周 優(yōu),張松航,唐書恒,喻天成,馮 釗
(1.中國地質大學(北京)能源學院,北京 100083;2.非常規(guī)天然氣地質評價與開發(fā)工程北京市重點實驗室,北京 100083;3.資源環(huán)境與災害監(jiān)測山西省重點實驗室,山西 晉中 030600;4.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司,天津 300452)
煤層含氣量指單位質量的煤中所含氣體在標準狀態(tài)下的體積。對同一煤層氣開發(fā)區(qū)塊而言,一般煤厚相近、煤階相似,含氣量基本上決定了煤層氣的資源豐度,是煤層氣藏的一個基本要素,影響煤層氣勘探開發(fā)決策。特別是進入開發(fā)階段后,含氣量的精細預測,也就是區(qū)塊含氣量的三維地質建模,對區(qū)塊煤層氣開發(fā)井網(wǎng)部署、產(chǎn)能預測、排采制度、經(jīng)濟評價,乃至開發(fā)成敗有決定性影響。
煤儲層含氣量的獲取包括直接法和間接法兩種途徑。直接法通過參數(shù)井繩索取心現(xiàn)場解吸測試獲得含氣量,測試結果相對準確,適用于勘探階段,費用較高。間接法包括理論求解[1-3]、數(shù)值模擬[4-6]、地震解釋[7-11]、測井解釋[12-15]和多元統(tǒng)計分析[16]等,適用于各個勘探開發(fā)階段,費用較低。針對開發(fā)階段煤層氣開發(fā)井井數(shù)多、不取心、基礎測井資料全、要求預測精度高等特點,采用地球物理方法,特別是測井解釋法,對區(qū)塊煤層氣含氣量預測有重要意義。
沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣資源十分豐富,但存在較多的低效井,其低效原因亟待研究[17-18]。含氣量的準確預測,也是進行氣井低產(chǎn)因素分析的地質基礎,因此,有必要建立三維地質模型對目標煤層含氣性進行精細表征。前人應用三維地質建模技術在常規(guī)油氣藏和非常規(guī)油氣藏中均取得了較好的成果[19-22],當前針對柿莊區(qū)塊煤層的三維地質建模分析有限,未見區(qū)塊的精細建模分析[23-24]。筆者以參數(shù)井資料為基礎,分別建立了基于測井數(shù)據(jù)的煤層工業(yè)分析參數(shù)預測模型和基于煤巖樣品工業(yè)分析結果及煤層埋深的多元回歸含氣量預測模型,并在區(qū)塊構造模型的基礎上,建立了基于測井資料的3號煤層三維含氣量分布模型,以指導區(qū)塊煤層氣的勘探開發(fā)。
柿莊南區(qū)塊位于山西省沁水盆地南部,行政區(qū)劃上隸屬于山西省晉城市沁水縣與高平市。該區(qū)塊構造較簡單,地層較為平緩,區(qū)內(nèi)僅發(fā)育小型褶皺和斷層,整體為一向西傾的單斜構造。柿莊南區(qū)塊主要含煤地層為上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組,主力煤層為3 號煤層和15 號煤層(圖1)。柿莊南區(qū)塊山西組地層沉積環(huán)境以三角洲平原為主,地層巖性以深灰–灰黑色泥巖、粉砂巖、細粒長石石英砂巖和煤層為主。山西組底端為一標志層(K7 標志層),巖性為砂巖,厚度較大。3 號煤層位于山西組下部,主要為無煙煤,厚度較大,分布持續(xù)穩(wěn)定,平均厚度約6.6 m,埋深450~1 030 m,是煤層氣勘探開發(fā)最為重要的目標煤層。
圖1 柿莊南區(qū)煤系柱狀Fig.1 The coal measure stratigraphy in the southern Shizhuang block
本文的基礎數(shù)據(jù)包括柿莊南區(qū)塊16 口參數(shù)井(圖2)資料,以及柿莊南3 區(qū)塊196 口開發(fā)井的測井數(shù)據(jù)。柿莊南區(qū)塊16 口參數(shù)井山西組3 號煤層共采樣61 組,其中包括11 組快速測試樣品。為了使數(shù)據(jù)獲取基礎相同,增加結果準確性,本文剔除了快速測試樣品,僅使用正常測試樣數(shù)據(jù)建模。所有樣品均進行了含氣量測試及工業(yè)分析。結果顯示,3 號煤層樣品含氣量介于8.24~26.48 cm3/g,水分質量分數(shù)為0.10%~1.21%,灰分質量分數(shù)為6.87%~24.53%,固定碳質量分數(shù)為58.89%~84.18%,揮發(fā)分產(chǎn)率為6.72%~16.13%,且多小于10%,為無煙煤(表1)。
本文首先基于參數(shù)井資料分別建立含氣量與煤層埋深及工業(yè)分析參數(shù)(灰分、揮發(fā)分、固定碳含量)間的關系模型,以及測井數(shù)據(jù)與煤層工業(yè)分析參數(shù)間關系模型,最終建立以測井資料為基礎的全區(qū)含氣量預測模型,具體方法如下。
本文采用SPSS 軟件,首先驗證煤樣工業(yè)分析參數(shù)及埋深與含氣量之間的相關性(表2),進而建立含氣量預測多元回歸方程。相關性分析采用Pearson 相關性驗證方法,當顯著性(雙側)值小于0.01 時,表明兩變量顯著相關;小于0.05 時表明兩變量相關[25]。
研究區(qū)埋深與含氣量密切相關。一般而言,隨著埋深的增加,地層溫度和壓力都會升高。壓力和溫度對氣體吸附分別具有正、負效應,在一定深度范圍內(nèi),隨埋藏深度增加煤層含氣量增加,超出一定深度時,煤層含氣量隨埋深增加而降低。研究區(qū)參數(shù)井山西組3 號煤層埋深介于451.9~1 007.5 m。在此范圍內(nèi),煤層含氣量與埋深表現(xiàn)為顯著正相關(圖3a)。
研究表明,水分子與甲烷分子可在煤基質內(nèi)表面形成競爭吸附關系,但當煤水飽和后,其對煤的吸附能力影響不大[26]。地下儲層一般認為儲層被地下水所飽和,因此,可認為水分與煤層含氣量關系不大。研究區(qū)水分與煤層含氣量關系不明顯(圖3b)。
圖2 柿莊南區(qū)參數(shù)井分布Fig.2 The parametric well distribution of the southern Shizhuang block
表1 柿莊南區(qū)塊3 號煤工業(yè)分析結果Table 1 Table of industrial analysis test results of No.3 coal seam in district 3 of southern Shizhuang
表2 含氣量相關變量相關性分析Table 2 Correlation analysis of related variables of gas content
含氣量與灰分含量呈顯著負相關(圖3c)。灰分含量主要來源于煤中的無機礦物。煤層甲烷主要以吸附態(tài)賦存于煤中,大多數(shù)無機礦物質對甲烷基本沒有吸附能力。因此,煤中無機成分越少,吸附甲烷能力越強,含氣量也越高。
含氣量與揮發(fā)分顯著相關(圖3d)。煤中揮發(fā)分產(chǎn)率可反映煤變質程度。隨變質程度增加,煤中揮發(fā)分含量顯著降低。因此,揮發(fā)分產(chǎn)率越小,煤變質程度越高,生氣量越大。
含氣量與固定碳含量顯著相關(圖3e)。一方面與固定碳含量與灰分產(chǎn)率顯著負相關有關;另一方面,同一煤樣固定碳含量也隨煤變質程度加深而增大。因此,相同地質條件下固定碳含量越高,煤層含氣量越大。
通過對研究區(qū)煤層含氣量相關變量相關性分析,運用SPSS軟件多元線性回歸模擬得出各項參數(shù)系數(shù),建立了柿莊南區(qū)塊山西組3 號煤層含氣量預測方程:
式中Gad為含氣量,m3/t;D為埋深,m;ω(Ad)為灰分質量分數(shù),%;ω(Vdaf)為揮發(fā)分產(chǎn)率,%;ω(FCd)為固定碳質量分數(shù),%。
含氣量預測方程R2=0.762 7,預測值準確度較高,誤差較小,表明該方程在研究區(qū)3 號煤層含氣量預測中的適用性(圖3f)。
前人研究表明,煤的工業(yè)分析參數(shù)之間、工業(yè)分析參數(shù)與補償密度(DEN)、自然伽馬(GR)和深側向電阻率(Rd)等測井值關系密切,建立了基于測井數(shù)據(jù)的煤工業(yè)分析參數(shù)預測模型[27]。本文首先分析了煤層測井值和工業(yè)分析參數(shù)間的相關性,進而建立基于測井資料的煤樣工業(yè)參數(shù)預測模型?;曳趾颗c補償密度、自然伽馬和深側向電阻率,以及揮發(fā)分、水分、固定碳含量相關性見表3。
圖3 柿莊南區(qū)塊3 號煤含氣量相關變量分析及預測模型Fig.3 Analysis of related variables of gas content and prediction model of gas content of No.3 coal seam in district 3 of southern Shizhuang
表3 灰分產(chǎn)率相關變量相關性分析Table 3 Correlation analysis of related variables of ash content
煤的灰分含量與補償密度測井值DEN(圖4a)、自然伽馬測井值GR(圖4b)之間具有顯著正相關性,與lgRd值之間具有正相關性(圖4c)。其中,各測井數(shù)值取對應煤層樣品埋深段的平均值。在此基礎上運用SPSS 軟件模擬得出各項參數(shù)系數(shù),對灰分含量作出預測,建立回歸方程如下:
式中 DEN 為補償密度測井值,g/cm3,GR 為自然伽馬測井值,API;Rd為深側向電阻率,Ω·m。
灰分含量預測方程R2=0.654 2,預測值準確度較高,誤差較小,表明該方程在研究區(qū)3 號煤層灰分含量預測的適用性(圖4d)。
圖4 灰分產(chǎn)率相關變量分析及預測模型Fig.4 Analysis of related variables of ash content and prediction model of ash content
煤樣工業(yè)分析結果研究表明,固定碳含量和灰分含量具有明顯負相關性(圖 5a),建立回歸方程如下:
同樣,揮發(fā)分產(chǎn)率與灰分含量具有顯著正相關性(圖5b),建立回歸方程如下:
圖5 灰分含量與固定碳含量及揮發(fā)分相關性分析Fig.5 Correlation analysis between ash content and fixed carbon content,ash content and volatile matter content
以煤工業(yè)分析參數(shù)為紐帶,依據(jù)式(1)—式(4),最終得出基于測井數(shù)據(jù)的柿莊南區(qū)塊含氣量預測方程:
由表4 可知,各井樣品預測含氣量與實測含氣量相對誤差絕對值均值介于0.61 %~17.42 %,誤差較小,預測結果較準確。
表4 實測含氣量與預測含氣量對比結果Table 4 Table of comparison between measured and predicted gas content
含氣量模型用以反映煤層含氣量在三維空間內(nèi)的分布特征,需要在構造模型基礎上完成。構造模型主要包括斷層模型與地層層面模型兩個部分,主要是反映煤儲層在空間上的形狀、構架。地層層面模型以測井分層數(shù)據(jù)為基礎,以等時地層格架為宏觀控制因素建立。斷層模型以斷點數(shù)據(jù)為基礎,由點到線,再由線到面,分級描繪構建。
由于柿莊南區(qū)塊為成熟的開發(fā)區(qū)塊,總井數(shù)多,數(shù)據(jù)量較大,以3 區(qū)為例進行建模分析。首先應用Petrel 軟件建立煤層三維模型,將研究區(qū)內(nèi)196 口井的井位、井斜、測井數(shù)據(jù)、煤層層面數(shù)據(jù)及區(qū)塊斷點數(shù)據(jù)導入,確保地質模型的準確性,實現(xiàn)了柿莊南區(qū)塊3 區(qū)山西組3 號 煤層構造建模(圖6)。
由圖6 可知,3 號煤層在研究區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定,厚度約6 m。區(qū)塊構造條件簡單,斷層少見,根據(jù)實際斷層數(shù)據(jù),區(qū)塊西北部發(fā)育一小型正斷層。東西向剖面CC’、DD’、EE’及FF’反映區(qū)塊煤層整體由東向西傾,可見褶皺發(fā)育。南北向剖面AA’和BB’反映出區(qū)塊3 號煤層南部埋深相對較淺,發(fā)育多個褶皺及次級褶皺(圖7)。
在構造模型基礎上,為得到研究區(qū)精確的含氣量模型,綜合考量研究區(qū)面積、煤層展布特征等因素,同時為保證后續(xù)含氣量建模能精細刻畫出研究區(qū)含氣量的三維展布特征,直觀反映出各井間含氣量變化,對研究區(qū)3 號煤層構造模型作網(wǎng)格處理,設計該區(qū)平面網(wǎng)格步長為25 m,垂向劃分10 小層,網(wǎng)格總數(shù)為121×391×10=473 110 個。
圖6 柿莊南3 區(qū)3 號煤層三維構造模型Fig.6 The 3D structure model of No.3 coal seam in district 3 of southern Shizhuang
圖7 柿莊南3 區(qū)3 號煤層含氣量及構造剖面Fig.7 The gas content and structure profile of No.3 coal seam in district 3 of southern Shizhuang
基于測井資料,由式(5)所示的含氣量預測模型及研究區(qū)構造模型,建立三維精細含氣量模型(圖8)。建模過程如下:
a.含氣量計算 應用Petrel 軟件中各測井曲線數(shù)據(jù)及埋深數(shù)據(jù)依式(5)計算含氣量。
b.曲線粗化 曲線粗化即將測井數(shù)據(jù)離散化。由于每個網(wǎng)格單元僅能被賦予一個確定的值,為使曲線數(shù)據(jù)在某一段符合網(wǎng)格長度范圍內(nèi)的數(shù)值是均勻的、可被網(wǎng)格讀取的,連續(xù)的曲線數(shù)據(jù)就需要進行離散化處理,使其成為在每個網(wǎng)格單位上的確定值。本文采用算術平均法對含氣量數(shù)據(jù)作粗化處理,為每個單元格賦值。
c.正態(tài)分布轉換 本文含氣量的建模方法為序貫高斯模擬法,輸入的數(shù)據(jù)類型需符合正態(tài)分布(高斯分布)。因此,對3 號煤層含氣量數(shù)據(jù)作截斷轉換使其趨于正態(tài)分布。
d.變差函數(shù)分析 變差函數(shù)分析是地質建模中的重要步驟,用以分析物性參數(shù)在空間上的連續(xù)性及各個方向上的差異性,對隨機模擬結果的好壞有重要影響。通過優(yōu)選主次方向變程及搜索半徑,保證含氣量模型的準確性。
圖8 柿莊南3 區(qū)3 號煤層含氣量三維模型Fig.8 The 3D gas content model of district 3 of No.3 coal seam in southern Shizhuang
圖8 顯示,該區(qū)塊3 號煤層含氣量集中分布在11~20 m3/t,與實際情況相符,含氣量較高,煤層氣資源量巨大。研究區(qū)含氣量主控因素為煤層埋深,含氣量高值集中分布于埋深相對較深位置。區(qū)塊構造對煤層含氣量也有一定影響,模型顯示,區(qū)塊較寬緩的向斜軸部、翼部煤層含氣量相對較高,背斜軸部不利于煤層氣的富集保存,含氣量低(圖7、圖8)。煤層含氣量對煤層氣的產(chǎn)出有最直接的影響,將該模型應用于柿莊南區(qū)塊的生產(chǎn)實踐中,對井位部署、指導開發(fā)具有重要意義。
a.應用多元回歸分析方法建立了沁水盆地柿莊南區(qū)塊3 號煤層含氣量隨煤層埋深和密度、自然伽馬、深側向電阻率等測井參數(shù)變化的預測模型,預測方法簡單快速,可用于區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)過程中的含氣量預測。
b.建立了柿莊南3 區(qū)3 號煤層構造三維模型,精細刻畫了3 號煤層空間展布特征及構造特征,顯示區(qū)內(nèi)3 號煤層分布穩(wěn)定,西北部發(fā)育一小型正斷層,小褶皺較多。
c.建立了柿莊南3 區(qū)3 號煤層含氣量分布三維模型,顯示區(qū)內(nèi)3 號煤層含氣量為11~20 m3/t,含氣量分布受埋深及構造影響較大。預測結果對于分析區(qū)內(nèi)煤層氣井低產(chǎn)原因及井位加密有重要指導作用。