脆性指数进行计算，提高煤岩脆性指数计算精度的同时，将为提高煤层可压裂性预测精度提供测井技术支持；本发明基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，将煤岩工业组分与煤岩力学参数有机结合在一起，所计算的脆性指数与实验室分析化验的脆性指数值基本重叠，其精度大大提高。

主权项

一种基于煤岩工业组分的脆性指数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、煤岩工业组分确定：忽略相对体积小于1％的成分，如二氧化硅、硝酸盐、菱铁矿、硫以及一些稀散元素等，把煤层看成是由固定碳、灰分、挥发份和水分四部分所组成；根据煤岩工业组分体积物理模型的基本思想，构建煤岩的工业组分测井响应方程，具体如下：时差：Δt＝V_f·Δt_f+V_a·Δt_a+V_v·Δt_v+V_w·Δt_w     (1)密度：ρ_b＝V_f·ρ_f+V_a·ρ_a+V_v·ρ_v+V_w·ρ_w     (2)中子：φ_N＝V_f·φ_f+V_a·φ_a+V_v·φ_v+V_w·φ_w     (3)其中：1＝V_f+V_a+V_v+V_w     (4)式中：Δt、Δt_f、Δt_a、Δt_v、Δt_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的纵波时差，单位μs/ft；ρ_b、ρ_f、ρ_a、ρ_v、ρ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的密度值，单位g/cm³；φ_N、φ_f、φ_a、φ_v、φ_w分别是煤岩、固定碳、灰分、挥发份、水分的补偿中子，％；V_f、V_a、V_v、V_w分别是固定碳、灰分、挥发份、水分的体积百分数，％。通过上述四个方程建立的煤岩工业组分体积物理模型，即可求取煤层中固定碳、灰分、挥发份、水分的含量；步骤二、煤岩泊松比、杨氏模量确定：煤岩泊松比μ是煤岩纵向应变与横向应变之比；杨氏弹性模量是煤岩张变弹性强弱的标志，是施加的单向应力与法向应变之比，利用蕴藏着大量地层信息的测井资料来提取煤岩动态泊松比和杨氏弹性模量等煤岩力学参数，具体如下：泊松比：$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_s^2-2{\mathrm{\Δt}}^2}{2({\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}^2)}---\left(5\right)$杨氏模量：$E=\frac{9.290304\×{10}^7\·{\mathrm{\ρ}}_b\·(1+\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}{(1-\mathrm{\μ}){\mathrm{\Δt}}^2}---\left(6\right)$式中：μ为煤岩的泊松比，无量纲；Δt、Δt_s分别为煤岩的纵波、横波时差，μs/ft；E为煤岩的杨氏模量，10⁴MPa；步骤三、煤岩力学参数与脆性指数相关性分析：用弹性力学参数法来计算岩石的脆性指数，具体确定方法如下：$I_{\mathrm{BE}}=100\×\frac{E-E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}---\left(7\right)$$I_{\mathrm{B\μ}}=100\×\frac{\mathrm{\μ}-{\mathrm{\μ}}_{\max }}{{\mathrm{\μ}}_{\min }-{\mathrm{\μ}}_{\max }}---\left(8\right)$$I_B=\frac{I_{\mathrm{BE}}+I_{\mathrm{B\μ}}}{2}---\left(9\right)$式中：I_BE、I_Bμ分别为杨氏模量和泊松比法计算的脆性指数，％；I_B为煤层的脆性指数，％；E_max、E_min煤岩的静态杨氏模量最大值、最小值，10⁴MPa；μ_max、μ_min为岩石的静态泊松比最大值、最小值，无量纲，由方程(7)、(8)可知，煤岩的脆性指数与杨氏模量成正比、与泊松比成反比；步骤四、煤岩工业组分与脆性指数相关性分析：依据步骤一方案计算的煤岩工业组分，并依据步骤二方案计算煤岩的泊松比和杨氏模量，统计待计算井区的固定碳、灰分、泊松比和杨氏模量，以固定碳和灰分含量为自变量，泊松比和杨氏模量为因变量进行相关性分析，探明固定碳和灰分与泊松比和杨氏模量的内在关系，通过对实测资料拟合分析，得出如下方程：$E={307.25e}^{{-0.0704V}_f}---\left(10\right)$$\mathrm{\μ}={0.2989e}^{{0.0051V}_f}---\left(11\right)$$E={0.0508e}^{{0.3302V}_a}---\left(12\right)$$\mathrm{\μ}={0.559e}^{{-0.0238V}_a}---\left(13\right)$由方程(10)～(13)可知，煤岩的固定碳与杨氏模量成正相关、与泊松比成负相关；灰分与杨氏模量成负相关、与泊松比成正相关，结合步骤三方案可知，煤岩的固定碳与脆性指数成负相关，灰分与脆性指数成正相关；步骤五、煤层脆性指数计算模型构建：利用测井资料计算的灰分和固定碳来定义煤岩的脆性指数，具体如下：$I_B=\frac{V_a}{V_a+V_f}\×100---\left(14\right)$步骤六、煤岩脆性指数确定：将测井计算的灰分V_a和固定碳V_f输入公式(7)得出I_B，便可实现煤岩脆性指数的确定。