注入/壓降試井與歷史擬合在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

何金菊

（中煤科工集團(tuán) 西安研究院，陜西 西安 710054）

注入/壓降試井與歷史擬合在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

何金菊

（中煤科工集團(tuán) 西安研究院，陜西 西安 710054）

現(xiàn)以國內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)成功的沁水盆地的晉城礦區(qū)為例，進(jìn)行歷史擬合修正煤儲(chǔ)層滲透率參數(shù)，成莊井田平均滲透率1.51m d，寺河井田平均滲透率3.76m d。在此基礎(chǔ)上估算了成莊、寺河兩井田3號(hào)煤層的煤層氣探明儲(chǔ)量分別為66.36×108m3、23.28×108m3。通過經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該區(qū)煤層氣開發(fā)工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)良好，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率22.2%、53.2%，動(dòng)態(tài)投資回收期7.82a、4.36a，煤層氣開發(fā)有較好的經(jīng)濟(jì)效益和較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，地面煤層氣開發(fā)可行。注入/壓降試井與歷史擬合方法為煤層氣勘探開發(fā)及研究提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

滲透率；注入/壓降試井；歷史擬合；沁水盆地晉城礦區(qū)

1 概述

煤儲(chǔ)層的滲透性是煤層氣勘探與開發(fā)中最關(guān)鍵的問題之一。準(zhǔn)確測試煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)預(yù)測煤層氣產(chǎn)率，指導(dǎo)煤層氣開發(fā)具有一定意義。但是，煤儲(chǔ)層滲透性卻有很大的不均勻性，不同煤層的滲透性不同；同一煤層的不同分層和不同地段滲透性亦不相同。煤儲(chǔ)層滲透性受外部因素（原地應(yīng)力、有效應(yīng)力、煤層埋深、K l i n k e n b e r g效應(yīng)、基質(zhì)收縮效應(yīng)等）和內(nèi)部因素（裂隙、煤體結(jié)構(gòu)、煤級(jí)、煤巖組分、煤巖類型等）的影響而變化，這給滲透性測試帶來很多困難。

目前，煤儲(chǔ)層滲透性測試主要包括：煤體結(jié)構(gòu)與微裂縫觀測法[1-3]、滲透儀測定法、壓汞與低溫液氮注入法[4]、注入/壓降試井測試[5]與歷史擬合[6]相結(jié)合的方法。相關(guān)研究表明，注入/壓降試井是煤儲(chǔ)層滲透性測試與分析的有效手段，通常在前期勘探階段投入一定的資金和工程量進(jìn)行注入/壓降試井測試，獲取煤儲(chǔ)層滲透率、有效應(yīng)力等參數(shù)。歷史擬合是根據(jù)生產(chǎn)井的排采情況，調(diào)整擬合參數(shù)，使模擬的產(chǎn)氣量與實(shí)際產(chǎn)氣量盡可能的接近，這樣擬合出來的煤儲(chǔ)層參數(shù)比注入/壓降試井測試的參數(shù)更有說服力。最后，根據(jù)上述方法確定的煤儲(chǔ)層參數(shù)，綜合分析進(jìn)行煤層氣產(chǎn)能預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果能為后期煤層氣勘探開發(fā)潛力的綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 方法與原理

2.1 注入/壓降試井法

注入 /壓降試井法（I n j e c t i o n/F a l l-o f f T e s t）[5]是煤儲(chǔ)層滲透率現(xiàn)場測試的主要手段，它是一種單井壓力瞬變測試，或稱不穩(wěn)定試井。主要由一段時(shí)間的恒定排量注入過程和一段關(guān)井組成。關(guān)井和注入期間都用井底壓力計(jì)記錄壓力隨時(shí)間的變化。注入和壓降階段的數(shù)據(jù)都可獨(dú)立用于分析求得滲透率。其作業(yè)過程是：使用清水采完煤層、測井以后，將測試管柱、封隔器、井下關(guān)井工具、壓力計(jì)等測試工具、下入井內(nèi)預(yù)定位置后連接地面設(shè)備，坐封封隔器，將地面泵系統(tǒng)通過測試管柱與煤層連通。壓力計(jì)下入井內(nèi)，啟動(dòng)高壓注水泵盡可能以恒定排量不間斷地將水注入煤層一定時(shí)間后關(guān)井，轉(zhuǎn)入壓降測試階段。壓降測試完成后即進(jìn)行地應(yīng)力測試，求取煤儲(chǔ)層的破裂壓力和閉合壓力。試井階段井下壓力計(jì)自動(dòng)記錄儲(chǔ)層壓力隨時(shí)間的變化，通常取得的數(shù)據(jù)為3-5萬組。地應(yīng)力測試完成后，提出壓力計(jì)，讀取數(shù)據(jù)，解封封隔器，采用標(biāo)準(zhǔn)的試井分析軟件對(duì)試井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋，求取各種儲(chǔ)層參數(shù)。但因注入期間壓力的波動(dòng)較大及煤層的應(yīng)力敏感性，關(guān)井壓降期間得到的數(shù)據(jù)最有意義。注入/壓降試井測試滲透率，較多反映的是未開采煤層的滲透性，主要是在原位條件下測試整層煤。

2.2 歷史擬合方法

歷史擬合法[6]，是不斷調(diào)整所建立的煤儲(chǔ)層模型中按煤層氣勘探試驗(yàn)結(jié)果輸入的儲(chǔ)層和工程參數(shù)，使煤儲(chǔ)層模型計(jì)算出的歷史動(dòng)態(tài)與實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)相一致，以取得客觀反映實(shí)際情況的儲(chǔ)層參數(shù)。運(yùn)用已知煤層氣生產(chǎn)井的歷史動(dòng)態(tài)反求未知的煤儲(chǔ)層參數(shù)的“逆過程”。通過歷史擬合計(jì)算，再現(xiàn)煤儲(chǔ)層的開發(fā)過程，了解氣、水運(yùn)動(dòng)中儲(chǔ)層各項(xiàng)參數(shù)的變化，為煤層氣開發(fā)模式數(shù)模研究提供更正確的數(shù)據(jù)，作出可靠的預(yù)測和各項(xiàng)對(duì)比模擬計(jì)算。由于煤層氣的賦存機(jī)理不同于常規(guī)天然氣，歷史擬合有其自身特點(diǎn)，例如對(duì)氣含量、L a n gm u i r體積、L a n gm u i r壓力等特征參數(shù)調(diào)整。歷史擬合能幫助研究者發(fā)現(xiàn)和修改錯(cuò)誤的儲(chǔ)層描述參數(shù)，比較客觀地認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層特征，能對(duì)煤層氣生產(chǎn)井的行為作出正確評(píng)價(jià)，可為煤層氣的開發(fā)和動(dòng)態(tài)預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

歷史擬合目前主要是通過試湊法，根據(jù)研究者對(duì)研究區(qū)煤層特征的認(rèn)識(shí)，人工修改和調(diào)整軟件中的參數(shù)。擬合過程中主要考慮三方面：①資料的收集，例如測壓、氣產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。擬合的可靠性取決于人們對(duì)煤儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和占有各種資料的齊全程度。測壓資料反映壓力動(dòng)態(tài)的擬合；實(shí)時(shí)產(chǎn)量數(shù)據(jù)能真實(shí)反映儲(chǔ)層的真實(shí)情況；不確定參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整；確定參數(shù)的慎重修改。②歷史擬合中應(yīng)盡可能挑選那些不確定性較大的物性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)較可靠的參數(shù)應(yīng)盡可能不調(diào)或少調(diào)，例如儲(chǔ)層的構(gòu)造特征、氣-水的P V T性質(zhì)、厚度等參數(shù)，以減少修改參數(shù)造成的歷史擬合偏差。③參數(shù)的調(diào)整要從儲(chǔ)層物性的整體特征角度考慮。

3 晉城礦區(qū)煤層氣的地質(zhì)特征與開發(fā)現(xiàn)狀

晉城礦區(qū)位于沁水盆地東南緣，主要包括：成莊、寺河、趙莊、潘莊等井田。地貌形態(tài)屬剝蝕、侵蝕山地，以低中山、丘陵為主，地形起伏不大；礦區(qū)構(gòu)造較簡單，以褶皺為主，斷裂稀少，主要為寺頭斷層，呈N E-S W向展布；地層平緩，傾角一般在10°以內(nèi)。

礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，總厚度132.44m～166.33m。含煤21層，煤層總厚約12m左右。其中，3號(hào)、15號(hào)煤層為煤層氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)煤層。主采3號(hào)煤層埋深100m～1000m，煤厚5m～6m，煤層氣含量較高，主采3號(hào)煤層氣含量變化較大，氣含量值4～25m3/t，平面上由東南部向西、西北總體呈增大趨勢。50%以上的地區(qū)含氣量大于16m3/t，主要分布在潘莊、胡底、鄭莊、端氏一帶。煤體結(jié)構(gòu)簡單，主要為原生-碎裂結(jié)構(gòu)煤，煤質(zhì)堅(jiān)；宏觀、微觀裂隙較發(fā)育，連通性中等。煤中孔隙以小孔、中孔為主，孔隙間聯(lián)通性較好。煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性明顯，3號(hào)煤層的滲透率測值相差較大，通過注入/壓降試井測得的滲透率值為0.004m d-4.09m d，均值0.862m d；相對(duì)于全國煤儲(chǔ)層滲透率測值而言，滲透率中等偏高。煤的吸附能力較強(qiáng)，空氣干燥基 L a n gm u i r體積 44.13m3/t，L a n gm u i r壓力 2.90m P a。盆地內(nèi)現(xiàn)代地應(yīng)力作用較弱，煤巖層處于拉張應(yīng)力場中。晉城礦區(qū)優(yōu)越的煤層氣賦存地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層特征，為地面煤層氣開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。目前，晉城礦區(qū)所在的沁水盆地是我國煤層氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)，也是目前煤層氣開發(fā)取得成功并走向商業(yè)化的重要地區(qū)。

4 應(yīng)用效果

注入/壓降試井與歷史擬合相結(jié)合的方法已在國內(nèi)沁水盆地、鄂爾多斯盆地等地廣泛應(yīng)用，現(xiàn)以晉城礦區(qū)的成莊、寺河井田為例，煤儲(chǔ)層滲透率測試數(shù)據(jù)較多，通過統(tǒng)計(jì)分析后，成莊和寺河的煤儲(chǔ)層實(shí)測滲透率為1.09m d～3.96m d；通過生產(chǎn)井歷史擬合后的滲透率為1.56m d～3.76m d歷史擬合數(shù)據(jù)，如表1所示。

利用C Om E T軟件對(duì)成莊、寺河井田的C Z-A、S H-B煤層氣井進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)氣量、擬合產(chǎn)氣量分析。擬合產(chǎn)氣量的目的是：通過調(diào)整煤儲(chǔ)層厚度、孔隙度、吸附性參數(shù)、滲透率等參數(shù)，使得擬合產(chǎn)氣量與實(shí)際產(chǎn)氣量盡可能接近。模擬過程中發(fā)現(xiàn)，滲透率參數(shù)對(duì)煤層氣的產(chǎn)量影響最大，微小的調(diào)整會(huì)對(duì)煤層氣的產(chǎn)氣量產(chǎn)生較大的變化。成莊C Z-A井、寺河S H-B井的產(chǎn)氣量擬合結(jié)果，見圖1。擬合后，通過實(shí)測滲透率與擬合滲透率值對(duì)比，得到擬合修正后的煤儲(chǔ)層滲透率分別為1.81m d、3.45m d。總體上說，實(shí)測滲透率小于擬合滲透率（見表1）。為了進(jìn)一步證實(shí)歷史擬合數(shù)據(jù)的可靠性，利用歷史擬合后修正的煤儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測，預(yù)測結(jié)果，見圖2。

表1 沁水盆地部分地區(qū)3號(hào)煤層滲透率測值及歷史擬合數(shù)據(jù)表

圖1 井產(chǎn)氣量擬合曲線

圖2 煤層氣開發(fā)產(chǎn)能模擬預(yù)測曲線

5 結(jié)束語

綜上所述，筆者借助注入/壓降試井、歷史擬合方法，對(duì)兩井田的儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行了修正，并運(yùn)用修正后的參數(shù)預(yù)測了成莊、寺河井田的煤層氣產(chǎn)能。根據(jù)兩井田修正后的儲(chǔ)層參數(shù)和產(chǎn)能數(shù)據(jù)，確定了成莊、寺河井田3號(hào)煤層的煤層氣采收率分別為58%、70%。最后根據(jù)確定的采收率，估算了寺河井田3號(hào)煤層的探明儲(chǔ)量23.28×108m3；成莊井田3號(hào)煤層探明煤層氣儲(chǔ)量66.36×108m3。

依據(jù) S Y/T 5838?98《油(氣)田(藏)儲(chǔ)量經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)定》，對(duì)上述成莊、寺河的煤層氣探明儲(chǔ)量進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：煤層氣開發(fā)工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)良好，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率22.2%、53.2%，動(dòng)態(tài)投資回收期7.82年[7]、4.36年，煤層氣開發(fā)有較好的經(jīng)濟(jì)效益和較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，地面煤層氣開發(fā)可行。本項(xiàng)成果已在國土資源部礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量中心進(jìn)行登記。目前，晉城礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)主要集中在成莊、寺河井田周圍，煤層氣排采時(shí)間較長，單井煤層氣日產(chǎn)量高。因此，注入/壓降試井與歷史擬合方法能為煤層氣勘探開發(fā)及研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

[1]張慧.反映煤儲(chǔ)層滲透性的參數(shù)之一-塊煤率[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29（6）：21-22.

[2]李小彥.煤儲(chǔ)層裂隙研究方法辨析[J].煤田地質(zhì)與勘探，1998，26（增刊）：14-16.

[3]張慧，王曉剛.煤的顯微構(gòu)造及其儲(chǔ)集性能[J].煤田地質(zhì)與勘探，1998，26（6）：33-36．

[4]張新民，張遂安，鐘玲文，等.中國的煤層甲烷[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1991．

[5]孫茂遠(yuǎn)，黃盛初.煤層氣開發(fā)利用手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1998.

[6]王曉梅，張群，張培河，等.煤層氣井歷史擬合方法探討[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003，31（1）：20-22.

[7]李貴紅，葛維寧，張培河，等.晉城成莊煤層氣探明儲(chǔ)量估算及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià).煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（4）：21-24.

Application of Injection/Fall-Off Test and Historymatching in Coal Bedmethane Exploration:in Jinchengmine Area Case

HE Jin-ju
(Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group, Xi’an Shaanxi 710054)

Taking the successful CBM exploration of Jincheng Mine in Qinshui Basin as an example, thehistory matching was used to correct the permeability parameters, 1.51md inChengzhuang mine and 3.76md in Sihe mine on average. On the basis, the proved reserves of No.3 seams oftwo mines are estimated as 66.36×108m3、23.28×108m3 respectively. The economic evaluating index is goodand the financial internal rates of returns are 22.2% and 53.2%. The dynamic investment payback periods are7.82 and 4.36 year. Therefore, the CBM exploration has better economic benefit and anti- risk capability andthe surface CBM extraction is feasible. The result has been registered in Mineral Resources and ReservesCenter, Ministry of Land and Resources. The injection/fall- off test and history matching provide the basis forCBMexploration and research.

permeability; injection/fall- off test; history matching; Jincheng Mine in Qinshui Basin

P 618.11

A

2011-11-20

何金菊（1963—），女，陜西富平人，大專，助理工程師，從事鉆探機(jī)具產(chǎn)品檢測及管理工作。

劉新光