基于三維地質(zhì)建模技術(shù)的煤層氣抽采效果評(píng)價(jià)?以晉城寺河煤礦為例

姜在炳，楊建超，李 勇，龐 濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣資源勘探評(píng)價(jià)與開發(fā)階段都需要全面描述和研究煤層氣儲(chǔ)層的構(gòu)造形態(tài)和分布特征。傳統(tǒng)儲(chǔ)層描述的方法，如數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖表、剖面圖、平面圖等，已無法滿足儲(chǔ)層精細(xì)描述的要求；與此同時(shí)，現(xiàn)代計(jì)算、仿真和可視化技術(shù)的飛速發(fā)展正不斷促進(jìn)三維地質(zhì)建模的改進(jìn)和應(yīng)用[1]。三維儲(chǔ)層描述技術(shù)由相互銜接的兩部分組成：儲(chǔ)層靜態(tài)描述和儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)模擬[2]，其中，靜態(tài)描述是工作的核心，即地質(zhì)建模[3-5]，利用煤層氣測(cè)試數(shù)據(jù)可繪制煤層含氣量、煤厚、煤巖煤質(zhì)、滲透率等二維平面分布圖；王曉梅[6]、張亞蒲[7]、閆巖[8]等利用儲(chǔ)層模擬軟件開展產(chǎn)能預(yù)測(cè)工作，預(yù)測(cè)煤層含氣量隨時(shí)間的變化情況。儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)模擬可以研究?jī)?chǔ)層參數(shù)隨著時(shí)間的變化規(guī)律，如“十一五”“十二五”期間，利用抽采效果檢驗(yàn)井獲取的剩余含氣量數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)研究區(qū)煤層含氣量下降程度，并繪制剩余含氣量等值線圖[9-10]；利用鉆錄井、測(cè)井資料、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和產(chǎn)能數(shù)據(jù)，借助三維地質(zhì)建模軟件，采用隨機(jī)建模方法，精細(xì)描述煤儲(chǔ)層物性參數(shù)在三維空間的分布規(guī)律，基于地質(zhì)模型開展煤層氣井產(chǎn)能主控因素分析，評(píng)估煤層氣資源開采程度，并指出煤層氣資源優(yōu)勢(shì)區(qū)[11-14]。綜上所述，國(guó)內(nèi)外在有關(guān)煤層氣二維平面儲(chǔ)層靜態(tài)與動(dòng)態(tài)描述分布已經(jīng)取得了許多成果，但在煤層氣儲(chǔ)層三維靜態(tài)與動(dòng)態(tài)方面的研究還需要進(jìn)一步完善，本次地質(zhì)建模以多學(xué)科理論相結(jié)合為原則[15]，充分利用煤礦地質(zhì)勘查資料、生產(chǎn)資料和煤層氣開發(fā)過程中的鉆井、測(cè)井、煤層氣排采資料、儲(chǔ)層數(shù)值模擬預(yù)測(cè)參數(shù)及煤層氣抽采數(shù)據(jù)資料，在煤層氣抽采效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維可視化地質(zhì)建模軟件，選取晉城寺河煤礦3 號(hào)煤儲(chǔ)層進(jìn)行高精度三維地質(zhì)建模，包括三維地質(zhì)構(gòu)造模型及儲(chǔ)層屬性參數(shù)模型，深入研究煤層的宏觀分布、煤儲(chǔ)層參數(shù)分布及其在煤層氣開發(fā)過程中參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征，以期實(shí)現(xiàn)研究區(qū)煤層氣抽采效果的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

1 寺河煤礦地質(zhì)特征

寺河煤礦位于沁水復(fù)式向斜南段軸部附近，地層平緩，構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層氣資源量大，煤層埋深較淺，為煤層氣開發(fā)的有利區(qū)域[16]。寺河煤礦地層由新到老有第四系、二疊系、石炭系和奧陶系[17]。主要含煤地層包括二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)?二疊系下統(tǒng)太原組，山西組發(fā)育3 號(hào)煤，太原組發(fā)育9 號(hào)和15 號(hào)煤。3 號(hào)煤埋深200～470 m，15 號(hào)煤埋深329～554 m。寺河煤礦西二盤區(qū)總面積為6.94 km2，區(qū)內(nèi)煤層厚度在5.70～7.48 m，平均6.31 m。研究區(qū)內(nèi)煤變質(zhì)程度高，以無煙煤為主。研究區(qū)含氣量普遍較高，由南向北、由東向西含氣量先增大后減小，煤層含氣量為3.36～29.02 m3/t，平均18.99 m3/t[18]。東部與西部相比含氣量偏低，其中，中部東部盤區(qū)含氣量較高，含氣量在18.98～29.02 m3/t，平均為23.68 m3/t；西二盤區(qū)含氣量為19.50～27.79 m3/t，平均21.96 m3/t，區(qū)內(nèi)3、9、15號(hào)煤多為原生結(jié)構(gòu)煤，且裂隙發(fā)育規(guī)整。通過注入/壓降測(cè)試可知，3 號(hào)煤滲透率(4.05～7.92)×10?3μm2，因此，該區(qū)基本上以大于1×10?3μm2為主。3 號(hào)煤儲(chǔ)層壓力在0.78～0.85 MPa，壓力梯度為2.35～2.47 kPa/m(表1)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于靜水壓力梯度。整體上寺河煤礦煤層埋深適中，煤層厚度較大，煤變質(zhì)程度高，煤層含氣量較高，原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，滲透率較高。

表1 寺河煤礦西二盤區(qū)及相鄰區(qū)塊3 號(hào)煤儲(chǔ)層壓力Table 1 Reservoir pressure of No.3 Coal Seam in west-second panel of Sihe Mine and adjacent blocks

2 三維建模儲(chǔ)層靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

三維建模過程包括數(shù)據(jù)整理、構(gòu)造模型建立、屬性模型建立、圖形顯示。其中，煤儲(chǔ)層靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。在建模之前需要準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，包括井名、井口坐標(biāo)、井口高程、井起始深度、井底深度、原始含氣量、儲(chǔ)層壓力、產(chǎn)氣量、剩余含氣量等。

2.1 煤儲(chǔ)層靜態(tài)參數(shù)評(píng)價(jià)

研究區(qū)受測(cè)試條件的影響，水分、灰分、揮發(fā)分、滲透率、儲(chǔ)層壓力等數(shù)據(jù)較少，但煤儲(chǔ)層厚度、含氣量測(cè)試資料相對(duì)豐富，且含有不同煤厚的分段數(shù)據(jù)(表2)，因此，本次主要針對(duì)原始含氣量進(jìn)行靜態(tài)屬性建模。在進(jìn)行儲(chǔ)層原始靜態(tài)屬性建模之前，首先將收集到的數(shù)據(jù)整理成相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入軟件，然后利用變差函數(shù)對(duì)屬性參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，獲得儲(chǔ)層參數(shù)分布的變程大小及方向，最后利用建模軟件中的序貫高斯模擬方法實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的隨機(jī)模擬。

表2 寺河煤礦西二盤區(qū)3 號(hào)煤原始含氣量實(shí)測(cè)結(jié)果Table 2 Measured results of original gas content of No.3 Coal Seam in west-second panel of Sihe Mine

2.2 煤儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)參數(shù)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

采用煤層氣產(chǎn)能模擬軟件CBM-SIM，對(duì)研究區(qū)內(nèi)煤層氣井產(chǎn)能、剩余含氣量及儲(chǔ)層壓力等生產(chǎn)動(dòng)態(tài)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)寺河煤礦西二盤區(qū)內(nèi)煤層氣生產(chǎn)井的分布情況、起始排采時(shí)間、排采周期及排采數(shù)據(jù)，在滿足模擬條件的基礎(chǔ)上，選擇煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史擬合，并修正參數(shù)，最終預(yù)測(cè)煤層氣井的產(chǎn)能、剩余含氣量和儲(chǔ)層壓力等動(dòng)態(tài)參數(shù)，并完成動(dòng)態(tài)參數(shù)建模。

本次收集了西二盤區(qū)72 口煤層氣井歷史產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)(單采3 號(hào)煤層)，時(shí)間跨度為2007?2019 年。截至2019 年，研究區(qū)內(nèi)單井平均日產(chǎn)氣量在494.69～8 214.02 m3，最高單井產(chǎn)量為22 953 m3/d。在西二盤區(qū)基于歷史排采數(shù)據(jù)和3 號(hào)煤儲(chǔ)層參數(shù)制定數(shù)值模擬參數(shù)(表3)，借助CBM-SIM 數(shù)值模擬軟件，采用定水產(chǎn)量的工作制度，并對(duì)其中關(guān)鍵參數(shù)(滲透率、含氣量、煤厚等)作網(wǎng)格化處理，以易于參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而對(duì)該區(qū)煤層氣生產(chǎn)井進(jìn)行歷史擬合(圖1)，在歷史擬合參數(shù)修正的基礎(chǔ)上，對(duì)西二盤區(qū)72 口井第10?第15 年的平均日產(chǎn)氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)(表4)。

圖1 煤層氣井產(chǎn)氣量擬合曲線Fig.1 Fitting curves of gas production

表3 寺河煤礦西二盤區(qū)數(shù)值模擬參數(shù)Table 3 Numerical simulation parameters in west-second panel of Sihe Mine

表4 煤層氣井排采第10—第15 年間預(yù)測(cè)日平均產(chǎn)氣量Table 4 Predicted daily average gas production of CBM well drainage during the 10th to 15th years

歷史擬合顯示，從第5 年開始，數(shù)值模擬產(chǎn)氣量低于實(shí)際產(chǎn)氣量，主要原因是：一方面產(chǎn)能模擬模型中未考慮基質(zhì)收縮效應(yīng)引起的滲透率增加，這種效應(yīng)在排采后期越明顯；另一方面數(shù)值模擬產(chǎn)水量為0，產(chǎn)氣量為0，而實(shí)際產(chǎn)氣量大于0，使得實(shí)際產(chǎn)氣量高于數(shù)值模擬擬合的產(chǎn)氣量。其中SHX-126 井和SHX-133 井在穩(wěn)定生產(chǎn)階段實(shí)際產(chǎn)量波動(dòng)較大，分析實(shí)際排采數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于排采過程中套壓的不合理控制，排采工作制度頻繁調(diào)整，造成井筒內(nèi)液面振蕩次數(shù)過多，影響煤層氣單井穩(wěn)定生產(chǎn)[19-20]。

3 儲(chǔ)層地質(zhì)模型建立

3.1 構(gòu)造及煤層模型構(gòu)建

筆者采用成熟的商業(yè)地質(zhì)建模軟件MSGIS2.5 中的3D 建模模塊，以寺河煤礦西二盤區(qū)內(nèi)煤層氣井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、煤田地質(zhì)勘探鉆孔數(shù)據(jù)、煤礦地質(zhì)圖信息等資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建寺河煤礦西二盤區(qū)3 號(hào)煤儲(chǔ)層地質(zhì)模型。斷層模型是三維地質(zhì)建模的第一步，斷層模型準(zhǔn)確與否直接影響到最終模型的可靠性[21-22]。以寺河煤礦西二盤區(qū)3 號(hào)煤層西區(qū)構(gòu)造綱要圖為基礎(chǔ)，結(jié)合歷次勘探報(bào)告資料和井下煤層揭露資料，構(gòu)建涉及3 號(hào)煤層的DF9、F2302X-3、FW2302X-2 和FW23032-2斷層(圖2)。

圖2 斷層模型Fig.2 Fault model

層面模型可以將煤層頂?shù)装宓娜S界面呈現(xiàn)出來，建立起研究區(qū)煤儲(chǔ)層框架。本次層面模型構(gòu)建時(shí)依據(jù)3 號(hào)煤層底板等高線圖、煤層鉆孔柱狀圖、勘探鉆孔柱狀圖等，煤層的頂板深度為214.96～460.91 m，底板深度為220.92～467.40 m，生成如圖3 所示的層面模型。

圖3 層面模型Fig.3 Layer model

在完成斷層模型、層面模型后，需對(duì)層間地層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立三維網(wǎng)格化煤層空間模型[23]。本文使用角點(diǎn)網(wǎng)格，同時(shí)考慮網(wǎng)格大小和方向等參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的平均井距確定網(wǎng)格的平面步長(zhǎng)為48 m，垂向網(wǎng)格設(shè)置為40 個(gè)，平均高度為0.15 m。最終網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為80×64×40，共計(jì)204 800 個(gè)網(wǎng)格(圖4)。

圖4 模型網(wǎng)格設(shè)計(jì)Fig.4 Model grid design

3.2 屬性參數(shù)模型

變差函數(shù)是一種度量區(qū)域化變量空間變異性的工具，可以反映變量空間變異程度隨距離變化的規(guī)律和特征，是后續(xù)隨機(jī)模擬中的重要工具之一[24]。在變差函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，使用序貫高斯模擬方法[25]，利用建模軟件，分別對(duì)原始含氣量、產(chǎn)氣量、儲(chǔ)層壓力、剩余含氣量進(jìn)行隨機(jī)模擬。采用序貫高斯模擬方法建立原始含氣量模型(圖5)，同時(shí)分別建立2010 年、2012 年、2017 年、2022 年不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)層壓力模型(圖6)和產(chǎn)氣量模型(圖7)。

圖5 3 號(hào)煤層原始含氣量模擬空間展布Fig.5 Simulated spatial distribution of original gas content of No.3 Coal Seam

基于圖6 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)儲(chǔ)層壓力的地質(zhì)屬性模型，分別統(tǒng)計(jì)所有網(wǎng)格數(shù)據(jù)。2010 年整個(gè)研究區(qū)內(nèi)平均儲(chǔ)層壓力為1.31 MPa，最大值為2 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.672，數(shù)據(jù)變化幅度較為均勻；2012 年平均儲(chǔ)層壓力為0.94 MPa，最大值為2 MPa；2017 年平均儲(chǔ)層壓力為0.73 MPa，2022 年平均儲(chǔ)層壓力僅為0.60 MPa，較2010 年下降54%，由此可知，隨著地面煤層氣井不斷抽采儲(chǔ)層壓力逐漸降低。

由圖7 可知，隨著抽采時(shí)間的延續(xù)，排采1 a 后平均產(chǎn)氣量為1 906.5 m3/d，排采2～3 a 后平均產(chǎn)氣量為3 149 m3/d，排采4～10 a 后平均產(chǎn)氣量為3 245.8 m3/d，排采11～15 a 后單井平均產(chǎn)氣量818 m3/d。即第1、第2?第3、第4?第10、第11?第15 年，煤層氣井平均日產(chǎn)氣量逐漸降低，影響范圍逐漸擴(kuò)大。

3.3 地質(zhì)模型檢驗(yàn)及抽采效果評(píng)價(jià)

由圖8 可知，2010 年時(shí)整個(gè)研究區(qū)內(nèi)剩余含氣量3.7～17.9 m3/t，平均15.7 m3/t；2012 年時(shí)平均剩余含氣量為13.6 m3/t；2017 年時(shí)平均剩余含氣量為8.4 m3/t；2022 年時(shí)平均剩余含氣量為5.65 m3/t(圖8)。

圖8 西二盤區(qū)剩余含氣量動(dòng)態(tài)變化模擬空間展布Fig.8 Simulation space distribution of the dynamic change of the remaining gas content in west-second panel

利用三維地質(zhì)模型預(yù)測(cè)的剩余含氣量進(jìn)行抽采效果評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)從2010?2019 年經(jīng)過10 a 的地面煤層氣抽采，噸煤含氣量降低幅度達(dá)73.26%，噸煤剩余含氣量平均為5.77 m3/t(表5)。因此，通過地面煤層氣抽采可以有效降低煤層瓦斯含量，為煤礦安全開采提供有力保障。

表5 寺河礦西二盤區(qū)抽采效果評(píng)價(jià)Table 5 Evaluation of drainage effect in west-second panel of Sihe Mine

煤層氣產(chǎn)能模擬進(jìn)行網(wǎng)格劃分過程中網(wǎng)格尺寸較大，而三維地質(zhì)建模過程中網(wǎng)格尺寸較細(xì)，為了驗(yàn)證三維地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性，利用2019 年在研究區(qū)施工的5 口抽采效果檢驗(yàn)井(ZX-X2JY-01?ZX-X2JY-05)與三維地質(zhì)屬性模型預(yù)測(cè)的剩余含氣量進(jìn)行對(duì)比，三維模型預(yù)測(cè)的剩余含氣量與實(shí)測(cè)剩余含氣量較為接近，但是也存在個(gè)別預(yù)測(cè)值誤差較大，其中ZX-X2JY-02井預(yù)測(cè)剩余含氣量比實(shí)測(cè)值偏低1.57 m3/t(表6)，主要原因是數(shù)值模擬為理想狀態(tài)的模型，而實(shí)際上儲(chǔ)層常常受到污染，隨著產(chǎn)氣量的進(jìn)行，裂縫閉合產(chǎn)氣量逐漸降低；ZX-X2JY-05 井?dāng)?shù)值模擬預(yù)測(cè)的剩余含氣量比實(shí)際剩余含氣量偏高3.68 m3/t(表6)，由于數(shù)值模擬未考慮基質(zhì)收縮效應(yīng)與氣體滑脫的影響，使得數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的產(chǎn)氣量低于實(shí)際產(chǎn)氣量，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的剩余含氣量偏高(表6)。整體上，寺河煤礦西二盤區(qū)瓦斯經(jīng)過10多年的抽采，抽采效果較為明顯，噸煤瓦斯含量基本降到《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求的8 m3/t 以下，達(dá)到無突出危險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[21]。

表6 三維地質(zhì)模型預(yù)測(cè)剩余含氣量與實(shí)測(cè)剩余含氣量對(duì)比Table 6 Comparison of the remaining gas content predicted by the 3D geological model and the measured remaining gas content

4 結(jié)論

a.利用煤層氣數(shù)值模擬軟件CBM-SIM，通過歷史擬合和參數(shù)修正，預(yù)測(cè)寺河煤礦西二盤區(qū)排采10～15 a的產(chǎn)能情況，其中，2010、2012、2017、2022 年各井的平均儲(chǔ)層壓力分別為1.31、0.94、0.73、0.6 MPa，即隨著地面煤層氣井不斷抽采儲(chǔ)層壓力逐漸降低；產(chǎn)氣量從2010 年到2022 年先上升后下降，影響范圍逐漸擴(kuò)大；研究區(qū)內(nèi)2010、2012、2017、2022 年的各井的平均剩余含氣量分別為15.70、13.60、8.40、5.65 m3/t，經(jīng)過地面煤層氣井逐年抽采，噸煤含氣量逐漸降低。

b.利用三維地質(zhì)模擬軟件，建立了3 號(hào)煤層三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(煤層模型和斷層模型)，建立原始含氣量的靜態(tài)模型，以數(shù)值模擬結(jié)果和不同排采時(shí)期的平均日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，建立儲(chǔ)層壓力、平均日產(chǎn)氣量、剩余含氣量的動(dòng)態(tài)模型，為直觀研究煤層氣井抽采效果評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

c.利用三維地質(zhì)模型預(yù)測(cè)了煤層氣井抽采10 a的剩余含氣量，與附近參數(shù)井原始含氣量對(duì)比，平均含氣量降低幅度達(dá)73.26%，噸煤剩余含氣量平均為5.77 m3/t，噸煤瓦斯含量達(dá)到了區(qū)域無突出危險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。并與5 口抽采效果檢驗(yàn)井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示兩者較為接近，絕對(duì)誤差在?1.57～3.68 m3/t。

d.鑒于本次研究區(qū)儲(chǔ)層參數(shù)測(cè)試較少，如3 號(hào)煤的滲透率和儲(chǔ)層壓力變化規(guī)律有待進(jìn)一步提高，建議在煤巖地質(zhì)或煤層氣地質(zhì)勘探期間，統(tǒng)籌考慮后期煤層氣開發(fā)所需相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)開發(fā)效果評(píng)價(jià)提供依據(jù)。