高煤阶煤层气储层产气能力定量评价

王镜惠，王美冬，田 锋，刘巨光，梁正中

（1.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林719000；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第三钻井分公司，天津300000；3.中国石油华北油田公司工程技术研究院，河北任丘062552）

目前，中国煤层气产业取得了长足的发展，但仍存在单井产量偏低、井间产量差异大、开发效益差等问题［1］，其根本原因是现有的工程技术与多样的储层地质条件不适应［2］。在现有工程技术条件下，提高单井产量和开发效益的主要方法是通过有效的储层评价方法精确定位高产区。许多专家学者对煤层气井高产区评价进行了研究：王红岩等研究了中国煤层气富集成藏规律［3］，杨显成等研究了卡拉哈里盆地煤层气含量主控因素［4］，王红岩等重点研究了水动力条件和区域构造热事件对煤层气富集的影响［5］，曹新款等认为沁水盆地南部郑庄区块煤层气富集主控因素包括水文地质条件、构造及岩浆活动［6］。开发实践表明，煤层气富集主控因素与高产主控因素不同，逐渐提出了富集高产区的概念：赵庆波等认为构造高点、封闭较好的浅层储层及次生裂隙发育区是煤层气富集高产的主要区域［7］；宋岩等认为沁水盆地南部煤层气富集高产的主控因素是煤层含气量与渗透率的耦合作用［8］；孙粉锦等认为渗透率和煤层气储层构造控制煤层气井高产，在富集区构造高部位渗透率较高，为高产有利区［9］；DOU等认为煤层渗透率、煤层厚度以及含气量共同决定煤层气产气潜力［10］；原俊红等认为煤层厚度、渗透率、含气量及煤体结构等参数决定煤层气富集高产区划分［11］；王勃等认为构造热事件提高生气能力，封盖与水动力条件利于煤层气富集，张性水平应力分布区及煤矿卸压应力释放区的煤储层渗透率高［12］；李喆等认为吸附时间会直接关系到煤层气储层的开发潜力，并对沁水盆地寿阳和柿庄区块吸附时间进行了研究［13］；娄剑青利用产气潜能与产气能力2个指标定量评价了煤层气富集高产区［14］。这些研究偏重于对煤层气储层含气性和气水产出效率的评价，忽视了煤层气解吸效率对煤层气井产量的影响；偏重对于富集高产区的定性评价研究，忽视定量指标评价。为更加有效地实现对煤层气储层产气能力定量评价，以沁水盆地南部煤层气储层及开发数据为基础，通过理论分析和相关性统计，定义了储层含气性指数、煤层甲烷解吸效率指数、气水产出效率指数和产气能力指数4个参数对煤层气储层产气能力进行评价，以期为高煤阶煤层气储层高产区精确定位提供借鉴。

1 储层含气性评价

1.1 含气量的影响

储层含气量是煤层气井产气的物质基础。左银卿等对樊庄东部进行研究发现，含气量小于17 m3/t时，日产气量一般小于500 m3/d，开发效果较差［15］。对沁水盆地南部煤层气井含气量及日产气量进行统计（图1）可知，日产气量随含气量增加而增加，当含气量大于15 m3/t时，日产气量高于800 m3/d。因此，含气量是评价煤储层产气能力的关键指标。

图1 含气量对煤层气井产量的影响Fig.1 Effect of gas content on daily CBM production rate

1.2 煤层厚度的影响

宋岩等认为，煤层厚度是煤层气富集区优选的重要参数，高煤阶煤层气富集区煤层厚度应大于2.3 m，中煤阶煤层气富集区煤层厚度应大于3.5 m［16］。对沁水盆地南部煤层气井3#煤煤层厚度及日产气量进行统计，结果（图2）表明，日产气量随着煤层厚度的增加整体呈增加趋势，表明煤层厚度是煤层气井产量的重要影响因素。

图2 煤层厚度对煤层气井产量的影响Fig.2 Effect of coal seam thickness on daily CBM production rate

1.3 储层含气性指数

含气量和厚度是表征煤层气储层含气性的关键参数，为了进一步定量评价煤层气储层含气性，定义了煤层气储层含气性指数，其表达式为：

根据（1）式，利用沁水盆地南部煤层气井含气量及煤层厚度计算煤层气储层含气性指数。结果（图3）表明，研究区煤层气储层含气性指数主要为21.7～197.5 m·m3/t，平均为112.7 m·m3/t。煤层气井日产气量随着含气性指数的增加而增加，当储层含气性指数大于100 m·m3/t时，日产气量总体上大于800 m3/d。

图3 储层含气性指数对煤层气井产量的影响Fig.3 Effect of gas-bearing index on daily CBM production rate

2 解吸效率定量评价

煤层甲烷主要以吸附态赋存于基质孔隙表面，而储层含气性指数未考虑甲烷解吸效率的影响，为此提出了地解压差和吸附时间作为解吸效率的评价指标。

2.1 地解压差的影响

煤层气开发需要通过持续排水降压，将储层压力降至解吸压力以下，使甲烷解吸产出井筒［17-18］，因此煤层气井地解压差直接影响解吸效率，是从宏观角度对煤层甲烷解吸效率的评价。地解压差越大，煤层气井解吸前需要降压幅度就越大，排水期越长，解吸效率越低，因此煤层气井解吸效率与地解压差成反比。

沁水盆地南部煤层气井地解压差与日产气量关系（图4）表明，随着地解压差增大，日产气量明显降低，这主要是因为，地解压差增大，煤层气井解吸降压效率降低，解吸面积减小，进而导致产量降低。

2.2 吸附时间的影响

吸附时间是指通过取心测试含气量时，解吸气体体积达到总吸附气量的63.2%时所用的时间［13］，是从微观角度对煤层甲烷解吸效率的评价。吸附时间越长，煤层气井解吸效率越低。沁水盆地南部煤层气井吸附时间与日产气量统计分析结果（图5）表明，日产气量随吸附时间的增加而降低，当吸附时间大于10 d时，日产气量均小于900 m3/d。

图4 地解压差对煤层气井日产气量的影响Fig.4 Effect of desorption-formation pressure difference on daily CBM production rate

图5 吸附时间对煤层气井日产气量的影响Fig.5 Effect of adsorption time on daily CBM production rate

2.3 煤层甲烷解吸效率指数

定义煤层甲烷解吸效率指数为：

根据（2）式，利用沁水盆地南部煤层气地层压力、解吸压力及吸附时间计算煤层甲烷解吸效率指数。结果（图6）表明，研究区煤层甲烷解吸效率指数为 0.01～0.28（MPa·d）-1，平均为 0.06（MPa·d）-1。煤层气井日产气量随着解吸效率指数的增加而增加，但二者相关性较差，总体上，当解吸效率指数大于0.04（MPa·d）-1时，日产气量能达800 m3/d以上。

图6 甲烷解吸效率指数对煤层气井日产气量的影响Fig.6 Effect of desorption efficiency index on daily CBM production rate

3 产出效率定量评价

3.1 渗透率的影响

煤层气储层渗透率对煤层气井排水降压及煤层甲烷解吸产出具有重要影响。渗透率越高排水降压效率越高，煤层气产出效率越高［8，19］，是决定煤层气产出效率的主要因素。沁水盆地南部煤层气储层渗透率与日产气量的关系（图7）表明，日产气量随着渗透率的增加而增加。当渗透率低于0.03 mD时，日产气量一般低于800 m3/d；当渗透率高于0.03 mD时，大部分井日产气量能够达到800 m3/d以上。这表明渗透率是煤层气井产量的主控因素之一，并非单一决定因素。

图7 沁水盆地南部煤层气储层渗透率对煤层气井日产气量的影响Fig.7 Effect of permeability on daily CBM production rate in CBM reservoirs in the southern Qinshui Basin

3.2 储层压力的影响

储层压力是煤层气水产出的动力，储层压力越大，气水产出能力越强，因此将储层压力作为衡量煤层产出效率的指标。沁水盆地南部煤层气井储层压力与日产气量的关系（图8）表明，总体上看，单井日产气量随着储层压力的增加而增加，但是相关性很差，表明储层压力对煤层气产出具有影响，但并非决定性因素。

图8 储层压力对煤层气井日产气量的影响Fig.8 Effect of reservoir pressure on daily CBM production rate

3.3 气水产出效率指数

煤层气水产出效率与甲烷解吸效率不同，产出效率是从宏观渗流角度对储层渗流能力的评价，可以用储层渗透率和地层压力来综合表征，定义煤层气水产出效率指数为：

利用沁水盆地南部煤层气井渗透率和储层压力计算产出效率指数，其与日产气量的关系（图9）表明，单井日产气量随气水产出效率指数的增加而增加，当气水产出效率指数低于1 mD·MPa时，日产气量一般低于800 m3/d，当气水产出效率指数高于1 mD·MPa时，单井日产气量能够达到800 m3/d以上。单井日产气量与气水产出效率指数之间的相关性高于其与渗透率和储层压力单一因素间的相关性，表明气水产出效率指数更能综合反映煤层气的产出能力。

图9 气水产出效率指数对煤层气井日产气量的影响Fig.9 Effect of production efficiency index on daily CBM production rate

4 储层产气能力定量评价

对煤层气高产区域进行有效预测是目前煤层气储层评价的重点和难点，煤层气井产量与含气性、解吸效率和产出效率密切相关，可以通过储层含气性指数、煤层甲烷解吸效率指数和气水产出效率指数3个参数进行综合定量表征。通过煤层气储层产气能力指数来定量表征煤层气储层的产气能力，其表达式为：

利用储层含气性指数、煤层甲烷解吸效率指数和气水产出效率指数计算研究区储层产气能力指数，其与日产气量的关系（图10）表明：单井日产气量随着产气能力指数的增加而增加。当产气能力指数大于0.3 mD·m·m3/（t·d）时，日产气量总体上大于800 m3/d；产气能力指数大于10 mD·m·m3/（t·d）时，日产气量大于1 500 m3/d。单井日产气量与产气能力指数间的相关性高达85%，远高于各单一指标与日产气量间的相关性，表明产气能力指数能够有效表征储层产气能力，是进行煤层气储层高产区预测的有效指标。

图10 产气能力指数对煤层气井日产气量的影响Fig.10 Effect of gas-production capacity index on daily CBM production rate

5 结论

煤层气储层含气性指数为含气量与煤层厚度的乘积，煤层气井日产气量随含气性指数增加而增加，当含气性指数大于100 m·m3/t时，日产气量总体上大于800 m3/d。

地解压差越大，煤层气井解吸前需要降压幅度就越大，煤层气储层宏观解吸效率越低；吸附时间越长，煤层甲烷微观解吸效率越低；煤层甲烷解吸效率指数为地解压差与吸附时间的乘积，当煤层甲烷解吸效率指数大于0.04（MPa·d）-1时，单井日产气量能达800 m3/d以上。

煤层气储层渗透率和储层压力越高，煤层气水产出效率越高，煤层气水产出效率指数为储层渗透率与储层压力的乘积，当产出效率指数高于1 mD·MPa时，单井日产气量能够达到800 m3/d以上。

产气能力指数为储层含气性指数、煤层甲烷解吸效率指数和气水产出效率指数的乘积，能够有效地表征储层产气能力强弱，煤层气储层产气能力指数越大，煤层气井产量越高。当产气能力指数分别大于0.3和10 mD·m·m3/（t·d）时，单井日产气量分别大于800和1 500 m3/d。

符号解释

Ig——储层含气性指数，m·m3/t；Cg——储层含气量，m3/t；hc——煤层厚度，m；Id——煤层甲烷解吸效率指数，（MPa·d）-1；pr——储层压力，MPa；pd——解吸压力，MPa；td——吸附时间，d；Ip——气水产出效率指数，mD·MPa；K——煤层气储层渗透率，mD；Cp——煤层气储层产气能力指数，mD·m·m3/（t·d）。