白生寶 王鳳琴,2 杜厚余 王 娟 任攀虹

（1．西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院2.西安石油大學(xué)非常規(guī)天然氣資源研究中心）

煤儲層條件對煤層氣產(chǎn)能的影響分析
——以鄂爾多斯盆地東南某區(qū)塊為例

白生寶1王鳳琴1,2杜厚余1王 娟1任攀虹1

（1．西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院2.西安石油大學(xué)非常規(guī)天然氣資源研究中心）

以提高煤層氣產(chǎn)能為主的開發(fā)技術(shù)是制約煤層氣發(fā)展的關(guān)鍵，通過對研究區(qū)的煤儲層特征分析將其特點總結(jié)為低壓、低滲、厚度大、含氣高；借助統(tǒng)計分析方法，綜合生產(chǎn)數(shù)據(jù)與地質(zhì)資料研究認為煤儲層的厚度、臨儲壓力比、滲透率是影響該區(qū)煤層氣產(chǎn)能的主控因素，它們影響著煤層氣的原始氣源和采出程度。分析煤儲層條件和產(chǎn)能之間的關(guān)系可以為本區(qū)塊下一步有利目標區(qū)的優(yōu)選與產(chǎn)能預(yù)測評價提供理論依據(jù)，也可為其他地區(qū)煤層氣開發(fā)提供借鑒。圖8表3參10

煤層氣煤儲層產(chǎn)能

0 引言

隨著能源消費需求的不斷增長，煤層氣作為具有戰(zhàn)略接替意義的非常規(guī)天然氣資源，其勘探開發(fā)越來越受到重視。美國在煤層氣的研究與開發(fā)方面取得了最為顯著的成功,其煤層氣產(chǎn)量與我國常規(guī)天然氣產(chǎn)量相當。我國煤炭資源非常豐富，資源總量5.9×1012t（2014年），儲量位居世界第二,煤層氣總資源量可達37×1012m3（2010年），位居世界第三位[1-2]，具有良好的勘探開發(fā)潛力（圖1）。

圖1 世界主要煤層氣資源國資源分布圖

自生自儲型的煤層氣在儲層中以吸附態(tài)為主且與地層水共存，采取排水降壓開發(fā)，經(jīng)歷脫氣、解析、滲流三個階段，這與常規(guī)天然氣相比有顯著的特殊性。其中，最為特殊的在于其儲層為“有機”儲層[3]。這決定了研究煤儲層條件對煤層氣產(chǎn)能的影響具有實際意義。近年來有關(guān)學(xué)者從不同角度對影響煤層氣產(chǎn)能的因素進行了研究，包括：煤層厚度、含氣量、煤階、煤層滲透率、煤層壓力、臨界解吸壓力、沉積環(huán)境、水動力條件及工程因素等。本文研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，共有開發(fā)井228口，其中產(chǎn)氣井64口?？偨Y(jié)研究區(qū)的煤儲層特征，對比分析開發(fā)井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，煤儲層厚度、臨儲壓力比、滲透率是影響該區(qū)煤層氣產(chǎn)能的主控因素。

1 煤儲層特征

研究區(qū)主要含煤地層為上古生界的太原組和山西組，平均厚度105 m，其中煤層總厚度12.0 m，總含煤系數(shù)11.4%，可采及局部可采煤層3層，分別為3#煤層、5#煤層以及11#煤層，分布穩(wěn)定，厚度較大，煤巖的煤階屬于中—高階煤，總結(jié)煤儲層特征(表1)發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)內(nèi)儲層特征表現(xiàn)為低壓、低滲、厚度大、含氣高。

表1 研究區(qū)煤儲層特征表

2 煤儲層厚度分布對產(chǎn)能的影響

美國主要的煤層氣開采盆地單井煤層累積厚度6～91 m，2～40層，單層厚1.8～60 m[4]。研究區(qū)內(nèi)煤層厚度相對較大，平均總厚度8.30 m。其中11#煤層較厚在3~11 m之間，平均厚度6.3 m(圖3)，與美國情況相當。通過區(qū)內(nèi)15口穩(wěn)產(chǎn)氣井平均日產(chǎn)氣量與煤層厚度數(shù)據(jù)關(guān)系分析（圖2），發(fā)現(xiàn)兩者間有較好的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.73），煤層氣產(chǎn)氣量高的區(qū)塊也分布在煤層厚度大的區(qū)域，如11#煤層厚度與平均日產(chǎn)氣量疊合情況（圖3）。

圖2 煤層厚度與平均日產(chǎn)氣量的關(guān)系

圖3 研究區(qū)11#煤層厚度(m)與平均日產(chǎn)氣量(m3/d)疊合圖

煤儲層厚度是煤層氣產(chǎn)能的物質(zhì)基礎(chǔ)，煤層越厚，供氣能力越強，產(chǎn)能越高。另外，煤層越厚，煤層氣向頂?shù)装鍞U散的路徑愈長,越難于散逸，就會受到更有效的保護。但由于煤層本身性質(zhì)及其所經(jīng)歷地質(zhì)條件的復(fù)雜性，國內(nèi)外許多煤田資料并未顯示出厚度與含氣量的固定數(shù)學(xué)關(guān)系。有學(xué)者統(tǒng)計國內(nèi)煤田資料發(fā)現(xiàn)煤儲層厚度與含氣量有正相關(guān)性[5]（表2）。

表2 沁水盆地、滇東圭山、南桐等礦區(qū)煤層厚度與含氣量關(guān)系

3 煤儲層壓力與臨界解吸壓力對產(chǎn)能的影響

一般情況下，煤層原始壓力高，說明其保存條件好，煤儲層含氣量就高，產(chǎn)能也高；而臨界解吸壓力與儲層壓力越接近，解吸時間越早，有效解吸區(qū)域越大，則煤層能釋放出氣量的潛力更大。若臨界解吸壓力比煤層壓力低得多，則需長期大量排水降壓才能產(chǎn)氣[6]。

本文采用臨界解吸壓力和儲層原始壓力比值（即臨儲壓力比）的大小來評價煤層氣能否高產(chǎn)。研究區(qū)內(nèi)大部分生產(chǎn)井未進行煤巖取心采樣測壓，而測井資料求取的臨界解吸壓力與實測壓力存在較大的誤差，因此采用統(tǒng)計分析方法來計算臨界解吸壓力。利用研究區(qū)內(nèi)64口產(chǎn)氣井見氣時的動液面資料，建立了煤層埋深H煤與臨界解吸液面H臨之間的關(guān)系（圖4），得到計算研究區(qū)內(nèi)煤層氣臨界解吸液面的經(jīng)驗公式：

根據(jù)式（1）求得研究區(qū)煤層氣井理論臨界解析壓力，再運用臨儲壓力比來分析其與煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)系。

從圖5可見，研究區(qū)內(nèi)12口產(chǎn)氣井的臨儲壓力比與平均日產(chǎn)氣量表現(xiàn)出了較好的線性相關(guān)關(guān)系（R2= 0.83），在臨儲壓力比大于0.42時，后期穩(wěn)定產(chǎn)氣時產(chǎn)氣量大于1000m3/d，而臨儲壓力比小于0.42時，煤層氣井見氣時間會延后，產(chǎn)氣量則小于1000 m3/d。

圖4 臨界解吸液面與煤層埋深關(guān)系圖

圖5 煤層氣井臨儲壓力比與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系圖

臨儲壓力比較高的區(qū)塊位于研究區(qū)中部和南部，目前高產(chǎn)氣井也分布在臨儲壓力比大于0.55的區(qū)域內(nèi)，而東部和西部產(chǎn)水井分布的區(qū)塊,臨儲壓力比在0.35～0.45之間，臨儲壓力比與產(chǎn)能相關(guān)性很強（圖6）。臨界解吸壓力與地層壓力的比值越高，即臨界解吸壓力與煤層壓力越接近，煤層出氣越容易，產(chǎn)能越高。

圖6 研究區(qū)煤層氣臨儲壓力比分布圖

4 煤儲層滲透率對產(chǎn)能的影響

煤儲層滲透性的基本特征及其對產(chǎn)能的影響因素一直受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[7-8]。Tyler R．等根據(jù)對國外煤層氣井的資料研究認為，煤層氣高產(chǎn)井區(qū)一般位于滲透率0.5～100 mD的地區(qū)，滲透率過低或者過高都不利于煤層氣井生產(chǎn)[9]。我國已有的煤儲層滲透率測值變化很大，即使同一盆地，滲透率的測值也會相差3～5個數(shù)量級。

從研究區(qū)部分壓降測試的煤層滲透率數(shù)值來看，滲透率值在0.1～6.86 mD之間(表3)。根據(jù)研究區(qū)滲透率與平均日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量疊合情況(圖7)可以看出，產(chǎn)氣井大部分分布在煤層滲透率較高的區(qū)域，高產(chǎn)氣井多處在滲透率大于0.6 mD的區(qū)域內(nèi)。區(qū)內(nèi)煤層氣井的平均日產(chǎn)水量與滲透率相關(guān)性也高，高產(chǎn)水井分布在中部滲透率大于0.4 mD的區(qū)塊內(nèi)。位于研究區(qū)東南部的X-10井（圖8），壓降測試滲透率為0.63 mD，產(chǎn)氣峰值可達到3000 m3/d，具有良好的產(chǎn)氣前景?？梢?，煤儲層滲透率越高，煤層氣產(chǎn)能也越高。

表3 壓降測試煤層滲透率統(tǒng)計表

圖7 研究區(qū)滲透率(mD)與平均日產(chǎn)氣量(m3/d)、日產(chǎn)水量(m3/d)疊合圖

圖8 X-10井排采曲線

對于排水降壓開發(fā)煤層氣而言，煤儲層具有高滲透性固然好，滲透率越大，壓降漏斗波及范圍越大，則有效滲流區(qū)越大，滲流越容易，產(chǎn)能也越高。但并非越高越好。一方面,若氣藏邊界壓力補給充足,就會形成穩(wěn)定流,氣藏中各點壓力不隨時間變化,如果此時井底壓力還未降到臨界解吸壓力以下，則氣藏不能產(chǎn)氣。另一方面,滲透率過高勢必造成大量產(chǎn)水,還需進行水處理[10]。

5 結(jié)論與建議

（1）煤儲層厚度是影響煤層氣產(chǎn)能的原始物質(zhì)基礎(chǔ)，煤儲層厚度與產(chǎn)能呈較好的正相關(guān)性；臨儲壓力比是評價煤層氣井可采性的重要參數(shù)，臨儲壓力比越高,產(chǎn)能越高，研究區(qū)內(nèi)臨儲壓力比大于0.42時見氣早且較高產(chǎn)；煤儲層滲透率是影響煤層氣產(chǎn)能的根本控制性因素，煤層氣高產(chǎn)井一般都分布在滲透率較高的區(qū)域，但也有異常過高對開發(fā)不利的情況，研究區(qū)表現(xiàn)為低滲，高產(chǎn)井都分布在滲透率大于0.6 mD的區(qū)域內(nèi)?？傊簝雍穸纫蛩赜绊懼鴼庠?，而臨儲層壓力比和滲透率則影響著煤層氣的采出程度。

（2）文中討論了影響該區(qū)煤層氣產(chǎn)能的三個主控因素，但煤層氣井產(chǎn)能應(yīng)該是多因素綜合影響的結(jié)果，不同的地區(qū)，不同的地質(zhì)背景，影響煤層氣井產(chǎn)能的主控因素也應(yīng)有所不同。

（3）要更精確的進行煤層氣有利目標區(qū)的優(yōu)選與產(chǎn)能預(yù)測評價，還需要建立綜合評價方法。定性的考慮影響產(chǎn)能的背景因素，定量的分析影響產(chǎn)能的主導(dǎo)因素，引入模糊數(shù)學(xué)方法建立多層次模糊評判方法，將定性與定量相結(jié)合，使評價方法更加細化、量化是今后研究影響煤層氣井產(chǎn)能的方向。

1張群.關(guān)于我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)的戰(zhàn)略思考[J].中國煤炭，2007，33（11）:9-11.

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4萬玉金，曹雯.煤層氣單井產(chǎn)量影響因素分析[J].天然氣工業(yè)，2005；25（1）:124-126.

5婁劍青.影響煤層氣井產(chǎn)量的因素分析[J].天然氣工業(yè)，2004；24（4）:62-64.

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（修改回稿日期2014-07-18編輯文敏）

白生寶，男，1987年出生，甘肅慶陽人，2012年本科畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，在讀碩士生；主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)研究。地址：（710065）西安市電子二路東段18號西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院。電話：15129390098。E-mail:shbbaicumtb@163.com