柿莊南區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)及其應(yīng)用

柳迎紅 呂玉民 郭廣山 馮汝勇 王存武 朱學(xué)申 劉 佳

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

尋找甜點(diǎn)區(qū)是煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)的核心目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，取得了較好評(píng)價(jià)效果［1-3］。然而，在評(píng)價(jià)參數(shù)不足的情況下，如何有效地開(kāi)展煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)，仍需要深入研究。本文以沁水盆地柿莊南區(qū)塊為研究對(duì)象，充分利用已有測(cè)井資料、壓裂數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其煤儲(chǔ)層參數(shù)測(cè)試資料，開(kāi)展煤儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)及甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果運(yùn)用于煤層氣井排采管理、開(kāi)發(fā)策略及生產(chǎn)管理優(yōu)化，取得了良好的增產(chǎn)效果。

1 地質(zhì)概況

柿莊南區(qū)塊位于沁水盆地東南部（圖1），隸屬山西省晉城市管轄，區(qū)塊面積約388 km2，探明含氣面積為187.80 km2，二維地震測(cè)線33條，各類煤層氣鉆井超過(guò)1 300口，累計(jì)產(chǎn)氣量約為4×108m3。該區(qū)塊含煤層系為二疊系山西組和石炭系太原組，目前主要開(kāi)發(fā)目的層為山西組3＃煤層，該煤層具有“一高一低三中”的特點(diǎn)，即熱演化程度高、孔滲條件低、含氣量中等、含氣飽和度中等和臨儲(chǔ)比中等［4-5］。

自2010年起，柿莊南區(qū)塊2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)和5區(qū)相繼投入開(kāi)發(fā)。投產(chǎn)井型以直井為主，井距約300 m，基本采用套管固井完井和射孔壓裂工藝。目前，見(jiàn)氣井約占投產(chǎn)井的73%，產(chǎn)氣井平均日產(chǎn)氣量?jī)H500 m3／d左右。平面上該區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣量差異大，直井單井最高產(chǎn)氣量可達(dá)7 266 m3／d，但絕大部分井產(chǎn)氣量不足500 m3／d，揭示該區(qū)煤儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，而4 km的探井井距無(wú)法控制煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性變化特征，因此須開(kāi)展煤儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)及甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)。

2 煤儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)

描述煤儲(chǔ)層的參數(shù)有很多，但概括起來(lái)主要可分為資源品質(zhì)參數(shù)、可采性參數(shù)和可壓裂性參數(shù)。鑒于1區(qū)和4區(qū)資料有限，主要針對(duì)2區(qū)、3區(qū)和5區(qū)，從資源品質(zhì)、可采性和可壓裂性對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)評(píng)價(jià)。

2.1 資源品質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1.1 煤層厚度

煤層厚度與平面穩(wěn)定性展布特征共同決定儲(chǔ)集空間性能，厚度越大，穩(wěn)定性越好，儲(chǔ)集空間越有利于氣體賦存。通過(guò)實(shí)鉆數(shù)據(jù)分析可知，柿莊南區(qū)塊3＃煤層厚度為0～14.30 m（圖2），主要介于5.0～7.0 m，平均6.01 m，平面上絕大部分地區(qū)厚度在6.0 m以上，僅局部有限范圍內(nèi)因陷落柱緣故出現(xiàn)煤層缺失現(xiàn)象；煤層厚度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.87、變異系數(shù)僅為0.14，均表明區(qū)內(nèi)3＃煤層全區(qū)分布穩(wěn)定、厚度大。

圖2 柿莊南區(qū)塊3＃煤層厚度等值線圖Fig.2 Contour map of 3＃coal thickness in Shizhuangnan block

2.1.2 煤層結(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)，煤層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括夾矸發(fā)育的層數(shù)、夾矸的厚度和夾矸所占煤層厚度的比率［6-7］，夾矸的發(fā)育必然影響有效煤儲(chǔ)層厚度及含氣量。已鉆井揭示，柿莊南區(qū)塊3＃煤層的中下部發(fā)育一套較穩(wěn)定、厚度較小的夾矸，此套夾矸總厚度在0.2～0.8 m，平均厚度0.45 m，夾矸比率在4%～10%（圖3）；全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，且在南部夾矸厚度略大。

圖3 柿莊南區(qū)塊3＃煤層夾矸比率分布圖Fig.3 Distribution of 3＃coal parting in Shizhuangnan block

2.1.3 灰分產(chǎn)率

灰分產(chǎn)率主要受到成煤環(huán)境的影響，在平面和縱向上灰分產(chǎn)率均具有一定的非均質(zhì)性。此次評(píng)價(jià)利用參數(shù)井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立測(cè)井解釋模型［8-10］，利用大量開(kāi)發(fā)井的測(cè)井資料來(lái)刻畫(huà)灰分產(chǎn)率的變化特征，結(jié)果表明：柿莊南區(qū)塊整體表現(xiàn)出“中—低灰”特征，灰分產(chǎn)率介于12%～18%（圖4），平均產(chǎn)率15.0%；平面上，區(qū)內(nèi)西南部、中部和東北部局部區(qū)域灰分較為發(fā)育，達(dá)到15%以上，其余區(qū)域均小于15%。

2.1.4 含氣量

含氣量是煤儲(chǔ)層資源品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，目前評(píng)價(jià)中使用的含氣量主要通過(guò)參數(shù)井現(xiàn)場(chǎng)快速解吸法測(cè)定，但僅僅利用快速解吸法測(cè)定的含氣量進(jìn)行平面分布特征評(píng)價(jià)難度較大［11-12］。

圖4 柿莊南區(qū)塊3＃煤層灰分產(chǎn)率等值線圖Fig.4 Contour map of 3＃coal ash yield in Shizhuangnan block

利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合蘭氏方程建立含氣量預(yù)測(cè)模型，能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)含氣量分布特征。將生產(chǎn)數(shù)據(jù)中開(kāi)始產(chǎn)氣時(shí)的井底流壓近似等于臨界解吸壓力，通過(guò)蘭氏方程建立柿莊南區(qū)塊3＃煤層含氣量與臨界解吸壓力關(guān)系計(jì)算公式，即

式（1）中：y為空氣干燥基含氣量，m3／t；x為臨界解吸壓力，MPa。

圖5為柿莊南區(qū)塊3＃煤層含氣量等值線圖，可以看出，區(qū)塊3＃煤層含氣量主要分布在4.0～24.0 m3／t，平均11.8 m3／t；平面上，含氣量大于12.0 m3／t的區(qū)域主要分布在區(qū)塊中部和東北部，其他地段含氣量相對(duì)較低，小于12.0 m3／t。

2.2 可采性評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)，可采性評(píng)價(jià)是煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一，主要評(píng)價(jià)參數(shù)為臨儲(chǔ)比和滲透率。

臨儲(chǔ)比越大，說(shuō)明吸附氣越容易解吸，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣所需的降壓幅度越小，所需要的時(shí)間越短；臨界解吸壓力越大，說(shuō)明地層能量越強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，解吸量越大，開(kāi)發(fā)潛力越大［13］。利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)近似求得臨界解吸壓力，進(jìn)而計(jì)算臨儲(chǔ)比。計(jì)算結(jié)果表明，柿莊南區(qū)塊3＃煤層臨儲(chǔ)比主要分布在0.2～0.8，平均值0.6，整體較高；臨儲(chǔ)比大于0.6的高值區(qū)主要分布在區(qū)塊中部和東北部，臨儲(chǔ)比小于0.3的低值區(qū)主要分布在區(qū)塊東南部和西北部。

圖5 柿莊南區(qū)塊3＃煤層含氣量等值線圖Fig.5 Contour map of 3＃coal gas content in Shizhuangnan block

煤層滲透率通過(guò)注入／壓降試井法獲得，利用壓裂數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力，建立地應(yīng)力與滲透率的關(guān)系公式評(píng)價(jià)滲透率特征［13-15］。水力壓裂法是確定地應(yīng)力常用的方法之一，閉合壓力即為最小水平主應(yīng)力，據(jù)此建立柿莊南區(qū)塊3＃煤層最小水平主應(yīng)力與滲透率關(guān)系計(jì)算公式，即：

式（2）中：y為滲透率，mD；x為最小水平主應(yīng)力，MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，柿莊南區(qū)塊3＃煤層滲透率整體呈現(xiàn)由東南向西北逐漸減小的趨勢(shì)，滲透率主要分布在0.1～1.0 mD，平均0.56 mD，屬于低滲煤儲(chǔ)層；東南部滲透率最大，大于1.0 mD，隨著向西北部埋深逐漸增加，地應(yīng)力逐漸增強(qiáng)，滲透率降低到0.1 mD以下。

2.3 可壓裂性評(píng)價(jià)

煤儲(chǔ)層壓裂效果不僅受壓裂工藝和方式影響，還與煤層自身可壓裂性密切相關(guān)。為了更好地與地質(zhì)評(píng)價(jià)相結(jié)合，選取煤體結(jié)構(gòu)作為煤層可壓裂性評(píng)價(jià)參數(shù)。

不同煤體結(jié)構(gòu)的煤儲(chǔ)層，因其巖石力學(xué)參數(shù)差異大而表現(xiàn)出不同的壓裂響應(yīng)特征?？傮w上，原生結(jié)構(gòu)煤彈性模量大、泊松比小，有利于壓裂造縫；而碎粒煤、糜棱煤則彈性模量小、泊松比大，不利于壓裂造縫。實(shí)際上，探井取心是對(duì)煤體結(jié)構(gòu)最直觀可靠的觀測(cè)，然而受探井分布及井?dāng)?shù)的影響，難以在平面上進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)的精細(xì)描述與評(píng)價(jià)。前人的研究表明［16-18］，測(cè)井信息能較好地識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)，原生結(jié)構(gòu)煤電阻率幅值較高，隨著煤體破碎程度增加，煤中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變發(fā)達(dá)，導(dǎo)電離子在電場(chǎng)作用下更加自由地遷移，使電阻率幅值減小；原生結(jié)構(gòu)煤灰分產(chǎn)率相對(duì)較低，自然伽馬幅值低，隨著灰分的升高，自然伽馬幅值增大，煤體則更易于發(fā)生破碎。

基于測(cè)井信息，開(kāi)展柿莊南區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)的識(shí)別與劃分，分析不同煤體結(jié)構(gòu)類型的平面分布特征，結(jié)果表明，該區(qū)塊原生結(jié)構(gòu)煤所占比率與平均產(chǎn)氣量具有較好的正相關(guān)關(guān)系，比值介于40%～70%，煤層氣產(chǎn)量顯示出較好的表現(xiàn)；當(dāng)比值處于40%以下時(shí)，產(chǎn)氣效果較差（圖6）。該區(qū)塊中部原生結(jié)構(gòu)煤比率處于40%～80%，具有較好的煤體結(jié)構(gòu)特征，有利于煤儲(chǔ)層壓裂改造。

圖6 柿莊南區(qū)塊原生結(jié)構(gòu)煤比率與平均產(chǎn)氣量相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 The relationship between raw coal ratio and average gas production in Shizhuangnan block

3 有利煤儲(chǔ)層分布區(qū)預(yù)測(cè)

3.1 評(píng)價(jià)方法及參數(shù)

煤層各參數(shù)評(píng)價(jià)可以確定單參數(shù)的有利區(qū)分布范圍，但難以綜合各參數(shù)來(lái)劃分確定煤層氣勘探開(kāi)發(fā)有利區(qū)。多層次模糊評(píng)價(jià)是進(jìn)行有利區(qū)綜合客觀評(píng)價(jià)的有效方法。從資源品質(zhì)、可采性和可壓裂性選取含氣量、滲透率、臨儲(chǔ)比、煤體結(jié)構(gòu)和煤巖品質(zhì)等5個(gè)主控要素進(jìn)行有利區(qū)綜合評(píng)價(jià)，其中煤巖品質(zhì)包括煤層厚度、夾矸厚度和灰分產(chǎn)率。表1為柿莊南區(qū)塊五要素三層次的有利區(qū)模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，由于區(qū)內(nèi)含氣量、滲透率和臨儲(chǔ)比非均質(zhì)性較強(qiáng)，因此評(píng)價(jià)時(shí)權(quán)重重點(diǎn)考慮這3方面因素，分別設(shè)置為0.25、0.25和0.20。

表1 柿莊南區(qū)塊煤儲(chǔ)層有利區(qū)評(píng)價(jià)模型Table1 Evaluation model of coal reservoirs in Shizhuangnan block

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果及驗(yàn)證

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，柿莊南區(qū)塊3＃煤層的I類儲(chǔ)層主要集中在中部地區(qū)，沿NNE向呈條帶狀分布；III類儲(chǔ)層則分布于北部和南部地區(qū)；其他地區(qū)為II類儲(chǔ)層區(qū)（圖7）。

圖7 柿莊南區(qū)塊3＃煤儲(chǔ)層有利區(qū)預(yù)測(cè)成果圖Fig.7 Forcast of favorable 3＃coal reservoirs in Shizhuangnan block

為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)柿莊南區(qū)塊的煤層氣試采動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析。按照平均日產(chǎn)氣量大于1 000 m3、500～1 000 m3、小于100 m3的高、中、低產(chǎn)井分類標(biāo)準(zhǔn)，其中74%的高產(chǎn)氣井和60%的中產(chǎn)氣井集中分布在I類煤儲(chǔ)層有利評(píng)價(jià)區(qū)；17%高產(chǎn)氣井和35%的中產(chǎn)氣井分布在II類煤儲(chǔ)層有利評(píng)價(jià)區(qū)。由此可見(jiàn)，該區(qū)塊中高產(chǎn)煤層氣井的產(chǎn)氣效果與煤儲(chǔ)層有利區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果具有很好的吻合性。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 劃分地質(zhì)單元，落實(shí)提產(chǎn)有利區(qū)

根據(jù)構(gòu)造特征、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)特征，對(duì)柿莊南區(qū)塊3＃煤層進(jìn)行三級(jí)地質(zhì)單元?jiǎng)澐帧Ｆ渲?，一?jí)地質(zhì)單元以區(qū)塊級(jí)構(gòu)造（如寺頭大斷層）為劃分依據(jù)，共劃分出3個(gè)；二級(jí)地質(zhì)單元?jiǎng)t在此基礎(chǔ)上以局部區(qū)域構(gòu)造（如次級(jí)背、向斜構(gòu)造）為劃分依據(jù)，共劃分出9個(gè)；而三級(jí)地質(zhì)單元?jiǎng)t在二級(jí)劃分基礎(chǔ)上根據(jù)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果，共劃分出23個(gè)（圖8）。

圖8 柿莊南區(qū)塊3＃煤層地質(zhì)單元分區(qū)圖Fig.8 Geological units of 3＃coal reservoirs in Shizhuangnan block

對(duì)比一級(jí)地質(zhì)單元可以發(fā)現(xiàn)：中部有利區(qū)的滲透率較大、含氣量高、臨儲(chǔ)比大、夾矸薄，煤層氣地質(zhì)條件較好；西部深埋區(qū)因埋深大，含氣量較高，但其滲透率很低、臨儲(chǔ)比偏小，開(kāi)發(fā)難度較大；東部緩坡區(qū)埋深淺，滲透率較大，但其含氣量、臨儲(chǔ)比偏低（圖9）。

分類對(duì)比中部有利區(qū)的三級(jí)地質(zhì)單元內(nèi)滲透率、含氣量和臨儲(chǔ)比三大煤儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)中部I類區(qū)內(nèi)的滲透率、含氣量和臨儲(chǔ)比均明顯優(yōu)于III類區(qū)的相關(guān)參數(shù)，表明中部I類區(qū)煤層氣地質(zhì)條件較好，有利于煤層氣勘探開(kāi)發(fā)。對(duì)比落實(shí)C-I1、C-I2、C-I3和C-I4地質(zhì)單元為柿莊南區(qū)塊有利的煤儲(chǔ)層分布區(qū)，是該區(qū)塊煤層氣提產(chǎn)有利區(qū)。該提產(chǎn)有利區(qū)面積61.45 km2，已有鉆井499口，其中未投產(chǎn)井88口，未壓裂井20口，應(yīng)優(yōu)先重點(diǎn)推進(jìn)區(qū)內(nèi)煤層氣井投產(chǎn)與排采管理。

圖9 柿莊南區(qū)塊一級(jí)地質(zhì)單元煤儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)比圖Fig.9 Comparison of coal reservoir parameters of geological units in Shizhuangnan block

4.2 優(yōu)化排采制度，有效提高氣井產(chǎn)量

生產(chǎn)動(dòng)態(tài)顯示，柿莊南區(qū)塊提產(chǎn)有利區(qū)內(nèi)典型高產(chǎn)氣井具有見(jiàn)氣時(shí)間早，見(jiàn)氣后產(chǎn)氣量快速上升并達(dá)到高產(chǎn)后穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間持續(xù)的生產(chǎn)特征（圖10）。研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)高產(chǎn)氣井見(jiàn)氣前井底流壓下降變化范圍0.034 3～0.047 8 MPa／d，產(chǎn)量上升階段流壓下降控制在0.000 8～0.005 2 MPa／d，產(chǎn)量穩(wěn)定階段則保持在0.000 2～0.000 3 MPa／d，井底流壓基本穩(wěn)定不變；而低效井生產(chǎn)過(guò)程中井底流壓的控制范圍往往偏離高產(chǎn)氣井的井底流壓變化范圍。

依據(jù)提產(chǎn)有利區(qū)內(nèi)典型高產(chǎn)氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及井底流壓分析，提出低效井排采制度優(yōu)化方案，包括加深泵掛、保持排采平穩(wěn)連續(xù)以及按照區(qū)內(nèi)高產(chǎn)井生產(chǎn)特征控制各階段井底流壓變化，并實(shí)施了12口井的優(yōu)化作業(yè)，其中10口井優(yōu)化后煤層氣井提產(chǎn)明顯，基本提產(chǎn)2倍以上，最大提產(chǎn)幅度達(dá)到1 459 m3／d，顯示出很好的提產(chǎn)效果（圖11）。

圖10 柿莊南區(qū)塊提產(chǎn)有利區(qū)典型高產(chǎn)氣井生產(chǎn)特征曲線圖Fig.10 Production characteristics curves of typical well with high production in the area favorable for production improvement in Shizhuangnan block

圖11 柿莊南區(qū)塊提產(chǎn)有利區(qū)低效井優(yōu)化前后產(chǎn)氣量對(duì)比Fig.11 Comparison of gas production before／after optimization measure in the area favorable for production improvement in Shizhuangnan block

5 結(jié)論

1）從資源品質(zhì)、可采性和可壓裂性等方面對(duì)柿莊南區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層進(jìn)行了精細(xì)評(píng)價(jià)，并借助多層次模糊評(píng)價(jià)技術(shù)開(kāi)展了煤儲(chǔ)層有利區(qū)評(píng)價(jià)。柿莊南區(qū)塊3＃煤層的I類儲(chǔ)層主要集中在中部地區(qū)，沿NNE向呈條帶狀分布，III類儲(chǔ)層則分布于北部和南部地區(qū)，其他地區(qū)為Ⅱ類區(qū)。生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析顯示74%的高產(chǎn)氣井和60%的中產(chǎn)氣井集中分布在I類煤儲(chǔ)層有利評(píng)價(jià)區(qū)；17%高產(chǎn)氣井和35%的中產(chǎn)氣井分布在II類煤儲(chǔ)層有利評(píng)價(jià)區(qū)。

2）結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征，劃分出3個(gè)一級(jí)地質(zhì)單元、9個(gè)二級(jí)地質(zhì)單元和23個(gè)三級(jí)地質(zhì)單元，落實(shí)研究區(qū)中部為提產(chǎn)有利區(qū)，面積達(dá)61.45 km2。根據(jù)典型高產(chǎn)井動(dòng)態(tài)分析，優(yōu)化排采制度，以此對(duì)低效井進(jìn)行了調(diào)整作業(yè)，基本實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)2倍以上，顯示出良好的增產(chǎn)效果。