姚艷斌，王 輝，楊延輝，劉大錳，魯秀芹，曹路通

煤層氣儲層可改造性評價——以鄭莊區(qū)塊為例

姚艷斌1,2，王 輝1,2，楊延輝3,4，劉大錳1,2，魯秀芹3,4，曹路通1,2

(1. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083；2. 煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心煤儲層物性實驗室，北京 100083；3. 中國石油華北油田公司，河北 任丘 062552；4. 中國石油天然氣集團公司 煤層氣開采先導試驗基地，河北 任丘 062552)

我國煤層氣資源探明率與動用率“雙低”，導致煤層氣增產(chǎn)顯著放緩，已經(jīng)成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。常規(guī)煤儲層評價較少考慮煤儲層的可改造性潛力，導致發(fā)現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)儲量偏少，已發(fā)現(xiàn)的儲量動用率偏低，因此，迫切需要開展煤儲層可改造性評價研究。以沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊為例，系統(tǒng)開展了巖心與大樣物理模擬實驗、測井與地震反演分析等；通過對比分析典型井儲層地質(zhì)特征與微地震水力壓裂裂縫監(jiān)測結果，指出影響煤儲層可改造性的關鍵地質(zhì)因素為煤體結構、宏觀煤巖類型、煤層構造變形、煤層地應力、煤層與頂?shù)装宓目估瓘姸戎?，建立了煤儲層可改造性綜合定量評價模型；并對鄭莊區(qū)塊煤儲層可改造性進行了評價分區(qū)，其結果得到了區(qū)內(nèi)千余口產(chǎn)氣井的驗證。研究成果可用于指導尚未動用儲量區(qū)的煤層氣建產(chǎn)和已動用儲量區(qū)的開發(fā)方案優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)不同區(qū)塊儲層地質(zhì)特點選擇適應性的工程技術與改造方案，以實現(xiàn)地質(zhì)工程一體化，是我國煤層氣“增儲上產(chǎn)”的關鍵。

煤儲層；煤層氣；可壓裂性；儲層改造；提高采收率；沁水盆地鄭莊區(qū)塊

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是保障我國能源供給的重要資源之一。自2003年首次煤層氣地面井商業(yè)性生產(chǎn)到2019年底，全國已鉆煤層氣井超過19 500口，累計探明煤層氣地質(zhì)儲量6 445億m3，探明率約2.1%；全國累計煤層氣產(chǎn)量402.5億m3，動用率約6.2%[1]。煤層氣探明率和動用率“雙低”是我國煤層氣產(chǎn)業(yè)徘徊不前的關鍵寫照。究其原因，一是復雜煤儲層占比高、煤層氣先天資源稟賦不足[2-5]；二是已探明儲量的實際動用率低、后備開發(fā)區(qū)嚴重不足，這與我國現(xiàn)存的煤層氣儲層評價標準與方法存在諸多不足有關。

我國30余年的煤層氣勘探開發(fā)實踐表明，直井水力壓裂和水平鉆井是商業(yè)化開發(fā)煤層氣的必備技術。對于中–高煤階煤儲層，有效的煤儲層評價不僅要考慮資源豐度特征，而更為重要的是，需要考慮決定資源有效性的兩個綜合儲層特性：“可改造性”和“可采性”。針對煤層氣的直井開發(fā)，煤儲層“可改造性”可簡要定義為：在相同的水力壓裂工藝技術條件下，在煤儲層中形成穩(wěn)定長縫并獲得足夠大的儲層改造體積的概率以及獲取高經(jīng)濟效益的能力；而煤儲層“可采性”是由資源潛力與可改造性綜合確定煤儲層產(chǎn)氣潛力。本文重點研究煤儲層的可改造性。

筆者以沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊3號煤為例，基于煤層氣井巖心樣品實驗、儲層地質(zhì)參數(shù)表征及水力壓裂裂縫特征綜合分析結果，系統(tǒng)梳理了影響煤層氣儲層可改造性的關鍵地質(zhì)要素，分析了各地質(zhì)要素的定量表征方法，最終建立了一套具備快速、準確和現(xiàn)場適用性強等特點的煤儲層可改造性評價體系，研究可為煤層氣井井位部署和后期優(yōu)化開發(fā)方案提供參考。

1 鄭莊區(qū)塊地質(zhì)概況

鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部，面積約700 km2。區(qū)塊總體上為近NW–NWW向呈馬蹄形傾斜的單斜構造，東部及東南部以寺頭斷層為界與樊莊區(qū)塊相鄰。區(qū)塊內(nèi)構造發(fā)育簡單，次級構造以正斷層為主，僅在東北部局部區(qū)域發(fā)育次級褶皺、逆斷層和陷落柱。區(qū)塊內(nèi)的主要煤層為石炭系上統(tǒng)–二疊系下統(tǒng)太原組15號煤和二疊系下統(tǒng)山西組3號煤，其中，3號煤為該區(qū)塊煤層氣開發(fā)主要層系。

鄭莊區(qū)塊3號煤層的埋深從西南部的350 m，向西北方向逐漸變深，最深達1 300 m；煤層整體發(fā)育穩(wěn)定，厚度為5.5~7.0 m，平均6.0 m；煤層的頂板和底板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖或砂巖。3號煤主要為無煙煤，鏡質(zhì)體反射率為3.2%~4.3%；煤層含氣量介于1.51~31.44 m3/t，平均約20.7 m3/t；儲層滲透率為(0.01~0.43)×10–3μm2，平均約0.16× 10–3μm2[6]。目前區(qū)塊內(nèi)低產(chǎn)井比例較高，日產(chǎn)氣量小于600 m3的井約占總井數(shù)的三分之二，從西南部向東北部單井產(chǎn)量逐漸降低，區(qū)塊整體采出程度僅為5% ，開發(fā)效益較低，迫切需要開展改善開發(fā)效果的相關研究[7]。

2 煤儲層可改造性評價的基本原則

我國煤儲層普遍具有“低孔與特低滲”的特點，大多數(shù)煤層氣井需要經(jīng)水力壓裂改造且形成高導流裂縫后才能產(chǎn)出具有經(jīng)濟效益的煤層氣[3-4,8]。目前，國內(nèi)的煤層氣井大都在1 200 m以淺，煤儲層水力壓裂改造的難點不是裂縫起裂的難易，而是裂縫的有效延伸和擴展。采用水力壓裂改造煤儲層應以形成穩(wěn)定縫高且盡可能的長縫為目標，即在控制縫高情況下，主裂縫延伸越長表明煤儲層的改造效果越好。因此，本文以煤儲層經(jīng)水力壓裂改造形成的主裂縫的縫長和縫高特征來評判其可改造性潛力。

煤儲層可改造性評價要素或參數(shù)的選取應遵循4個基本原則：①重視參數(shù)的可獲得性與規(guī)范性，評價要素可在勘探期或開發(fā)初期獲得，要素的測試應符合相關規(guī)范或標準；②應盡量選擇客觀性強、資料可靠性強，能夠體現(xiàn)評價目標特征的參數(shù)；③參數(shù)間盡量獨立，應從多維度反映儲層真實狀況；④要素分析時要考慮從小尺度過渡到現(xiàn)場應用的大尺度，從定性分析過渡到定量分析。

3 煤儲層可改造性關鍵影響因素及定量化分析

根據(jù)評價基本原則，本文選擇煤巖變形程度(煤體結構)、宏觀煤巖類型、煤層構造變形、煤層地應力、巖石力學強度共五項要素進行煤儲層的可改造性評價與分析，并系統(tǒng)論述五項評價要素的選取依據(jù)、定量方法及各要素選取的科學性與有效性。

3.1 煤體結構與CSI指數(shù)

華北和華南晚古生代中–高變質(zhì)煤區(qū)是目前我國煤層氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。然而，這些區(qū)域大范圍發(fā)育構造煤，構造煤的存在直接影響壓裂與排采效果，進而影響煤層氣開發(fā)效果[9-10]。因此，本文首選煤體結構作為煤儲層可改造性評價的關鍵要素。

煤體結構可以分為原生煤和構造煤，構造煤按照破碎程度從低到高可進一步細分為碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤[11]。煤層氣勘探過程中煤體結構的判識方法主要有巖心觀察描述、測井解釋和地震反演等[12]。Teng Juan等[13]基于鄭莊區(qū)塊百余塊煤心觀察結果，系統(tǒng)分析了煤體結構與4類測井曲線(密度、伽馬、聲波時差和深側向測井)的響應關系，提出了一種“煤體結構三角圖”識別法，可用于區(qū)塊尺度的煤體結構定量預測；Wang Yingjin等[14]根據(jù)Hoek和Brown準則，引入地質(zhì)強度因子GSI評價煤體結構，通過分層和逐級參數(shù)表征方法，建立煤體結構指數(shù)CSI以定量評價煤巖變形程度；Cao Lutong等[15]引入三維地震曲率屬性表征煤儲層變形，建立了一種基于高斯曲率和形態(tài)指數(shù)屬性預測煤體結構的新方法。本文考慮到錄井及取心觀察是獲取煤體結構最直接、準確的手段，因此，選取文獻[14]提出的CSI指數(shù)作為煤儲層可改造性評價的關鍵要素之一。

煤體結構指數(shù)CSI法的分析過程包括4個階段。如圖1所示，首先基于系統(tǒng)的煤心描述結果，對“割理密度”和“宏觀煤巖類型”等8個參數(shù)進行篩選和歸類，再依照專家經(jīng)驗和規(guī)范標準賦值方法確定這些基礎評價參數(shù)的結果(第四層)；進一步獲取“脆性變形指數(shù)”和“韌性變形指數(shù)”結果(第三層)；然后，將“脆性變形指數(shù)”和“韌性變形指數(shù)”經(jīng)歸一化處理后，獲取“煤結構面等級”，同時將“煤心塊度”和“煤心比例”經(jīng)歸一化處理后，獲取“煤巖結構強度”(第二層)；最后，將“煤巖結構強度”和“煤結構面等級”交匯建立圖版，獲得CSI的評價結果。CSI值的大小(取值范圍為0~100)定量反映了煤的變形程度：即從原生結構煤—脆性變形煤—脆韌性變形煤—韌性變形煤，CSI值逐漸增大。

圖1 煤體結構指數(shù)(CSI)定量評價流程

為了探討煤的CSI指數(shù)與煤儲層水力壓裂效果之間關系，系統(tǒng)計算了鄭莊區(qū)塊24口煤層氣井的CSI指數(shù)，并與對應井的微地震裂縫監(jiān)測結果(主裂縫的縫長和縫高)進行對比分析，結果如圖2所示。從圖中可知，鄭莊區(qū)塊CSI指數(shù)介于17~65，平均約40，表明原生結構煤和脆性變形煤在區(qū)塊內(nèi)占主導地位，而脆韌性及韌性變形煤發(fā)育較少。隨著煤巖CSI指數(shù)的增大，壓裂主裂縫縫長呈先增大后減小的趨勢，而縫高呈先減小后增大的趨勢。此外，微地震也可以監(jiān)測主裂縫與分支裂縫發(fā)育情況，通過對比主裂縫與支裂縫的大小來判斷主裂縫發(fā)育程度。如圖2c和圖2d所示，當CSI指數(shù)為40~45時，支縫與主縫的長度差值最大，主縫與支縫高度差值最小。也即當CSI指數(shù)為40~45時，即煤體結構以初級脆性變形煤(也即碎裂煤)為主時，煤層的主縫擴展越好，該類煤體結構的煤儲層水力壓裂改造效果最好。

圖2 不同煤體結構的CSI指數(shù)與水力壓裂裂縫發(fā)育特征關系[14]

鄭莊區(qū)塊煤體結構以原生煤和碎裂煤為主，其次為碎粒煤，糜棱煤基本不發(fā)育[13]。原生結構煤的CSI指數(shù)低于30，這種煤儲層的天然裂隙一般不太發(fā)育，被水力壓裂改造時雖易起裂，但裂縫不易集中且會分散泵壓，導致壓裂裂縫的延伸長度較短。碎裂煤以初級脆性變形煤為主，其儲層中發(fā)育一定的天然裂縫，但煤體整體較完整，被水力壓裂改造時極易形成沿主應力方向(天然裂縫方向)破裂并穩(wěn)定延伸的長縫，對煤儲層改造最有利。對于韌性變形煤，特別是糜棱煤，由于大量煤粉附著在煤巖表面或者填充于孔裂隙中，壓裂液與煤粉混合易形成糊狀物堵塞裂縫，非常不利于水力壓裂改造。綜上可知，可采用CSI指數(shù)來定量表征煤的破碎程度，進而評價煤儲層的可改造性。

3.2 宏觀煤巖類型與ML-T指數(shù)

煤心觀察描述可直接獲取煤的宏觀類型特征，是煤層氣取心錄井的一手資料，大量的數(shù)據(jù)資料可應用于煤儲層宏觀煤巖類型的區(qū)域評價，但受制于不同技術人員的經(jīng)驗差異，其鑒定結果可能出現(xiàn)一定的主觀性。相比較，測井曲線是一種定量性較好的數(shù)據(jù)體，且不同宏觀煤巖類型的煤巖在測井響應關系上存在較大差異，利用這些差異可以有效表征宏觀煤巖類型。學者基于聲波時差、密度、自然伽馬等測井分析，建立了韓城和樊莊等區(qū)塊的宏觀煤巖類型識別方法[16-17]。這些方法客觀、有效地確定了不同宏觀煤巖類型在整個煤層縱向上的分布特征。值得注意的是，這些方法無法用于井與井間的平面對比分析。為此，Cui Chao等[18]提出一種用于宏觀煤巖類型井間平面對比的方法。該方法首先建立了基于聲波時差、密度、自然伽馬和電阻率測井的標準煤心宏觀煤巖類型的測井識別方法。將縱向上每個分層的宏觀煤巖類型用ML-L指數(shù)[18]來表示：

式中：ML-L為垂向上某一分層煤的光亮程度指數(shù)；AC、DEN、GR、RT分別為經(jīng)無量綱處理后的聲波時差、密度、自然伽馬和梯度電阻率測井值。

基于ML-L指數(shù)模型，可獲得同一煤層不同部位的不同宏觀煤巖類型的垂向厚度及分布特征。然而，考慮到不同區(qū)域的煤層厚度及宏觀煤巖類型存在垂向比例差異，單一的ML-L縱向評價不能夠精確反映煤巖的光亮程度。因此，引入ML-T指數(shù)來反映單井煤層的總體光亮程度，其判別公式[18]為：

式中：ML-T為煤層的宏觀煤巖類型指數(shù)；1、2、3、4分別代表光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4種宏觀煤巖類型；C為不同宏觀煤巖類型在煤層總厚度中的權重；T為煤層縱向上不同層的不同宏觀煤巖類型的厚度，可通過ML-L分析獲得；net為純煤層厚度(除夾矸等)。由式(2)可知，ML-T的值越小表示該區(qū)域煤層的光亮程度越高。

利用式(2)計算了鄭莊區(qū)塊14口煤層氣井的ML-T指數(shù)，并與對應井的微地震監(jiān)測的主裂縫的縫長和縫高進行了對比分析。如圖3所示，煤儲層形成的主裂縫長度從光亮煤到暗淡煤逐漸變短，而主裂縫高度從光亮煤到暗淡煤逐漸變長。光亮煤和半亮煤性脆、內(nèi)部割理或裂隙發(fā)育、煤巖起裂所需的流體壓力較低，在一定的水力壓力下易形成延伸長而高度小的主裂縫。半暗煤和暗淡煤的水力壓裂破裂壓力較高，裂縫在縱向上延伸阻力減弱，容易貫穿頂?shù)装澹簝右仔纬啥潭叩牧芽p，不利于裂縫的遠端擴展。綜上可知，可采用ML-T指數(shù)來定量表征煤層的宏觀煤巖類型，進而評價煤儲層的可改造性。

圖3 水力壓裂裂縫長度和高度分別與ML-T指數(shù)的關系(據(jù)Cui Chao等[18]，修改)

3.3 煤層構造變形與高斯曲率屬性

我國含煤盆地經(jīng)多階段、多期次構造作用改造，煤層大多具有不同程度的彎曲變形。這些不同程度的變形特征可指示局部構造的發(fā)育(如褶皺軸部和翼部)、地應力情況、天然裂縫發(fā)育等，這些因素對于煤層氣的富集、賦存和煤層氣開采都具有重要意義。前人研究已表明，穩(wěn)定盆地(如華北克拉通盆地)內(nèi)部的地層變形曲率具有重要的油氣指示意義。同時考慮到，煤層曲率是煤層氣勘探前期容易獲得的一手資料，因此，構造曲率可作為煤儲層可改造性評價的關鍵要素之一。自2001年A. Roberts[19]引入地震曲率屬性并在地震解釋中開始流行，目前已經(jīng)成為預測小尺度斷層、微裂隙和描繪曲面變形特征的重要方法。本文首選三維地震曲率屬性作為構造曲率評價的方法。

三維地震曲率屬性包括高斯曲率、最小曲率、最大曲率、最大正曲率、最小負曲率、平均曲率、傾向曲率、走向曲率和形態(tài)指數(shù)等，每種曲率屬性各有特點，可從不同角度反映地層彎曲特征[19-20]。針對不同的煤儲層，應選用適應性強的曲率屬性作為評價參數(shù)。本文基于對鄭莊區(qū)塊1 km×1 km網(wǎng)格內(nèi)提取的各曲率屬性與煤儲層特性的耦合分析，優(yōu)選出了高斯曲率作為預測煤層彎曲變形程度的參數(shù)。高斯曲率是最大曲率和最小曲率的乘積，由于極小曲率接近于0，高斯曲率具有很強的符號敏感性。高斯曲率的絕對值越大，說明煤層彎曲程度越大，受力情況越復雜。根據(jù)對鄭莊區(qū)塊內(nèi)煤層壓裂裂縫與高斯曲率的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)水力壓裂主裂縫的長度隨著高斯曲率(絕對值)的增加呈先增大后減小的趨勢，而縫高隨著高斯曲率(絕對值)的增加呈先減小后增大的趨勢(圖4)。這些特征說明煤層的高斯曲率屬性與煤層壓裂裂縫擴展具有一定的相關關系。

高斯曲率過大表明煤層變形嚴重，多見構造煤發(fā)育，不利于儲層改造；高斯曲率過小的區(qū)域煤層變形小，煤巖保持原生結構，巖體裂隙不發(fā)育，亦不利于水力壓裂主裂縫的橫向擴展；高斯曲率適中的區(qū)域裂縫監(jiān)測結果顯示多為長裂縫，可作為儲層改造的有利區(qū)域。因此，高斯曲率可以表征煤層彎曲變形的程度，進而定量評價煤儲層可改造性。

圖4 水力壓裂裂縫長度、高度與高斯曲率關系

值得指出的是，曲率屬性主要適用于評價穩(wěn)定盆地內(nèi)構造簡單的煤層氣區(qū)塊儲層可改造性，適用于區(qū)塊尺度，而不適用于盆地大尺度。在復雜斷塊區(qū)或者盆地的大尺度范圍內(nèi)，煤層的曲率值可能出現(xiàn)異?；蛳嗖顜讉€數(shù)量級，很難用于定量評價。同時，當對不同的區(qū)塊進行評價時，或者當需要選擇不同尺度的網(wǎng)格計算曲率時，其評價標準均需要適當調(diào)整以滿足對區(qū)塊的適應性。此外，若研究區(qū)缺少三維地震資料，也可根據(jù)構造等高線計算的構造曲率值代替高斯曲率屬性進行評價。

3.4 煤層地應力與水平應力差

地應力指地殼單位面積所承受的力，是由地球內(nèi)部各種運動產(chǎn)生的。按照力的方向，地應力可分為垂向地應力和水平地應力。其中垂向應力為上覆巖層重力，而水平地應力又分為最大水平地應力和最小水平地應力。壓裂裂縫表現(xiàn)為壓應力條件下的拉斷破裂[21]，在對煤儲層水力壓裂改造時，壓裂流體要克服地應力的阻礙才能使煤層發(fā)生破裂。為此，本文將地應力作為煤儲層可改造性的要素之一。

獲得煤層地應力特征的主要方法有測井解釋法、應力解除法、水力壓裂法、數(shù)值模擬法等。在鉆井過程中，常使用應力解除法和水力壓裂法測量地應力的大小及分布特征，這些方法行之有效但操作復雜。通過測井方法間接計算地應力的有效性已被眾多研究所證實，如Cao Lutong等[22]建立一套基于Anderson模型的測井地應力綜合預測模型，經(jīng)鄭莊區(qū)塊水力壓裂獲得的地應力結果驗證，該預測模型可以快速、有效地計算煤儲層三向應力。本文考慮到在煤層氣區(qū)塊的勘探初期一般缺少水力壓裂和試井數(shù)據(jù)等，故選用文獻[22]提出的測井地應力綜合預測模型進行可改造性評價。

如前文所述，煤儲層水力壓裂改造以獲得穩(wěn)定縫高的長縫為最終目標，而水平地應力差是確定裂縫延伸長度的關鍵[21,23-24]，因此，在考慮煤儲層地應力時，選用水平地應力差作為關鍵指標。對鄭莊區(qū)塊17口煤層氣井的地應力進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)水力壓裂裂縫的發(fā)育與最大和最小水平應力差存在明顯的相關關系。如圖5所示，隨著煤層最大和最小水平應力差的增大，煤儲層形成的主裂縫長度逐漸增長，而主裂縫高度逐漸變短。當最大水平主應力與最小水平主應力差較大時，煤層易形成與最大水平主應力走向一致且延伸較長的主裂縫。當最大與最小水平主應力差較小時，煤層易形成復雜且多向延伸的裂縫。綜上可知，可采用測井地應力綜合預測模型計算煤層地應力，以獲得煤層最大和最小水平應力差，進而評價煤儲層的可改造性。

圖5 最大和最小水平主應力差與水力壓裂主裂縫間關系

3.5 煤與頂?shù)装鍘r石力學性質(zhì)差異

我國主要煤層氣區(qū)煤層的單層厚度一般較薄，如沁水盆地3號煤層也僅為6 m左右。煤的力學強度普遍較低，這使得在煤層中進行水力壓裂極易壓穿頂?shù)装?。一旦煤層的頂?shù)装灞粔捍?，壓裂裂縫即停止或減緩在煤層中的延伸，轉而在煤層與頂?shù)走吔鐢U展，從而形成“T”型或“工”型的水力壓裂裂縫，導致整個壓裂施工的失敗。因此，采用水力壓裂方法改造煤儲層時，改造效果的好壞不僅取決于煤儲層的自身性質(zhì)或外部應力條件，還與其頂?shù)装鍘r石力學性質(zhì)有關[25-27]。本次將煤層頂?shù)装迮c煤巖的力學差異作為煤儲層可改造性的要素之一。

選擇鄭莊區(qū)塊17口煤層氣井的3號煤及其頂?shù)装鍘r心樣品開展了抗拉強度、抗壓強度和彈性模量等分析測試(由于存在巖心破損、規(guī)格不足等問題，部分井僅測試了頂板或底板巖石力學性質(zhì))，并進一步分析了這些巖石力學參數(shù)與煤儲層水力壓裂主裂縫高度的關系。水力壓裂致裂方法主要與巖石的抗拉強度有關，因此重點選取抗拉強度進行分析。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的水力壓裂條件下，煤儲層水力壓裂主裂縫的高度與煤層本身的抗拉強度關系不大，主要取決于煤層和頂?shù)装蹇估瓘姸戎睢?/p>

如圖6所示，鄭莊區(qū)塊3號煤儲層水力壓裂主裂縫的縫高隨煤層與頂/底板的抗拉強度之差的增大而減小。表明當煤層與頂/底板的抗拉強度之差較大時，水力壓裂裂縫容易在煤層中沿水平方向擴展，反之，當煤層的抗拉強度與頂/底板的抗拉強度接近時，煤層容易沿垂向擴展進而壓穿頂?shù)装?。該結果已被300 mm×300 mm×300 mm的大樣壓裂物理模擬試驗所證實[23]。

總體上，煤儲層水力壓裂改造時，當煤層與頂?shù)装蹇估瓘姸戎钶^大時利于裂縫在煤層中擴展。因此，煤層與頂板(底板)的抗拉強度之差也作為煤儲層可改造性評價的關鍵參數(shù)之一。

圖6 煤與頂?shù)装蹇估瓘姸炔顚λ毫芽p高影響

4 煤層氣儲層可改造性綜合評價

4.1 定量評價模型

定量評價模型的建立應遵循以下流程和原則：首先按照各影響因素的分類標準及特征總體劃定評分階段，每一階段賦予不同分數(shù)值以區(qū)分評價要素的優(yōu)劣，劃分的階段數(shù)應適中，各評價點以拉開適當分數(shù)值為宜；確定各影響因素在每一階段的臨界值，在臨界區(qū)間內(nèi)的評價要素即可獲得對應得分；基于各影響參數(shù)與水力壓裂效果的關系，賦予各影響因素權重(在開發(fā)后期，也可結合開發(fā)效果和專家經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)權重)，最終可獲得煤儲層可改造性定量評價模型。

如前文所述，影響鄭莊區(qū)塊煤儲層水力壓裂裂縫擴展的因素主要包括煤體結構、宏觀煤巖類型、煤層變形程度、煤層地應力、巖石力學強度等要素，這些因素均可實現(xiàn)定量表征。根據(jù)鄭莊區(qū)塊勘探和開發(fā)經(jīng)驗，賦予了各評價參數(shù)的權重和臨界值，最終建立了煤儲層可改造定量評價模型，如式(3)所示。

式中：12345和6分別為煤巖變形指數(shù)(CSI)宏觀煤巖類型指數(shù)(ML-T)高斯曲率平均有效應力煤層與頂板抗拉強度差和煤層與底板抗拉強度差對應的評價得分。

依據(jù)鄭莊區(qū)塊儲層地質(zhì)條件，給出各評價參數(shù)的取值區(qū)間與得分(表1)，可作為其他煤層氣區(qū)塊可改造性評價的參考。

表1 鄭莊區(qū)塊3號煤儲層可改造性評價參數(shù)、權重及評分標準

4.2 鄭莊區(qū)塊煤儲層可改造性評價結果

基于評價模型()獲得了鄭莊區(qū)塊3號煤儲層可改造性評價結果圖(圖7)。按照評價值，可將鄭莊區(qū)塊可改造性的分區(qū)劃分為四種類型。Ⅰ類為可改造性好的煤儲層(＞85分)，主要分布在鄭莊區(qū)塊的中部—西部區(qū)域，這些區(qū)域的地質(zhì)條件有利于穩(wěn)定長縫發(fā)育，是造縫優(yōu)勢區(qū)域；Ⅱ類為可改造性良好的煤儲層(＞75分)，主要分布在鄭莊區(qū)塊的西南部，這些區(qū)域的改造效果僅次于Ⅰ類儲層；Ⅲ類為可改造性中等的煤儲層(＞65分)，主要分布在鄭莊區(qū)塊的西北部，該區(qū)域水力壓裂主裂縫較短且縫高波動大，造縫效果一般；Ⅳ類表示可改造性較差的煤儲層(＜65分)，主要分布在鄭莊區(qū)塊東北部，煤儲層整體可改造性難度最大。

圖7 鄭莊區(qū)塊3號煤儲層可改造性綜合評價結果

4.3 評價結果的有效性

煤儲層可改造性評價結果有效性的關鍵是，該評價結果與經(jīng)儲層改造后煤層氣井的產(chǎn)量具有較高的吻合性。在實際分析時，煤層氣井的產(chǎn)量不僅受其可改造性條件好壞的制約，更與煤儲層本身的資源稟賦有關。煤儲層資源稟賦低，其煤層氣井產(chǎn)量往往較低；煤儲層資源稟賦好，但可改造性較差時，煤層氣井的產(chǎn)量也可能較低[28-29]。

鄭莊區(qū)塊3號煤儲層整體上全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定、厚度較均勻，沒有分叉或尖滅等急劇變化，因此資源稟賦分析時僅選取煤層氣井平均含氣量進行分析。將前文獲得的煤儲層可改造性評價值(圖7)與煤儲層含氣量值[30]進行歸一化處理，按照0.7與0.3的權重分配計算，即可獲得煤儲層產(chǎn)氣能力綜合評價圖(圖8)。如圖8所示，根據(jù)統(tǒng)計的煤層氣井實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，Ⅰ類預測產(chǎn)區(qū)內(nèi)的已建煤層氣井平均產(chǎn)氣量大多大于1 500 m3/d；Ⅱ類預測產(chǎn)區(qū)內(nèi)的已建煤層氣井平均產(chǎn)氣量大多介于800~1 500 m3/d；Ⅲ類預測產(chǎn)區(qū)內(nèi)的已建煤層氣井平均產(chǎn)氣量一般小于800 m3/d。

鄭莊區(qū)塊煤層氣產(chǎn)區(qū)有鄭1-4產(chǎn)區(qū)、東大產(chǎn)區(qū)和沁氏產(chǎn)區(qū)。其中，鄭4產(chǎn)區(qū)以Ⅰ類預測產(chǎn)區(qū)為主，該區(qū)單井實際平均產(chǎn)氣量大于800 m3/d，效果最好；鄭1-3和東大產(chǎn)區(qū)以Ⅱ類預測產(chǎn)區(qū)為主，少量Ⅰ類和Ⅲ類預測產(chǎn)區(qū)，該區(qū)單井平均產(chǎn)氣量為400~ 800 m3/d；沁氏產(chǎn)區(qū)以Ⅱ類預測產(chǎn)區(qū)為主，少量Ⅲ類預測產(chǎn)區(qū)，該區(qū)單井平均產(chǎn)氣量小于400 m3/d。由實際產(chǎn)量可知，本文提出的產(chǎn)區(qū)分類與實際煤層井生產(chǎn)能力基本一致，可用于指導煤層氣建產(chǎn)工作。

圖8 鄭莊區(qū)塊3號煤儲層產(chǎn)氣能力綜合評價及產(chǎn)區(qū)分類

5 結論

a. 以沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊3號煤為例，通過對比分析典型井儲層地質(zhì)特征與微地震水力壓裂裂縫監(jiān)測結果，指出影響煤儲層可改造性的關鍵評價因素為煤體結構、宏觀煤巖類型、煤層構造變形(煤體結構)、煤層地應力、煤層與頂?shù)装宓目估瓘姸戎?，進一步確定了各評價要素表征方法，最終建立了一套適用于中–高煤階煤儲層可改造性綜合定量評價體系。

b. 本次選擇的評價要素/參數(shù)、表征方法和建立的評價體系主要是基于鄭莊區(qū)塊目前的勘探開發(fā)現(xiàn)狀，在其他地區(qū)應用時需要根據(jù)區(qū)塊特點進行適當調(diào)整。即使是同一區(qū)塊，在不同的勘探開發(fā)階段，其可改造性評價的標準和方法都會存在顯著差別，還需進一步深入研究。此外，本文的煤儲層可改造性評價體系是基于水力壓裂的改造方法而建立的。在同一區(qū)塊可能存在多種不同的儲層改造方式，如針對煤層氣開發(fā)的篩管水平井技術、套管壓裂水平井技術、多分支水平井技術和水平井分段壓裂技術等。由于改造方式的巨大差異，針對這些方法的煤儲層可改造性評價還有待深入研究。

c. 煤儲層可改造性評價不僅可應用于深入分析煤層氣儲量動用與未動用情況的原因，指導尚未動用儲量區(qū)的井位部署與煤層氣建產(chǎn)以及已動用儲量區(qū)的開發(fā)方案優(yōu)化調(diào)整工作，而且還可以應用于同一區(qū)塊不同地質(zhì)單元內(nèi)煤層氣井的井距與井網(wǎng)優(yōu)化等。總體上，根據(jù)不同區(qū)塊儲層地質(zhì)特點選擇適應性的工程技術與改造方案，實現(xiàn)地質(zhì)工程一體化是我國煤層氣“增儲上產(chǎn)”的關鍵。

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Evaluation of the hydro-fracturing potential for coalbed methane reservoir: A case study of Zhengzhuang CBM field

YAO Yanbin1,2, WANG Hui1,2, YANG Yanhui3,4, LIU Dameng1,2, LU Xiuqin3,4, CAO Lutong1,2

(1. School of Energy Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China; 2. Coal Reservoir Laboratory of National Engineering Research Center of CBM Development & Utilization, Beijing 100083,China; 3. PetroChina Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, China; 4. The CBM Exploration and Development Pilot Test Base of CNPC, PetroChina Company Limited, Renqiu 062552, China)

The “double low” rate of exploration and utilization of CBM resources in China leads to a significant slowdown in CBM production, which has become a bottleneck restricting the development of CBM industry in China. The common CBM reservoir evaluation method did not pay enough attention to the hydro-fracturing potential, resulting in low discovery rate of high-quality gas reserves and low mobilization-rate of the present reserves. Thus, it is extremely necessary to do some research regarding to hydro-fracturing potential evaluation. Targeting on the Zhengzhuang CBM field of the southern Qinshui Basin, this study did comprehensive investigations including coal core analysis, physical simulation experiments on large rock samples, geological inversions of well logging and three-dimensional seismic data. Based on the comparison of the geological analysis results with the monitored fracture propagation in hydraulic fracturing, this study concluded five key influence factors for evaluating hydro-fracturing potential of CBM reservoir: i.e., the coal texture, coal macro-lithotype, coal seam structural deformation, in-situ stress, differences of tensile strength between coal seam and its roof/floor. Based on the analysis of above influence factors, a quantitative comprehensive evaluation model was proposed and applied for evaluating hydro-fracturing potential of the CBM reservoir in the Zhengzhuang field. The evaluation results were validated by the production data of more than 1 000 CBM wells. The study is important for predicating production target for the un-mobilized reserve area, and for adjusting or optimizing development plan in the mobilized reserve area.

coal reservoir; coalbed methane; hydraulic fracturing potential; reservoir simulation; enhance gas recovery; Zhengzhuang field of Qinshui Basin

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語音講解

P618.11

A

1001-1986(2021)01-0119-11

2021-01-13；

2021-01-30

國家自然科學基金重點項目(41830427)；華北油田股份公司重大專項外協(xié)課題(HBYT-YJY-2018-277)

姚艷斌，1978年生，男，河北邯鄲人，博士，教授，博士生導師，從事煤與煤層氣地質(zhì)及勘探開發(fā)研究與教學工作. E-mail：yyb@cugb.edu.cn.

姚艷斌，王輝，楊延輝，等. 煤層氣儲層可改造性評價——以鄭莊區(qū)塊為例[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：119–129. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.012

YAO Yanbin，WANG Hui，YANG Yanhui，et al. Evaluation of the hydro-fracturing potential for coalbed methane reservoir：A case study of Zhengzhuang CBM field[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：119–129. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.012

(責任編輯 范章群)