馬平華，邵先杰，霍夢(mèng)穎，褚慶忠，霍春亮，梁武斌(.燕山大學(xué) 石油工程系，河北 秦皇島 066004； .中海石油有限公司 天津分公司，天津 30045)

近20年來(lái)，我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了礦場(chǎng)試驗(yàn)到規(guī)?；_(kāi)發(fā)，獲得了突破性進(jìn)展。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2017年底，經(jīng)過(guò)地質(zhì)與石油工作者的不懈努力，累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)了30×1012m3，已完鉆煤層氣井超過(guò)14 000口，年產(chǎn)量達(dá)到了70.2×108m3，取得了巨大成績(jī)。但有相當(dāng)大的一部分井為低產(chǎn)井，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，影響整體開(kāi)發(fā)效益，目前迫切需要提高煤層氣井的產(chǎn)能[1]。

國(guó)家依托“973”項(xiàng)目和科技重大專(zhuān)項(xiàng)，開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)性研究。針對(duì)中國(guó)的中高煤階，在煤儲(chǔ)層基本地質(zhì)特征、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、煤層氣富集、解吸和滲流等基礎(chǔ)理論方面取得了很多成果；在鉆井、采氣和壓裂等工藝方面形成了相對(duì)完善的礦場(chǎng)技術(shù)。但是在煤儲(chǔ)層地質(zhì)建模方面明顯滯后于礦場(chǎng)生產(chǎn)，甚至在這方面是一項(xiàng)空白。地質(zhì)建模是氣藏?cái)?shù)值模擬和開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，沒(méi)有可靠、準(zhǔn)確、能真實(shí)反映煤儲(chǔ)層特征的地質(zhì)模型根本就得不出可信的數(shù)值模擬結(jié)果，嚴(yán)重影響了開(kāi)發(fā)方案編制和開(kāi)發(fā)措施的實(shí)施，從而影響到了煤層氣井的產(chǎn)量。

煤儲(chǔ)層地質(zhì)建模存在的主要困難是：①煤巖樣易碎，很難通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得煤層真實(shí)的滲透率；②煤儲(chǔ)層具有雙孔隙介質(zhì)的特性，儲(chǔ)層物性受煤巖組構(gòu)、割理和微裂隙等因素影響[2-4]，存在高度的非均質(zhì)性，即使做出個(gè)別樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也不能完全代表儲(chǔ)層的物性；③煤巖具有彈性模量低，泊松比高的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力十分敏感，地面條件下測(cè)試的滲透率不能反映地下的情況；④煤巖滲透率極低，與孔隙度之間相關(guān)性不明顯，砂巖儲(chǔ)層中常用的測(cè)井物性解釋方法在煤儲(chǔ)層滲透率解釋中很難應(yīng)用。

國(guó)外煤儲(chǔ)層厚度大[5]、滲透率高、相對(duì)均質(zhì)，基本上是采用砂巖儲(chǔ)層的建模方法。國(guó)內(nèi)的礦場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，砂巖儲(chǔ)層的建模方法對(duì)于我國(guó)中高煤階和超低滲煤儲(chǔ)層不適應(yīng)。因此，迫切需要建立一套完善的、在煤巖組構(gòu)和地應(yīng)力約束下，能夠反映煤儲(chǔ)層特性的地質(zhì)建模理論與方法，為煤層氣的高效開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 煤儲(chǔ)層地質(zhì)建模思路

煤儲(chǔ)層滲透率是成煤物質(zhì)在成巖作用下經(jīng)壓實(shí)、失水、收縮、有機(jī)質(zhì)演化和破裂等地質(zhì)過(guò)程綜合作用的結(jié)果，當(dāng)前地質(zhì)條件下的地應(yīng)力對(duì)煤巖的滲透率影響很大，因?yàn)楫?dāng)?shù)貞?yīng)力高時(shí)，煤巖基質(zhì)顆粒堆積緊密，割理和微裂隙閉合，滲透率往往比較低，反之則高。

在長(zhǎng)期的科研生產(chǎn)實(shí)踐中，我們探討了煤儲(chǔ)層新的地質(zhì)建模思路和方法(圖1)。

1) 利用試井資料確定滲透率。韓城礦區(qū)部分井投產(chǎn)前進(jìn)行了試井，通過(guò)試井資料的分析，計(jì)算出滲透率，這一結(jié)果基本反映了煤層地下的真實(shí)滲透率。

2) 依據(jù)壓裂資料確定地應(yīng)力。煤層氣井(直井)投產(chǎn)前都要實(shí)施壓裂，利用壓裂資料計(jì)算地應(yīng)力的大小。

3) 煤巖類(lèi)型測(cè)井解釋。不同類(lèi)型煤巖的巖石力學(xué)參數(shù)不同，密度不同，測(cè)井響應(yīng)不同。通過(guò)煤巖測(cè)井響應(yīng)關(guān)系的研究，建立煤巖識(shí)別圖板，定性識(shí)別出各類(lèi)煤巖，為煤巖約束滲透率奠定基礎(chǔ)。

4) 滲透率與地應(yīng)力定量關(guān)系的建立。煤儲(chǔ)層對(duì)地應(yīng)力比較敏感，通過(guò)其關(guān)系的定量研究，為地應(yīng)力約束煤巖滲透率提供依據(jù)。

5) 煤儲(chǔ)層空間幾何分布模型建立。在鉆井和沉積相約束下采用隨機(jī)建模技術(shù)建立煤層空間幾何分布模型。

6) 煤巖相(類(lèi)型)模型建立。利用測(cè)井煤巖類(lèi)型識(shí)別技術(shù)和圖板，逐井逐層識(shí)別，在井點(diǎn)約束下采用示性點(diǎn)過(guò)程模擬方法建立煤巖相模型。

7) 地應(yīng)力模型建立。在構(gòu)造背景約束下，通過(guò)井點(diǎn)的控制，采用隨機(jī)建模技術(shù)建立地應(yīng)力模型。

圖1 多參數(shù)約束下的煤儲(chǔ)層隨機(jī)地質(zhì)建模技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap for stochastic geology modeling of coalbed under the constraints of multi-parameters

8) 滲透率模型建立。有試井?dāng)?shù)據(jù)的井點(diǎn)，滲透率以試井?dāng)?shù)據(jù)控制，沒(méi)有試井但有壓裂的井，利用地應(yīng)力計(jì)算的滲透率控制井點(diǎn)滲透率?？臻g上在沉積相、煤巖相模型和地應(yīng)力模型的約束下，采用隨機(jī)建模技術(shù)建立煤儲(chǔ)層滲透率模型。

2 地質(zhì)概況

2.1 地質(zhì)背景

韓城地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣，南鄰渭河斷陷，東接汾河地塹，西與鄂爾多斯盆地西緣逆沖構(gòu)造帶相毗鄰，面積約為1 100 km2。由于受韓城和渭河兩條邊界斷層的影響，礦區(qū)邊緣地帶和淺部，構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育；中深部地層則較為平緩，僅存在少量寬緩褶皺起伏，總體為單斜構(gòu)造形態(tài)，傾向北西，淺部?jī)A角較大，深部較平緩，一般為5°～10°。礦區(qū)的北部主要受擠壓作用的控制，南部受拉伸作用控制。煤層氣的主產(chǎn)層位為山西組發(fā)育的3#煤層和太原組的5#和11#煤層[6]。

3#，5#和11#煤層埋藏深度一般為400～1 000 m，地層壓力為2.42～2.8 0 MPa，壓力系數(shù)為0.6～0.8。變質(zhì)程度較高，以瘦煤和貧煤為主。實(shí)驗(yàn)樣品的滲透率為0.01×10-3～2.5×10-3μm2。含氣量為9.78～11.23 m3/t，平均資源豐度為2.91×108m3/km2。

2.2 沉積環(huán)境與沉積相

韓城礦區(qū)的3#煤層發(fā)育相對(duì)較薄，厚度在0.8～4.4 m；5#煤層厚度中等，為0.5～9.1 m，中部夾一比較穩(wěn)定的夾矸；11#煤層厚度大，并且相對(duì)穩(wěn)定，為4.0～11.6 m。

依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景資料，通過(guò)巖心觀察和對(duì)測(cè)井資料、巖性特征、巖性組合以及沉積構(gòu)造的分析，認(rèn)為研究區(qū)太原組屬于潟湖-潮坪-障壁島沉積體系，可進(jìn)一步劃分為潟湖亞相、沼澤亞相、潮坪亞相和障壁島亞相。5#和11#煤層屬濱海沼澤環(huán)境形成的泥炭堆積，環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，厚度較大(圖2)，總體趨勢(shì)是東北方向厚度大，西南方向厚度減薄；煤巖顯微組分中硫化鐵類(lèi)礦物和碳酸鹽類(lèi)礦物含量偏高，平均值分別為0.85%和5.75%。山西組為河控三角洲沉積體系[7]，包括三角洲平原分流河道、分流間、間灣沼澤和決口扇等微相類(lèi)型。3#煤層屬于三角洲平原間灣沼澤環(huán)境堆積，由于環(huán)境不穩(wěn)定，煤層厚度較薄，總體上呈不規(guī)則的條帶狀分布；煤巖顯微組分中硫化鐵類(lèi)礦物和碳酸鹽類(lèi)礦物含量較其它兩層低，平均分別為0.2%和3.2%。

3 地應(yīng)力分布規(guī)律

3.1 地應(yīng)力計(jì)算

地應(yīng)力的測(cè)試方法很多，主要有差應(yīng)變法、Kaiser效應(yīng)法、井眼崩落法和地球物理法等，但對(duì)于煤層氣井來(lái)講，幾乎每口井都?jí)毫淹懂a(chǎn)，壓裂資料豐富，利用壓裂資料計(jì)算地應(yīng)力是最便捷有效的方法。

通過(guò)水力壓裂施工曲線以及壓裂施工過(guò)程中的壓力變化等參數(shù)，可直接讀取出煤巖的破裂壓力、裂縫延伸壓力和瞬時(shí)停泵壓力[8]。而閉合壓力可通過(guò)壓裂施工過(guò)程中壓力變化數(shù)據(jù)求取。突然停止向井中泵入液體，此時(shí)已經(jīng)壓開(kāi)的裂縫由于地應(yīng)力的作用而開(kāi)始閉合，根據(jù)閉合壓力可以計(jì)算出最小水平主應(yīng)力[7]。再根據(jù)巖石的抗張強(qiáng)度與破裂壓力，可以進(jìn)一步求出最大水平主應(yīng)力[9]。其關(guān)系式如下：

式中：σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；pw為井筒液柱壓力，MPa；pc為裂縫閉合壓力，MPa；pm為井筒摩阻，MPa；pf為煤巖石破裂壓力，MPa；po為煤層孔隙壓力，MPa；St為煤巖的抗張強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)上述方法計(jì)算出了韓城礦區(qū)所有試井層位的地應(yīng)力值，共計(jì)118個(gè)井層。

3.2 地應(yīng)力分布

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同井以及不同層之間的差別很大，最小水平主應(yīng)力最大的井是H3-041井的3#煤層，38.92 MPa；最小值是H3-037井11#煤層，7.1 MPa。同一口井不同層位間也存在比較大的差別，比如H3-032井，3#,5#和11#煤層的最小水平主應(yīng)力分別為13.67,16.73和28.55 MPa?？傮w趨勢(shì)是隨著深度增加地應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，但具體到某一構(gòu)造部位的井并不全是這樣的規(guī)律。

根據(jù)繪制的最小水平主應(yīng)力圖分析，3#煤層高應(yīng)力區(qū)分布在西南和東北部，東南部為低地應(yīng)力區(qū)，西北部為中應(yīng)力區(qū)(圖3)；5#煤層的高應(yīng)力區(qū)分布在北部，南部為地應(yīng)力區(qū)；11#煤層的高應(yīng)力區(qū)分布在南部，北部為低地應(yīng)力區(qū)。11#煤層深度大，斷層少，整體特征是最小水平應(yīng)力值分布比較均勻，多在22～32 MPa范圍內(nèi)，3#和5#煤層埋藏淺，斷層發(fā)育，平面上地應(yīng)力變化大。

圖3 韓城礦區(qū)3#煤層最小水平主應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of minimum horizontal principal stress in the coalbed 3# of the Hancheng mining area

4 煤儲(chǔ)層滲透率約束因素

4.1 試井滲透率計(jì)算

通過(guò)試井壓力恢復(fù)曲線數(shù)可以得到儲(chǔ)層的有效滲透率[10-12]，其分析方法有MDH法、Horner法、Ramey圖板法及Boudet圖板法等[10-11]。本次研究采用Horner分析法求取煤儲(chǔ)層的滲透率。

(3)

在直角坐標(biāo)系中，Pws與lg[(tP+Δt)/Δt]呈線性關(guān)系，若設(shè)其斜率為m，則滲透率為：

(4)

式中：pws為井底壓力，MPa；pi為原始地層壓力，MPa；tp為開(kāi)井生產(chǎn)流動(dòng)時(shí)間，h；Δt為開(kāi)井生產(chǎn)流動(dòng)時(shí)間，h；K為滲透率，10-3μm2；q為地面的日產(chǎn)氣量，m3；μ為氣體粘度，mPa·s；B為氣體體積系數(shù)；h為有效厚度，m；m為Horner直線段的斜率。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，滲透率分布區(qū)間為0.001 3×10-3～0.071 0×10-3μm2，平均為0.022 0×10-3μm2。各井層間滲透率差別比較大。3#煤層的滲透率為0.002 6×10-3～0.044 0×10-3μm2，平均為0.018 3×10-3μm2；5#煤層的滲透率為0.006 0×10-3～0.071 0×10-3μm2，平均為0.023 2×10-3μm2；11#煤層的滲透率為0.001 3×10-3～0.051 7×10-3μm2，平均為0.012 8×10-3μm2；總體情況是5#煤層的滲透率稍高，3#煤層中等，11#煤層最小。

4.2 滲透率影響因素

煤儲(chǔ)層滲透率的影響因素有很多，比如煤巖變質(zhì)程度、煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖類(lèi)型、割理、微裂隙以及地應(yīng)力等因素。其中，最直觀、影響最明顯的因素是煤巖類(lèi)型、割理(包括微裂隙)以及地應(yīng)力。

4.2.1 煤巖類(lèi)型對(duì)滲透率的影響

光亮煤和半亮煤脆度大，機(jī)械強(qiáng)度小，易破碎，內(nèi)生裂隙發(fā)育，灰分含量低，密度小，含氣量高，滲透率相對(duì)高。半暗煤光澤較弱，較堅(jiān)硬，密度較大，內(nèi)生裂隙欠發(fā)育，灰分含量較高，滲透率較低。暗淡煤光澤暗淡，質(zhì)地堅(jiān)硬，密度大，內(nèi)生裂隙不發(fā)育，礦物質(zhì)含量高，灰分含量高，滲透率低。

根據(jù)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)[13]，不同的煤巖類(lèi)型，割理發(fā)育程度存在很大差別(圖4)，從光亮煤到暗淡煤，割理密度逐漸降低，光亮煤中割理密度比暗淡煤割理密度高出1倍以上，滲透率高出8倍以上。由此可見(jiàn),煤巖類(lèi)型對(duì)割理的分布和滲透率大小的影響是至關(guān)重要的因素。

4.2.2 割理(微裂隙)對(duì)滲透率的影響

煤巖雖然屬于雙孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)，但基質(zhì)孔隙屬于納米級(jí)孔隙，對(duì)滲透率貢獻(xiàn)很小，幾乎可以忽略，在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)滲流起貢獻(xiàn)作用的主要是割理和微裂隙[11]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[13](圖5)，滲透率與割理(微裂隙)具有正相關(guān)關(guān)系：

K=0.161 4lnM-0.305 4,R=0.865 2

(5)

式中：K為滲透率，10-3μm2；M為割理(微裂隙)密度×開(kāi)啟率，條/(5 cm)。

圖4 韓城礦區(qū)不同煤巖類(lèi)型的微裂隙和滲透率Fig.4 Various microcracks of different coal-rocks and their permeability in the Hancheng mining area

圖5 韓城礦區(qū)滲透率與割理發(fā)育程度的關(guān)系Fig.5 Relationship between permeability and cleat frequency of occurrence in the Hancheng mining area

4.2.3 地應(yīng)力對(duì)滲透率的影響

因?yàn)槊簬r對(duì)應(yīng)力比較敏感，煤儲(chǔ)層滲透性與地應(yīng)力關(guān)系密切，一般情況下，地應(yīng)力小的地區(qū)，煤儲(chǔ)層滲透率高，煤層氣井產(chǎn)氣量也高；反之，煤儲(chǔ)層滲透率低。但煤巖類(lèi)型不同，巖石力學(xué)參數(shù)不同，對(duì)地應(yīng)力的敏感程度不同，因此，研究過(guò)程中分煤巖類(lèi)型統(tǒng)計(jì)滲透率與地應(yīng)力的關(guān)系相關(guān)程度會(huì)提高(圖6)，四種煤巖類(lèi)型的滲透率都隨最小水平主應(yīng)力值的增大呈指數(shù)下降的趨勢(shì)，且相關(guān)性較好。

光亮煤滲透率與最小主應(yīng)力關(guān)系：

K=0.100 7e-0.093 7σh,R=0.846 4

(6)

半亮煤滲透率與最小主應(yīng)力關(guān)系：

K=0.101 8e-0.073σh,R=0.832 7

(7)

半暗煤滲透率與最小主應(yīng)力關(guān)系：

K=0.108 9e-0.148 3σh,R=0.832 8

(8)

暗淡煤滲透率與最小主應(yīng)力關(guān)系：

K=0.059 1e-0.125σh,R=0.866 1

(9)

5 多因素約束下的煤儲(chǔ)層地質(zhì)建模

由于煤層滲透率參數(shù)的獲得一直比較困難，因此需要從多個(gè)方面研究確定。有試井的井點(diǎn)其滲透率利用試井滲透率控制，沒(méi)有試井但有壓裂資料的井點(diǎn)根據(jù)試井計(jì)算的地應(yīng)力與滲透率關(guān)系模型，在煤巖類(lèi)型約束下確定井點(diǎn)的滲透率，其它區(qū)域的滲透率在煤巖相和地應(yīng)力模型的約束下采用序貫高斯法確定?？偨Y(jié)為四步建模法：首先建立煤儲(chǔ)層空間格架模型，然后在格架模型上分別建立煤巖相(類(lèi)型)模型和地應(yīng)力模型，最后在三者的約束下完成滲透率模型。

圖6 韓城礦區(qū)煤滲透率與最小水平主應(yīng)力關(guān)系Fig.6 Relationship between permeability and minimum horizontal principal stress in the Hancheng mining areaa.光亮煤滲透率與最小水平主應(yīng)力關(guān)系;b.半亮煤滲透率與最小水平主應(yīng)力的關(guān)系;c.半暗煤滲透率與最小水平主應(yīng)力的關(guān)系;d.暗淡煤滲透率與最小水平主應(yīng)力的關(guān)系

5.1 煤儲(chǔ)層宏觀空間分布模型建立

根據(jù)沉積相演化規(guī)律和煤厚度變化趨勢(shì)分析，煤層分布明顯具有分帶性。3#煤層大致上呈北東向條帶狀分布，受分流河道的方向控制，通過(guò)厚度變差函數(shù)的分析，優(yōu)勢(shì)方向確定為50°，變程設(shè)定為260 m，次方向變程設(shè)定為120 m。5#和11#煤層厚帶基本上都是分布在東北部，即向陸方向厚度增大，向海方向厚度減薄，等厚線基本上是平行岸線。把優(yōu)勢(shì)方向確定為150°(即平行于岸線方向)，變程設(shè)定為280 m，次方向的變程確定為100 m。煤層厚度雖然在空間上變化比較大，但以漸變?yōu)橹?，橫向上具有連續(xù)性和過(guò)渡性，因此采用序貫高斯模擬法，依據(jù)井點(diǎn)數(shù)據(jù)，在沉積相背景的約束下，通過(guò)變程控制完成空間分布模型。

5.2 煤巖相(類(lèi)型)模型建立

前面分析可以看出，煤巖類(lèi)型不同，其化學(xué)組分、顯微組分不同，基質(zhì)顆粒的大小不同，巖石力學(xué)性質(zhì)也不同，對(duì)應(yīng)力敏感程度不同，直接影響到滲透率。煤巖類(lèi)型是滲透率的重要約束因素，所以識(shí)別出不同的煤巖類(lèi)型，建立煤巖類(lèi)型空間分布模型是建立滲透率模型的基礎(chǔ)。

5.2.1 煤巖類(lèi)型的測(cè)井解釋

根據(jù)對(duì)韓城煤層氣井巖電關(guān)系的研究，從光亮煤到暗淡煤，補(bǔ)償密度測(cè)井值逐漸增大，補(bǔ)償聲波時(shí)差值逐漸減小，擴(kuò)徑率逐漸降低[13]。光亮煤的補(bǔ)償密度測(cè)井一般小于1.50 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井大于425 μs/m井徑擴(kuò)徑率大于50%；半亮煤的密度測(cè)井為1.48～1.60 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井是400～430 μs/m，井徑擴(kuò)徑率20%～50%；半暗煤的密度測(cè)井為1.58～1.67 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井是390～420 μs/m，井徑擴(kuò)徑率是10%～20%；暗淡煤的補(bǔ)償密度測(cè)井為1.65～1.75 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井為365～400 μs/m，井徑擴(kuò)徑率小于10%；夾矸的補(bǔ)償密度測(cè)井大于1.75 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井小于370 μs/m，幾乎不擴(kuò)徑。

利用煤巖測(cè)井響應(yīng)關(guān)系建立煤巖測(cè)井解釋圖板(圖7)，依據(jù)圖板完成全區(qū)各井層煤巖類(lèi)型的解釋。

5.2.2 煤巖相建模

煤巖相的分布存在隨機(jī)性，各類(lèi)型之間在縱向和橫向上不存在過(guò)度性，界限通常是突變的，因此選擇了示性點(diǎn)過(guò)程的模擬方法。示性點(diǎn)過(guò)程是基于目標(biāo)的隨機(jī)模擬方法[14]，根據(jù)點(diǎn)過(guò)程的概率產(chǎn)生模擬對(duì)象在空間上的分布，然后將模擬對(duì)象的屬性標(biāo)注于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。從地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度看，示性點(diǎn)過(guò)程主要是模擬對(duì)象及其屬性在三維空間上的聯(lián)合分布[15-18]。

圖7 韓城礦區(qū)煤巖類(lèi)型解釋圖板Fig.7 Interpretation chart of coal lithotypes in the Hancheng mining area

在煤儲(chǔ)層空間幾何框架模型上，井點(diǎn)由測(cè)井煤巖相圖板識(shí)別結(jié)果約束，井間根據(jù)點(diǎn)過(guò)程的概率產(chǎn)生模擬對(duì)象在空間的分布。由于不同層間煤巖相的變化比較大，因此不同層給出不同的煤巖相的幾何約束參數(shù)。3#煤層，厚度為0.8～4.4 m，無(wú)光亮煤分布；半亮煤呈不規(guī)則的條帶狀分布，面積為0.566 3～3.664 9 km2，長(zhǎng)軸方向是30°～90°，長(zhǎng)度為651.3～523 2.1 m，短軸方向是0°～315°，寬度為268.6～810.1 m；半暗煤平面上連片分布，面積為2.243 2～7.534 1 km2，長(zhǎng)軸方向是10°～45°，長(zhǎng)度為4 182.3～7 395.6 m，短軸方向是100°～135°，寬度為1 000～1 900 m；暗淡煤平面上呈不規(guī)則圓形分布，半徑為149.9～495.1 m，面積為0.138 0～0.647 5 km2。5#煤層，厚度是0.5～9.1 m，光亮煤平面上呈不規(guī)則的橢圓狀分布，面積是0.236 5～0.914 3 km2，長(zhǎng)軸方向?yàn)?5°左右，長(zhǎng)度是728.3～1 610.6 m，短軸方向?yàn)?15°，寬度為378.7～756.0 m；半亮平面上連片分布，面積是1.022 4～9.328 4 km2，長(zhǎng)軸方向?yàn)?5°～50°，長(zhǎng)度是4 235.7～7 253.4 m，短軸方向?yàn)?00°，寬度是411.8～806.0 m；半暗煤平面上呈不規(guī)則的條帶狀、圓狀分布，面積為0.133 6～2.375 6 km2，長(zhǎng)軸方向?yàn)?0°，長(zhǎng)度為488.3～4 009.0 m，短軸方向?yàn)?10°，寬度為400.3～668.9 m；暗淡煤平面上呈不規(guī)則的圓狀分布，半徑為325.0～510.0 m。11#煤層，煤厚度為4.0～11.6 m，無(wú)光亮煤分布；半亮平面上呈條帶狀和橢圓狀分布，面積為0.415 1～2.566 0 km2，長(zhǎng)軸方向是90°左右，長(zhǎng)度為792.3～2 406.4 m，短軸方向0°左右，寬度100.4～1 174.9 m；半暗煤呈不規(guī)則的片狀分布，面積1.024 5～2.338 0 km2，無(wú)方向性；暗淡煤呈條帶狀分布，面積為0.231 0～2.698 2 km2，長(zhǎng)軸方向?yàn)?6°～130°，長(zhǎng)度為408.3～5 043.6 m，短軸方向?yàn)?0°～306°，寬度為590.4～922.9 m。

最終完成了3個(gè)主力煤層的煤巖相空間模型(圖8是其中的3#煤巖模型)。

5.3 地應(yīng)力模型建立

地應(yīng)力受區(qū)域構(gòu)造背景和局部構(gòu)造控制，在空間上一般具有連續(xù)性和過(guò)渡關(guān)系。根據(jù)井點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析，確定不同方向的變差函數(shù)，優(yōu)勢(shì)方向是0°，變程確定為260 m，次方向變程為150 m。在模擬方法上，選用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中適用于連續(xù)變量模擬的序貫高斯模擬算法，采用井點(diǎn)數(shù)據(jù)約束，變程控制，井間插值的模擬過(guò)程，確保模擬的結(jié)果與區(qū)域背景一致，并能體現(xiàn)局部特征，同時(shí)要與手工分析的地應(yīng)力趨勢(shì)一致。

5.4 煤儲(chǔ)層屬性模型的隨機(jī)建立

根據(jù)相控建模原則，在地應(yīng)力模型約束下，確定不同煤巖相的滲透率變差函數(shù)，采用協(xié)同模擬方法建立各模擬單元中每個(gè)煤巖相的滲透率模型。

具體步驟為：①有試井的井點(diǎn)滲透率由試井滲透率控制；②無(wú)試井但有壓裂的井點(diǎn)，利用煤巖約束下的最小水平主應(yīng)力與滲透率關(guān)系式，由計(jì)算出的滲透率數(shù)值約束；③以井點(diǎn)滲透率數(shù)據(jù)為依據(jù)，煤巖相模型和地應(yīng)力模型為約束條件，結(jié)合煤巖割理和裂隙發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向，通過(guò)變差函數(shù)分析，采用序貫高斯法模擬滲透率屬性三維模型，根據(jù)長(zhǎng)寬比以及井距，采用球形函數(shù)作為變差函數(shù)。3#煤層，主方向?yàn)?15°，變程為240 m，次方向變呈為120 m，垂向變程1 m；5#煤層，主方向?yàn)?20°，變程為260 m，次方向變呈為130 m，垂向變程1 m；11#煤層，主方向?yàn)?30°，變程為275 m，次方向變呈為135 m，垂向變程1 m。以此完成了三個(gè)煤層的地質(zhì)模型(圖9是其中的3#煤層滲透率模型)。

5.5 模型檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)

采用礦場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，模型與井的生產(chǎn)現(xiàn)狀基本吻合，高滲透率區(qū)多為中高產(chǎn)井，低滲透率區(qū)以中低產(chǎn)井為主。按照厚度對(duì)韓城礦區(qū)內(nèi)各井各煤層的滲透率數(shù)值進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算(因?yàn)閰^(qū)內(nèi)多為合采井)，與穩(wěn)產(chǎn)期的平均日產(chǎn)氣量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示二者具有比較好的的正相關(guān)關(guān)系(圖10)。

模型中高滲透率區(qū)域與地應(yīng)力的分布趨勢(shì)也基本吻合，同時(shí)也受煤巖類(lèi)型控制。如圖9是3#煤層的滲透率模型，東南方向?yàn)楦邼B透率分布區(qū)域，與低地應(yīng)力區(qū)基本一致(圖3)。南部也出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)高的滲透率分布區(qū)，主要原因是該區(qū)以半亮煤為主，使得物性比較好。

圖10 韓城礦區(qū)加權(quán)滲透率與穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.10 Relationship between weighted permeability and average daily gas production in stable stages in the Hancheng mining area

6 結(jié)論

1) 煤巖類(lèi)型不同，其巖石力學(xué)特征不同，割理發(fā)育程度不同，滲透率不同。光亮煤和半亮煤密度小，脆度大，機(jī)械強(qiáng)度小，易破碎，內(nèi)生裂隙發(fā)育，滲透率相對(duì)高。半暗煤較堅(jiān)硬，密度較大，內(nèi)生裂隙欠發(fā)育，滲透率較低。暗淡煤質(zhì)地堅(jiān)硬，密度大，礦物質(zhì)含量高，內(nèi)生裂隙不發(fā)育，滲透率低。煤巖類(lèi)型是滲透率的重要約束條件。

2) 根據(jù)試井計(jì)算出的煤儲(chǔ)層滲透率和壓裂資料確定的地應(yīng)力資料分析，在分煤巖類(lèi)型條件下，滲透率受最小水平主應(yīng)力約束明顯，并且具有比較好的相關(guān)性。

3) 在煤儲(chǔ)層空間格架模型、煤巖相(類(lèi)型)模型和地應(yīng)力模型約束下完成的滲透率模型比較好地刻畫(huà)了煤儲(chǔ)層的屬性特征。模型與生產(chǎn)情況吻合比較好，該建模方的法理論依據(jù)充分，實(shí)際應(yīng)用中可操作性強(qiáng)。

致謝：國(guó)家煤層氣工程中心和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源與環(huán)境教研室提供了大部分礦區(qū)資料，在此表示感謝！衷心感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴修改意見(jiàn)！

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