滇黔北探區(qū)煤層氣儲層特征及多層合采有利區(qū)優(yōu)選

孫 斌，田文廣，楊兆彪，楊敏芳，李存磊

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065007；2.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

中國西南地區(qū)(主要包括川南、滇東和黔西)煤炭和煤層氣資源豐富，煤層氣地質(zhì)資源量接近4.2 萬億m3以上，其中，貴州為3.15 萬億m3，云南為0.5 萬億m3，四川為0.6 萬億m3，約占全國煤層氣地質(zhì)資源量的12%，是我國未來重點發(fā)展的煤層氣產(chǎn)業(yè)化后備基地。近5 年來，楊梅參1 井、川高參1 井、文1-2 井等一些日產(chǎn)量在5 000 m3以上的高產(chǎn)井接連刷新本區(qū)域最高日產(chǎn)量[1-3]，昭示著該區(qū)域有著廣闊的煤層氣勘探開發(fā)前景。其中，川南－滇黔北探區(qū)是中石油的重要煤層氣探區(qū)，川南筠連區(qū)塊已建成了2.58 億m3產(chǎn)能，年產(chǎn)量1 億m3以上。為保證煤層氣“增儲上產(chǎn)”，下一步需在其外圍滇東北和黔西北尋找煤層氣有利區(qū)，為后期煤層氣開發(fā)工程部署提供依據(jù)。然而，該區(qū)構造背景復雜，煤層層數(shù)多，煤體結(jié)構復雜，含氣系統(tǒng)疊置，與已經(jīng)取得開發(fā)成果的華北沁水盆地成藏條件截然不同[4-8]。同時，該地區(qū)部分區(qū)域，如威信–鎮(zhèn)雄–赫章一帶，地質(zhì)評價程度較低，煤層氣基本地質(zhì)條件及資源條件認識不清，無法為后期煤層氣勘探開發(fā)提供技術支持。

為此，筆者對該區(qū)煤層氣地質(zhì)條件、富集規(guī)律及其地質(zhì)控制因素調(diào)查研究，構建“多層次模糊數(shù)學+關鍵指標方法”，進行多層合采有利區(qū)優(yōu)選，以期為研究區(qū)后續(xù)工程部署提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大部分位于滇東，少部分位于黔西北，由眾多中小型向斜組成，包括鎮(zhèn)雄–赫章、威信–敘永和塘壩3 個區(qū)塊，其中，鎮(zhèn)雄–赫章區(qū)塊主要包括可樂向斜、牛場以古向斜和鎮(zhèn)雄向斜，威信–敘永區(qū)塊包括新莊–洛旺–彝良向斜和石坎–馬河向斜，塘壩區(qū)塊包括廟壩向斜、兩河向斜和鹽津向斜。斷層主要以NE 向為主，NW 向次之，發(fā)育正斷層、逆斷層和平移斷層(圖1)。

圖1 研究區(qū)構造與沉積相Fig.1 Structure and sedimentary facies map of the study area

晚二疊世研究區(qū)大致以赫章–馬河–威信為界，上二疊統(tǒng)煤系在西部為宣威組(P3x)，下段發(fā)育河流相，上段發(fā)育泛濫平原–三角洲沉積體系；東部逐漸過渡為龍?zhí)督M(P3l)–長興組(P3c)，主要發(fā)育潟湖–潮坪和三角洲相(圖2)[9-10]。因此，造成研究區(qū)不同地帶含煤地層發(fā)育特征具有較大差異，主力煤層主要位于龍?zhí)督M上部或宣威組中上部，長興組僅研究區(qū)中部含少量煤層，東部由于是淺海相兼有潟湖相，覆水很深，幾乎沒有煤(圖2)。研究區(qū)C5(M11)煤層形成于最大海泛面處，具有厚度大、分布廣的特征[11-12]。研究區(qū)煤系厚度總體表現(xiàn)出，由南向北，由東向西減薄的趨勢，這與滇東黔西地區(qū)受東南方向海侵密切相關(圖1)。煤層層數(shù)同樣由南向北，由東向西，煤層層數(shù)減少。

圖2 滇黔北探區(qū)可樂向斜連井剖面Fig.2 Profile of Kele syncline wells in northern Yunnan-Guizhou exploration area

基于709 個原煤樣品統(tǒng)計結(jié)果，主力煤層灰分質(zhì)量分數(shù)介于12.72%～41.93%，平均27.73%，屬于中灰煤。處于陸相聚煤區(qū)的廟壩向斜，洛旺向斜，可樂向斜的輔處探區(qū)，主力煤層灰分質(zhì)量分數(shù)一般在30%以上，為高灰煤；東部的新莊、鎮(zhèn)雄等向斜，主煤層灰分質(zhì)量分數(shù)一般低于30%。主力煤層鏡質(zhì)體最大反射率(Rmax)介于1.88%～3.64%，主要為貧煤–無煙煤。其中，可樂、鎮(zhèn)雄、牛場–以古、廟壩、新莊等向斜煤級較高，Rmax>2.5%，主要為無煙煤；其余向斜主要為貧煤。

2 評價方法

以往煤層氣有利區(qū)優(yōu)選往往指標多而復雜，實際的可操作性較差[13-14]。吳財芳等[15]在分析我國煤層氣地質(zhì)選區(qū)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀的基礎上，針對滇東黔西地區(qū)多煤層、高地應力和構造復雜等地質(zhì)特點，從資源–地質(zhì)–工程–經(jīng)濟等方面優(yōu)選了選區(qū)關鍵指標和參考指標，構建了適合滇東黔西地區(qū)的煤層氣地質(zhì)選區(qū)指標體系，總體具有“層次結(jié)構+遞階優(yōu)選”“關鍵要素+一票否決”“參考指標+輔助評價”的特點。借鑒其主要思想，針對研究區(qū)處于煤層氣勘探開發(fā)初期的特征，建立基于層次遞階優(yōu)選的“多層次模糊數(shù)學+關鍵指標法”的薄煤層多層合采有利區(qū)優(yōu)選方法：基于層次遞階優(yōu)選關鍵指標，增強方法的可操作性；總結(jié)前人經(jīng)驗，建立合采系數(shù)，評價合采效果；利用最小–最大規(guī)范化方法，放大儲層特征的差異性；利用多層次模糊數(shù)學，賦予儲層評價的科學性。

2.1 層次遞階優(yōu)選

煤層氣勘探開發(fā)的最終目的就是要獲取商業(yè)性氣流，開采條件與地質(zhì)條件同等重要，二者缺一不可[15]。以NB/T10013?2014《煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價方法》為依據(jù)，建立層次遞階結(jié)構模型，并得到煤層氣選區(qū)評價參數(shù)及參考權重賦值(圖3)。

圖3 煤層氣選區(qū)綜合評價層次結(jié)構模型及權重賦值(NB/T 10013?2014《煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價方法》)Fig.3 Hierarchical structure model and weight assignment for comprehensive evaluation of CBM area selection (NB/T 10013?2014 The procedure and method of coalbed methane play evaluation and selection)

2.2 特征參數(shù)

從圖3 的參數(shù)權重可以看出，含氣量、滲透率、煤體結(jié)構、主力煤層凈總厚度的權重較高，其余指標權重較低。含氣量是計算煤層氣資源儲量的重要基礎數(shù)據(jù)，與煤層埋深、構造、水文地質(zhì)條件、鏡質(zhì)組含量、灰分、含氣飽和度、臨儲比、煤層與圍巖的關系有關；煤體結(jié)構反映了儲層孔隙–裂隙系統(tǒng)及可改造性，與構造、有效地應力有關。主力煤層凈總厚度是資源指標，反映了煤層分布面積、煤層埋深變化、臨儲比的特征。這三個權重較高的要素之間盡管互有聯(lián)系，但卻無法相互替代。由于研究區(qū)為煤層氣勘探開發(fā)初期階段，真正進行煤層氣勘探開發(fā)的試驗評價井較少，大多數(shù)為煤田勘探孔，滲透率參數(shù)獲取困難，于是僅提取這3 個權重較高的要素作為關鍵指標，進行有利區(qū)優(yōu)選，其中，將主力煤層總凈厚度進一步量化為符合多煤層區(qū)多層合采的“合采系數(shù)”。

1) 合采系數(shù)

西南多煤層較為發(fā)育，單煤層普遍較薄，一般在2 m 左右，其特點決定了單獨開發(fā)一層煤層，資源性和經(jīng)濟性均不高，多層合采是本區(qū)煤層氣開發(fā)的最佳選擇[16]。秦勇等[17]總結(jié)了黔西–滇東地區(qū)煤層氣合采產(chǎn)層組設計與排采管控措施，得出產(chǎn)層組合最大跨度不超過60 m 的結(jié)論。同時，畢彩芹等[2,14]以川高參1 井的成功經(jīng)驗得出壓裂層位總厚度在5 m 以上最佳。為此，本文以主力煤層為中心煤層，匯總向上或向下擴展60 m 范圍內(nèi)可采煤層總層厚H，定義合采系數(shù)C為：

根據(jù)滇東黔西實際開發(fā)經(jīng)驗，在60 m 跨度內(nèi)合采煤層至少達到5 m 以上，合采效果一般較好[18]。為此，合采系數(shù)C以0.08 為界限，大于0.08 定義為好，小于0.08 定義為差，即理想的跨度內(nèi)合采煤層厚度越厚越好。

2) 煤體結(jié)構

煤體結(jié)構是影響煤層氣壓裂改造的重要因素，碎裂煤和原生結(jié)構煤易于改造，而構造煤改造難度較大；在排采過程中，煤體結(jié)構越破碎，煤粉產(chǎn)出越多，裂縫閉合越嚴重、且易造成排采通道的堵塞。煤體結(jié)構可分為原生結(jié)構煤、碎裂煤、碎粒–糜棱煤3 類，其中，碎粒–糜棱煤不利于進行煤層氣勘探開發(fā)。結(jié)合煤心照片、構造活動強度以及煤體特征，參考煤體結(jié)構劃分標準(GB/T 30050?2013)對研究區(qū)煤體結(jié)構進行劃分。分析研究區(qū)煤體結(jié)構與測井曲線交會關系發(fā)現(xiàn)，隨著煤體結(jié)構破壞程度的升高，煤層越容易擴徑、自然伽馬越高，而對于超過一定厚度(H>1.5 m)的碎粒–糜棱煤，自然伽馬保持低值不變，井徑增大，與前人認識相同[19-21]。據(jù)此建立針對研究區(qū)的煤體結(jié)構判識典型測井圖(圖4)，并進一步進行了量化：

圖4 研究區(qū)煤體結(jié)構測井判識模板Fig.4 Logging identification template of coal structure in the study area

式中：G為煤體結(jié)構判識指數(shù)；CAL 為橫向井徑，cm；GR 為自然伽馬，API；ln(LLD)為深側(cè)向電阻率的對數(shù)。其中，原生結(jié)構煤(G>5)；碎裂煤(4≤G≤5)；碎粒–糜棱煤(G<4)。碎粒–糜棱煤往往難以采用傳統(tǒng)的水力壓裂方式改造，目前儲層評價中，碎粒–糜棱煤為最差儲層。

3)含氣量

煤層含氣量是確定煤層氣資源量和采收率必不可少的參數(shù)。根據(jù)楊兆彪等[22]對黔西–滇東地區(qū)煤層氣多層合采的研究認識以及DZ/T 0216?2017《煤層氣資源/儲量規(guī)范》，將煤層含氣量8 m3/t 作為Ⅱ和Ⅲ類煤儲集層的含氣量分界值；12 m3/t 作為Ⅰ和Ⅱ類煤儲集層含氣量分界值，含氣飽和度一般可達60%～100%。

2.3 模糊數(shù)學綜合評價模型

儲層綜合評價關鍵在于建立參數(shù)評價體系及確定參數(shù)權重[22-23]。以煤體結(jié)構判識指數(shù)、含氣量、合采系數(shù)作為關鍵指標(圖3)，通過變異系數(shù)加權方法設定各參數(shù)權重，綜合評價儲層屬性，建立適合于研究區(qū)的儲層評價參數(shù)體系(表1)。為了提高賦權方法的科學性，本文基于95 口評價井及勘探孔關鍵指標數(shù)據(jù)，通過求取各參數(shù)的變異系數(shù)，進而確定儲層評價過程中每個參數(shù)的權重。

表1 煤層氣勘探階段有利區(qū)評價參數(shù)Table 1 Evaluation parameters of favorable areas in CBM exploration stage

按照如下步驟來完成儲層綜合評價：

(1) 選定儲層評價涉及的地質(zhì)參數(shù)，構建相關參數(shù)綜合評價體系。

(2) 采用最小–最大規(guī)范化方法，對每個參數(shù)進行歸一化處理，如下：

主要是為了數(shù)據(jù)處理方便提出來的，把數(shù)據(jù)映射到0～1 范圍之內(nèi)處理，更加便捷快速；把有量綱表達式變成無量綱表達式，便于不同單位或量級的指標能夠進行比較和加權。

將數(shù)據(jù)歸一化到(a,b]區(qū)間范圍的方法：首先找到樣本數(shù)據(jù)Y的最小值Ymin與最大值Ymax，計算系數(shù)為k，最終得到歸一化到(a,b]區(qū)間的數(shù)據(jù)Ynor。

(3) 計算每個參數(shù)的賦值情況，見表1；并對層次遞階結(jié)構模型得出的各參數(shù)權重進行處理，得到各參數(shù)權重。

(4) 通過模糊數(shù)學評價模型對煤層氣勘探潛力指數(shù)(Fj)進行評價，F(xiàn)j越高表示煤層氣勘探潛力越大[10]。評價參數(shù)xij乘上權重Wi得到Fj，F(xiàn)j即為各參數(shù)運算后獲得加權的得分即為儲層評分結(jié)果：

3 結(jié)果與討論

3.1 關鍵參數(shù)及其分布

1) 合采系數(shù)

研究區(qū)煤系厚度一般在150 m 左右，其中，可樂向斜、牛場–以古向斜和鎮(zhèn)雄向斜煤系較厚在200 m 左右。總體表現(xiàn)出，由南向北，由東向西減薄的趨勢，其中在研究區(qū)的西部邊緣，宣威組已不含煤層，如彝良縣城以西地區(qū)。煤層數(shù)以鎮(zhèn)雄向斜、可樂向斜和新莊向斜煤層層數(shù)較多，可達到20 層以上，包括龍?zhí)督M下部煤線，但主要煤層分布在龍?zhí)督M上段和長興組。同樣，由南向北，由東向西，煤層層數(shù)減少，可采煤層數(shù)一般在3 層左右，主要分布在龍?zhí)督M中段和長興組(圖5a)。研究區(qū)煤層總厚度一般在6 m 以上，其中鎮(zhèn)雄向斜、新莊向斜和石坎向斜煤層總厚度較大，部分可達到9 m 以上；向西部方向，比如廟壩向斜、馬河向斜及可樂向斜的西部煤層總厚度較薄，不到4 m(圖5b、表2)。上述向斜平均可采厚度一般在3 m 左右，煤層總厚度較薄的區(qū)域，可采煤層總厚度一般較低。研究區(qū)C5(M11)煤層具有全區(qū)可對比性，在海陸過渡相位于長興組和龍?zhí)督M的分界處，為龍?zhí)督M的頂部煤層；在陸相位于宣威組上段和中段的分界處，為宣威組中段的頂部煤層，為全區(qū)主要的主力可采煤層。本文著重分析C5(M11)煤層的儲層物性。

圖5 研究區(qū)可采煤層層數(shù)及總厚度等值線Fig.5 Contour maps of the number of coal seams and total thickness in the study area

表2 研究區(qū)典型向斜煤層群發(fā)育情況統(tǒng)計Table 2 Statistics on the development of typical syncline coal seam groups in the study area

以C5(M11)煤層為主力煤層分別考慮向上合采、向下合采[24]，分別計算了兩種合采系數(shù)(圖6)，C5(M11)向上合采系數(shù)C大于0.08 區(qū)域主要位于中西部區(qū)域即陸相含煤區(qū)(圖6a)，而C5(M11)向下合采系數(shù)C大于0.08 區(qū)域主要位于東部區(qū)域即海陸過渡相區(qū)域(圖6b)，這與陸相區(qū)域主要為宣威組上段含煤，而海陸過渡相主要為龍?zhí)督M含煤相關。

圖6 研究區(qū)合采系數(shù)分布Fig.6 Distribution map of co-mining coefficient in the study area

2) 煤體結(jié)構

統(tǒng)計計算研究區(qū)18 口評價井+70 余口勘探井煤體結(jié)構判識指數(shù)(式2)，并采用克里金插值的方法，得到C5(M11)煤層煤體結(jié)構平面區(qū)域分布特征(圖7)。整體而言，碎粒–糜棱煤沿新莊向斜、洛旺向斜、馬河向斜及牛場–以古向斜西北部呈條帶狀分布，推測可能是受中部多條壓扭性斷層的影響；研究區(qū)西北部、東南部構造復雜程度較低，因而煤體結(jié)構也整體較好(圖7)。

圖7 C5(M11)煤層煤體結(jié)構判識指數(shù)(G)等值線Fig.7 Isogram of coal structure identification index of seam C5 (M11) in the study area

3) 含氣量

根據(jù)煤田勘探報告，統(tǒng)計分析了研究區(qū)典型向斜主力煤層C5(M11)煤層的含氣性。從平均含氣量來看，最高的出現(xiàn)在石坎向斜，達到13.58 m3/t，其次為馬河向斜為10.37 m3/t，最低的是彝良向斜為7.19 m3/t。由于平均含氣量實際上對應的平均深度不一致，平均含氣量并不能反映真正的含氣量大小，為此可以以平均含氣梯度對比不同向斜之間的含氣量大小。從平均含氣梯度來看，最大的為鎮(zhèn)雄向斜，為2.44 m3/(t·hm)，其次為可樂向斜，為2.31 m3/(t·hm)，然后為石坎向斜為1.86 m3/(t·hm)，最低的為彝良向斜，為1.21 m3/(t·hm)(表3)。

表3 主要向斜主力煤層C5(M11)含氣性概況(基準：空氣干燥基)Table 3 General situation of gas content of main synclinal main seam C5 (M11) (Air dried basis)

以實際測試值投點做了C5(M11)煤層含氣量氣泡圖(圖8a)，C5(M11)煤層含氣量最高值出現(xiàn)在新莊向斜觀音山井田，為30.53 m3/t，其次高值主要集中在石坎向斜，一些高值零星分布于洛旺向斜西段、可樂向斜中段、鎮(zhèn)雄向斜和牛場以古向斜，彝良向斜大部分測試結(jié)果較低，無大于15 m3/t 以上的測試值。研究區(qū)含氣量受構造、沉積影響明顯，部分含氣量較高區(qū)域位于壓扭性斷層附近(圖8a)，同時，東部海陸過渡相區(qū)域含氣量要大于西部陸相區(qū)域。進一步結(jié)合實際測試結(jié)果及含氣梯度，推導了各向斜單元的含氣量隨埋深的變化值，從而做了C5(M11)煤層含氣量等值線圖。各向斜單元主力煤層含氣量展布特征具有向斜控氣的特征，隨埋深增大含氣量增大，向斜核部含氣量較高。從含氣量等值線圖來說，可樂向斜、石坎向斜和新莊向斜含氣量較高，深部含氣量一般都在20 m3/t 以上。而牛場?以古向斜、彝良向斜，廟壩向斜及其西部向斜由于含氣梯度較小，整體含氣量均較低。鎮(zhèn)雄向斜盡管煤級較高，大部分為無煙煤，含氣梯度相對于其他向斜也較高，受限于整體埋深較淺，大部分在800 m 以淺，大于20 m3/t 以上的范圍極小(圖8b)。

圖8 研究區(qū)主力煤層含氣量氣泡圖及含氣量梯度Fig.8 Bubble map and gradient contour of gas content in main coal seam in the study area

3.2 合采有利區(qū)綜合評價

基于評價井及煤田勘探孔數(shù)據(jù)，其中，可樂向斜28 口、鎮(zhèn)雄向斜6 口、石坎向斜10 口、廟壩向斜10 口、牛場–以古向斜4 口、彝良向斜5 口、筠連區(qū)塊3 口、洛旺向斜11 口、新莊向斜18 口，利用式(6)對各參數(shù)進行加權計算，獲得研究區(qū)煤儲層的評價結(jié)果，并計算各個評價單元得分平均值(表4)。結(jié)果表明，不同向斜煤儲層綜合評價主力煤層向上合采得分范圍為16.37～29.72 分，平均得分24.05 分，向下合采得分范圍為13.76～33.42 分，平均得分24.23 分。

表4 研究區(qū)不同評價單元綜合得分Table 4 Comprehensive scores of different evaluation units in the study area

通過圖9 和表4 可以看出，向上組合時得分較高的區(qū)域位于洛旺–馬河–牛場–以古–可樂向斜一帶，大部處于研究區(qū)中部，少部分位于研究區(qū)東部；向下組合時得分較高的區(qū)域位于洛旺–馬河–石坎–可樂向斜一帶，大部處于研究區(qū)東部，少部位于西部。洛旺向斜、馬河向斜、石坎向斜、可樂向斜、牛場–以古向斜位于陸相–海陸過渡相交互地帶，物源豐富、蓋層封閉性較好，因而為研究區(qū)開發(fā)潛力較高的地區(qū)，可以進行進一步煤層氣勘探開發(fā)。

圖9 研究區(qū)儲層綜合得分等值線Fig.9 Study area reservoir comprehensive score contour map

3.3 多層合采優(yōu)選結(jié)果

基于C5(M11)煤層向上、向下合采有利區(qū)綜合評價，分析顯示不同組合Ⅰ類區(qū)等在全區(qū)各向斜分布較為分散，為了更具有規(guī)模意義和指導意義，采用疊合法，可進一步將C5(M11)煤層向上合采、向下合采中一個為Ⅰ類區(qū)定義為Ⅰ類區(qū)；將C5(M11)煤層向上合采、向下合采中一個為Ⅱ類區(qū)定義為Ⅱ類區(qū)；其余為Ⅲ類區(qū)。最終得到研究區(qū)煤層氣有利區(qū)優(yōu)選結(jié)果(圖10)。

Ⅰ類區(qū)主要位于研究區(qū)可樂向斜中西部，牛場–以古向斜南部，鎮(zhèn)雄向斜南部，廟壩向斜東南部，洛旺向斜中西部，石坎向斜中西部。Ⅱ類區(qū)主要分布于Ⅰ類區(qū)周圍。其余地區(qū)受煤層發(fā)育、儲層物性、含氣性等方面的影響，為Ⅲ類區(qū)即開發(fā)不利區(qū)。其中，鹽津向斜、彝良向斜含煤性較差，煤層層數(shù)較少，厚度較薄，鎮(zhèn)雄向斜北部、新莊向斜煤體結(jié)構較差為Ⅲ類區(qū)(圖10)。

圖10 研究區(qū)煤層氣多層合采有利區(qū)分布Fig.10 Distribution of CBM multi-layer co-mining favorable areas in the study area

4 結(jié)論

a.滇黔北探區(qū)晚二疊世龍?zhí)督M/宣威組煤層最多可達到20 層以上，可采煤層一般3 層左右，煤層總厚度一般在6 m 以上，煤層層數(shù)及煤層厚度由東南往西北逐漸減少或減薄。主力煤層大部分區(qū)域為C5(M11)煤層，厚度一般在2 m 以上，其灰分質(zhì)量分數(shù)平均為27.73%，為中灰煤，煤級主要為貧煤–無煙煤。各向斜主力煤層含氣性差異性較大，含氣量最大可達到30.53 m3/t。煤體結(jié)構以原生–碎裂結(jié)構煤為主。

b.針對多薄煤層儲層條件，建立了多層合采有利區(qū)優(yōu)選評價方法：多層次模糊數(shù)學+關鍵指標法。首先，基于層次遞階優(yōu)選確定關鍵指標，明確計算合采系數(shù)、煤體結(jié)構、含氣量3 個關鍵指標及定量評價值；運用模糊數(shù)學的計算公式，得到儲層評分結(jié)果，最終獲得多層合采有利區(qū)優(yōu)選結(jié)果。

c.滇黔北探區(qū)以C5(M11)煤層分別向上或向下形成2 個合采層段。多層合采Ⅰ類有利區(qū)主要位于研究區(qū)可樂向斜中西部，牛場–以古向斜南部，鎮(zhèn)雄向斜南部，廟壩向斜東南部，洛旺向斜中西部，石坎向斜中西部。