段 瓊，張光生，孫 寧

(隴東學院能源工程學院，甘肅慶陽745000)

煤層氣關(guān)鍵儲層性質(zhì)評價技術(shù)探析

段 瓊，張光生，孫 寧

(隴東學院能源工程學院，甘肅慶陽745000)

煤層氣在國際范圍內(nèi)已經(jīng)成為常規(guī)天然氣的重要接替資源，開發(fā)前景廣闊。然而由于煤層氣儲層的復雜性和特殊性，導致對其關(guān)鍵性質(zhì)的認識程度不足，給煤層氣井生產(chǎn)動態(tài)分析和產(chǎn)量預(yù)測造成了很大困難，制約了煤層氣藏的開發(fā)效果。通過調(diào)研煤層氣儲層性質(zhì)和增產(chǎn)措施效果評價技術(shù)，總結(jié)了壓力瞬態(tài)分析技術(shù)、含氣量確定和物質(zhì)平衡等方法的應(yīng)用和進展，探討了以上方法對評價煤層氣關(guān)鍵儲層性質(zhì)(如絕對滲透率和含氣量、氣體地質(zhì)儲量)以及完井和增產(chǎn)效果的影響。

煤層氣；儲層性質(zhì)；評價技術(shù)

煤層氣資源的開發(fā)最早在美國的黑勇士盆地和圣胡安盆地兩個地區(qū)獲得了商業(yè)成功，后逐步擴展到美國其它的陸上盆地，加拿大和澳大利亞也相繼實現(xiàn)了煤層氣資源的商業(yè)化開發(fā)[1]。然而由于人們對煤層氣關(guān)鍵儲層性質(zhì)尚未取得足夠的認識，煤層氣在世界其他地區(qū)的開發(fā)效果并不理想[2]。隨著世界范圍內(nèi)的煤層氣勘探開發(fā)的推進以及鉆、完井和增產(chǎn)技術(shù)的進步，煤層氣儲層性質(zhì)和氣井增產(chǎn)效果評價技術(shù)近年來得到了很大改進[3]。以下將介紹煤層氣關(guān)鍵儲層性質(zhì)評價方法的相關(guān)進展，以及對新技術(shù)應(yīng)用和煤層氣開發(fā)的認識。

1 煤層氣儲層的特點

與常規(guī)油氣儲層不同，煤既是氣源巖，又是儲集巖；其楊氏模量低，泊松比大，在煤化作用和后期變形過程中形成了獨特的割理系統(tǒng)；在煤層氣開發(fā)過程中，煤層通常會產(chǎn)生煤粉并隨流體排出，而對開發(fā)效果造成不利影響。煤層氣(主要成分為甲烷)主要以吸附態(tài)存在于煤基質(zhì)巨大的內(nèi)表面上，少量以游離態(tài)存在于孔隙裂縫中或以溶解態(tài)存在于煤層水中。氣體在煤層中的吸附常用Langmuir等溫吸附模型來描述。氣體在煤層中運移的主要機理為：濃度差驅(qū)動下在基質(zhì)中的擴散；壓差驅(qū)動下在裂縫(割理)中的流動(如圖1所示)。相應(yīng)地，在煤基質(zhì)中受擴散控制呈現(xiàn)氣體單相流，在割理中在壓差驅(qū)動下呈現(xiàn)氣體單向流(儲層壓力高于飽和壓力)或氣水兩相流(儲層壓力低于飽和壓力)。煤層氣的經(jīng)濟產(chǎn)量受基質(zhì)擴散過程限制或是割理滲透率限制，取決于有效裂縫間距[4]。煤層有效應(yīng)力的變化和基質(zhì)收縮作用會改變裂縫開度的尺度。相對滲透率、儲層壓力和流體性質(zhì)的差異對裂縫中流體的流動也具有重要影響[5]。

圖1 煤層氣解吸滲流微觀機理

2 煤層氣儲層含氣量和地質(zhì)儲量的確定

2.1 含氣量的確定

煤層氣儲層含氣量是指儲層中所含吸附氣、溶解氣和游離氣的總量，實際計算中主要考慮吸附氣的含量。目前尚無直接測定儲層中吸附含氣量的方法，傳統(tǒng)的做法主要是收集多組樣品通過解吸罐試驗進行。受取樣時間、樣品大小、溫度、總氣體含量、飽和度和鉆井液性質(zhì)的影響，取芯過程中氣體損耗量的計算會出現(xiàn)偏差，對含氣量的確定造成較大誤差。

氣體損耗量的計算方法有USBM法(美國礦務(wù)局提出)、Smith-William法、Amoco法等，其中最常用的是USBM法，而Smith-William法適用于巖屑樣品。最新出現(xiàn)的方法是CBM方程法[6]，該方法利用煤巖中的巖屑、井壁取芯、常規(guī)取芯和電纜取芯樣品做實驗，將不同粒徑的樣品飽和后進行解吸模擬，針對不同的損耗時間和樣品類型，設(shè)計出相應(yīng)的氣損耗模式來評估誤差大小。如圖2所示：巖屑樣品(0.033～0.132英寸，等粒徑)用氣體完全飽和，然后通過降低壓力和溫度使其解吸來模擬鉆井中的取芯操作，在該過程中測量解吸氣量。數(shù)據(jù)分析表明：利用氣損耗的直接分析方法，若氣損耗時間為1小時，測量誤差是41%，若氣損耗時間為0.5小時，誤差為17%。

圖2 氣體損耗模擬

國內(nèi)的王濤等人對解吸試驗中氣體損耗量的計算方法進行了改進，指出適當延長現(xiàn)場解吸時間，利用甲烷解吸資料，采用一元非線性回歸分析可以較好地降低計算誤差[7]。目前國內(nèi)在含氣量計算方面，主要是利用測井資料篩選敏感參數(shù)，通過回歸建立含氣量預(yù)測模型，用于煤層含氣量評價。楊東根在研究和順地區(qū)煤層含氣性時，利用復合因素回歸法組建復合參數(shù)與含氣量建立模型預(yù)測含氣量取得了良好效果[8]。用該方法計算出來的含氣量具有一定的區(qū)域適用性。此外，近年來國內(nèi)學者陸續(xù)又提出了含氣量梯度法、地震預(yù)測法、非線性智能算法等。

2.2 地質(zhì)儲量的確定

氣體地質(zhì)儲量可以通過測量體積的方法或者物質(zhì)平衡方程確定。美國天然氣研究所(GRI)1990年對體積法做過介紹，后來的方法在步驟上基本一致，此處不再贅述。物質(zhì)平衡方程法通過迭代以進行物質(zhì)平衡估算，后期有研究者提出了更加簡便的非迭代方法，具有代表性的是Jensen-Smith方程，亦稱修正的物質(zhì)平衡方程(MMB)；該方程是在1997年對圣胡安盆地Fruitland煤區(qū)飽和兩相煤層氣藏進行物質(zhì)平衡計算過程設(shè)計提出的[9-10]。其形式為：

(1)

其中，pi為原始地層壓力，p為關(guān)井壓力，A為煤層面積，h為煤層厚度，ρc為煤密度，Gp為原始地質(zhì)儲量。該公式的應(yīng)用條件為：一定體積、弱水動力的飽和煤層氣藏，只考慮吸附氣，且吸附規(guī)律符合Langmuir吸附等溫線。用該方程求解時，與常規(guī)的p/z累產(chǎn)量曲線類似，見圖3。Jensen-Smith方法僅需較少的油藏數(shù)據(jù)就能夠得出合理的結(jié)果，這是應(yīng)用最簡單的一個方程。

圖3 利用Jensen-Smith方程確定原始氣體地質(zhì)儲量示意圖

通過周期性測量關(guān)井壓力，用其無因次形式p/(p+pL)與累產(chǎn)氣量作圖。將直線向x軸外推得到氣體原始地質(zhì)儲量(OGIP)，y軸截距可用來驗證假設(shè)的初始壓力，斜率可用來估計泄壓面積(需已知煤層厚度、密度和Langmuir體積)。

國內(nèi)李明宅、仲紅軍分別對煤層氣儲量的各種計算方法(體積法、物質(zhì)平衡法、類比法、數(shù)值模擬法、產(chǎn)量遞減法等)進行了探討，前者指出煤層氣儲量計算關(guān)鍵參數(shù)是含氣面積、煤層厚度和含氣量，在探明含氣面積確定中仍存在不確定因素[9]；后者提出了用支持向量機理論預(yù)測煤層氣的儲量[11]。

3 煤層氣儲層供氣能力的確定

評價煤層的供氣能力需要對煤基質(zhì)和裂縫的流動性質(zhì)進行量化研究，測量和模擬煤層裂縫供氣能力需要結(jié)合試井和實驗室數(shù)據(jù)分析。

3.1 擴散系數(shù)的測量

關(guān)于煤基質(zhì)內(nèi)的氣體流量的理論模型近幾年發(fā)展迅速，但氣體流量的測量技術(shù)進展緩慢。商業(yè)油藏模擬軟件大都使用“吸附時間”(τ)這一參數(shù)表征煤基質(zhì)的擴散能力[12]。吸附時間是指全巖心解吸試驗中63.2%的氣體解吸出來所需的時間，其大小與擴散系數(shù)、顆粒形狀和大小有關(guān)。

擴散系數(shù)可根據(jù)吸附時間推導出來：

(2)

特征吸附時間τ定義為：

(3)

式中，△G為累計解吸的氣體量，scf/t(標準立方英尺/噸)；Gci為初始含氣量；τ為吸附時間，s；σ為煤基質(zhì)形狀因子，cm-2。常用的煤形狀因子為：立方體60，球體15，圓柱體8。

由于煤巖的可壓縮性，在解吸罐里發(fā)生的擴散與實際地層應(yīng)力條件下的過程有差異。

3.2 絕對滲透率的估算

煤層絕對滲透率可以通過實驗室?guī)r心測試、試井分析、先期生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析或通過油藏模擬歷史擬合得出。其中在單相(水或氣)流動條件下實施的試井方法可靠性最高，受煤層非均質(zhì)性、氣體解吸后多相流動、多層產(chǎn)氣、雙重孔隙特性和絕對滲透率隨有效應(yīng)力和吸附量發(fā)生變化等因素影響，試井設(shè)計和解釋具有較高的復雜性。

3.2.1 利用壓力瞬變分析(PTA)技術(shù)推導滲透率

隨著煤層氣的排采煤層水逐漸被采出，煤層有效應(yīng)力將會增加，使煤層滲透率降低；另外，氣體解吸引起的基質(zhì)收縮會使?jié)B透率增加。二者的相對作用大小取決于煤層的排采程度、氣體飽和程度、吸附特點、氣體成分、煤巖機械性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力條件等。

煤層氣壓力瞬變分析(PTA)技術(shù)在過去的數(shù)十年里得到了應(yīng)用[13]。通過井間延遲PTA獲得壓力數(shù)據(jù)，再結(jié)合飽和度和相滲曲線分析獲得絕對滲透率，即可繪制煤層壓力-絕對滲透率曲線，用于量化推導排采過程中絕對滲透率隨壓力的變化。此外，有學者根據(jù)試井數(shù)據(jù)將孔隙度和滲透率變化做成裂縫孔隙壓力、含氣量和氣體成分的函數(shù)來進行參數(shù)預(yù)測，可用于提高煤層氣采收率(ECBM)和CO2地質(zhì)埋存項目。

3.2.2 利用測井手段評價滲透率

石油物理測井和地球物理方法可用于評價煤層滲透率。根據(jù)常規(guī)測井系列成果計算煤層割理系統(tǒng)中可動流體體積，可用于篩選裂縫性煤層和高滲區(qū)域。圖像測井，例如FMI(全井眼地層微電阻率成象測井儀)，可用于尋找裂縫，進而推測滲透率級別。目前直接根據(jù)測井曲線估算滲透率的難度較大。

國內(nèi)研究者最近提出了在物質(zhì)平衡方程、產(chǎn)量方程的基礎(chǔ)上利用煤層氣井排采數(shù)據(jù)反求煤層滲透率的方法[14]，類似的方法在韓城區(qū)塊也有應(yīng)用。王登科等人考慮了Klinkenberg效應(yīng)，通過實驗分析和理論推導，提出了一種綜合氣體動力黏度和壓縮因子的煤層滲透率計算方法[15]。

3.3 煤層氣井完井效果分析和氣藏動態(tài)監(jiān)測

國內(nèi)外煤層氣開發(fā)中常規(guī)的方式是利用直井鉆開煤層后進行射孔和壓裂完井，利用常規(guī)的試井手段評價水力裂縫的質(zhì)量(裂縫半長和導流能力)，常規(guī)儲層或者致密氣儲層生產(chǎn)分析中使用的壓裂標準曲線也可以用于煤層氣藏。近十幾年來，利用水平井(無分支或者多分支)開發(fā)某些煤層氣藏的技術(shù)優(yōu)勢日趨明顯。頁巖氣開發(fā)使用的復合壓裂壓裂水平井技術(shù)也被嘗試用于開發(fā)低滲煤層氣藏，并沿用頁巖氣藏相關(guān)的測井和生產(chǎn)分析手段進行相關(guān)分析。但目前尚未出現(xiàn)分析用這種方法開發(fā)的煤層氣井實例。

目前煤層氣藏監(jiān)測手段主要有：通過壓力觀察井連續(xù)監(jiān)測煤層裂縫壓力；利用生產(chǎn)測井估算多層合采的直井中某一層位對產(chǎn)量的貢獻；根據(jù)壓力瞬態(tài)分析(PTA)結(jié)果預(yù)測氣藏壓力和排采過程中滲透率的變化；利用井口氣樣監(jiān)測產(chǎn)出氣體成分的變化。

4 結(jié)論

在分析國內(nèi)外煤層氣藏關(guān)鍵儲層性質(zhì)(儲層含氣量和地質(zhì)儲量、煤層供氣能力等)評價技術(shù)的進展和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對煤層氣井完井效果和動態(tài)監(jiān)測技術(shù)做了介紹。雖然煤層氣開發(fā)可以在一定程度上借鑒其他非常規(guī)儲層(如頁巖氣和致密氣)的技術(shù)，但是隨著煤層氣開發(fā)逐步向更深層、更低滲的儲層的推進，尤其是進入提高采收率階段以后，需要對儲層評價方法進行持續(xù)改進，以適應(yīng)煤層氣儲層特點，實現(xiàn)最優(yōu)開發(fā)效果。

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【責任編輯 答會明】

Study on Evaluation Methods for Coalbed Methane Key Reservoir Properties

DUAN Qiong, ZHANG Guang-sheng, SUN Ning

(CollegeofEnergyResourceEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

Coalbed methane (CBM) has become an important alternative for conventional natural gas with a promising prospect. However, due to the complexity and unique property of CBM reservoir, only a limited understanding was obtained, causing major difficulty for CBM well performance and production prediction, and leading to an unsatisfied development effect. By investigating CBM reservoir property and stimulation effect evaluation methods, the application and advances of pressure transient analysis (PTA), gas content determination and material-balance method are summarized. And the influences of the above methods on evaluating key reservoir properties (absolute permeability, original gas in place) and stimulation effect are discussed.

coalbed methane; key reservoir property; evaluation method

1674-1730(2017)01-0096-04

2015-11-23

隴東學院青年創(chuàng)新項目《隴東地區(qū)低滲透油田壓裂液技術(shù)研究》(XYZK1514)

段 瓊(1987—)，女，陜西咸陽人，助教，碩士，主要從事石油天然氣開發(fā)地質(zhì)研究。

TE122

A