低煤階煤層氣可采性主控因素及定量評價*

王 晶

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

我國低煤階煤層氣資源豐富，約占全國煤層氣資源總量的40%左右，結(jié)合我國能源短缺的社會局面，低煤階煤層氣開發(fā)既具有能源開發(fā)必要性也具有很大的開發(fā)潛力[1-3]。目前國內(nèi)針對低煤階煤層氣藏的開發(fā)進行了大量的開發(fā)試驗工作[4-6]，煤層氣井產(chǎn)量卻差異明顯，因此煤層氣可采性評價、有利區(qū)優(yōu)選是低煤階煤層氣開發(fā)面臨的主要問題。目前國內(nèi)針對可采性評價進行了大量的研究工作。李國忠等[7]通過國內(nèi)高產(chǎn)井地質(zhì)參數(shù)分析，提出了不同煤階的煤層氣選區(qū)評價參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)?？涤郎械萚8]利用等溫吸附曲線評價區(qū)塊煤層氣的開發(fā)潛力，提出了臨界壓差、臨廢壓差和有效解吸量3個量化指標(biāo)。然而由于不同井田、不同區(qū)塊的煤層地質(zhì)參數(shù)非均質(zhì)性較強，因此量化指標(biāo)應(yīng)具有區(qū)域性。同時由于煤層氣開發(fā)往往與煤礦井下安全相關(guān)聯(lián)，因此煤層氣可采評價不能單純的考慮開發(fā)潛力，與實效性相關(guān)的煤層氣產(chǎn)量是煤層氣可采性的重要研究指標(biāo)?；诖耍绾螌⒌兔弘A煤層氣的地質(zhì)影響參數(shù)與產(chǎn)氣效果進行直接匹配，得到定量化的煤層氣可采參數(shù)區(qū)間具有重要研究意義。為此，以彬長礦區(qū)大佛寺井田為例，結(jié)合該區(qū)的煤層氣開采情況，開展了影響煤層氣產(chǎn)能的地質(zhì)主控因素研究及定量化的煤層氣開采評價。

1 大佛寺井田煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

大佛寺井田位于鄂爾多斯盆地彬長礦區(qū)南部，含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，4號煤層為主采煤層，全區(qū)可采。大佛寺井田自2011年開始進行煤層氣地面開發(fā)部署、試驗，目前嘗試了垂直井、多分支水平井、“V型”水平井等多種井型，其中主要井型為煤層氣地面垂直井，如圖1所示。

圖1 大佛寺井田煤層氣井分布及分區(qū)Fig.1 Distribution and subdivision of coalbed methane wells in Dafosi mine field

收集了24口煤層氣排采直井排采數(shù)據(jù)，從產(chǎn)能上來看，該區(qū)24口壓裂直井日產(chǎn)氣量在0～3 043.30 m3/d，產(chǎn)能差異大。根據(jù)大佛寺井田井位分布位置將井田分為4個區(qū)：北區(qū)、中區(qū)、南區(qū)、東區(qū)，如圖2所示。其中南區(qū)有8口直井，平均產(chǎn)氣量均低于500 m3/t；北區(qū)有7口直井，其中4口平均產(chǎn)氣量低于500 m3/t，3口平均產(chǎn)氣量介于500～1 000 m3/t之間。中區(qū)有8口直井，除DFS-151、DFS-153井產(chǎn)量很低、幾乎不產(chǎn)氣外，其余6口井產(chǎn)量均大于500 m3/t，最高產(chǎn)量達2 600 m3/t。東區(qū)僅有一口直井，產(chǎn)量大于2 000 m3/t。由此可見，大佛寺井田部分地區(qū)煤層氣具有一定經(jīng)濟可采性，但一些地區(qū)產(chǎn)量并不理想，排采效果較差。

圖2 大佛寺井田煤層氣井產(chǎn)氣情況Fig.2 Gas production in coalbed methane wells in Dafosi mine field

2 產(chǎn)能主控因素研究

大佛寺井田煤層氣開發(fā)過程中，各排采井產(chǎn)能受地質(zhì)及工程等多種因素影響[9-10]。工程因素具有不確定性，而找到地質(zhì)參數(shù)的關(guān)鍵影響因素是判斷、評價地區(qū)煤層氣可采性的最重要環(huán)節(jié)[11]。通過收集大佛寺井田煤層氣井地質(zhì)資料及測試化驗數(shù)據(jù)，建立了大佛寺井田地質(zhì)模型，采用正交試驗設(shè)計方法設(shè)計模擬方案，以累計產(chǎn)氣量為評價指標(biāo)，討論含氣量、煤層厚度、孔隙度、裂隙滲透率、含氣飽和度、儲層壓力共6個參數(shù)對煤層氣井產(chǎn)能的影響，進而確定影響大佛寺井田低煤階煤層氣可采性的主控因素。

2.1 產(chǎn)能影響因素及選值區(qū)間

煤層厚度:煤層厚度和含氣量決定著煤層氣的資源豐度，是低煤階煤儲層富集煤層氣與提供產(chǎn)能的關(guān)鍵。煤層厚度越大，產(chǎn)氣量越大，供氣能力也越好，產(chǎn)能越高。根據(jù)統(tǒng)計的大佛寺井田的生產(chǎn)井揭露的煤厚數(shù)據(jù)，大佛寺井田煤層氣厚度在4.23～18.7 m間，因此設(shè)計煤層厚度分別為5 m、8 m、10 m、15 m、20 m共5個水平值。

含氣量:根據(jù)統(tǒng)計的大佛寺井田參數(shù)井測試數(shù)據(jù)，大佛寺井田煤層氣含氣量在0.72～3.65 m3/t，因此設(shè)計含氣量為0.8 m3/t、1 m3/t、2 m3/t、3 m3/t、4 m3/t、5 m3/t共5個水平。

裂隙滲透率:參與煤層氣井產(chǎn)出運移的滲透率為裂隙滲透率，該參數(shù)是影響煤層氣產(chǎn)量及采收率的關(guān)鍵參數(shù)。裂隙滲透率越高，滲流阻力越小，煤層氣產(chǎn)量越高。滲透率受構(gòu)造、埋深等因素的影響，差別較大。大佛寺井田以往壓降試井?dāng)?shù)據(jù)只有4口井，因此參考4上和4號煤的試井滲透率，在0.11～6.84 m3/t。因此設(shè)計滲透率為0.1 mD、0.5 mD、1 mD、3 mD、6 mD共5個水平值。

裂隙孔隙度:裂隙孔隙度直接影響煤層氣產(chǎn)水量及降壓速率。裂隙孔隙度越大，煤層中含水量越大，排水采氣速率越快，產(chǎn)氣效果越差。目前并沒有針對裂隙孔隙度的測量方法，根據(jù)國內(nèi)外煤層氣裂隙孔隙度的數(shù)據(jù)分布范圍，結(jié)合該區(qū)的煤巖煤質(zhì)特征，確定大佛寺井田煤層裂隙孔隙度在2%～4%，因此設(shè)計裂隙孔隙度為2%、2.5%、3%、3.5%、4%共5個水平。

含氣飽和度:含氣飽和度是反映煤層氣飽和程度的指標(biāo)，是煤層氣開發(fā)可行性的重要評價參數(shù)。根據(jù)大佛寺井田實測結(jié)果，計算得到4上及4號煤層含氣量飽和度在37.32%～80.47%，因此設(shè)計含氣飽和度為40%、50%、60%、70%、80%共5個水平。

儲層壓力:根據(jù)大佛寺井田儲層壓力梯度較低，在0.45～0.53 MPa間，因此設(shè)計儲層壓力梯度在0.45 MPa/100 m、0.475 MPa/100 m、0.50 MPa/100 m、0.525 MPa/100 m、0.55 MPa/100 m共5個水平。

2.2 正交法敏感性分析方案

以大佛寺井田各參數(shù)的實際變化范圍為基礎(chǔ)，設(shè)計了6因素5水平正交試驗，共25個模擬試驗方案，見表1。應(yīng)用數(shù)值模擬方法計算10 a累計產(chǎn)氣量，以此來確定影響大佛寺井田低煤階煤層氣井產(chǎn)能的主控因素。

表1 正交試驗方案Table 1 Orthogonal test scheme

2.3 正交法敏感性分析結(jié)果

數(shù)值模擬采用300 m×300 m井網(wǎng)，模擬9口井，定井底壓力開采，以中間井10 a累計產(chǎn)氣量作為評價指標(biāo)，并計算極差來確定各因素影響效果，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 10 a累計產(chǎn)氣量敏感性Fig.3 Sensitivity of cumulative gas production in 10 a

敏感性分析結(jié)果表明，影響低煤階煤層氣井產(chǎn)能的因素由強到弱依次為滲透率、煤層厚度、含氣量、孔隙度、儲層壓力梯度、含氣飽和度。因此確定了影響大佛寺井田煤層氣井產(chǎn)能的三大主控因素為裂隙滲透率、煤層厚度、含氣量，其他因素對產(chǎn)能的影響均相對較小，因此可將其視為影響低煤階煤層氣井產(chǎn)能的非主控因素。

2.4 大佛寺井田主控地質(zhì)參數(shù)影響效果

根據(jù)大佛寺井田前期的煤層氣開發(fā)直井?dāng)?shù)據(jù)，對實際產(chǎn)氣情況與敏感性分析得到的主控因素的關(guān)系進行驗證。由于煤層的厚度和含氣量共同決定了煤層的資源豐度，因此將2個因素共同考慮。而大佛寺井田裂隙滲透率測點較少，由于埋深通過對應(yīng)力的影響控制著煤儲層滲透率的大小[12]，因此通過研究埋深對產(chǎn)能的影響間接分析裂隙滲透率與產(chǎn)能的關(guān)系。

如圖4所示，全區(qū)來看，煤層氣井平均日產(chǎn)氣量與資源豐度(煤厚×含氣量)的關(guān)系并不明顯，這是由于不同區(qū)域各地質(zhì)參數(shù)差異大，單一因素影響不明顯。而分區(qū)來看，平均日產(chǎn)氣量與資源豐度(煤厚×含氣量)有著明顯的正相關(guān)關(guān)系。即三區(qū)均隨著煤厚與含氣量乘積值的增加，平均日產(chǎn)氣量增加。

圖4 平均日產(chǎn)氣量與煤厚、含氣量的關(guān)系散點Fig.4 Scatter plot of the relationship between average daily gas production and coal thickness and gas content

如圖5所示，全區(qū)來看，煤層氣井平均日產(chǎn)氣量高值均分布在埋深較淺區(qū)，南區(qū)的“低產(chǎn)區(qū)”埋深較深，由此可以認(rèn)為埋藏深度一定程度上反映了滲透率的高低，而滲透率是影響該區(qū)煤層氣產(chǎn)能最重要的因素，因此在全區(qū)的影響就較為明顯，這與敏感性分析得到了滲透率是影響最大的地質(zhì)因素相吻合。

由上述分析可得，正交試驗方法模擬得到的大佛寺井田低煤階煤層氣三大主控因素具有可靠性。

3 低煤階煤層氣定量化可采性評價

基于前人研究及低煤階煤層氣選區(qū)評價中存在的問題，以實現(xiàn)快速、定量化煤層氣開發(fā)選區(qū)，提出了主控因素階梯式數(shù)值模擬評價法對低煤階煤層氣可采性進行定量化評價研究。該方法要結(jié)合敏感性分析得到的三大主控因素。主控因素階梯式數(shù)值模擬評價法遵循以下流程和原則：首先，要根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)明確2個數(shù)值區(qū)間較為確定的主控因素，并在其數(shù)值區(qū)間內(nèi)進行階梯劃分；其次，確定符合煤層氣井可采性的產(chǎn)能指標(biāo)；最后，通過插值法及數(shù)值模擬手段確定符合產(chǎn)能指標(biāo)的第3個主控因素的閾值。從而得到了具有煤層氣可采的主控因素組合，并且該方法直接與產(chǎn)能相關(guān)聯(lián)，具有實用性。

大佛寺井田煤層氣產(chǎn)能主控因素為滲透率、煤層厚度、含氣量。根據(jù)該區(qū)的開發(fā)程度，含氣量、煤層厚度數(shù)值區(qū)間較為確定。根據(jù)大佛寺井田低階煤含氣量分布范圍，確定含氣量0.8 m3/t、1 m3/t、2 m3/t、3 m3/t、4 m3/t這5個含氣量評價階梯，以日產(chǎn)量500 m3/t為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過不同煤層厚度(5～20 m)下，改變滲透率的方式，確定不同地質(zhì)條件下符合規(guī)定產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)的滲透率閾值。數(shù)值模擬基礎(chǔ)參數(shù)及具體模擬方案見表2、3。

表2 產(chǎn)能模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of capacity simulation

表3 主控因素階梯式數(shù)值模擬方案Table 3 Stepped numerical simulation scheme of main control factors

圖6 含氣量0.8 m3/t煤厚20 m儲層滲透率閾值確定Fig.6 Permeability threshold of 20 m thick coal reservoir with gas content of 0.8 m3/t

根據(jù)主控因素階梯式數(shù)值模擬評價方法，最終得到大佛寺井田不同含氣量、煤厚階梯組合條件下達到可采標(biāo)準(zhǔn)的滲透率閾值，如圖7所示。含氣量等于0.8 m3/t的階梯，即綠色曲線，可以看到由于含氣量過低，可采性較差，僅有綠色曲線右側(cè)的組合范圍是可采的。當(dāng)厚度大于15 m時，若要達到500 m3/d的產(chǎn)能指標(biāo)，滲透率需大于15 mD，即使厚度達到20 m，滲透率也要達到11 mD才具有可采性；當(dāng)含氣量等于4m3/t時，該區(qū)的可采性范圍較大。當(dāng)含氣量等于1 m3/t時，煤層厚度在5～20 m范圍，達到可采能力的滲透率閾值為6 mD，具體可根據(jù)圖7中紫色曲線，查找到不同厚度下的滲透率閾值。隨著含氣量的增加，達到可采能力的滲透率閾值降低，可采區(qū)間越大。當(dāng)煤厚為5 m時，滲透率達到0.7 mD即可采，而當(dāng)厚度為20 m時，若要達到500 m3/d的產(chǎn)能指標(biāo)，滲透率閾值為0.075 mD。依次類推，已知大佛寺井田某一區(qū)塊的煤厚、含氣量，可通過查詢圖7，快速確定該區(qū)具有可采價值的煤層滲透率區(qū)間。當(dāng)含氣量不在所列階梯數(shù)值中，也可通過插值法，得到不同厚度條件下相應(yīng)的滲透率閾值。圖7涵蓋了大佛寺井田影響煤層氣井產(chǎn)能的三大主控因素的分布范圍，因此通過查詢圖版，初步進行煤層氣選區(qū)。

圖7 大佛寺井田煤層氣可采能力查詢圖版Fig.7 Query chart of coalbed methane recoverable capacity in Dafosi mine field

4 結(jié)論

(1)以典型的低煤階大佛寺井田為例，通過正交試驗和數(shù)值模擬方法，確定了井田內(nèi)影響煤層氣井產(chǎn)能的三大主控因素為裂隙滲透率、煤層厚度、含氣量，其他因素對產(chǎn)能的影響均相對較小。

(2)為了實現(xiàn)快速、定量化煤層氣開發(fā)選區(qū)，提出了主控因素階梯式數(shù)值模擬方法，并闡述了該評價方法應(yīng)遵循的流程和原則。

(3)采用主控因素階梯式數(shù)值模擬方法，得出了井田內(nèi)不同煤厚、含氣量階梯組合達到可采標(biāo)準(zhǔn)的滲透率閾值，并建立了大佛寺井田煤層氣可采能力查詢圖版。