周 叡 楊經(jīng)棟 汪 勇 陳小琴 臧曉華 張國(guó)偉

(華北油田公司勘探開發(fā)研究院， 河北 062552)

沁水盆地南部煤層氣單井產(chǎn)量影響因素敏感性分析

周 叡 楊經(jīng)棟 汪 勇 陳小琴 臧曉華 張國(guó)偉

(華北油田公司勘探開發(fā)研究院， 河北 062552)

沁水盆地南部是我國(guó)煤層氣研究與開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)，煤階屬于中～高階煤，影響其煤層氣井產(chǎn)氣能力的主要地質(zhì)因素有煤層厚度、含氣量、滲透性、含氣飽和度、構(gòu)造條件和煤層的壓裂改造效果等。本文在多年煤層氣勘探開發(fā)取得的成果基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，量化研究煤層氣單井產(chǎn)氣量對(duì)各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)在沁水盆地南部煤層常見的分布范圍內(nèi)的敏感程度，在開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐和開發(fā)方案編制中，可以其作為煤層氣開發(fā)單元?jiǎng)澐趾透弋a(chǎn)富集區(qū)優(yōu)選的參考依據(jù)。

沁水盆地南部 煤層氣 數(shù)值模擬 敏感性分析 高產(chǎn)富集區(qū)優(yōu)選

沁水盆地南部煤階屬于中～高階煤，影響中～高階煤煤層氣生產(chǎn)能力的儲(chǔ)層因素主要有煤層滲透率、煤層分布狀況(煤層厚度)、煤階、含氣量、沉積環(huán)境、構(gòu)造應(yīng)力以及水動(dòng)力條件等，目前針對(duì)這些煤層氣高產(chǎn)富集因素進(jìn)行的相關(guān)研究較多，但是并沒有形成定量的認(rèn)識(shí)。本文在多年煤層氣勘探開發(fā)取得的成果基礎(chǔ)上，研究討論煤層厚度、含氣量、煤層滲透性、埋深、含氣飽和度、煤層的壓裂改造和構(gòu)造位置對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響，在沁水盆地南部煤層氣各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)常見的分布范圍內(nèi)，通過數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同地質(zhì)參數(shù)條件下煤層氣單井產(chǎn)氣量進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)開發(fā)效果的影響程度進(jìn)行敏感性分析和評(píng)估，為煤層氣開發(fā)單元?jiǎng)澐趾透弋a(chǎn)富集區(qū)優(yōu)選提供參考和依據(jù)。

本文中主要使用的數(shù)值模擬軟件為專業(yè)油藏?cái)?shù)值模擬軟件Eclipse的煤層氣CBM模塊以及專業(yè)力學(xué)數(shù)值模擬軟件PFC2D。

1 煤層氣資源量影響

煤層氣資源量富集程度是煤層氣井獲得高產(chǎn)的基本因素，目前采用儲(chǔ)量豐度(代表煤層氣單位面積內(nèi)的地質(zhì)儲(chǔ)量)作為煤層氣富集程度的主要指標(biāo)。具有一定的儲(chǔ)量豐度是進(jìn)行煤層氣規(guī)模開發(fā)的前提條件，其大小是由煤層厚度和含氣量決定的，但是這兩個(gè)參數(shù)對(duì)煤層氣產(chǎn)氣量的影響程度也有所不同，在這里對(duì)煤層厚度和含氣量分別進(jìn)行敏感性分析。

(1)煤層厚度影響

沁水盆地南部煤層厚度大多介于4～10m之間，在其他參數(shù)一致的情況下，只改變煤層厚度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出，煤層厚度對(duì)煤層氣單井產(chǎn)氣量影響較大，煤層厚度為4m時(shí)，高峰日產(chǎn)氣量307m3,10年累積產(chǎn)氣85×104m3,煤層厚度為10m時(shí)，高峰日產(chǎn)氣量766m3,10年累積產(chǎn)氣214×104m3, 高峰日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣都為煤層厚度為4m時(shí)的2.5倍(見表1)?？梢婋S著煤層有效厚度的增加，煤層氣產(chǎn)氣量呈等比例正比遞增趨勢(shì)。

表1 不同煤層厚度單井產(chǎn)氣量對(duì)比表

(2)煤層含氣量影響

沁水盆地南部已開發(fā)區(qū)塊的含氣量大多介于12～22m3/t之間,煤層含氣量低于12m3/t時(shí)一般認(rèn)為沒有開發(fā)價(jià)值。在其他參數(shù)一致的情況下，只改變煤儲(chǔ)層含氣量進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出，含氣量為12m3/t時(shí)，10年累積產(chǎn)氣28.3×104m3,含氣量為22m3/t時(shí)，10年累積產(chǎn)氣185.2×104m3,累積產(chǎn)氣量增加了6.5倍(見表2)。隨著煤層含氣量的增加，單井累積產(chǎn)氣量呈冪函數(shù)式遞增趨勢(shì)，其影響程度較煤層厚度更大。

表2 不同煤層含氣量單井產(chǎn)氣量對(duì)比表

2 煤儲(chǔ)層物性影響

煤儲(chǔ)層原始滲透性是生產(chǎn)井獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，而目前煤層氣直井都經(jīng)過水力壓裂才投入排采，儲(chǔ)層物性壓裂改善效果的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)氣量的高低，所以在進(jìn)行煤儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)時(shí)，壓裂效果也是其中一項(xiàng)重要的因素。

(1)煤層原始滲透率主要影響開發(fā)中后期產(chǎn)氣量

試井測(cè)試資料顯示，沁水盆地南部已開發(fā)區(qū)塊煤層原始滲透率大多介于0.02～1mD之間。在不考慮壓裂效果的情況下，煤層氣產(chǎn)氣量普遍較低，在儲(chǔ)層原始滲透率為0.02mD時(shí)，高峰日產(chǎn)氣量215m3，10年累積產(chǎn)氣17×104m3，隨著儲(chǔ)層滲透率的增加，高峰日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣相應(yīng)上升，在儲(chǔ)層原始滲透率為1mD時(shí)，高峰日產(chǎn)氣量327m3，10年累積產(chǎn)氣89.7×104m3，分別是滲透率0.02mD時(shí)的1.5和5.3倍(見表3)。可見原始滲透率對(duì)初期產(chǎn)氣量有一定影響，對(duì)中后期產(chǎn)氣量影響更大，原始滲透率越高，產(chǎn)氣曲線下滑趨勢(shì)越緩，原因是在理想狀態(tài)下，井筒附近儲(chǔ)層受鉆完井影響，滲透性都會(huì)有一定改善，但是改善范圍很小，對(duì)于滲透率非常低的儲(chǔ)層，井筒附近的煤層氣解吸后，儲(chǔ)層解吸氣量供給不及，產(chǎn)氣量很快出現(xiàn)下降。

表3 不同原始滲透率產(chǎn)氣量對(duì)比表

(2)煤體的破壞程度越大，壓裂效果越差

根據(jù)煤體破壞程度把煤體結(jié)構(gòu)劃分為四種類型,即:原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。其中原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤為非突出煤，碎粒煤和糜棱煤屬瓦斯突出煤,也就是構(gòu)造煤。

從結(jié)構(gòu)上看,這四類煤體的破壞程度逐漸加大,結(jié)構(gòu)逐漸松散,空隙增多,因此造成了煤巖本身的宏觀力學(xué)性質(zhì)(彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度等)呈遞減趨勢(shì)。

煤層水力壓裂包括煤體裂縫起裂和煤體裂縫延伸兩個(gè)方面，裂縫的起裂和擴(kuò)展與煤巖內(nèi)在本質(zhì)因素如力學(xué)性質(zhì)有很大關(guān)系。通過力學(xué)數(shù)值模擬軟件PFC2D進(jìn)行煤巖力學(xué)性質(zhì)與水力壓裂效果相關(guān)性的物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行研究分析得到以下結(jié)論:

① 壓裂半徑主要受煤巖的彈性模量、泊松比的影響，且呈非線性關(guān)系，隨著彈性模量、泊松比的增加壓裂半徑逐漸增加(見圖1、2)；

圖1 壓裂半徑與彈性模量關(guān)系的擬合

圖2 壓裂半徑與泊松比關(guān)系的擬合

② 裂紋的開度主要受煤巖的彈性模量、泊松比影響，且呈非線性關(guān)系，隨著彈性模量、泊松比的增加裂紋開度逐漸降低(見圖3、4)；

圖3 裂紋開度與彈性模量關(guān)系的擬合

圖4 裂紋開度與泊松比關(guān)系的擬合

③ 裂紋數(shù)目主要受抗拉強(qiáng)度大小的影響，二者之間成反比例關(guān)系，隨著抗拉強(qiáng)度的增加裂紋數(shù)目逐漸減少(見圖5)。

圖5 裂紋數(shù)目與抗拉強(qiáng)度關(guān)系的擬合

綜合上述結(jié)論可以看出，煤體結(jié)構(gòu)破壞程度越小，水力壓裂越易形成細(xì)、長(zhǎng)縫，破壞程度越大，水力壓裂越易形成寬、短縫。通過數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比水力壓裂細(xì)長(zhǎng)縫和寬短縫的產(chǎn)氣量差異，計(jì)算結(jié)果顯示，寬短縫雖然在小范圍內(nèi)改造效果較好，但是由于壓裂范圍較小，控制儲(chǔ)量過少，產(chǎn)氣量較低，10年累積產(chǎn)氣347×104m3，細(xì)長(zhǎng)縫壓裂波及范圍大，控制儲(chǔ)量較高，10年累積產(chǎn)氣535×104m3，產(chǎn)氣量是寬、短縫的1.54倍(見表4)，此外破壞程度較大的煤巖在開發(fā)過程中更容易產(chǎn)生煤粉堵塞裂縫，導(dǎo)致壓裂效果進(jìn)一步變差。

表4 水力壓裂效果參數(shù)對(duì)比表

3 煤層含氣飽和度影響

煤層含氣飽和度是指實(shí)際的含氣量與理論含氣量之比，為煤層含氣量、等溫吸附曲線(蘭氏體積、壓力)和煤儲(chǔ)層壓力三個(gè)基本因素的派生因素，沁水盆地南部煤層含氣飽和度大多介于70%～90%。由于實(shí)際含氣量已作為一個(gè)單獨(dú)因素進(jìn)行分析，在這里主要研究煤層等溫吸附曲線和煤儲(chǔ)層壓力對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響。

(1)儲(chǔ)層壓力引起的含氣飽和度變化對(duì)產(chǎn)氣能力影響小

在煤層含氣量、等溫吸附曲線不變的情況下，改變煤儲(chǔ)層壓力對(duì)含氣飽和度進(jìn)行調(diào)整。通過數(shù)值模擬計(jì)算，含氣飽和度70%時(shí)投產(chǎn)60天見氣，10年累積產(chǎn)氣185.8×104m3，含氣飽和度90%時(shí)投產(chǎn)8天見氣，10年累積產(chǎn)氣188.9×104m3，可見原始儲(chǔ)層壓力影響煤層氣見氣時(shí)間，但是對(duì)產(chǎn)氣量影響很小(見表5)。

表5 含氣飽和度開發(fā)效果對(duì)比表

(2)煤巖性質(zhì)本身等溫吸附曲線引起的飽和度變化對(duì)產(chǎn)氣能力影響大

蘭氏體積越大，煤巖本身吸附能力越強(qiáng)，蘭氏壓力越高，煤巖吸附氣體越容易解吸。統(tǒng)一地層壓力、含氣量，改變蘭氏體積與蘭氏壓力調(diào)整等溫吸附曲線改變飽和度，當(dāng)含氣飽和度90%時(shí)，10年累產(chǎn)達(dá)到283萬(wàn)m3，為含氣飽和度70%時(shí)產(chǎn)氣量的5.45倍(見表6)?？梢姾瑲饬恳欢ǖ那闆r下，等溫吸附性質(zhì)改變引起的含氣飽和度變化對(duì)單井產(chǎn)氣能力影響較大。

表6 含氣飽和度開發(fā)效果對(duì)比表

4 構(gòu)造位置影響

為了研究褶區(qū)構(gòu)造位置對(duì)單井產(chǎn)氣量的影響，通過地質(zhì)建模技術(shù)，分別制作了地層傾角為2°、6°、12°時(shí)的地質(zhì)模型。構(gòu)造位置與儲(chǔ)層物性、含氣量都具有一定相關(guān)性，但是目前沒有形成相關(guān)性的定量認(rèn)識(shí)，在這里主要考慮的是水動(dòng)力因素影響。

(1)在背斜構(gòu)造頂部和翼部，開發(fā)效果較好

W1、W2、W3分別處于構(gòu)造向斜、翼部、背斜。由于水動(dòng)力作用的影響，背斜軸部位單井產(chǎn)氣量最大，產(chǎn)水量最小，向斜軸部位單井產(chǎn)氣量最小，產(chǎn)水量最大，地層傾角2°時(shí)背斜產(chǎn)氣量為向斜的1.2倍，差距隨著地層傾角增加而增大，地層傾角為12°時(shí)，背斜產(chǎn)氣量為向斜的1.55倍(見表7)。但是同時(shí)考慮到一般情況下構(gòu)造翼部含氣量和滲透性條件較為適中，背斜構(gòu)造頂部和翼部應(yīng)該都屬于開發(fā)有利區(qū)。

表7 構(gòu)造位置對(duì)產(chǎn)氣產(chǎn)水量的影響關(guān)系

(2)距斷層大約半個(gè)井距的排采井普遍產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量較小或不產(chǎn)氣

斷層附近裂縫發(fā)育，通過壓裂易與斷層、地層水或地表水溝通，煤層氣沿裂縫散逸，排采井可能產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量較小或不產(chǎn)氣。統(tǒng)計(jì)斷層附近的目前生產(chǎn)井的生產(chǎn)情況，數(shù)據(jù)變化受地質(zhì)構(gòu)造的控制，大部分井產(chǎn)水量在10m3以上，見套壓時(shí)間相對(duì)晚，產(chǎn)氣量小。

表8 煤層氣開發(fā)效果地質(zhì)因素敏感程度表

5 結(jié)論

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，在沁水盆地南部煤層常見地質(zhì)參數(shù)范圍之內(nèi)，煤層含氣量、滲透性、埋深、飽和度等因素引起的單井產(chǎn)氣倍數(shù)差距在4.5～6.5倍之間，這些地質(zhì)參數(shù)對(duì)煤層氣產(chǎn)氣量影響較大，在高產(chǎn)富集區(qū)優(yōu)選中應(yīng)該放在首位重點(diǎn)考慮，而煤層厚度、壓裂效果差異等因素引起的單井產(chǎn)氣倍數(shù)差距在1.5～2.5倍之間，影響程度稍小，在高產(chǎn)富集區(qū)優(yōu)選中屬于次重點(diǎn)考慮的因素。

結(jié)合煤層氣開發(fā)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算形成的定量認(rèn)識(shí)得到了以下的煤層氣開發(fā)效果地質(zhì)因素敏感程度分析表(表8)，在開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐和開發(fā)方案編制中，可以作為開發(fā)單元?jiǎng)澐趾透弋a(chǎn)富集區(qū)優(yōu)選的參考。

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(責(zé)任編輯 劉 馨)

Sensitivity Analysis on Influencing Factors of CBM Single Well Production in South Qinshui Basin

ZHOU Rui，YANG Jindong，WANG Yong，CHEN Xiaoqin，ZANG Xiaohua， ZHANG Guowei

(Exploration and Development Research Insitute of Huabei Oilfield, PetroChina, Hebei 062552)

South Qinshui Basin is a hotspot region of CBM research and development in China. The coal rank in this region is middle to high rank coal. The main geological factors influencing the production capacity includes coal thickness, gas content, permeability, gas saturation, structural conditions and fracturing efficacy of coal seam. Based on the achievements over years on CBM exploration and development, the paper makes use of numerical simulation techniques to quantify and research the productivity sensitivity of CBM single well to various types of geological factors, which could provide a reference for classification of CBM development unit and selection of enrichment areas with high productivity in the development and production practices and the development of programming.

South Qinshui Basin; CBM; numerical simulation; sensitivity analysis; selection of enrichment area with high productivity

周叡，男，工程師，碩士，現(xiàn)從事煤層氣開發(fā)研究工作。