高煤階煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力定量評價(jià)

王鏡惠，王美冬，田 鋒，劉巨光，梁正中

（1.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林719000；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第三鉆井分公司，天津300000；3.中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北任丘062552）

目前，中國煤層氣產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，但仍存在單井產(chǎn)量偏低、井間產(chǎn)量差異大、開發(fā)效益差等問題［1］，其根本原因是現(xiàn)有的工程技術(shù)與多樣的儲(chǔ)層地質(zhì)條件不適應(yīng)［2］。在現(xiàn)有工程技術(shù)條件下，提高單井產(chǎn)量和開發(fā)效益的主要方法是通過有效的儲(chǔ)層評價(jià)方法精確定位高產(chǎn)區(qū)。許多專家學(xué)者對煤層氣井高產(chǎn)區(qū)評價(jià)進(jìn)行了研究：王紅巖等研究了中國煤層氣富集成藏規(guī)律［3］，楊顯成等研究了卡拉哈里盆地煤層氣含量主控因素［4］，王紅巖等重點(diǎn)研究了水動(dòng)力條件和區(qū)域構(gòu)造熱事件對煤層氣富集的影響［5］，曹新款等認(rèn)為沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊煤層氣富集主控因素包括水文地質(zhì)條件、構(gòu)造及巖漿活動(dòng)［6］。開發(fā)實(shí)踐表明，煤層氣富集主控因素與高產(chǎn)主控因素不同，逐漸提出了富集高產(chǎn)區(qū)的概念：趙慶波等認(rèn)為構(gòu)造高點(diǎn)、封閉較好的淺層儲(chǔ)層及次生裂隙發(fā)育區(qū)是煤層氣富集高產(chǎn)的主要區(qū)域［7］；宋巖等認(rèn)為沁水盆地南部煤層氣富集高產(chǎn)的主控因素是煤層含氣量與滲透率的耦合作用［8］；孫粉錦等認(rèn)為滲透率和煤層氣儲(chǔ)層構(gòu)造控制煤層氣井高產(chǎn)，在富集區(qū)構(gòu)造高部位滲透率較高，為高產(chǎn)有利區(qū)［9］；DOU等認(rèn)為煤層滲透率、煤層厚度以及含氣量共同決定煤層氣產(chǎn)氣潛力［10］；原俊紅等認(rèn)為煤層厚度、滲透率、含氣量及煤體結(jié)構(gòu)等參數(shù)決定煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)劃分［11］；王勃等認(rèn)為構(gòu)造熱事件提高生氣能力，封蓋與水動(dòng)力條件利于煤層氣富集，張性水平應(yīng)力分布區(qū)及煤礦卸壓應(yīng)力釋放區(qū)的煤儲(chǔ)層滲透率高［12］；李喆等認(rèn)為吸附時(shí)間會(huì)直接關(guān)系到煤層氣儲(chǔ)層的開發(fā)潛力，并對沁水盆地壽陽和柿莊區(qū)塊吸附時(shí)間進(jìn)行了研究［13］；婁劍青利用產(chǎn)氣潛能與產(chǎn)氣能力2個(gè)指標(biāo)定量評價(jià)了煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)［14］。這些研究偏重于對煤層氣儲(chǔ)層含氣性和氣水產(chǎn)出效率的評價(jià)，忽視了煤層氣解吸效率對煤層氣井產(chǎn)量的影響；偏重對于富集高產(chǎn)區(qū)的定性評價(jià)研究，忽視定量指標(biāo)評價(jià)。為更加有效地實(shí)現(xiàn)對煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力定量評價(jià)，以沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層及開發(fā)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過理論分析和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，定義了儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)、氣水產(chǎn)出效率指數(shù)和產(chǎn)氣能力指數(shù)4個(gè)參數(shù)對煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力進(jìn)行評價(jià)，以期為高煤階煤層氣儲(chǔ)層高產(chǎn)區(qū)精確定位提供借鑒。

1 儲(chǔ)層含氣性評價(jià)

1.1 含氣量的影響

儲(chǔ)層含氣量是煤層氣井產(chǎn)氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。左銀卿等對樊莊東部進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，含氣量小于17 m3/t時(shí)，日產(chǎn)氣量一般小于500 m3/d，開發(fā)效果較差［15］。對沁水盆地南部煤層氣井含氣量及日產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖1）可知，日產(chǎn)氣量隨含氣量增加而增加，當(dāng)含氣量大于15 m3/t時(shí)，日產(chǎn)氣量高于800 m3/d。因此，含氣量是評價(jià)煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖1 含氣量對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of gas content on daily CBM production rate

1.2 煤層厚度的影響

宋巖等認(rèn)為，煤層厚度是煤層氣富集區(qū)優(yōu)選的重要參數(shù)，高煤階煤層氣富集區(qū)煤層厚度應(yīng)大于2.3 m，中煤階煤層氣富集區(qū)煤層厚度應(yīng)大于3.5 m［16］。對沁水盆地南部煤層氣井3#煤煤層厚度及日產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果（圖2）表明，日產(chǎn)氣量隨著煤層厚度的增加整體呈增加趨勢，表明煤層厚度是煤層氣井產(chǎn)量的重要影響因素。

圖2 煤層厚度對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of coal seam thickness on daily CBM production rate

1.3 儲(chǔ)層含氣性指數(shù)

含氣量和厚度是表征煤層氣儲(chǔ)層含氣性的關(guān)鍵參數(shù)，為了進(jìn)一步定量評價(jià)煤層氣儲(chǔ)層含氣性，定義了煤層氣儲(chǔ)層含氣性指數(shù)，其表達(dá)式為：

根據(jù)（1）式，利用沁水盆地南部煤層氣井含氣量及煤層厚度計(jì)算煤層氣儲(chǔ)層含氣性指數(shù)。結(jié)果（圖3）表明，研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層含氣性指數(shù)主要為21.7～197.5 m·m3/t，平均為112.7 m·m3/t。煤層氣井日產(chǎn)氣量隨著含氣性指數(shù)的增加而增加，當(dāng)儲(chǔ)層含氣性指數(shù)大于100 m·m3/t時(shí)，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3/d。

圖3 儲(chǔ)層含氣性指數(shù)對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of gas-bearing index on daily CBM production rate

2 解吸效率定量評價(jià)

煤層甲烷主要以吸附態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙表面，而儲(chǔ)層含氣性指數(shù)未考慮甲烷解吸效率的影響，為此提出了地解壓差和吸附時(shí)間作為解吸效率的評價(jià)指標(biāo)。

2.1 地解壓差的影響

煤層氣開發(fā)需要通過持續(xù)排水降壓，將儲(chǔ)層壓力降至解吸壓力以下，使甲烷解吸產(chǎn)出井筒［17-18］，因此煤層氣井地解壓差直接影響解吸效率，是從宏觀角度對煤層甲烷解吸效率的評價(jià)。地解壓差越大，煤層氣井解吸前需要降壓幅度就越大，排水期越長，解吸效率越低，因此煤層氣井解吸效率與地解壓差成反比。

沁水盆地南部煤層氣井地解壓差與日產(chǎn)氣量關(guān)系（圖4）表明，隨著地解壓差增大，日產(chǎn)氣量明顯降低，這主要是因?yàn)?，地解壓差增大，煤層氣井解吸降壓效率降低，解吸面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

2.2 吸附時(shí)間的影響

吸附時(shí)間是指通過取心測試含氣量時(shí)，解吸氣體體積達(dá)到總吸附氣量的63.2%時(shí)所用的時(shí)間［13］，是從微觀角度對煤層甲烷解吸效率的評價(jià)。吸附時(shí)間越長，煤層氣井解吸效率越低。沁水盆地南部煤層氣井吸附時(shí)間與日產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（圖5）表明，日產(chǎn)氣量隨吸附時(shí)間的增加而降低，當(dāng)吸附時(shí)間大于10 d時(shí)，日產(chǎn)氣量均小于900 m3/d。

圖4 地解壓差對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.4 Effect of desorption-formation pressure difference on daily CBM production rate

圖5 吸附時(shí)間對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.5 Effect of adsorption time on daily CBM production rate

2.3 煤層甲烷解吸效率指數(shù)

定義煤層甲烷解吸效率指數(shù)為：

根據(jù)（2）式，利用沁水盆地南部煤層氣地層壓力、解吸壓力及吸附時(shí)間計(jì)算煤層甲烷解吸效率指數(shù)。結(jié)果（圖6）表明，研究區(qū)煤層甲烷解吸效率指數(shù)為 0.01～0.28（MPa·d）-1，平均為 0.06（MPa·d）-1。煤層氣井日產(chǎn)氣量隨著解吸效率指數(shù)的增加而增加，但二者相關(guān)性較差，總體上，當(dāng)解吸效率指數(shù)大于0.04（MPa·d）-1時(shí)，日產(chǎn)氣量能達(dá)800 m3/d以上。

圖6 甲烷解吸效率指數(shù)對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.6 Effect of desorption efficiency index on daily CBM production rate

3 產(chǎn)出效率定量評價(jià)

3.1 滲透率的影響

煤層氣儲(chǔ)層滲透率對煤層氣井排水降壓及煤層甲烷解吸產(chǎn)出具有重要影響。滲透率越高排水降壓效率越高，煤層氣產(chǎn)出效率越高［8，19］，是決定煤層氣產(chǎn)出效率的主要因素。沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層滲透率與日產(chǎn)氣量的關(guān)系（圖7）表明，日產(chǎn)氣量隨著滲透率的增加而增加。當(dāng)滲透率低于0.03 mD時(shí)，日產(chǎn)氣量一般低于800 m3/d；當(dāng)滲透率高于0.03 mD時(shí)，大部分井日產(chǎn)氣量能夠達(dá)到800 m3/d以上。這表明滲透率是煤層氣井產(chǎn)量的主控因素之一，并非單一決定因素。

圖7 沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層滲透率對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.7 Effect of permeability on daily CBM production rate in CBM reservoirs in the southern Qinshui Basin

3.2 儲(chǔ)層壓力的影響

儲(chǔ)層壓力是煤層氣水產(chǎn)出的動(dòng)力，儲(chǔ)層壓力越大，氣水產(chǎn)出能力越強(qiáng)，因此將儲(chǔ)層壓力作為衡量煤層產(chǎn)出效率的指標(biāo)。沁水盆地南部煤層氣井儲(chǔ)層壓力與日產(chǎn)氣量的關(guān)系（圖8）表明，總體上看，單井日產(chǎn)氣量隨著儲(chǔ)層壓力的增加而增加，但是相關(guān)性很差，表明儲(chǔ)層壓力對煤層氣產(chǎn)出具有影響，但并非決定性因素。

圖8 儲(chǔ)層壓力對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.8 Effect of reservoir pressure on daily CBM production rate

3.3 氣水產(chǎn)出效率指數(shù)

煤層氣水產(chǎn)出效率與甲烷解吸效率不同，產(chǎn)出效率是從宏觀滲流角度對儲(chǔ)層滲流能力的評價(jià)，可以用儲(chǔ)層滲透率和地層壓力來綜合表征，定義煤層氣水產(chǎn)出效率指數(shù)為：

利用沁水盆地南部煤層氣井滲透率和儲(chǔ)層壓力計(jì)算產(chǎn)出效率指數(shù)，其與日產(chǎn)氣量的關(guān)系（圖9）表明，單井日產(chǎn)氣量隨氣水產(chǎn)出效率指數(shù)的增加而增加，當(dāng)氣水產(chǎn)出效率指數(shù)低于1 mD·MPa時(shí)，日產(chǎn)氣量一般低于800 m3/d，當(dāng)氣水產(chǎn)出效率指數(shù)高于1 mD·MPa時(shí)，單井日產(chǎn)氣量能夠達(dá)到800 m3/d以上。單井日產(chǎn)氣量與氣水產(chǎn)出效率指數(shù)之間的相關(guān)性高于其與滲透率和儲(chǔ)層壓力單一因素間的相關(guān)性，表明氣水產(chǎn)出效率指數(shù)更能綜合反映煤層氣的產(chǎn)出能力。

圖9 氣水產(chǎn)出效率指數(shù)對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.9 Effect of production efficiency index on daily CBM production rate

4 儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力定量評價(jià)

對煤層氣高產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行有效預(yù)測是目前煤層氣儲(chǔ)層評價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，煤層氣井產(chǎn)量與含氣性、解吸效率和產(chǎn)出效率密切相關(guān)，可以通過儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和氣水產(chǎn)出效率指數(shù)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合定量表征。通過煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)來定量表征煤層氣儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力，其表達(dá)式為：

利用儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和氣水產(chǎn)出效率指數(shù)計(jì)算研究區(qū)儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)，其與日產(chǎn)氣量的關(guān)系（圖10）表明：單井日產(chǎn)氣量隨著產(chǎn)氣能力指數(shù)的增加而增加。當(dāng)產(chǎn)氣能力指數(shù)大于0.3 mD·m·m3/（t·d）時(shí)，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3/d；產(chǎn)氣能力指數(shù)大于10 mD·m·m3/（t·d）時(shí)，日產(chǎn)氣量大于1 500 m3/d。單井日產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣能力指數(shù)間的相關(guān)性高達(dá)85%，遠(yuǎn)高于各單一指標(biāo)與日產(chǎn)氣量間的相關(guān)性，表明產(chǎn)氣能力指數(shù)能夠有效表征儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力，是進(jìn)行煤層氣儲(chǔ)層高產(chǎn)區(qū)預(yù)測的有效指標(biāo)。

圖10 產(chǎn)氣能力指數(shù)對煤層氣井日產(chǎn)氣量的影響Fig.10 Effect of gas-production capacity index on daily CBM production rate

5 結(jié)論

煤層氣儲(chǔ)層含氣性指數(shù)為含氣量與煤層厚度的乘積，煤層氣井日產(chǎn)氣量隨含氣性指數(shù)增加而增加，當(dāng)含氣性指數(shù)大于100 m·m3/t時(shí)，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3/d。

地解壓差越大，煤層氣井解吸前需要降壓幅度就越大，煤層氣儲(chǔ)層宏觀解吸效率越低；吸附時(shí)間越長，煤層甲烷微觀解吸效率越低；煤層甲烷解吸效率指數(shù)為地解壓差與吸附時(shí)間的乘積，當(dāng)煤層甲烷解吸效率指數(shù)大于0.04（MPa·d）-1時(shí)，單井日產(chǎn)氣量能達(dá)800 m3/d以上。

煤層氣儲(chǔ)層滲透率和儲(chǔ)層壓力越高，煤層氣水產(chǎn)出效率越高，煤層氣水產(chǎn)出效率指數(shù)為儲(chǔ)層滲透率與儲(chǔ)層壓力的乘積，當(dāng)產(chǎn)出效率指數(shù)高于1 mD·MPa時(shí)，單井日產(chǎn)氣量能夠達(dá)到800 m3/d以上。

產(chǎn)氣能力指數(shù)為儲(chǔ)層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和氣水產(chǎn)出效率指數(shù)的乘積，能夠有效地表征儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力強(qiáng)弱，煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)越大，煤層氣井產(chǎn)量越高。當(dāng)產(chǎn)氣能力指數(shù)分別大于0.3和10 mD·m·m3/（t·d）時(shí)，單井日產(chǎn)氣量分別大于800和1 500 m3/d。

符號(hào)解釋

Ig——儲(chǔ)層含氣性指數(shù)，m·m3/t；Cg——儲(chǔ)層含氣量，m3/t；hc——煤層厚度，m；Id——煤層甲烷解吸效率指數(shù)，（MPa·d）-1；pr——儲(chǔ)層壓力，MPa；pd——解吸壓力，MPa；td——吸附時(shí)間，d；Ip——?dú)馑a(chǎn)出效率指數(shù)，mD·MPa；K——煤層氣儲(chǔ)層滲透率，mD；Cp——煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力指數(shù)，mD·m·m3/（t·d）。