沁水盆地南部高煤階煤層氣高產(chǎn)區(qū)定量評(píng)價(jià)

王鏡惠，梅明華，梁正中，王華軍

（1.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林719000；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000）

目前，我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍存在單井產(chǎn)量偏低，井間產(chǎn)量差異大，開(kāi)發(fā)效益差、儲(chǔ)層滲透率低等問(wèn)題[1]。其根本原因是現(xiàn)有的工程技術(shù)與多樣的儲(chǔ)層地質(zhì)條件不適應(yīng)，在現(xiàn)有工程技術(shù)條件下，提高單井產(chǎn)量和開(kāi)發(fā)效益的主要方法是通過(guò)有效的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法精確定位高產(chǎn)區(qū)。王紅巖等[2]研究了我國(guó)煤層氣富集成藏規(guī)律，重點(diǎn)研究了水動(dòng)力條件和區(qū)域構(gòu)造熱事件對(duì)煤層氣富集的影響。曹新款等[3]研究了沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊煤層氣富集主控因素，認(rèn)為水文地質(zhì)條件、構(gòu)造及巖漿活動(dòng)為該區(qū)塊煤層氣富集主控因素。后續(xù)的開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，煤層富集主控因素與高產(chǎn)主控因素不同，逐漸提出了富集高產(chǎn)區(qū)的概念。趙慶波等[4]認(rèn)為構(gòu)造高點(diǎn)、封閉較好的淺層儲(chǔ)層及次生裂隙發(fā)育區(qū)是煤層氣富集高產(chǎn)的主要區(qū)域。王勃等[5]研究了沁水盆地成莊區(qū)塊富集、高產(chǎn)主控因素，認(rèn)為構(gòu)造熱事件提高生氣能力，封蓋與水動(dòng)力條件利于煤層氣富集，張性水平應(yīng)力分布區(qū)及煤礦卸壓應(yīng)力釋放區(qū)的煤儲(chǔ)層滲透率高。DOU等[6]認(rèn)為煤層滲透率、煤層厚度以及含氣量共同決定煤層氣產(chǎn)氣潛力。在上述研究基礎(chǔ)上，部分學(xué)者提出了用參數(shù)組合進(jìn)行煤層氣高差區(qū)評(píng)價(jià)的方法，宋巖等[7]研究了沁水盆地南部煤層氣富集高產(chǎn)的主控因素，認(rèn)為應(yīng)該用煤層含氣量和滲透率2個(gè)參數(shù)耦合來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層高產(chǎn)區(qū)域。孫粉錦等[8]認(rèn)為煤層氣儲(chǔ)層滲透率和煤層氣構(gòu)造控制煤層氣井高產(chǎn)，應(yīng)該利用構(gòu)造和滲透率參數(shù)組合來(lái)進(jìn)行高產(chǎn)區(qū)評(píng)價(jià)。李喆等[9]認(rèn)為吸附時(shí)間會(huì)直接影響到煤層氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)潛力，儲(chǔ)層評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)該考慮該參數(shù)。婁劍青等[10]通過(guò)理論研究，認(rèn)為應(yīng)該利用產(chǎn)氣潛能與產(chǎn)氣能力兩個(gè)指標(biāo)定量的評(píng)價(jià)煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)。這些研究從參數(shù)選擇上偏重于對(duì)煤層氣儲(chǔ)層含氣性和氣體產(chǎn)出效率的評(píng)價(jià)而忽視了煤層氣解吸效率尤其是宏觀解吸效率對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響；偏重于對(duì)于富集高產(chǎn)區(qū)的定性評(píng)價(jià)研究，忽視定量指標(biāo)評(píng)價(jià)。煤層氣開(kāi)發(fā)機(jī)理是通過(guò)持續(xù)排水，將儲(chǔ)層壓力降至解吸壓力以下，使煤層氣井通過(guò)解吸、擴(kuò)散、滲流產(chǎn)出井筒。因此，煤層氣高產(chǎn)區(qū)主控因素包括含氣性、解吸擴(kuò)散效率和滲流產(chǎn)出能力。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力定量評(píng)價(jià)，以沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層及開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)理論分析和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，定義了儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)、產(chǎn)出能力指數(shù)和產(chǎn)氣能力指數(shù)4個(gè)指標(biāo)，并對(duì)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為高煤階煤層氣儲(chǔ)層高產(chǎn)區(qū)精確定位提供借鑒。

1 儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)

儲(chǔ)層含氣性主要受含氣量和煤層厚度影響，在一定程度上含氣量可以表征煤層某點(diǎn)即微觀的含氣性，而煤層厚度則從宏觀上表征煤層整體的含氣性，而在同一區(qū)域煤層厚度的變化較小，不作為主要的評(píng)價(jià)參數(shù)。遲煥鵬等[11]在研究煤層含氣性時(shí)考慮了含氣飽和度，認(rèn)為較高的含氣飽和度可以保障生產(chǎn)過(guò)程中的煤層氣供應(yīng)，即認(rèn)為含氣飽和度越高，煤層氣可采潛力越大。但正如康永尚等[12]指出的一樣，實(shí)測(cè)含氣量為19.9 m3/t的井含氣量飽和度僅為79.6%，而含氣量為8.8 m3/t的井含氣量飽和度卻可以高達(dá)88%，顯然不能將含氣飽和度混同于煤層氣含氣量。許多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，煤層氣井日產(chǎn)氣量與含氣飽和度存在一定正相關(guān)關(guān)系，但這并不是由于含氣飽和度高的井的含氣量高，而是由于含氣飽和度高的井地解壓差小，儲(chǔ)層解吸效率高。故不采用含氣飽和度進(jìn)行儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)，而采用地解壓差進(jìn)行解吸效率評(píng)價(jià)，這是與前人重要區(qū)別所在。

儲(chǔ)層含氣量是煤層氣井產(chǎn)氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。左銀卿等[13]對(duì)樊莊東部進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)樊莊東部含氣量介于5～17 m3/t時(shí)，含氣飽和度低于80%，直井平均產(chǎn)氣量小于500 m3/d，開(kāi)發(fā)效果較差。對(duì)沁水盆地南部煤層氣井含氣量及產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖1）。由圖1可知，煤層氣井日產(chǎn)氣量隨含氣量增加而增加，當(dāng)含氣量大于15 m3/t時(shí)，產(chǎn)氣量高于800 m3/d，當(dāng)含氣量小于15 m3/t時(shí)，產(chǎn)氣量小于800 m3/d。因此，煤儲(chǔ)層含氣量是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖1 含氣量對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of gas contents on daily gas production of CBM wells

2 解吸效率定量評(píng)價(jià)

煤層甲烷主要以吸附態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙表面，而儲(chǔ)層含氣性指數(shù)未考慮甲烷解吸效率的影響。解吸效率是指煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤層甲烷由初始吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)的速度。吳見(jiàn)等[14]引入了吸附時(shí)間來(lái)表征煤層氣的解吸和擴(kuò)散效率，認(rèn)為吸附時(shí)間越短，煤層甲烷解吸擴(kuò)散效率越高。但該參數(shù)基于鉆井取心測(cè)試獲得，煤心尺度較小，僅能反映煤層氣儲(chǔ)層某點(diǎn)處微觀的解吸擴(kuò)散效率。前人研究表明，測(cè)試樣品尺度對(duì)煤巖吸附時(shí)間測(cè)定結(jié)果具有重要影響[15]，不能反映宏觀儲(chǔ)層中煤層氣從排水降壓到解吸的效率。萬(wàn)玉金等[16]指出，在含氣量和吸附等溫線確定的條件下，煤層壓力越接近臨界解吸壓力，解吸越容易，產(chǎn)量越高。因此，將地解壓差作為反映儲(chǔ)層宏觀解吸效率的因素，提出了地解壓差和吸附時(shí)間作為解吸效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 地解壓差影響

煤層氣開(kāi)發(fā)需要通過(guò)持續(xù)排水降壓，將儲(chǔ)層壓力降至解吸壓力以下，使甲烷解吸產(chǎn)出井筒[17]，因此，煤層氣井地解壓差直接影響煤層氣井解吸效率，地解壓差是從宏觀角度對(duì)煤層甲烷解吸效率的評(píng)價(jià)。地解壓差越大，煤層氣井解吸前需要降壓幅度就越大，排水期越長(zhǎng)，解吸效率越低，煤層氣井解吸效率與地解壓差成反比。

圖2 地解壓差對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of differential pressure of formation pressure and desorption pressure on daily gas production of CBM wells

圖2為沁水盆地南部煤層氣井地解壓差與日產(chǎn)氣量關(guān)系，結(jié)果表明，隨著地解壓差增大，煤層氣單井日產(chǎn)氣量明顯降低，這主要是因?yàn)椋亟鈮翰钤龃?，煤層氣井解吸降壓效率降低，解吸面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。這里需要指出，地解壓差大也反映了儲(chǔ)層保存條件較差，解吸壓力低，為了明確地解壓差是通過(guò)影響解吸效率影響產(chǎn)氣量，還是通過(guò)影響含氣量進(jìn)而影響產(chǎn)氣量，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)域地解壓差與含氣量關(guān)系（圖3）。結(jié)果表明，地解壓差與含氣量相關(guān)性極差，這說(shuō)明對(duì)于研究區(qū)域而言，地解壓差大含氣量不一定低。因此，地解壓差越大，日產(chǎn)氣量越低，是由于地解壓差越大，解吸效率越低，這進(jìn)一步論證了將地解壓差作為解吸效率評(píng)價(jià)參數(shù)的正確性。

圖3 地解壓差與含氣量關(guān)系Fig.3 Relation between differential pressure of formation pressure and desorption pressure and gas content

2.2 吸附時(shí)間影響

吸附時(shí)間是指通過(guò)取心測(cè)試含氣量時(shí)，解吸氣體體積達(dá)到總吸附氣量63.2%時(shí)所用的時(shí)間[9]，是對(duì)煤層甲烷微觀解吸效率的評(píng)價(jià)。吸附時(shí)間越長(zhǎng)，煤層氣井解吸效率越低。圖4為對(duì)沁水盆地南部煤層氣井吸附時(shí)間與日產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，煤層氣單井日產(chǎn)氣量隨吸附時(shí)間增加而降低，當(dāng)吸附時(shí)間大于10 d時(shí)，產(chǎn)氣量均小于900 m3/d。

圖4 吸附時(shí)間對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of adsorption time on daily gas production of CBM wells

2.3 解吸效率指數(shù)

煤層甲烷解吸效率可以用地解壓差和吸附時(shí)間來(lái)綜合表征，定義煤層甲烷解吸效率指數(shù)為：

式中：Id為煤層氣解吸效率指數(shù)，（MPa·d）-1；pr為地層壓力，MPa；pd為解吸壓力，MPa；td為吸附時(shí)間，d。

式（1）表明，解吸效率指數(shù)越大，煤層甲烷解吸效率越高。根據(jù)式（1），利用沁水盆地南部煤層氣地層壓力、解吸壓力及吸附時(shí)間計(jì)算煤層甲烷解吸效率指數(shù)（圖5），結(jié)果表明，研究區(qū)域煤層甲烷解吸效率指數(shù)分布在0.01 ～ 2（MPa·d）-1，平均為0.16（MPa·d）-1。煤層氣井日產(chǎn)氣量隨著解吸效率指數(shù)增加而增加，但二者相關(guān)性較差，總體上，當(dāng)解吸效率指數(shù)大于0.11（MPa·d）-1后單井日產(chǎn)氣量能達(dá)800 m3以上。

圖5 解吸效率指數(shù)對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of desorption efficiency index on daily gas production of CBM wells

3 產(chǎn)出能力定量評(píng)價(jià)

產(chǎn)出能力是從宏觀滲流角度對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的評(píng)價(jià)，而甲烷解吸效率是從宏觀和微觀2個(gè)方面對(duì)甲烷解吸效率的綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)上述分析，可以用儲(chǔ)層滲透率來(lái)表征煤層氣產(chǎn)出能力。煤層氣儲(chǔ)層滲透率對(duì)煤層氣井排水降壓及煤層甲烷解吸產(chǎn)出具有重要影響。滲透率越高排水降壓效率越高，煤層氣產(chǎn)出效率越高[10，18]，因此，滲透率是決定煤層氣產(chǎn)出效率的主要因素。圖6為沁水盆地南部煤層氣滲透率與日產(chǎn)氣量關(guān)系，表明，單井日產(chǎn)氣量隨著滲透率增加而增加。當(dāng)滲透率低于0.03×10-3μm2時(shí)，日產(chǎn)氣量一般低于800 m3；當(dāng)滲透率高于0.03×10-3μm2時(shí)，大部分井日產(chǎn)氣量能夠達(dá)到800 m3以上。這表明滲透率是煤層氣井產(chǎn)量的主控因素之一。

圖6 滲透率對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of permeability on daily gas production of CBM wells

4 儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力定量評(píng)價(jià)

對(duì)煤層氣高產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行有效預(yù)測(cè)是目前煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，上述研究表明，煤層氣井產(chǎn)量與含氣性、解吸效率和產(chǎn)出能力密切相關(guān)，可以通過(guò)儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和產(chǎn)出能力指數(shù)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合定量表征。通過(guò)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)來(lái)定量表征其產(chǎn)氣能力，其表達(dá)式為：

式中：Cp為產(chǎn)氣能力指數(shù)，10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1；Cg為含氣量，m3/t；k為儲(chǔ)層滲透率，10-3μm2。

式（2）表明，煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)越大，煤層氣井產(chǎn)量越高。

圖7 產(chǎn)氣能力指數(shù)對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of gas-production capacity index on daily gas production of CBM wells

利用含氣量、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和儲(chǔ)層滲透率計(jì)算研究區(qū)域儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)，并繪制其與日產(chǎn)氣量關(guān)系散點(diǎn)圖（圖7）。結(jié)果表明，單井日產(chǎn)氣量隨產(chǎn)氣能力指數(shù)增加而增加，當(dāng)產(chǎn)氣能力指數(shù)大于0.05×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1時(shí)，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3，產(chǎn)氣能力指數(shù)大于1×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1時(shí)，日產(chǎn)氣量大于1 500 m3。單井日產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣能力指數(shù)間的相關(guān)性高達(dá)0.87，遠(yuǎn)高于各單一指標(biāo)與日產(chǎn)氣量間的相關(guān)性，表明產(chǎn)氣能力指數(shù)能夠有效地表征儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力強(qiáng)弱，是進(jìn)行煤層氣儲(chǔ)層高產(chǎn)區(qū)預(yù)測(cè)的有效指標(biāo)。

5 結(jié)論

1）基于煤層氣開(kāi)發(fā)原理提出的儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、解吸效率指數(shù)和產(chǎn)出能力指數(shù)3個(gè)指標(biāo)能夠有效表征煤層氣的含氣性、解吸效率和產(chǎn)出能力，將3個(gè)指標(biāo)乘積定義為煤層氣產(chǎn)氣能力指數(shù)，產(chǎn)氣能力指數(shù)與單井日產(chǎn)氣量的相關(guān)性高于各個(gè)單一指標(biāo)且高達(dá)0.87，表明產(chǎn)氣能力指數(shù)能夠有效的表征煤層氣儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力。

2）儲(chǔ)層含氣性指數(shù)計(jì)算中采用含氣量和煤層厚度2個(gè)參數(shù)，而去除含氣飽和度，使含氣性指數(shù)與日產(chǎn)氣量相關(guān)性更好；在解吸效率指數(shù)中增加表征宏觀解吸效率的地解壓差，同時(shí)考率煤層氣儲(chǔ)層宏觀和微觀解吸效率，使解吸效率指數(shù)與日產(chǎn)氣量的相關(guān)性大幅提升。

3）煤層氣井日產(chǎn)氣量隨含氣量、解吸效率指數(shù)和滲透率的增加而增加。當(dāng)含氣量大于15 m3/t時(shí)，解吸效率指數(shù)大于0.11（MPa·d）-1，滲透率大于0.03×10-3μm2時(shí)，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3。儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)越大，煤層氣井產(chǎn)量越高。當(dāng)產(chǎn)氣能力指數(shù)分別大于 0.05×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1和1×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1時(shí)，單井日產(chǎn)氣量分別大于 800 m3和 1 500 m3。