低煤階煤儲層產(chǎn)氣潛力定量評價

汪萬紅，茹 婷，李 林，楊 剛，降文萍

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710119)

目前，國內(nèi)學(xué)者還未對低煤階煤儲層產(chǎn)氣潛力定量評價進(jìn)行研究工作。眾所周知，低階煤主要指鏡質(zhì)組最大反射率Ro，max為0.20%～0.65%的褐煤和長焰煤。我國低煤階煤煤層氣資源量巨大(14.7×1012m3)，約占全國煤層氣資源總量的40%左右[1]。隨著沁水盆地高煤階(Ro，max>1.9%)和鄂爾多斯盆地東緣中煤階(0.65%

目前，國內(nèi)對低階煤層氣儲層產(chǎn)氣潛力的定量評價工作較少。筆者以彬長礦區(qū)大佛寺井田4號煤儲層為例，借鑒前人提出的臨儲壓差、臨廢壓差、有效解吸量、解吸效率等指標(biāo)，并結(jié)合低煤階儲層含氣量低、厚度大、滲透性好等特點(diǎn)，運(yùn)用煤層氣數(shù)值模擬軟件對大佛寺井田低煤階煤儲層產(chǎn)氣潛力進(jìn)行定量評價，以期為該區(qū)和低煤階煤儲層煤層氣勘探開發(fā)提供參考和借鑒。

1 井田煤層氣地質(zhì)情況

大佛寺井田位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)南部，面積71.48km2，是我國典型的低階煤地區(qū)[10-12]。井田構(gòu)造條件簡單，整體上為一波狀起伏的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育了一系列北東東和北北西向的褶皺構(gòu)造，二者相互交織。其中以北東東向褶皺為主。地層傾角平緩，一般3°～5°，最大17°～21°[13-15]。大佛寺煤礦地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

侏羅系延安組為井田唯一含煤地層，屬平原河流環(huán)境含煤建造，厚度40.05～168.57m，平均75.57m。延安組共含煤6層(包括分煤層和分叉煤層)，從上而下依次編號為3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上、4號煤。4號煤為主采煤層，全區(qū)可采。4號煤厚度0～19.23m，平均11.65m[16]。各煤層特征見表1。

圖1 大佛寺煤礦地質(zhì)構(gòu)造示意圖

表1 大佛寺煤礦主要可采煤層特征表

該區(qū)煤的變質(zhì)程度較低，4號煤層最大鏡質(zhì)體反射率 0.59 %～0.68 %，屬低變質(zhì)長焰煤；4號煤層含氣量為2.30～3.62m3/t，平均為2.87m3/t[17]；4號煤層測定滲透率 3.06×10-3～5.73×10-3μm2，平均 3.86mD×10-3μm2，滲透性較好；4號煤層埋深 400～650m，儲層壓力 0.28～3.2MPa，平均 2.81MPa，壓力梯度0.05～0.53MPa/100m，平均0.38MPa/100m，煤儲層壓力梯度小于靜水壓力梯度，為低壓異常狀態(tài)。

2 儲層開發(fā)潛力定量評價

2.1 定量評價指標(biāo)

借鑒前人提出的臨儲壓差、臨廢壓差、有效解吸量、解吸效率等指標(biāo)[6，7]。

臨儲壓差(p1)為臨界解吸壓力(pc)與儲層壓力(pr)的差值。臨廢壓差(p2)為臨界解吸壓力(pc)與廢棄壓力(pn)的差值。有效解吸量(Ve)為臨界解吸壓力對應(yīng)的含氣量(Vr)與廢棄壓力對應(yīng)的含氣量(Vn)的差值。有效解吸量與實(shí)測含氣量的比值可粗略計(jì)算煤層氣的理論采收率。

計(jì)算公式如下：

p1=pr-pc

(1)

p2=pc-pn

(2)

Ve=Vr-Vn

(3)

解吸效率η是指單位壓降下每噸煤的煤層氣解吸量，用來定量表征不同煤儲層壓力下的煤層氣解吸量及其對煤層氣井產(chǎn)能的貢獻(xiàn)。計(jì)算公式如下：

以啟動壓力(pst)、轉(zhuǎn)折壓力(ptu)和敏感壓力(pse)為界，可將等溫吸附曲線從右至左依次劃分為低效解吸、緩慢解吸、快速解吸與敏感解吸四個階段[18]。不同解吸階段煤層氣解吸效率不同。計(jì)算公式如下：

2.2 開發(fā)潛力定量評價

在同一區(qū)塊，同一煤層具有特定的沉積環(huán)境和特定的煤質(zhì)，因此對于同一區(qū)塊的同一煤層，可依據(jù)參數(shù)井的等溫吸附曲線，概化出一條代表性的等溫吸附曲線[6]，進(jìn)而計(jì)算臨儲壓差(p1)、臨廢壓差(p2)和有效解吸量(Ve)、啟動壓力(pst)、轉(zhuǎn)折壓力(ptu)、敏感壓力(pse)和解吸效率(η)，從而定量評價該煤儲層的產(chǎn)氣潛力。

依據(jù)大佛寺井田參數(shù)井4號煤層等溫吸附曲線概化出一條4號煤層的代表性等溫吸附曲線，如圖2所示。結(jié)合參數(shù)井4號煤層含氣量測試和排采數(shù)據(jù)，得到4號煤層含氣量平均為2.87m3/t、儲層壓力平均為2.73MPa、臨界解吸壓力平均為1.46MPa、Langmuir體積平均為11.55m3/t、Langmuir壓力平均為4.28MPa、含氣飽和度平均為67%(表2)。

圖2 大佛寺井田4號煤等溫吸附曲線

表2 大佛寺井田4號煤儲層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

我國由于沒有廢棄井的實(shí)際廢棄壓力資料，故煤層氣井廢棄壓力主要參考國外煤層氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，國外早期煤層氣開發(fā)中多采用0.67MPa作為廢棄壓力[19]。目前，我國學(xué)者廢棄壓力取值在0.2～1.0MPa之間，常用值為 0.7MPa[20]。由于低煤階儲層相對中高煤階儲層廢棄壓力偏低，本次廢棄壓力取0.2～0.7MPa。當(dāng)廢棄壓力從0.7MPa降到0.2MPa時，依據(jù)式(1)—式(3)計(jì)算得到大佛寺井田4號煤層臨儲壓差為1.27MPa、臨廢壓差為0.76～1.26MPa、有效解吸量為1.25～2.35m3/t(表3)。

表3 4號煤不同廢棄壓力條件有效解吸量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果顯示，4號煤層產(chǎn)氣之前需要降壓 1.27MPa，粗略換算成液柱高度大概127m，井筒內(nèi)液面下降127m開始產(chǎn)氣，說明排采后很快就會見氣。當(dāng)廢棄壓力從0.7MPa降到0.2MPa時，4號煤層臨廢壓差為0.76～1.26MPa，說明產(chǎn)氣階段的壓降空間相對較小；有效解吸量為1.25～2.35 m3/t，顯示每噸煤巖中可采出的煤層氣量相對較少。用有效解吸量與含氣量計(jì)算得到理論采收率為43.6%～81.9%。

依據(jù)式(4)求取不同廢棄壓力下的解吸效率。在0.2～0.7MPa廢棄壓力范圍內(nèi)的最大解吸效率為1.99～2.46m3/(t·MPa)，見表4。

表4 4號煤不同廢棄壓力條件解吸效率表

同時，依據(jù)式(5)—式(7)，分別計(jì)算大佛寺井田4號煤儲層解吸過程的啟動壓力、轉(zhuǎn)折壓力及敏感壓力分別為5.21MPa、2.75MPa、0.08MPa，并劃分解吸階段(圖3)。由于4號煤層原始儲層壓力(2.73MPa)和臨界解吸壓力(1.46MPa)均小于轉(zhuǎn)折壓力2.7MPa，且廢棄壓力(0.2～0.7MPa)大于敏感壓力0.08MPa，故4號煤層實(shí)際排采過程中只會經(jīng)歷快速解吸階段，表明解吸效率高。

圖3 大佛寺井田4號煤解吸階段劃分圖

眾所周知，低煤階煤儲層具有煤層厚度大、煤層儲層物性好(滲透性高)、含氣性低、含氣飽和度高等特點(diǎn)[21]。大佛寺井田4號煤層具有典型的低階煤特征，其平均厚度11.65m，滲透率平均為 3.86×10-3μm2，含氣量平均為2.87m3/t，含氣飽和度為67%。故相對于中高煤階煤儲層，大佛寺井田4號煤層臨儲壓差(1.27MPa)、臨廢壓差(0.76～1.26MPa)和有效解吸量(1.25～2.35m3/t)均相對較小，這是由于低煤階儲層本身含氣量低造成的。但4號煤層厚度大、滲透性好，實(shí)際排采過程中處于快速解吸階段，解吸效率高，壓降漏斗擴(kuò)展較遠(yuǎn)，產(chǎn)氣控制范圍大，理論采收率(43.6%～81.9%)較高，說明具備較好的產(chǎn)氣潛力。下面筆者運(yùn)用煤層氣數(shù)值模擬軟件對大佛寺井田4號煤層抽采潛力進(jìn)行進(jìn)一步評價。

3 產(chǎn)能數(shù)值模擬

采用煤層氣數(shù)值模擬CBM-SIM軟件，對大佛寺井田4號煤層抽采潛力進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示(表5、圖4)，抽采10a累計(jì)產(chǎn)氣量為212.01×104m3，平均日產(chǎn)氣量達(dá)642.46m3；抽采5a累計(jì)產(chǎn)氣量為153.50×104m3，平均日產(chǎn)氣量達(dá)965m3，達(dá)到工業(yè)氣流煤層氣井日產(chǎn)800m3的標(biāo)準(zhǔn)。說明4號煤層具有形成工業(yè)氣流煤層氣井的產(chǎn)氣潛力。抽采數(shù)值模擬采用4號煤層參數(shù)見表6。

表5 大佛寺井田4號煤層產(chǎn)氣量預(yù)測數(shù)據(jù)表

圖4 大佛寺井田4號煤層產(chǎn)氣量預(yù)測圖

表6 大佛寺井田4號煤層產(chǎn)氣量預(yù)測參數(shù)表

4 排采實(shí)踐

DFS-132井是大佛寺井田一口參數(shù)+生產(chǎn)直井，4號煤是目標(biāo)產(chǎn)層，埋深489.01m，厚度11.30m。排采曲線如圖5所示。

圖5 DFS-132井排采曲線

DFS-132井實(shí)際排采過程中，當(dāng)該井開始排采，液面緩慢下降，儲層壓力隨之降低，由于臨儲壓差較小(1.0MPa)，產(chǎn)氣之前需要排水降壓的幅度小，粗略換算成液柱高度大概100m，該井排采至第30d開始產(chǎn)氣，每天降壓幅度約為0.033MPa，降壓幅度緩慢，使壓降漏斗得到穩(wěn)定擴(kuò)展；開始產(chǎn)氣后，該井產(chǎn)氣處于快速解吸階段，解吸效率高。雖然該井其臨廢壓差(0.35～0.85MPa)和有效解吸量(0.66～1.81m3/t)較小，產(chǎn)氣階段的壓降空間相對較小，且每噸煤巖中可采出的煤層氣量較少。但該井4號煤厚度大、滲透性好，壓降漏斗擴(kuò)展較遠(yuǎn)，產(chǎn)氣影響范圍大，排采至第239d，日產(chǎn)氣量達(dá)到最大值1532m3，后穩(wěn)定至850m3/d左右。

依據(jù)煤層氣資源/儲量規(guī)范(DZ/T 0216—2010)，煤層埋深小于500m，直井平均產(chǎn)量下限標(biāo)準(zhǔn)為500m3/d，故DFS-132井取得較好的產(chǎn)氣效果。也從側(cè)面驗(yàn)證了上述4號煤產(chǎn)氣潛力定量評價結(jié)果的可靠性。

5 結(jié) 論

1)依據(jù)大佛寺井田參數(shù)井4號煤層等溫吸附曲線概化出一條4號煤層的代表性等溫吸附曲線，計(jì)算得到4號煤層的臨儲壓差為1.27MPa、臨廢壓差為0.76～1.26MPa、有效解吸量為1.25～2.35m3/t，最大解吸效率為1.99～ 2.46m3/(t·MPa)。相對于中高煤階煤儲層都偏低，這是由于低煤階儲層本身含氣量低造成的。

2)大佛寺井田4號煤層雖然臨儲壓差、臨廢壓差和有效解吸量均相對較小，但4號煤層厚度大、滲透性好，實(shí)際排采過程中處于快速解吸階段，解吸效率高，壓降漏斗擴(kuò)展較遠(yuǎn)，產(chǎn)氣控制范圍大，計(jì)算得到理論采收率較高(43.6%～81.9%)。抽采數(shù)值模擬結(jié)果顯示5年平均日產(chǎn)氣量達(dá)965m3，具有形成工業(yè)氣流煤層氣井的產(chǎn)氣潛力?，F(xiàn)場單井排采實(shí)踐驗(yàn)證了4號煤層產(chǎn)氣潛力定量評價結(jié)果的可靠性。

3)由于煤階煤儲層具有煤層厚度大、滲透性好、含氣性低等特點(diǎn)。綜合分析認(rèn)為應(yīng)將煤層厚度和滲透率指標(biāo)納入低煤階煤儲層定量評價指標(biāo)體系中。