基于煤层气井生产数据的储层含气量校正新方法

闫涛滔，郭怡琳，孟艳军，常锁亮，金尚文，康丽芳，付鑫宇，王青青，赵 媛，张 宇

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；3.中联煤层气有限责任公司研发中心，山西 太原 030000)

0 引 言

我国天然气对外的依存度逐年增加[1]。截至2020年底我国累计探明煤层气地质储量7 259亿 m3，探明技术可采储量3 633亿 m3[2]。勘探实践发现晋煤集团潘庄项目、中联煤层气公司潘河和潘庄项目、中石油保德项目煤层气井累计产量远远大于原始计算地质探明储量[3-4]。这一现象的发现既对现有的地质储量数据提出了挑战，又给煤层气全面“上储增效”提供了新的希望。

常用的地质储量计算方法是基于煤层厚度、储层含气面积、煤层含气量、煤岩密度4个参数的体积法。在这4个参数中，基础资料的详实程度决定了煤层厚度、含气面积、煤岩密度的准确性。而受限于取心测试过程，煤层含气量的准确获取存在较大的困难。目前，煤层含气量参数的获取主要通过取心测试、物理模拟(校正系数、气体相态、带压逐级降压解吸)、数值模拟(地史演化、煤层气井产气量历史匹配)及定量预测(含气梯度法、煤级-压力-等温吸附曲线法、地球物理解释技术、人工智能技术)等方法[5]。其中，取心测试应用最为广泛，但成本较高。

现今我国普遍使用的煤层含气量测试方法为美国矿业局直接法(USBM)[6]。研究结果表明，USBM法估算的含气量数值偏低[5]。大量的学者尝试对这一实验误差进行校正，研究工作主要集中在模型的改进[7-13]、USBM数据的校正[14-16]、实验模拟[10,17-19]等方面。然而，前人研究的改进模型大多是基于某一单因素对含气量的影响，结果仍然存在一定误差；实验模拟和数据校正则主要是针对某一区块的特定煤阶煤储层，对于其它区块其它煤阶的方法适应性有待进一步验证。

总体而言，现有的煤层含气量获取方法取得的数值均存在一定误差，且大多依赖绳索取心测试结果。因此，本次研究笔者选取我国多个典型煤层气开发区块，基于煤层气井生产特征，开展多煤阶煤层气井绳索取心含气量校正研究工作。最终提出了一种基于排采数据的多煤阶煤层含气量的校正新方法，并探讨了取心含气性测试结果误差的地质控制机理。

1 煤层实测含气量校正

1.1 样品与参数

鄂尔多斯盆地东缘及沁水盆地南部是我国煤层气勘探开发两大热点区域。本次研究拟探讨不同煤阶条件下校正方法的适应性及传统测试方法(USBM)中含气量测试损失量的地质控制机理。因此，选取这两大热点区内4个不同煤阶煤的煤层气区块(临兴区块、柳林区块、韩城区块及安泽区块)中多口典型煤层气生产井开展研究(图1)。临兴区块、柳林区块、韩城区块位于鄂尔多斯盆地东缘(图1(a))，区域煤有机质热演化程度由北向南依次增高(分别达到了中低煤阶(Ro=0.7%～1.0%)、中煤阶(Ro=1.2%～1.7%)、中高煤阶(Ro=1.9%～2.1%)。安泽区块位于沁水盆地南部(图1(b))，区域煤有机质热演化达到了高阶煤阶段(Ro=2.1%～2.8%)(表1)。

图1 煤层气研究区块位置简图Fig.1 Sketch location map of the CBM study block (a)临兴区块、柳林区块、韩城区块；(b)安泽区块

煤岩样品采集采用煤层气井绳索取心，并开展了含气量、等温吸附、煤岩煤质等实验，测试结果见表1。样品含气量测定参照GB/T19559-2008[20]执行，等温吸附实验参照GB19560-2008[21]执行；煤岩显微组分和矿物测定方法参照GB/T8899-1998[22]执行，镜质体反射率显微镜测定参照GB/T6948-2008[23]执行。煤体结构划分参照GB/T30050-2013[24]执行。煤岩的孔隙率测定参照GB/T23561.4-2009[25]执行。

1.2 传统的煤层含气量获取方法

(1)

表1 各煤层气区块样品基础参数

(2)

式中：V，煤样在解吸罐内解吸T时间的解吸气量，cm3；b、k，常数，根据装罐煤样在解吸初期的煤层气解吸量与时间平方根的线性关系拟合得到，b即逸散气量，cm3；t，装罐前煤样暴露解吸煤层气时间，min；T，装罐后煤样解吸煤层气时间，min。

该方法计算逸散气量的理论前提是：在开始解吸的短时间内，解吸气量与时间的平方根成正比。研究表明，基于这一假设的USBM法测得的含气量值偏低[5]。

图2 USBM法测煤层含气量原理图(据Kissel等[6]修改)Fig.2 Principle diagram for coal sample gas content measurement of USBM method (modified after Kissel et al.[6])

史密斯与威廉姆斯(1981年和1984年)针对USBM法存在的技术缺陷，提出了一种用于描述泥浆介质中煤屑煤层气解吸规律和煤层气含量测定方法(史密斯-威廉姆斯法)[7-8]。该方法建立了含气量体积校正因子VCF与表面时间STR(公式(3))和逸散时间比LTR(公式(4))的关系图版(图3)。通过体积校正因子以及测试解吸气量共同求取样品总解吸气量(公式(5))，最终求得总含气量(公式(6))。

(3)

(4)

总解吸气量=VCF×实测解吸气量

(5)

含气量=总解吸气量+残余气量

(6)

图3 史密斯-威廉姆斯法VCF、STR和LTR关系图版(据Smith和Williams[7]修改)Fig.3 Diagram of the VCF, STR and LTR parameters in Smith-Williams method (modified after Smith and Williams[7])

1991年，Seidle等[9]针对USBM法和史密斯-威廉姆斯法推算煤层气损失量所存在的技术缺陷，提出了曲线拟合法(公式(7))。

(7)

式中：VD(t)，时间t时的累计煤层气解吸量，cm3/g；VLD，时间t时的累计解吸量和损失量之和，cm3/g；VL，损失量，cm3/g。

同年，Metcalfe等[10]通过解吸实验数据对USBM法、史密斯-威廉姆斯法和曲线拟合法所获得的含气量的数据进行了对比分析，结果表明这三种方法得到的含气量都比实际值偏低。

1.3 基于排采数据的煤层含气量校正新方法

煤层气的产出通常都要经过“排水-降压-解吸-扩散-渗流”等一系列的过程，最终流入井筒通过套管产出[26]。根据研究区内典型生产井产气、产水特征以及井底流压变化，将排采前期-中期过程(未包含产气递减期)分为以下三个阶段(图4)：

图4 典型煤层气井排采曲线阶段划分Fig.4 Phase division of typical CBM well production curve

第一阶段(前期排水降压阶段)：井内动液面较高，为快速降低井底流压日产水量一般较高。气井产气量极小乃至不产气，产出的少量气体为地层水中的溶解气。储层压力/井底流压高于临界解吸压力，煤层未发生解吸，储层内部仅有压降传递(图5(a))。泄流半径之外储层处于静水状态，没有压力变化。

图5 煤层气产出阶段压力传播动态特性(据Yan等[27]修改)Fig.5 Dynamic characteristics of pressure propagation in the different production stages (modified after Yan et al.[27])(a)煤层气产出排水降压阶段；(b)煤层气产量缓慢上升阶段；(c)煤层气稳定产出阶段

第二阶段(产量缓慢上升阶段)：随着不断的抽排水过程，井内动液面持续下降。井底流压逐渐减小，煤储层压力随之下降。当煤层内部分区域压力下降到临界解吸压力以下时，煤层气开始解吸。伴随着持续排水过程，煤层气不断解吸，解吸气形成孤点-串珠状气泡(图5(b))。储层内气、水两相渗透率逐渐发生变化，前者逐渐升高、后者逐渐降低，煤储层内部处于非饱和的单向水流阶段。气井产气量迅速升高，动液面与产水量逐渐降低直至稳定。

第三阶段(稳定产气阶段)：气井通过调整抽采的工作制度达到稳定排水、稳定产气的目标。阶段产气量、产水量以及动液面保持基本稳定。持续排水过程使得解吸区域(单井控制范围)逐渐扩大。煤层内吸附气体大量解吸，气泡相互连接，形成连续的流线。储层内气相渗透率继续升高、水相渗透率继续降低，煤储层内部处于气、水两相流阶段(图5(c))。

如图5所示，当气井开始大量产出气体时(第二阶段初期产气量迅速增加时),储层内部部分区域压力低于临界解吸压力。此时，井底流动压力值低于储层内部压力，即井底流压接近但小于临界解吸压力。本次研究将此时刻井底流动压力定义为“初始见气流压”，用初始见气流压近似代替临界解吸压力代入兰氏方程(公式(8))，可得到近似的含气量，此计算方法定义为“临界最低法”。此方法得到的含气量相对接近真实值，但仍小于真实值，本次研究将其定义为“临界最低含气量”。

(8)

式中：Vmin，临界最低含气量，cm3/g；VL，兰氏体积，cm3/g；Pwfc，初始见气流压，MPa；PL，兰氏压力，MPa。

2 结果与分析

2.1 3种含气量计算方法的结果差异性

基于取心测试数据及排采数据(表2)，对安泽区块、柳林区块、韩城区块及临兴区块的生产井取心煤样分别应用临界最低法(公式(8))、USBM法(公式(2))和史密斯-威廉姆斯法(公式(5))三种方法求取含气量，结果如表3所示。

史密斯-威廉姆斯法计算所得含气量略高于USBM法，二者相对差异在2%～36%之间，绝对差异在0.1～5.51 cm3/g之间。临界最低法计算含气量结果基本高于USBM法和史密斯-威廉姆斯法计算结果。临界最低法与USBM法计算结果的相对差异在-10%～106%之间，绝对差异在-2.29～6.87 cm3/g之间。临界最低法与史密斯-威廉姆斯法计算结果的相对差异在-22%～65%之间，绝对差异在-4.46～6.29 cm3/g之间。

不同煤阶样品三种方法计算结果差异性特征不同。对中低煤阶至中高煤阶样品(临兴区块(Ro=0.7%～1.0%)、柳林区块(Ro=1.2%～1.7%)、韩城区块(Ro=1.9%～2.1%))，临界最低法计算含气量结果总体高于史密斯-威廉姆斯法和USBM法计算的含气量结果(表3、图6)。而对于高煤阶样品(安泽区块(Ro=2.1%～2.8%))，3种方法计算的含气量结果之间较为接近。

表2 含气量计算参数

2.2 临界解析法适应性

基于临界最低法的计算原理，采用初始见气流压近似代替临界解吸压力计算得到的含气量相对接近真实值，但仍小于真实值。在中低煤阶至中高煤阶范围，基于生产数据计算得到的临界最低含气量值高于取心测试结果(USBM法)(表3、图6)。临界最低法计算得到的含气量更接近于储层真实含气量值。该方法在中低煤阶至中高煤阶范围具有较强的适应性。而在高煤阶范围，基于生产数据计算的临界最低含气量值与取心测试结果(USBM法)较为接近。二者之间的高值可以更好的表征储层含气量。因此，在高煤阶区域临界最低法计算结果可以对取心测试含气量做一个很好的补充。

此外，临界最低法求取含气量所需参数均来自排采数据及等温吸附参数。对于未取心的煤层气井可以采用钻井煤屑测试等温吸附参数进而求取储层含气量。此方法可以极大程度节省钻井取心及测试成本，同时为煤层气开发阶段生产井(未取心井)含气量获取提供了新的方法。

3 USBM法含气量测试结果偏差性的影响因素分析

含气量测试偏差主要与煤样逸散气的解吸速率以及逸散时间(煤岩暴露时间)有关。影响煤层气解吸速率的主要因素有储层温度、压力、煤变质程度、孔渗条件、水分、灰分、显微组分等[28-32]。影响逸散时间的主要因素有取心方式、煤层埋深、钻井液性质等[18,33]。

如表3所示，各研究区域USBM法含气量相较临界最低法计算结果总体存在一定程度的测试损失(测试偏差)。为了进一步探究USBM法含气量测试损失量的地质控制机理。笔者从含气饱和度、逸散时间、煤阶(镜质体反射率)、埋深、显微组分、煤体结构以及孔渗条件等8个方面讨论了4个区块USBM法含气量测试损失量(VC与VU相对含气量测试差异)的影响因素。

煤层含气量测试损失量随着煤阶(镜质体反射率)增加而呈现出先减小后增加再减小的趋势(图7(a))。在煤阶较低时，含气量测试损失量较高，这与“低煤阶煤相对高煤阶煤来说具有高孔隙度、高渗透率、气体散失较快等特点”的理论观点相符[31]。而且，煤层含气量测试损失量随着煤阶的变化趋势与煤阶-孔隙度关系[34-36]大致相同。煤的孔隙度发育受3次煤化作用跃变所控制，在煤的随机镜质组平均反射率值为0.5%～1.2%、1.2%～2.3%和2.3%～2.8% 3个阶段呈现出降低-升高-再降低的特征[34-35]。煤层含气量测试损失量在三个阶段同样呈现出降低-升高-再降低趋势。煤层含气量测试损失量与孔渗条件总体呈正相关关系(图7(b)和(c))，表明孔渗条件较好的储层，在取心过程当中有更多的气体发生逸散。总体而言，煤阶控制下的孔裂隙发育特征对煤层含气量测试损失程度有很大影响。煤体结构特征对于含气量测试损失的影响如图7(d)所示，碎裂煤和碎粒煤相较于原生结构煤含气量测试损失量较高，表明较高的破碎程度使得更多的煤基质暴露，从而导致取心过程中更多的甲烷气散失，这与前人“煤样粒级越小甲烷气体解吸率越快”的理论观点相符[18]。煤层含气量测试损失量与含气饱和度及逸散时间均呈正相关关系(图7(e)和(f))，表明含气饱和度越高气体更容易发生解吸，逸散时间越长气体逸散量越多。含气量测试损失量与显微组分(图7(g)—(i))以及煤层埋藏深度(图7(j))等要素则没有表现出很好的相关性。

表3 不同方法计算含气量结果对比

图6 各区块不同方法计算含气量结果对比Fig.6 Comparison of gas content results calculated by different methods in each CBM block

图7 含气量测试损失的地质控制机理Fig.7 Geological controlling mechanism of D-value between two gas contents from USBM and Critical Minimum Method(a)煤层含气量测试损失与反射率的关系；(b)煤层含气量测试损失与孔隙率的关系；(c)煤层含气量测试损失与渗透率的关系；(d)煤层含气量测试损失与煤体结构的关系；(e)煤层含气量测试损失与含气饱和度的关系；(f)煤层含气量测试损失与逸散时间的关系；(g)煤层含气量测试损失与镜质组含量的关系；(g)煤层含气量测试损失与惰质组含量的关系；(i)煤层含气量测试损失与壳质组含量的关系；(j)煤层含气量测试损失与埋深的关系

4 结 论

针对目前普遍存在的含气量测试偏差问题，提出了基于生产数据的煤层含气量校正新方法“临界最低法”。对比了临界最低法、USBM法和史密斯-威廉姆斯法计算煤层含气量结果，并探讨了USBM法取心测试含气量的测试损失(偏差)的影响因素，取得的主要认识如下：

(1)临界最低法计算含气量总体高于史密斯-威廉姆斯法和USBM法计算的含气量结果。在中低煤阶至中高煤阶范围，临界最低法具有较强的适应性。在高煤阶范围，临界最低法计算结果可以与USBM法取心测试结果相互验证补充。

(2)煤层气含气量测试损失量主要受不同煤阶煤岩孔裂隙发育特征差异的控制，同时受煤体结构、含气饱和度及逸散时间的影响。含气量测试损失量与孔渗发育特征、构造煤发育程度、含气饱和度及逸散时间呈正相关关系。

(3)针对未取心的煤层气井，可以采用临界最低法并结合钻井岩屑测试等温吸附参数求取储层含气性特征。

(4)临界最低法在取心煤层气勘探井含气量校正、未取心煤层气开发井含气量资料获取方面拥有较好的应用前景。