李 勇,姜在炳,劉鈺輝,3
(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;3.西安理工大學(xué),陜西 西安 710048)
地質(zhì)建模最早應(yīng)用于常規(guī)油氣儲層,通過對儲層進(jìn)行地質(zhì)建模和模型數(shù)值模擬,進(jìn)而對油藏進(jìn)行油藏評價和油藏管理,而對于煤儲層而言,煤儲層地質(zhì)建模方面明顯滯后于礦場生產(chǎn),甚至在這方面是一項空白[1]。煤體結(jié)構(gòu)的研究對煤層氣富集和開采具有重要的意義[2-3],特別是構(gòu)造煤的含量對煤層氣井的產(chǎn)量有顯著影響[4]。國內(nèi)外很多學(xué)者對煤體結(jié)構(gòu)和煤層氣井產(chǎn)能研究,大多基于單井點(diǎn)的煤體結(jié)構(gòu)分布情況及其對產(chǎn)能的影響[4-12]。對于井間和整體不同煤體結(jié)構(gòu)三維空間分布及不同煤體結(jié)構(gòu)分布區(qū)煤層氣井產(chǎn)能特征的研究還有待深入。寺河井田自20 世紀(jì)90 年代開始地面煤層氣排采,至今區(qū)內(nèi)已施工地面煤層氣排采井千余口,是我國首個實現(xiàn)煤層氣地面規(guī)模性商業(yè)開發(fā)的地區(qū)。目前根據(jù)寺河西區(qū)井田生產(chǎn)情況來看,發(fā)現(xiàn)地面煤層氣井整體產(chǎn)氣效果突出,但井田內(nèi)煤層氣井產(chǎn)能分布區(qū)域差異性大[13]。因此基于三維地質(zhì)建模軟件,借鑒油氣儲層三維地質(zhì)建模方法,建立煤層宏觀模型和煤體結(jié)構(gòu)分布三維模型,開展寺河西區(qū)煤體結(jié)構(gòu)三維空間分布規(guī)律與單采3 號煤層的氣井產(chǎn)能分布特征的研究,并據(jù)此為本區(qū)煤層氣井下一步增產(chǎn)改造提供參考。
寺河井田位于沁水煤田東南部,處于沁水復(fù)式向斜南段軸部附近,其中可采和局部可采煤層3 層(3 號,9 號,15 號);此次研究的目標(biāo)區(qū)域為寺河井田西區(qū)3 號煤層,3 號煤層具有煤層穩(wěn)定、埋藏深度小、含氣量較高和滲透率高等特征,總體構(gòu)造為單斜構(gòu)造,走向 NNE,傾向 NWW,傾角 3°~15°,發(fā)育一系列近SN-NNE 向的次級緩波狀褶曲,斷層主要有一些小型的層間斷層以及陷落柱,屬地質(zhì)構(gòu)造簡單類。
三維地質(zhì)建模是儲層表征的最高層次,是建立儲層特征三維分布的數(shù)字化模型[14]。一般的油氣藏三維地質(zhì)建模步驟可分為構(gòu)造建模和屬性建模2步,構(gòu)造模型是屬性建模的基礎(chǔ),在進(jìn)行屬性參數(shù)建模前要進(jìn)行相建模[15](沉積相建?;驇r相建模)。而相對于煤儲層而言,考慮到煤儲層屬性參數(shù)諸如滲透率、孔隙度的獲取與砂巖油氣藏有較大區(qū)別,所以煤儲層的相控建模思路不能完全照搬油氣藏的相控建模,馬平華等提出了分宏觀煤巖類型的煤儲層建模思路[1],為煤儲層的三維地質(zhì)建模提供了一種可行的方法。但受制于研究區(qū)域范圍內(nèi)煤巖類型變化不大,煤巖類型數(shù)據(jù)獲取困難等問題,因此決定采用分不同煤體結(jié)構(gòu)煤進(jìn)行屬性參數(shù)建模的相控建模思路,通過測井信息解釋各單井縱向上煤體結(jié)構(gòu)的分布,按照煤體結(jié)構(gòu)煤的分類:完整結(jié)構(gòu)煤I、塊狀結(jié)構(gòu)煤II,碎裂結(jié)構(gòu)煤III,碎粒結(jié)構(gòu)煤IV,糜棱結(jié)構(gòu)煤V 和夾矸VI 設(shè)置6 種類型,并建立煤儲層宏觀空間分布模型和煤體結(jié)構(gòu)三維分布模型。
研究區(qū)3 號煤儲層宏觀空間分布模型的建立可分為斷層模型、煤層模型2 部分。寺河西區(qū)斷層較少,且多為小斷層,利用剖面和構(gòu)造圖數(shù)據(jù),生成斷層 DF9、F2302X-3、FW2302X-2 和 FW23032-2 模型,斷層模型如圖1。
圖1 斷層模型Fig.1 Fault model
統(tǒng)計218 口井3 號煤層的頂?shù)装迳疃葦?shù)據(jù),寺河西區(qū)3 號煤儲層煤層埋深呈現(xiàn)南部和東部淺,西北部深的趨勢,埋深范圍270~690 m,煤厚5.0~7.65 m,平均煤厚6.2 m,煤厚空間變化不大,因此采用光滑插值法生成煤層三維模型,煤層厚度模型如圖 2;在網(wǎng)格劃分時,由于煤體結(jié)構(gòu)垂向分層較多,有的厚度最薄達(dá)到0.15 m,為了達(dá)到真實反映煤體結(jié)構(gòu)的情況,垂向上劃分40 個網(wǎng)格,平面上以26 m 的步長,最后選用 250×145×40 共 1 450 000 的網(wǎng)格數(shù)量剖分模型。
圖2 煤層厚度模型Fig.2 Coal seam model
根據(jù)寺河井田煤體結(jié)構(gòu)測井響應(yīng)值分布范圍,定量解釋了寺河西區(qū)13 口煤層氣井的煤體結(jié)構(gòu)分布情況。寺河礦區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)類型的測井響應(yīng)值范圍見表1[8]。
煤體結(jié)構(gòu)屬于離散變量,分布具有空間隨機(jī)性,序貫指示模擬既可用于離散的類型變量,又可用于離散化的連續(xù)變量類別的隨機(jī)模擬,它通過對每個網(wǎng)格的累積條件概率分布函數(shù)的隨機(jī)抽樣,從而得到研究區(qū)內(nèi)離散類型變量的1 個隨機(jī)實現(xiàn),因此選用基于像元的序貫指示模擬方法,來實現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)的三維建模,研究煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。
表1 寺河礦區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)類型的測井響應(yīng)值范圍Table 1 Logging response range of different coal body structure types in Sihe mining area
煤體結(jié)構(gòu)三維模型如圖3。從全局含量來看,研究區(qū)內(nèi)3 號煤層主要發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤(完整結(jié)構(gòu)煤占 47.90%,塊狀結(jié)構(gòu)煤占 32.80%),含少量碎裂結(jié)構(gòu)煤(18.20%),基本不含碎粒煤和糜棱煤,局部發(fā)育有夾矸,而且單井碎裂煤最多含量不超過30%。
圖3 煤體結(jié)構(gòu)三維模型Fig.3 Three-dimensional model of coal structure
原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤分布特征如圖4。
從圖3、圖4 可知,平面上原生結(jié)構(gòu)煤基本上全局發(fā)育,碎裂煤分布非均質(zhì)性較強(qiáng),以A、B、C 3 個區(qū)域考察煤體結(jié)構(gòu)分布,碎裂煤在C 區(qū)含量最高普遍大于16%,中心最高含量達(dá)到28%,并以環(huán)狀向A區(qū)和B 區(qū)逐漸減少,B 區(qū)碎裂煤含量在16%~20%之間,A 區(qū)碎裂煤含量大部分<16%,較B 區(qū)和C 區(qū)最少。碎裂煤在垂向上主要分布于煤層的上部,煤體結(jié)構(gòu)垂向分布特征如圖5,以剖面A-A’為例,井YH082 與YH086 之間碎裂煤較為發(fā)育,并以此為中心分別向東西兩側(cè)碎裂煤含量逐漸減少并有向淺層發(fā)育的趨勢。與本地區(qū)關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)的研究成果對比[7-8],煤體結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律基本一致,證明了模型的可靠性。
圖4 原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤分布特征Fig.4 Distribution characteristics of primary structure coal and structure coal
圖5 煤體結(jié)構(gòu)垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of coal structure
寺河井田煤層氣井產(chǎn)能分布區(qū)域差異性大[13],整體產(chǎn)氣量東區(qū)好于西區(qū)。目前寺河井田內(nèi)開發(fā)的煤層氣井已達(dá)千余口,根據(jù)開發(fā)的煤層可分為單采3 號煤、9+15 號合采和3+9+15 號煤層合采等,統(tǒng)計了西區(qū)西二西三盤區(qū)138 口單采3 號煤層的煤層氣井產(chǎn)量數(shù)據(jù),時間跨度為2007 年至2017 年。
為分析煤層氣井生命周期內(nèi)產(chǎn)量的時間變化,以時間節(jié)點(diǎn)1 年、3 年、3 年至10 年,分別統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的日平均產(chǎn)氣量,煤層氣井產(chǎn)能變化趨勢如圖6。
排采1 年后138 口井的平均日產(chǎn)氣量為4.6~5 821.8 m3/d,平均 2 183.8 m3/d;排采 3 年后 138 口井的平均日產(chǎn)量 135.6~9 805.7 m3/d,平均 3 023.8 m3/d;排采大于 3 年的平均日產(chǎn)氣量 499.8~8 286.3 m3/d,平均為3 003.0 m3/d。可見研究區(qū)內(nèi)總體產(chǎn)氣量較好,但不同區(qū)域,不僅產(chǎn)氣量大小差異較大而且隨時間產(chǎn)氣量變化趨勢不同。
對比不同排采時間煤層氣井產(chǎn)能空間分布圖來看,研究區(qū)煤層氣產(chǎn)能可分為3 個區(qū)域,西二盤區(qū)A、西三盤區(qū)B 和西二西三盤區(qū)接觸區(qū)域C,排采3年至10 年時各區(qū)域平均日產(chǎn)氣量為A>B>C,產(chǎn)能分區(qū)統(tǒng)計見表2。
表2 產(chǎn)能分區(qū)統(tǒng)計Table 2 Statistical of gas production in different zones
A 區(qū)以 SHx190、SHx142、SHx116、SHx129 和SHx256 為中心連成的一個較大的高產(chǎn)區(qū)域,區(qū)域中心最大平均日產(chǎn)氣量達(dá)到8 286 m3/d,而且隨著排采時間延長可以發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的煤層氣井產(chǎn)氣量持續(xù)性較好;而在A 區(qū)南部,東北部及高產(chǎn)區(qū)域的周圍產(chǎn)氣量相對較低,平均在3 000 m3/d 以下。B 區(qū)以YH026 和YH023 為中心連成1 個高產(chǎn)區(qū)域,區(qū)域中心最大平均日產(chǎn)氣量為 5 500 m3/d,B 區(qū)的東部和南部產(chǎn)氣量相對較低。C 區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣量排采早期上升較快,以YH058 和YH096 為中心排采1 年左右即達(dá)到產(chǎn)量峰值,中心平均日產(chǎn)氣量達(dá)5 002 m3/d,但隨著排采時間延長,產(chǎn)量逐漸下降,綜合分析本區(qū)產(chǎn)氣井的排采曲線后發(fā)現(xiàn)本區(qū)域分布較多產(chǎn)量衰減型[16]煤層氣井。
對比圖4 與圖6 可以發(fā)現(xiàn),在A、B 和C 區(qū),煤體結(jié)構(gòu)與煤層氣井產(chǎn)能相關(guān)性較強(qiáng),具體表現(xiàn)煤層氣井平均日產(chǎn)量和產(chǎn)氣時間,與原生結(jié)構(gòu)煤含量趨勢相同。例如從C 區(qū)到B 區(qū)到A 區(qū),平均日產(chǎn)氣量為1 802、2 860、3 311 m3,產(chǎn)量逐漸增大而原生結(jié)構(gòu)煤含量逐漸增加,構(gòu)造煤含量減少。A 區(qū)和B 區(qū)的煤層氣井產(chǎn)能的衰減的也較慢,一些井排采10 年后依然可以達(dá)到日產(chǎn)2 000 m3以上。而碎裂結(jié)構(gòu)煤較發(fā)育的C 區(qū),多分布一些產(chǎn)能衰減型煤層氣井,早期產(chǎn)氣量較好,但衰減較快。說明寺河地區(qū)3 號煤層原生結(jié)構(gòu)煤是煤層氣產(chǎn)氣量的主控煤體結(jié)構(gòu),原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育的地區(qū)產(chǎn)氣量高,產(chǎn)能衰減慢;碎裂煤含量對煤層氣井前期產(chǎn)氣量有較大貢獻(xiàn),但隨著排采時間延長煤層氣井的產(chǎn)量下降較快。
可能的原因是得益于寺河3 號煤層得天獨(dú)厚的儲層條件,所以整體寺河3 號煤層產(chǎn)氣量較好。一般而言,雖然碎裂結(jié)構(gòu)煤其構(gòu)造裂隙、外生裂隙、微裂隙、割理等都較為發(fā)育,但是對應(yīng)力較為敏感,不合理的排采制度很容易造成其儲層破壞和煤粉產(chǎn)出堵塞滲流通道,影響其產(chǎn)能持續(xù)時間,過早衰竭。而原生結(jié)構(gòu)煤主要發(fā)育內(nèi)生裂隙,水力壓裂后將溝通人工裂縫和內(nèi)生裂隙,從而提高煤層的滲透率,但是由于原生結(jié)構(gòu)煤具有較大的機(jī)械強(qiáng)度,它的壓敏性較碎裂煤等構(gòu)造煤不敏感。因此在進(jìn)行降壓過程中,原生結(jié)構(gòu)煤中的內(nèi)生裂隙和人工裂縫會一直保持打開狀態(tài)。而在排水降壓過程中煤層很容易形成整體壓降,進(jìn)而提高壓降漏斗的范圍,促使井眼更遠(yuǎn)處的儲層煤層氣解吸,為煤層氣井的產(chǎn)量提供充足的氣源。
1)通過油氣儲層地質(zhì)建模方法建立的三維煤體結(jié)構(gòu)模型,與已有的地質(zhì)認(rèn)識一致,可以很好地顯示煤體結(jié)構(gòu)的平剖面特征,進(jìn)而分析不同煤體結(jié)構(gòu)區(qū)煤層氣井的產(chǎn)能特征。研究區(qū)主要分布原生結(jié)構(gòu)煤80.7%,含少量碎裂結(jié)構(gòu)煤18.2%,由中部YH082井和YH086 井向東西兩側(cè),構(gòu)造煤有向淺層發(fā)育的趨勢。
2)通過分析煤層氣井平均日產(chǎn)氣量隨時空變換而變化的過程及產(chǎn)能特征,對研究區(qū)進(jìn)行了分區(qū),發(fā)現(xiàn)寺河西區(qū)整體產(chǎn)氣量較高,日均產(chǎn)氣量普遍大于3 000 m3,其中區(qū)域日均產(chǎn)氣量大小A>B>C,A和C 區(qū)煤層氣井產(chǎn)能保持時間較長,區(qū)域C 多分布一些產(chǎn)能衰減型煤層氣井。
3)西區(qū)3 號煤層煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣井的產(chǎn)能和維持時間有影響,原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育的地區(qū),煤層氣井產(chǎn)量高且其持續(xù)時間長,碎裂煤含量18%左右的地區(qū),初期產(chǎn)氣量較高,但衰減快。