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（中海油研究總院，北京 100028）

我國(guó)煤層氣資源豐富，位居世界第三，共41 個(gè)煤層氣含氣盆地（群），其中煤層氣地質(zhì)資源量大于10 000×108m3的大型含氣盆地（群）共10 個(gè)，依次為鄂爾多斯、沁水、滇東黔西、準(zhǔn)噶爾、天山、川南黔北、塔里木、海拉爾、二連和吐哈盆地（群）。但僅在沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣建成2 個(gè)上千億立方米煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地，其他煤層氣含氣盆地勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展緩慢，仍未取得重大突破。主要原因是我國(guó)煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，資源普遍具有低資源豐度、低儲(chǔ)層壓力、低滲透度、低飽和度和高變質(zhì)程度的賦存特征[1]。因此，開(kāi)發(fā)新的技術(shù)手段和方法，對(duì)煤層氣區(qū)塊進(jìn)行精細(xì)化評(píng)價(jià)，找出甜點(diǎn)區(qū)，對(duì)于我國(guó)煤層氣資源的高效勘探開(kāi)發(fā)尤為重要。

煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)重要而龐雜的工作。評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容包括煤層的孔裂隙系統(tǒng)、煤儲(chǔ)層滲透性、機(jī)械力學(xué)性質(zhì)、煤巖煤質(zhì)特征、含氣量，以及吸附和解吸特征等[2]。由于煤層氣成藏本身的復(fù)雜性和區(qū)域差異性，以含氣量為主要指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法不能全面準(zhǔn)確反映煤儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)潛力，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的不確定性。

等溫吸附性是煤層氣區(qū)別于常規(guī)油氣的主要特征，也是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。通常采用朗格繆爾等溫吸附方程表征煤儲(chǔ)層的等溫吸附特性[3]。以往對(duì)煤儲(chǔ)層等溫吸附性的研究主要側(cè)重于吸附實(shí)驗(yàn)的影響因素分析、對(duì)實(shí)際環(huán)境條件的模擬，以及吸附機(jī)理的驗(yàn)證等[4-6]。此外，也有研究者引入解吸效率和曲率的概念，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和推導(dǎo)，在等溫吸附曲線上劃分出不同的解吸階段，進(jìn)行煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)和開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)[7，8]。然而，這些研究成果在煤儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)以及勘探開(kāi)發(fā)選區(qū)等方面的應(yīng)用很少或不夠深入。

位于滇東黔西盆地的YW 區(qū)塊面積81.8 km2，煤層氣儲(chǔ)量估算為128.05×108m3。因地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷經(jīng)多年評(píng)價(jià)和勘探部署，仍未獲得高產(chǎn)井。

本文基于前人對(duì)煤儲(chǔ)層等溫吸附實(shí)驗(yàn)影響條件和吸附解吸特征等成果認(rèn)識(shí)，引申出幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并嘗試應(yīng)用于云南YW 區(qū)塊的煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，提高有利區(qū)優(yōu)選的可靠性，為復(fù)雜煤層氣區(qū)塊的評(píng)價(jià)提供一種新思路。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

等溫吸附曲線綜合反映了煤儲(chǔ)層主要煤巖煤質(zhì)組成和物性特征。朗格繆爾體積和朗格繆爾壓力決定了等溫吸附曲線形態(tài)，而等溫吸附曲線的斜率反映了朗格繆爾常數(shù)之間的變化關(guān)系。實(shí)測(cè)含氣量反映了煤儲(chǔ)層的圍巖壓力條件?；诿簩託獾纳鲜鲋饕卣?，為方便實(shí)際應(yīng)用，本文從含氣量、朗格繆爾體積、朗格繆爾壓力和等溫吸附曲線斜率四個(gè)參數(shù)引申出三個(gè)指標(biāo)：構(gòu)造煤指數(shù)、含氣指數(shù)和保存壓力來(lái)定量評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層。

1.1 特征斜率

等溫吸附曲線的斜率是度量煤儲(chǔ)層吸附和解吸氣體快慢的一個(gè)指標(biāo)。由于等溫吸附方程二階導(dǎo)數(shù)值恒小于0（式1），因此，任何煤儲(chǔ)層吸附氣體的能力都隨著壓力的增大而降低。由于朗格繆爾常數(shù)PL是確定等溫吸附曲線形態(tài)的壓力參數(shù)，為了方便討論，本文將等溫吸附方程在PL的一階導(dǎo)數(shù)值，定義為等溫吸附曲線的特征斜率（CS，characteristic slope）（式2）。

式中：VL－朗格繆爾體積，cm3/g；PL－朗格繆爾壓力，MPa。

1.2 構(gòu)造煤指數(shù)

對(duì)中階煤的大量研究認(rèn)為，煤的變質(zhì)和變形均會(huì)改變煤的分子組成和孔隙結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致朗格繆爾體積VL的增大和朗格繆爾壓力PL的減小[9-16]。因此，煤變質(zhì)程度和構(gòu)造變形程度是決定特征斜率大小的兩大主要因素。

煤的揮發(fā)分是反映煤變質(zhì)程度的一個(gè)較靈敏的指標(biāo)。隨著熱演化程度的加深，煤的揮發(fā)分隨之降低，同時(shí)煤的分子組成、結(jié)構(gòu)和孔隙特征也發(fā)生改變。因此，對(duì)于成煤母質(zhì)和成煤環(huán)境相似的原生結(jié)構(gòu)煤或煤體結(jié)構(gòu)較完整的碎裂煤（分子組成、結(jié)構(gòu)等未受后期構(gòu)造作用改變），其等溫吸附曲線的特征斜率與揮發(fā)分應(yīng)該具有較嚴(yán)格的負(fù)相關(guān)關(guān)系。云南YW 區(qū)塊9 號(hào)煤的回歸分析證實(shí)了上述推斷。原生-碎裂結(jié)構(gòu)煤的特征斜率與揮發(fā)分具有較嚴(yán)格的冪函數(shù)關(guān)系，而碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤的特征斜率均偏向該回歸線的上方（見(jiàn)圖1）。

圖1 YW 區(qū)塊9 號(hào)煤層構(gòu)造煤指數(shù)分析圖

基于上述認(rèn)識(shí)，本文將實(shí)測(cè)等溫吸附曲線特征斜率（用CS2表示）與回歸分析計(jì)算得到的原生結(jié)構(gòu)煤特征斜率（用CS1表示）的差值定義為煤儲(chǔ)層的構(gòu)造煤指數(shù)（TDCI，tectonically deformed coals index）（式3）。構(gòu)造煤指數(shù)越大，煤體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重。

式中：CS1-回歸分析計(jì)算獲取的原生結(jié)構(gòu)煤特征斜率，cm3/（g·MPa）；CS2-實(shí)測(cè)等溫曲線特征斜率，cm3/（g·MPa）。

1.3 含氣指數(shù)

含氣量通常是煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的一個(gè)最重要指標(biāo)。煤儲(chǔ)層特征在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)較穩(wěn)定時(shí)，含氣量的大小可以較準(zhǔn)確指示煤層氣富集區(qū)。然而，煤巖煤質(zhì)、熱演化和構(gòu)造變形程度等因素變化較大時(shí)，尤其是評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層的朗格繆爾體積差異較大時(shí)，如果仍然采用含氣量的絕對(duì)大小進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，往往造成預(yù)測(cè)結(jié)果的較大偏差。

因此，本文引入含氣指數(shù)（GBI，gas bearing index）表征煤儲(chǔ)層的含氣特征，盡可能避免采用含氣量進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)時(shí)帶來(lái)的缺陷。即：將煤儲(chǔ)層實(shí)測(cè)含氣量（V2）與其等溫吸附曲線在轉(zhuǎn)折壓力時(shí)的吸附量（V1）之比定義為煤儲(chǔ)層的含氣指數(shù)（式4）。

以中高階煤為例，由于當(dāng)?shù)葴匚綁毫_(dá)到轉(zhuǎn)折壓力時(shí)，煤儲(chǔ)層吸附氣體量占最大吸附量的80%以上[8]。因此，上述含氣指數(shù)以實(shí)測(cè)含氣量與等溫吸附曲線上轉(zhuǎn)折壓力吸附量做參照，反映煤儲(chǔ)層吸附氣體的飽和程度是合適的。

式中：V1-煤儲(chǔ)層等溫吸附曲線在轉(zhuǎn)折壓力時(shí)的吸附量，cm3/g；V2-煤儲(chǔ)層實(shí)測(cè)含氣量，cm3/g。

1.4 保存壓力

煤的含氣量是由煤儲(chǔ)層本身的吸附特性和圍巖的封閉條件共同作用的結(jié)果。實(shí)測(cè)的含氣量代表了在地質(zhì)歷史時(shí)期該煤層經(jīng)歷的與圍巖在溫度、含水率和壓力等環(huán)境條件均衡后，所能保存下來(lái)的最大吸附氣體量。樣品經(jīng)室內(nèi)模擬地下條件進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，繪制的等溫吸附曲線，可看作一種地質(zhì)壓力計(jì)。為方便討論，本文將實(shí)測(cè)含氣量在模擬地下儲(chǔ)層溫度和含水率等條件下的等溫吸附曲線上讀取的壓力值定義為煤層氣的保存壓力（PP，preserval pressure）。如果忽略溫度和含水率等條件在區(qū)域上的差異，保存壓力越高，煤層氣保存條件越好。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 區(qū)塊簡(jiǎn)介與評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算

YW 區(qū)塊位于云南省東部的云貴接壤地帶，跨曲靖市麒麟?yún)^(qū)、富源縣境內(nèi)，面積81.8 km2。構(gòu)造上位于老廠背斜南東翼，區(qū)內(nèi)次級(jí)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，為一些寬緩、不太明顯的向、背斜或波狀起伏。該區(qū)塊歷經(jīng)多年煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，累計(jì)施工9 口參數(shù)井，獲取了較全面的煤層氣地質(zhì)資料。雖經(jīng)多輪煤層氣評(píng)價(jià)，但實(shí)際鉆探均沒(méi)有取得突破，產(chǎn)氣量?jī)H50～300 m3/d。

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為區(qū)內(nèi)主要含煤巖系，屬海陸交互相沉積。主要可采煤層8 層，平均可采總厚為16～18 m。其中9 號(hào)煤層位于龍?zhí)督M中上部，全區(qū)穩(wěn)定分布，為主要可采煤層，一般厚度0.75～7.53 m，平均2.59 m，埋深550～1 200 m。其宏觀煤巖特征為半亮煤、亮煤。煤體結(jié)構(gòu)主要為碎裂結(jié)構(gòu)，鏡質(zhì)體反射率Ro 分布在2.76%～3.37%，屬高煤級(jí)煤（見(jiàn)表1）。實(shí)測(cè)含氣量為3.11～14.63 cm3/g，平均9.70 cm3/g。等溫吸附常數(shù)及評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表1 9 號(hào)煤層主要煤巖煤質(zhì)特征

2.2 含氣性評(píng)價(jià)

分別做該區(qū)塊的含氣量、含氣指數(shù)和保存壓力等值線圖（見(jiàn)圖2、圖3 和圖4）。由含氣量等值線圖表明，中部含氣量最高，達(dá)14.63 cm3/g，向北東方向含氣量呈連續(xù)增大趨勢(shì)。但圖3 含氣指數(shù)指示的高值區(qū)與含氣量高值區(qū)并不完全重合，而是沿NE-SW 向呈低-高-較低形態(tài)排列，比圖2 含氣量等值線圖預(yù)測(cè)的高含氣量區(qū)大大縮小。圖4 所示的該區(qū)的煤層氣保存壓力高值區(qū)位于中部，與圖3 含氣指數(shù)等值線圖的形態(tài)基本吻合。因此，9 號(hào)煤層富集區(qū)位于該區(qū)塊中部。

圖2 9 號(hào)煤層含氣量

圖3 9 號(hào)煤層含氣指數(shù)

圖4 9 號(hào)煤層保存壓力

2.3 煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

煤儲(chǔ)層是煤層氣的存儲(chǔ)和運(yùn)移介質(zhì)。煤體結(jié)構(gòu)是煤層氣開(kāi)發(fā)階段儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于中高煤級(jí)煤，原生煤體結(jié)構(gòu)致密且層理和割理多為膠結(jié)閉合狀態(tài)，通常并不利于煤層氣的富集、解吸、運(yùn)移；構(gòu)造煤中的碎裂結(jié)構(gòu)煤裂隙發(fā)育、張開(kāi)度和連通性較好，其含氣儲(chǔ)層是煤層氣開(kāi)發(fā)的有利區(qū)；但隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞加重（如碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)），煤體中的糜棱質(zhì)也隨之增加，常常充填孔隙、堵塞通道，形成隔水隔氣層，反而不利于開(kāi)發(fā)。

圖3 所示，該區(qū)的構(gòu)造煤指數(shù)等值線整體呈NESW 走向分布，東南高，西北低，且中部向北凸起。構(gòu)造煤指數(shù)計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表2）與宏觀煤巖描述（見(jiàn)表1）對(duì)比分析表明，該煤層構(gòu)造煤指數(shù)與煤體結(jié)構(gòu)具有下述對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)圖5）：（1）0～0.3 為原生-碎裂結(jié)構(gòu)；（2）0.3～1.88 為碎粒結(jié)構(gòu)；（3）>1.88 為糜棱結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，可將該區(qū)煤體結(jié)構(gòu)沿SE-NW 向進(jìn)行分區(qū)，分別為：原生-碎裂結(jié)構(gòu)區(qū)，碎粒結(jié)構(gòu)區(qū)和糜棱結(jié)構(gòu)區(qū)。

表2 9 號(hào)煤層等溫吸附常數(shù)及評(píng)價(jià)參數(shù)

圖5 9 號(hào)煤層構(gòu)造煤指數(shù)

3 結(jié)論與討論

（1）本文主要以等溫吸附曲線為紐帶，引申出煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的三個(gè)指標(biāo)－含氣指數(shù)、構(gòu)造煤指數(shù)和保存壓力。該三個(gè)指標(biāo)既涵蓋了煤層氣主要成藏要素：流體、煤儲(chǔ)層介質(zhì)和圍巖條件，又反映了三者之間內(nèi)在聯(lián)系，更符合煤層氣儲(chǔ)集和運(yùn)移規(guī)律。

含氣指數(shù)反映了含氣量與煤儲(chǔ)層介質(zhì)本身容量之間的關(guān)系，比單純的含氣量指標(biāo)更能反映煤層氣開(kāi)發(fā)潛力，對(duì)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)更具指導(dǎo)意義。當(dāng)區(qū)域煤巖煤質(zhì)特征穩(wěn)定、構(gòu)造煤不發(fā)育時(shí)，由于朗格繆爾體積相差不大，含氣量能較準(zhǔn)確反映煤層氣勘探開(kāi)發(fā)有利區(qū)。但當(dāng)區(qū)域煤巖煤質(zhì)特征變化較大、構(gòu)造破壞相對(duì)嚴(yán)重時(shí)，尤其是碎粒和糜棱煤發(fā)育區(qū)域，盡管其含氣量比原生結(jié)構(gòu)煤含氣量大，由于其朗格繆爾體積增大，實(shí)際可采出體積并未成比例增加，造成有利區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)發(fā)情況較大的偏差。含氣指數(shù)就避免了這種缺陷。

構(gòu)造煤指數(shù)從煤的分子組成和排列結(jié)構(gòu)等微觀層面將煤的熱演化程度引起的等溫吸附特征變化與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的等溫吸附特征變化相區(qū)分，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)，結(jié)果更加精細(xì)適用，可為井位部署提供更加可靠的參考指標(biāo)。

模擬地下環(huán)境條件繪制的等溫吸附曲線可作為一種地質(zhì)壓力計(jì)。由實(shí)測(cè)含氣量在該曲線上讀取的壓力值，本文定義為保存壓力，記錄了煤儲(chǔ)層在地質(zhì)歷史時(shí)期所經(jīng)歷的最小外部圍巖環(huán)境壓力條件，從而與現(xiàn)今煤儲(chǔ)層所處地層壓力相對(duì)應(yīng)。保存壓力值的大小，直接反映了煤儲(chǔ)層的保存條件。

（2）采用本文提出的煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)云南YW區(qū)塊9 號(hào)煤層評(píng)價(jià)，確定了較有利區(qū)位于區(qū)塊中北部。雖然中南部?jī)?chǔ)層含氣指數(shù)也較高，但由于其煤體結(jié)構(gòu)主要為碎粒煤，并不利于施工和后期的排采降壓。因此，該區(qū)塊9 號(hào)煤層有利勘探區(qū)非常有限。