基于三维地质建模技术的煤层气抽采效果评价−以晋城寺河煤矿为例

姜在炳，杨建超，李 勇，庞 涛

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤层气资源勘探评价与开发阶段都需要全面描述和研究煤层气储层的构造形态和分布特征。传统储层描述的方法，如数据统计分析图表、剖面图、平面图等，已无法满足储层精细描述的要求；与此同时，现代计算、仿真和可视化技术的飞速发展正不断促进三维地质建模的改进和应用[1]。三维储层描述技术由相互衔接的两部分组成：储层静态描述和储层动态模拟[2]，其中，静态描述是工作的核心，即地质建模[3-5]，利用煤层气测试数据可绘制煤层含气量、煤厚、煤岩煤质、渗透率等二维平面分布图；王晓梅[6]、张亚蒲[7]、闫岩[8]等利用储层模拟软件开展产能预测工作，预测煤层含气量随时间的变化情况。储层动态模拟可以研究储层参数随着时间的变化规律，如“十一五”“十二五”期间，利用抽采效果检验井获取的剩余含气量数据评价研究区煤层含气量下降程度，并绘制剩余含气量等值线图[9-10]；利用钻录井、测井资料、实验测试和产能数据，借助三维地质建模软件，采用随机建模方法，精细描述煤储层物性参数在三维空间的分布规律，基于地质模型开展煤层气井产能主控因素分析，评估煤层气资源开采程度，并指出煤层气资源优势区[11-14]。综上所述，国内外在有关煤层气二维平面储层静态与动态描述分布已经取得了许多成果，但在煤层气储层三维静态与动态方面的研究还需要进一步完善，本次地质建模以多学科理论相结合为原则[15]，充分利用煤矿地质勘查资料、生产资料和煤层气开发过程中的钻井、测井、煤层气排采资料、储层数值模拟预测参数及煤层气抽采数据资料，在煤层气抽采效果评价的基础上，应用三维可视化地质建模软件，选取晋城寺河煤矿3 号煤储层进行高精度三维地质建模，包括三维地质构造模型及储层属性参数模型，深入研究煤层的宏观分布、煤储层参数分布及其在煤层气开发过程中参数的动态变化特征，以期实现研究区煤层气抽采效果的动态评价。

1 寺河煤矿地质特征

寺河煤矿位于沁水复式向斜南段轴部附近，地层平缓，构造简单，煤层气资源量大，煤层埋深较浅，为煤层气开发的有利区域[16]。寺河煤矿地层由新到老有第四系、二叠系、石炭系和奥陶系[17]。主要含煤地层包括二叠系下统山西组和石炭系上统−二叠系下统太原组，山西组发育3 号煤，太原组发育9 号和15 号煤。3 号煤埋深200～470 m，15 号煤埋深329～554 m。寺河煤矿西二盘区总面积为6.94 km2，区内煤层厚度在5.70～7.48 m，平均6.31 m。研究区内煤变质程度高，以无烟煤为主。研究区含气量普遍较高，由南向北、由东向西含气量先增大后减小，煤层含气量为3.36～29.02 m3/t，平均18.99 m3/t[18]。东部与西部相比含气量偏低，其中，中部东部盘区含气量较高，含气量在18.98～29.02 m3/t，平均为23.68 m3/t；西二盘区含气量为19.50～27.79 m3/t，平均21.96 m3/t，区内3、9、15号煤多为原生结构煤，且裂隙发育规整。通过注入/压降测试可知，3 号煤渗透率(4.05～7.92)×10−3μm2，因此，该区基本上以大于1×10−3μm2为主。3 号煤储层压力在0.78～0.85 MPa，压力梯度为2.35～2.47 kPa/m(表1)，远远低于静水压力梯度。整体上寺河煤矿煤层埋深适中，煤层厚度较大，煤变质程度高，煤层含气量较高，原生结构煤发育，渗透率较高。

表1 寺河煤矿西二盘区及相邻区块3 号煤储层压力Table 1 Reservoir pressure of No.3 Coal Seam in west-second panel of Sihe Mine and adjacent blocks

2 三维建模储层静态数据与动态数据准备

三维建模过程包括数据整理、构造模型建立、属性模型建立、图形显示。其中，煤储层静态数据与动态数据是关键。在建模之前需要准备数据，包括井名、井口坐标、井口高程、井起始深度、井底深度、原始含气量、储层压力、产气量、剩余含气量等。

2.1 煤储层静态参数评价

研究区受测试条件的影响，水分、灰分、挥发分、渗透率、储层压力等数据较少，但煤储层厚度、含气量测试资料相对丰富，且含有不同煤厚的分段数据(表2)，因此，本次主要针对原始含气量进行静态属性建模。在进行储层原始静态属性建模之前，首先将收集到的数据整理成相应的数据格式导入软件，然后利用变差函数对属性参数的空间结构特征进行分析，获得储层参数分布的变程大小及方向，最后利用建模软件中的序贯高斯模拟方法实现各参数的随机模拟。

表2 寺河煤矿西二盘区3 号煤原始含气量实测结果Table 2 Measured results of original gas content of No.3 Coal Seam in west-second panel of Sihe Mine

2.2 煤储层动态参数数值模拟预测

采用煤层气产能模拟软件CBM-SIM，对研究区内煤层气井产能、剩余含气量及储层压力等生产动态关键参数进行预测。根据寺河煤矿西二盘区内煤层气生产井的分布情况、起始排采时间、排采周期及排采数据，在满足模拟条件的基础上，选择煤层气井生产数据进行历史拟合，并修正参数，最终预测煤层气井的产能、剩余含气量和储层压力等动态参数，并完成动态参数建模。

本次收集了西二盘区72 口煤层气井历史产气量数据(单采3 号煤层)，时间跨度为2007−2019 年。截至2019 年，研究区内单井平均日产气量在494.69～8 214.02 m3，最高单井产量为22 953 m3/d。在西二盘区基于历史排采数据和3 号煤储层参数制定数值模拟参数(表3)，借助CBM-SIM 数值模拟软件，采用定水产量的工作制度，并对其中关键参数(渗透率、含气量、煤厚等)作网格化处理，以易于参数调整，进而对该区煤层气生产井进行历史拟合(图1)，在历史拟合参数修正的基础上，对西二盘区72 口井第10−第15 年的平均日产气量进行预测(表4)。

图1 煤层气井产气量拟合曲线Fig.1 Fitting curves of gas production

表3 寺河煤矿西二盘区数值模拟参数Table 3 Numerical simulation parameters in west-second panel of Sihe Mine

表4 煤层气井排采第10—第15 年间预测日平均产气量Table 4 Predicted daily average gas production of CBM well drainage during the 10th to 15th years

历史拟合显示，从第5 年开始，数值模拟产气量低于实际产气量，主要原因是：一方面产能模拟模型中未考虑基质收缩效应引起的渗透率增加，这种效应在排采后期越明显；另一方面数值模拟产水量为0，产气量为0，而实际产气量大于0，使得实际产气量高于数值模拟拟合的产气量。其中SHX-126 井和SHX-133 井在稳定生产阶段实际产量波动较大，分析实际排采数据发现，由于排采过程中套压的不合理控制，排采工作制度频繁调整，造成井筒内液面振荡次数过多，影响煤层气单井稳定生产[19-20]。

3 储层地质模型建立

3.1 构造及煤层模型构建

笔者采用成熟的商业地质建模软件MSGIS2.5 中的3D 建模模块，以寺河煤矿西二盘区内煤层气井实测数据、煤田地质勘探钻孔数据、煤矿地质图信息等资料为基础，构建寺河煤矿西二盘区3 号煤储层地质模型。断层模型是三维地质建模的第一步，断层模型准确与否直接影响到最终模型的可靠性[21-22]。以寺河煤矿西二盘区3 号煤层西区构造纲要图为基础，结合历次勘探报告资料和井下煤层揭露资料，构建涉及3 号煤层的DF9、F2302X-3、FW2302X-2 和FW23032-2断层(图2)。

图2 断层模型Fig.2 Fault model

层面模型可以将煤层顶底板的三维界面呈现出来，建立起研究区煤储层框架。本次层面模型构建时依据3 号煤层底板等高线图、煤层钻孔柱状图、勘探钻孔柱状图等，煤层的顶板深度为214.96～460.91 m，底板深度为220.92～467.40 m，生成如图3 所示的层面模型。

图3 层面模型Fig.3 Layer model

在完成断层模型、层面模型后，需对层间地层进行网格划分，建立三维网格化煤层空间模型[23]。本文使用角点网格，同时考虑网格大小和方向等参数。根据研究区内煤层气井的平均井距确定网格的平面步长为48 m，垂向网格设置为40 个，平均高度为0.15 m。最终网格数设置为80×64×40，共计204 800 个网格(图4)。

图4 模型网格设计Fig.4 Model grid design

3.2 属性参数模型

变差函数是一种度量区域化变量空间变异性的工具，可以反映变量空间变异程度随距离变化的规律和特征，是后续随机模拟中的重要工具之一[24]。在变差函数分析的基础上，使用序贯高斯模拟方法[25]，利用建模软件，分别对原始含气量、产气量、储层压力、剩余含气量进行随机模拟。采用序贯高斯模拟方法建立原始含气量模型(图5)，同时分别建立2010 年、2012 年、2017 年、2022 年不同时间节点的储层压力模型(图6)和产气量模型(图7)。

图5 3 号煤层原始含气量模拟空间展布Fig.5 Simulated spatial distribution of original gas content of No.3 Coal Seam

基于图6 数值模拟预测的各个时间点储层压力的地质属性模型，分别统计所有网格数据。2010 年整个研究区内平均储层压力为1.31 MPa，最大值为2 MPa，标准差为0.672，数据变化幅度较为均匀；2012 年平均储层压力为0.94 MPa，最大值为2 MPa；2017 年平均储层压力为0.73 MPa，2022 年平均储层压力仅为0.60 MPa，较2010 年下降54%，由此可知，随着地面煤层气井不断抽采储层压力逐渐降低。

由图7 可知，随着抽采时间的延续，排采1 a 后平均产气量为1 906.5 m3/d，排采2～3 a 后平均产气量为3 149 m3/d，排采4～10 a 后平均产气量为3 245.8 m3/d，排采11～15 a 后单井平均产气量818 m3/d。即第1、第2−第3、第4−第10、第11−第15 年，煤层气井平均日产气量逐渐降低，影响范围逐渐扩大。

3.3 地质模型检验及抽采效果评价

由图8 可知，2010 年时整个研究区内剩余含气量3.7～17.9 m3/t，平均15.7 m3/t；2012 年时平均剩余含气量为13.6 m3/t；2017 年时平均剩余含气量为8.4 m3/t；2022 年时平均剩余含气量为5.65 m3/t(图8)。

图8 西二盘区剩余含气量动态变化模拟空间展布Fig.8 Simulation space distribution of the dynamic change of the remaining gas content in west-second panel

利用三维地质模型预测的剩余含气量进行抽采效果评价，发现从2010−2019 年经过10 a 的地面煤层气抽采，吨煤含气量降低幅度达73.26%，吨煤剩余含气量平均为5.77 m3/t(表5)。因此，通过地面煤层气抽采可以有效降低煤层瓦斯含量，为煤矿安全开采提供有力保障。

表5 寺河矿西二盘区抽采效果评价Table 5 Evaluation of drainage effect in west-second panel of Sihe Mine

煤层气产能模拟进行网格划分过程中网格尺寸较大，而三维地质建模过程中网格尺寸较细，为了验证三维地质模型的准确性，利用2019 年在研究区施工的5 口抽采效果检验井(ZX-X2JY-01−ZX-X2JY-05)与三维地质属性模型预测的剩余含气量进行对比，三维模型预测的剩余含气量与实测剩余含气量较为接近，但是也存在个别预测值误差较大，其中ZX-X2JY-02井预测剩余含气量比实测值偏低1.57 m3/t(表6)，主要原因是数值模拟为理想状态的模型，而实际上储层常常受到污染，随着产气量的进行，裂缝闭合产气量逐渐降低；ZX-X2JY-05 井数值模拟预测的剩余含气量比实际剩余含气量偏高3.68 m3/t(表6)，由于数值模拟未考虑基质收缩效应与气体滑脱的影响，使得数值模拟预测的产气量低于实际产气量，导致预测的剩余含气量偏高(表6)。整体上，寺河煤矿西二盘区瓦斯经过10多年的抽采，抽采效果较为明显，吨煤瓦斯含量基本降到《防治煤与瓦斯突出规定》要求的8 m3/t 以下，达到无突出危险的标准[21]。

表6 三维地质模型预测剩余含气量与实测剩余含气量对比Table 6 Comparison of the remaining gas content predicted by the 3D geological model and the measured remaining gas content

4 结论

a.利用煤层气数值模拟软件CBM-SIM，通过历史拟合和参数修正，预测寺河煤矿西二盘区排采10～15 a的产能情况，其中，2010、2012、2017、2022 年各井的平均储层压力分别为1.31、0.94、0.73、0.6 MPa，即随着地面煤层气井不断抽采储层压力逐渐降低；产气量从2010 年到2022 年先上升后下降，影响范围逐渐扩大；研究区内2010、2012、2017、2022 年的各井的平均剩余含气量分别为15.70、13.60、8.40、5.65 m3/t，经过地面煤层气井逐年抽采，吨煤含气量逐渐降低。

b.利用三维地质模拟软件，建立了3 号煤层三维地质结构模型(煤层模型和断层模型)，建立原始含气量的静态模型，以数值模拟结果和不同排采时期的平均日产气量数据，建立储层压力、平均日产气量、剩余含气量的动态模型，为直观研究煤层气井抽采效果评价奠定了基础。

c.利用三维地质模型预测了煤层气井抽采10 a的剩余含气量，与附近参数井原始含气量对比，平均含气量降低幅度达73.26%，吨煤剩余含气量平均为5.77 m3/t，吨煤瓦斯含量达到了区域无突出危险的标准。并与5 口抽采效果检验井实测数据进行对比，结果显示两者较为接近，绝对误差在−1.57～3.68 m3/t。

d.鉴于本次研究区储层参数测试较少，如3 号煤的渗透率和储层压力变化规律有待进一步提高，建议在煤岩地质或煤层气地质勘探期间，统筹考虑后期煤层气开发所需相关参数，为后续开发效果评价提供依据。