沁水盆地南部高煤阶煤层气高产区定量评价

王镜惠，梅明华，梁正中，王华军

（1.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林719000；2.中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林719000）

目前，我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、储层渗透率低等问题[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，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。王红岩等[2]研究了我国煤层气富集成藏规律，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。曹新款等[3]研究了沁水盆地南部郑庄区块煤层气富集主控因素，认为水文地质条件、构造及岩浆活动为该区块煤层气富集主控因素。后续的开发实践表明，煤层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[4]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。王勃等[5]研究了沁水盆地成庄区块富集、高产主控因素，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。DOU等[6]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。在上述研究基础上，部分学者提出了用参数组合进行煤层气高差区评价的方法，宋岩等[7]研究了沁水盆地南部煤层气富集高产的主控因素，认为应该用煤层含气量和渗透率2个参数耦合来评价储层高产区域。孙粉锦等[8]认为煤层气储层渗透率和煤层气构造控制煤层气井高产，应该利用构造和渗透率参数组合来进行高产区评价。李喆等[9]认为吸附时间会直接影响到煤层气储层的开发潜力，储层评价时应该考虑该参数。娄剑青等[10]通过理论研究，认为应该利用产气潜能与产气能力两个指标定量的评价煤层气富集高产区。这些研究从参数选择上偏重于对煤层气储层含气性和气体产出效率的评价而忽视了煤层气解吸效率尤其是宏观解吸效率对煤层气井产量的影响；偏重于对于富集高产区的定性评价研究，忽视定量指标评价。煤层气开发机理是通过持续排水，将储层压力降至解吸压力以下，使煤层气井通过解吸、扩散、渗流产出井筒。因此，煤层气高产区主控因素包括含气性、解吸扩散效率和渗流产出能力。为了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、产出能力指数和产气能力指数4个指标，并对煤层气储层产气能力进行了评价，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

储层含气性主要受含气量和煤层厚度影响，在一定程度上含气量可以表征煤层某点即微观的含气性，而煤层厚度则从宏观上表征煤层整体的含气性，而在同一区域煤层厚度的变化较小，不作为主要的评价参数。迟焕鹏等[11]在研究煤层含气性时考虑了含气饱和度，认为较高的含气饱和度可以保障生产过程中的煤层气供应，即认为含气饱和度越高，煤层气可采潜力越大。但正如康永尚等[12]指出的一样，实测含气量为19.9 m3/t的井含气量饱和度仅为79.6%，而含气量为8.8 m3/t的井含气量饱和度却可以高达88%，显然不能将含气饱和度混同于煤层气含气量。许多现场数据表明，煤层气井日产气量与含气饱和度存在一定正相关关系，但这并不是由于含气饱和度高的井的含气量高，而是由于含气饱和度高的井地解压差小，储层解吸效率高。故不采用含气饱和度进行储层含气性评价，而采用地解压差进行解吸效率评价，这是与前人重要区别所在。

储层含气量是煤层气井产气的物质基础。左银卿等[13]对樊庄东部进行研究，结果表明当樊庄东部含气量介于5～17 m3/t时，含气饱和度低于80%，直井平均产气量小于500 m3/d，开发效果较差。对沁水盆地南部煤层气井含气量及产量进行统计（图1）。由图1可知，煤层气井日产气量随含气量增加而增加，当含气量大于15 m3/t时，产气量高于800 m3/d，当含气量小于15 m3/t时，产气量小于800 m3/d。因此，煤储层含气量是评价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 Effects of gas contents on daily gas production of CBM wells

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。解吸效率是指煤层气开发过程中煤层甲烷由初始吸附态变为游离态的速度。吴见等[14]引入了吸附时间来表征煤层气的解吸和扩散效率，认为吸附时间越短，煤层甲烷解吸扩散效率越高。但该参数基于钻井取心测试获得，煤心尺度较小，仅能反映煤层气储层某点处微观的解吸扩散效率。前人研究表明，测试样品尺度对煤岩吸附时间测定结果具有重要影响[15]，不能反映宏观储层中煤层气从排水降压到解吸的效率。万玉金等[16]指出，在含气量和吸附等温线确定的条件下，煤层压力越接近临界解吸压力，解吸越容易，产量越高。因此，将地解压差作为反映储层宏观解吸效率的因素，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]，因此，煤层气井地解压差直接影响煤层气井解吸效率，地解压差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，煤层气井解吸效率与地解压差成反比。

图2 地解压差对煤层气井产量的影响Fig.2 Effects of differential pressure of formation pressure and desorption pressure on daily gas production of CBM wells

图2为沁水盆地南部煤层气井地解压差与日产气量关系，结果表明，随着地解压差增大，煤层气单井日产气量明显降低，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。这里需要指出，地解压差大也反映了储层保存条件较差，解吸压力低，为了明确地解压差是通过影响解吸效率影响产气量，还是通过影响含气量进而影响产气量，统计了研究区域地解压差与含气量关系（图3）。结果表明，地解压差与含气量相关性极差，这说明对于研究区域而言，地解压差大含气量不一定低。因此，地解压差越大，日产气量越低，是由于地解压差越大，解吸效率越低，这进一步论证了将地解压差作为解吸效率评价参数的正确性。

图3 地解压差与含气量关系Fig.3 Relation between differential pressure of formation pressure and desorption pressure and gas content

2.2 吸附时间影响

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63.2%时所用的时间[9]，是对煤层甲烷微观解吸效率的评价。吸附时间越长，煤层气井解吸效率越低。图4为对沁水盆地南部煤层气井吸附时间与日产气量进行统计分析。结果表明，煤层气单井日产气量随吸附时间增加而降低，当吸附时间大于10 d时，产气量均小于900 m3/d。

图4 吸附时间对煤层气井产量的影响Fig.4 Effects of adsorption time on daily gas production of CBM wells

2.3 解吸效率指数

煤层甲烷解吸效率可以用地解压差和吸附时间来综合表征，定义煤层甲烷解吸效率指数为：

式中：Id为煤层气解吸效率指数，（MPa·d）-1；pr为地层压力，MPa；pd为解吸压力，MPa；td为吸附时间，d。

式（1）表明，解吸效率指数越大，煤层甲烷解吸效率越高。根据式（1），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（图5），结果表明，研究区域煤层甲烷解吸效率指数分布在0.01 ～ 2（MPa·d）-1，平均为0.16（MPa·d）-1。煤层气井日产气量随着解吸效率指数增加而增加，但二者相关性较差，总体上，当解吸效率指数大于0.11（MPa·d）-1后单井日产气量能达800 m3以上。

图5 解吸效率指数对煤层气井产量的影响Fig.5 Effects of desorption efficiency index on daily gas production of CBM wells

3 产出能力定量评价

产出能力是从宏观渗流角度对储层渗流能力的评价，而甲烷解吸效率是从宏观和微观2个方面对甲烷解吸效率的综合评价，根据上述分析，可以用储层渗透率来表征煤层气产出能力。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[10，18]，因此，渗透率是决定煤层气产出效率的主要因素。图6为沁水盆地南部煤层气渗透率与日产气量关系，表明，单井日产气量随着渗透率增加而增加。当渗透率低于0.03×10-3μm2时，日产气量一般低于800 m3；当渗透率高于0.03×10-3μm2时，大部分井日产气量能够达到800 m3以上。这表明渗透率是煤层气井产量的主控因素之一。

图6 渗透率对煤层气井产量的影响Fig.6 Effects of permeability on daily gas production of CBM wells

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，上述研究表明，煤层气井产量与含气性、解吸效率和产出能力密切相关，可以通过储层含气性指数、煤层甲烷解吸效率指数和产出能力指数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其产气能力，其表达式为：

式中：Cp为产气能力指数，10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1；Cg为含气量，m3/t；k为储层渗透率，10-3μm2。

式（2）表明，煤层气储层产气能力指数越大，煤层气井产量越高。

图7 产气能力指数对煤层气井产量的影响Fig.7 Effects of gas-production capacity index on daily gas production of CBM wells

利用含气量、煤层甲烷解吸效率指数和储层渗透率计算研究区域储层产气能力指数，并绘制其与日产气量关系散点图（图7）。结果表明，单井日产气量随产气能力指数增加而增加，当产气能力指数大于0.05×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1时，日产气量总体上大于800 m3，产气能力指数大于1×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1时，日产气量大于1 500 m3。单井日产气量与产气能力指数间的相关性高达0.87，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地表征储层产气能力强弱，是进行煤层气储层高产区预测的有效指标。

5 结论

1）基于煤层气开发原理提出的储层含气性指数、解吸效率指数和产出能力指数3个指标能够有效表征煤层气的含气性、解吸效率和产出能力，将3个指标乘积定义为煤层气产气能力指数，产气能力指数与单井日产气量的相关性高于各个单一指标且高达0.87，表明产气能力指数能够有效的表征煤层气储层的产气能力。

2）储层含气性指数计算中采用含气量和煤层厚度2个参数，而去除含气饱和度，使含气性指数与日产气量相关性更好；在解吸效率指数中增加表征宏观解吸效率的地解压差，同时考率煤层气储层宏观和微观解吸效率，使解吸效率指数与日产气量的相关性大幅提升。

3）煤层气井日产气量随含气量、解吸效率指数和渗透率的增加而增加。当含气量大于15 m3/t时，解吸效率指数大于0.11（MPa·d）-1，渗透率大于0.03×10-3μm2时，日产气量总体上大于800 m3。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 0.05×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1和1×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1时，单井日产气量分别大于 800 m3和 1 500 m3。