基于相控的煤层气藏三维地质建模

淮银超 张铭 杨龙伟 刘博彪

摘要：煤層气藏是一种非常规天然气藏，与常规天然气藏在赋存方式、物性参数以及开发方式等方面存在较大差异。煤层气藏三维地质模型能够精确描述煤层以及物性参数空间分布，推动煤层气藏的认识由定性向定量的转变，对煤层气藏的开发具有重要意义。以澳大利亚B区块煤层气藏为研究对象，综合应用地质、地震、测井、煤岩取芯分析等资料，分析构造解释的煤层层面、测井精细解释结果以及物性参数精细表征结果；借助Petrel三维地质建模软件，以地震解释煤层顶面构造和断层结果为数据基础，以测井煤层划分结果为约束条件，建立B区块构造模型；在构造建模基础上，以测井资料划分的单井岩相数据为基准，建立煤层相模型；煤层气藏物性参数建模以相控建模理论为指导，以煤层气物性参数表征结果为数据基础，实现干燥无灰基含气量、渗透率、密度、灰分含量、饱和度等物性参数空间分布模拟。在建立的三维地质模型基础上，利用煤层气藏储量计算方法，计算B区块地质储量，确定B区块煤层气有利区优选物性参数及标准，划分煤层气藏有利区。煤层气藏三维地质模型为煤层气藏地质储量计算以及有利区筛选奠定坚实的地质基础，同时也为井型选择与井网布置等后续开发工作提供地质依据。

关键词：地质建模；煤层气；相控；构造模型；灰分含量；含气量；Petrel；澳大利亚

中图分类号：P618.13；P628文献标志码：A

Faciescontrolled Threedimensional Geological Modeling for Coalbed Methane Reservoir

HUAI Yinchao1，2， ZHANG Ming2， YANG Longwei1， LIU Bobiao1

（1. School of Earth Science and Resources， Changan University， Xian 710054， Shaanxi， China；

2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development， PetroChina， Beijing 100083， China）

Abstract： Coalbed methane reservoir is a unconventional natural gas reservoir， and is bigger different from conventional natural gas reservoir in occurrence mode， coalbed parameters and development method. Threedimensional geological model of coalbed methane reservoir accurately describes the spatial distribution of coalbed methane parameters， effectively promotes the change of coalbed methane reservoirs from qualitative to quantitative， and also has important significance for the development of coalbed methane reservoirs. Taking the coalbed methane reservoirs in block B of Australia as an example， the geological， seismic， logging data and coring analysis data were selected， and the precise interpretation results of the coalbed surface and logging were analyzed， and the precise characterization results of coalbed methane parameters were discussed； based on the top surface and fault seismic interpretation results of coalbed， the structural model of block B was built in the constraint condition of logging coalbed division using the threedimensional geological modeling software Petrel； and then， the faciescontrolled coalbed model was built based on the lithofacies of single well interpreted from logging data； according to faciescontrolled modeling theory， based on the characterization results of coalbed methane parameters of reservoir， the space distributions of coalbed methane parameters （such as gas content of dry ashfree basis， permeability， density， ash content and saturation） were simulated； according to the threedimensional geological model of coalbed methane reservoir， the geological reserve of block B was calculated， and the favorable parameters and criteria for favorable areas of coalbed methane reservoir were determined， and then， the favorable areas were divided. The established threedimensional geological model of coalbed methane reservoir has important significance for the calculation of geological reserve and the division of favorable areas， and also provides the geological basis for the followup development of well pattern selection and layout of coalbed methane reservoir.

Key words： geological modeling； coalbed methane； faciescontrolled； structural model； ash content； gas content； Petrel； Australia

0引言

煤层气（Coalbed Methane）是指储存在煤层中且以甲烷为主要成分的非常规天然气[16]，主要有吸附态、游离态和溶解态3种赋存形式，其中80%～90%以吸附气存在煤储层中[78]。煤层气不仅可以作为缓解常规化石能源不足的一种有效替代物和补充物，而且煤层气开发对于煤炭安全生产和环境保护也有十分重要的意义。据统计，中国煤层气资源潜力巨大，含煤层气盆地有41个，含煤层气带有114个，3 000 m以浅煤层气资源面积为551×104 km2，资源量为552×1012 m3[9]。面对如此巨大的资源量，中国煤层气开发尚处于起步阶段，仅在陕西和山西部分地区有少量开发。在国际上，美国、加拿大和澳大利亚已经开始规模性的商业开发

[1012]。

煤层气藏作为一种新型的非常规天然气藏，在烃源岩、储集层、成藏方面和常规天然气有很大的不同，精确的煤层与煤层气物性参数空间分布对于煤层气藏开发具有重要意义。三维地质建模作为煤层气藏精细表征的重要组成部分，可以定量表征煤层与煤层气物性参数分布，对于煤层气藏的高效开发具有重要意义。目前，针对煤层气藏的三维地质建模，中国尚处于起步阶段，系统的研究性工作较少；国外的研究则存在模型的垂向单元厚，属性参数赋定值等问题[1314]。相比于常规气藏，煤层气藏地质建模主要存在3个问题：①煤层属于沼泽沉积，单煤层在纵向上数量多，埋藏跨度大，厚度薄，并且存在分叉、合并、尖灭等现象，单煤层解释与追踪对比难度大；②煤层气测井资料少，仅有密度、自然伽马和声波时差等测井曲线，煤层测井解释难度大；③煤层气藏物性参数不同于常规气藏，如何找到利用有限的资料表征煤层气物性参数的准确方法，是一个巨大挑战。基于此，本文基于三维地质建模理论与煤层气藏地质建模的实际问题，以澳大利亚B区块的煤层气藏为研究对象，以地质、地震、测井、取芯分析等资料为数据基础，通过分析煤层划分结果、构造解释结果、煤层精细解释结果以及煤层物性参数的精确表征结果，完成煤层气藏三维地质建模数据准备；然后，借助Petrel三维地质建模软件，建立B区块的构造模型与煤层岩相模型，在煤层岩相模型的控制下建立干燥无灰基含气量（简称“含气量”）、渗透率、密度、灰分含量（质量分数，下同）、饱和度模型，完成B区块的煤层气藏三维地质建模；最后，以建立的三维地质模型为基础，实现B区块煤层气藏的地质储量计算和有利区筛选、物性参数筛选及标准的确定。

1区域地质概况

B区块位于澳大利亞东南部昆士兰州B盆地，表现为一个东部高、西部低的单斜构造。B区块内部发育少量NW向逆冲断层，煤层位于晚二叠世地层中，自上而下可以划分为9套单煤层，分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9号煤层，单煤层厚度为0.1～65 m，平均煤层厚度为2.4 m，煤层普遍存在分叉、合并以及尖灭。B区块煤层镜质体反射率为12%，为中煤阶煤，含气量为780～2693 m3·t-1，平均为1578 m3·t-1，渗透率为0028～3720 mD，平均为0890 mD，灰分含量为45%～671%，平均为168%。综合来看，澳大利亚B区块煤层气藏属于低渗透率、中高含气量的中煤阶煤层气藏。

2三维地质建模数据准备

2.1煤层构造解释结果分析

构造解释成果是三维地质建模的基础数据之一，可以反映区块的储层分布趋势[1517]。煤层作为煤层气的储层，顶、底面构造解释具有重要意义。在二维地震测线数据的闭合校正基础上，利用声波时差测井曲线与密度测井曲线制作合成记录；以合成记录为基础，通过层位追踪，完成煤层顶、底面构造解释。B区块解释出70组断层和4套煤层顶面构造（1、3、4、9号单煤层顶面构造）。构造解释出的断层主要为逆冲断层，存在少量的调节正断层、高角度铲式逆冲断层以及高角度直立断层。B区块煤层层面构造自上至下具有稳定的继承性特点，煤层埋藏深度表现为东高西低的趋势。

2.2煤层测井精细解释

和常规天然气不同，煤层气是一种自生自储的非常规能源。煤层既是煤层气的烃源岩，又是煤层气赖以生存的“载体”[18]。煤层物性参数的表征和煤层岩相的地质建模依赖于煤层的准确测井识别，煤层识别的准确性在一定程度上决定着煤层气藏地质建模的准确性。目前，煤层测井解释有密度半浮点法和灰分密度曲线分析法。密度半浮点法容易受到煤层厚度与井眼状况影响，解释成果“稳定性”不够，只有在缺乏岩芯分析物性参数的情况下使用。灰分密度曲线分析法基于实验室分析样品中灰分含量提出的。灰分密度曲线分析法认为当样品的灰分含量小于50%时，样品为煤，反之则为非煤。由于B区块灰分数据的限制，所以通过灰分与岩芯分析密度、岩芯分析密度与测井密度之间的函数关系式确定煤层的测井密度截取值。以灰分含量为50%对应的岩芯分析密度作为岩芯分析密度截取值，与之对应的测井密度作为煤层解释的截止值，在Geolog测井解释软件中完成B区块煤层的测井识别。

2.3煤层气藏物性参数精细表征

煤层气藏在物性参数以及参数表征方法方面和常规气藏都不一样。物性参数包括含气量、渗透率、密度、灰分含量和饱和度。常用的表征方法就是根据相关性分析结果建立各种煤层物性参数基于测井资料的表征。

含气量是煤层气藏的主要表征参数，是物性参数建模研究的核心内容。含气量表征主要有实验室分析法、等温吸附试验法和测井曲线法[1922]。测井曲线法计算方便且准确率高，是含气量表征的主要方法。含气量的实测结果与测井曲线的相关性分析发现，含气量与煤层埋藏深度密切相关。深度较浅时，含气量快速增长；随着深度的增加，含气量缓慢增长（图1）。当煤层深度不断增加时，地层压力增加，吸附气含量增加，煤层含气量增加；与此同时，由于深度的增加，地层温度随之升高，从而导致部分吸附气的“解吸”，继而降低含气量。在温度和压力的共同作用下，B区块含气量与深度呈对数函数关系。

图1埋藏深度与含气量的关系

Fig.1Relationship Between Gas Content and Buried Depth

渗透率也是煤层气藏最重要的物性参数之一，主要对煤层气开发起到决定性作用，直接影响着煤层气的开采效果[2326]。B区块岩芯分析渗透率为0028～3720 mD，平均为0890 mD。岩芯分析数据的相关性分析认为，渗透率与埋藏深度有很好的相关性（图2），在B区块中，利用煤层埋藏深度表征渗透率是十分有效的一种方法。渗透率与煤层埋藏深度呈负指数相关关系。利用煤层埋藏深度能够很好地表征渗透率分布；随着煤层埋藏深度的增加，渗透率降低。

密度与灰分含量是计算原煤基含气量过程中不可或缺的物性参数。煤层物性参数中，密度有测井密度和岩芯分析密度之分。测井密度是岩芯分析密度和灰分含量表征的基础。测井密度与岩芯分析密度有很好的相关性，岩芯分析密度的表征使用测井密度（图3）。灰分是以孔隙、裂缝和割理中充填的各种无机矿物形式存在的，灰分直接影响到煤层的储集性能[27]。灰分含量也是一个定量确定煤炭质量的重要指标，煤炭的工业价值会随着灰分含量的增加而逐渐降低。在灰分含量的表征中，测井密度是基础，岩芯分析密度是桥梁，通过岩芯分析密度实现灰分含量的表征（图4）。

饱和度是计算煤层气储量的重要参数，同时也是煤层气勘探开发中的重要参数之一。与常规气藏的饱和度不一样，煤层气藏的饱和度是指煤层实测含气量与原始地层压力对应的吸附气含量的比值（图5）。饱和度为100%的煤层为饱和煤层；饱和度小于100%的煤层为欠饱和煤层；饱和度大于100%的煤层为过饱和煤层。饱和度的表征主要依赖于地层压力、等温吸附曲线以及含气量等3个参数的表征（图6）。在地层压力、等温吸附曲线以及含气量表征的基础上，建立饱和度的表征。

3三维地质建模过程

三维地质建模实际上就是用模型来表征储层和物性参数的三维空间分布以及变化特征[2832]。储层地质建模的核心问题是井间储层和属性的预测[33]。煤层气藏三维地质建模与之相似，即在井点的煤层解释结果与物性参数表征基础上，预测井间的煤层与物性参数分布。煤层气藏三维地质建模的方法有确定性建模与随机建模两种。确定性建模是以确定性资料为基础，推测井间确定的、唯一的、真实的储层参数；随机建模以随机函数为理论，应用随机模拟方法产生可选的、等概率的储层模型方法[3435]。煤层在地下的分布很复杂，是众多地质构造与成煤作用共同作用的产物；随机建模可以准确模拟煤层与物性参数的三维空间分布，是煤层气藏定性表征的最佳方法。

基于相控的煤层气藏三维地质建模流程为：首先是构造建模；其次是煤层相建模；最后是煤层气藏物性参数相控建模。构造建模是基础，煤层相建模是约束，煤层气藏物性参数相控建模是根本，而且后两者都为物性参数建模。构造模型是以地震解释的煤层顶、底面和断层数据为基础，以测井解释数据为约束建立的；在构造模型基础上，根据煤层的测井识别结果，利用序贯高斯方法实现煤层相模型的建立；在煤层相模型的控制下，以煤层气藏物性参数表征结果为依据，运用序贯高斯方法建立含气量、渗透率、密度、灰分含量和饱和度等物性参数相控模型。

3.1构造建模

构造模型是物性参数模型建立的基础，准确的构造模型对于后续的物性参数模型的建立起到至关重要的作用[3637]。构造建模分为模型网格设计、断层建模和层面建模三部分。

在综合考率煤层气藏的地质概况、单煤层发育情况（单煤层平均厚24 m）、后续数值模拟以及计算机性能基础上，将B区块的平面网格步长设计为100 m，垂向网格步长设计为2 m，B区块的网格总数为290×619×140=25 131 400个。在B区块模型网格设计基础上，考虑到B区块构造简单且断层不发育，以构造解释的断层资料为基础，经过单井校正后，将数据加载到Petrel三维地质建模软件中，对断层进行修正和编辑，建立70条断层模型。

层面模型的建立以构造解释的煤层层面为基础，以测井数据上划分的煤层为约束。对于缺乏构造解释结果的单煤层，采用相邻的有构造解释层面的煤层约束下测井分层数据，通过测井数据的单煤层分层结果来插值，从而构建单煤层的顶、底面模型。B区块共建立9套单煤层的18个顶、底面模型。以构建的煤层顶、底面为基础，以设计的模型网格为依据，对层面之间的三维区域进行三维网格化，建立B区块的三维构造模型（图6）。

3.2物性参数建模

在常规储层属性的表征中，沉积相控制建模对于提高建模精度、增强地质约束、促进地质概念向模型转化具有重要意义[3847]。煤层气储层中的相控建模对于煤层气藏物性参数的准确表征同样有非常重要的意义。煤层气藏物性参数建模分两步展开：第1步，以测井解释结果为依据建立煤层相模型；第2步，在煤层相模型的控制下建立含气量、渗透率、密度、灰分含量和饱和度模型。在随机建模中，序贯高斯方法是以像元為基础的模拟方法，不存在收敛性问题，且不仅能模拟连续型变量，还能模拟离散型变量[4851]，其优点在于忠实于井点数据，适合B区块煤层岩相变化快且非均质性强的煤层气藏物性参数建模。

3.2.1煤层相建模

煤层气是一种自生自储的非常规天然气，煤层三维空间展布对于煤层气藏的分布起到控制性作用。煤层相模型的建立对于构建物性参数起到约束性的控制作用。煤层相建模就是以井点的煤层测井识别结果为基础，利用随机模拟分析煤层空间展布。

B区块煤层相建模以在岩芯密度分析法中解释出的煤层为基础，根据128口井的煤层测井解释结果，将单井岩性划分为煤层和非煤层两部分（图7）。在Petrel三维地质建模软件中，将单井划分的岩相结果离散化；考虑到序贯高斯方法要求数据为正态化分布，将离散化后的岩相数据完成正态化变换；根据煤层的沉积特点与实际情况，选择指数模型作为煤层岩相的变差函数类型，确定煤层与非煤层各自的主方向变程、次方向变程与垂直方向变程。采用序贯高斯方法模拟煤层分布，建立B区块煤层气藏的三维煤层相模型（图8）。

3.2.2煤层气藏物性参数相控建模

煤层气藏的物性参数模型指和煤层气相关的地下参数模型，包括含气量、渗透率、密度、灰分含量和饱和度模型。物性参数模型的准确建立是煤层气藏三维地质建模的最终目标。物性参数建模就是采用合适的模拟方法模拟井上的物性参数，推测物性参数的井间分布。煤层气藏的物性参数模型建立在煤层岩相基础上。鉴于煤层气藏物性参数的特点，选用随机建模来完成B区块物性参数空间分布模拟。

含气量是煤层气藏最为重要的物性参数。含气量模型基础数据为基于埋藏深度的含气量表征方法所完成的B区块128口井的单井煤层含气量数据。通过对单井的含气量数据离散化，考虑到序贯高斯方法对含气量数据的要求，在Petrel三维地质建模软件中对离散化的含气量数据进行正态化变换；在此基础上，完成含气量的变差函数拟合，确定含气量的变差函数类型以及主方向变程、次方向变程和垂直方向变程。利用序贯高斯方法建立煤层岩相控制下的含气量模型（图9）。

渗透率是重要性仅次于含气量的物性参数。渗透率模型的准确性对后续的数值模拟至关重要。单井的渗透率结果来自于煤层埋藏深度的表征。对单井的渗透率数据进行离散化，然后进行数据分析与变差函数拟合，确定渗透率的变差函数类型以及主方向变程、次方向变程和垂直方向变程。在Petrel三维地质建模软件中，在渗透率离散数据变换的基础上，利用序贯高斯方法完成煤层岩相控制下的渗透率模型（图10）。

测井密度模型是岩芯分析密度建模和灰分含量建模的基础。测井密度数据基础为长源距密度。对长源距密度进行离散化，然后进行数据变换、变差函数拟合，确定主方向变程、次方向变程和垂直方向变程，最后在煤层岩相的控制下建立测井密度模型（图11）。

煤层的岩芯分析密度模型是建立在测井密度模型基础上的。根据岩芯分析密度与测井密度在相关性分析中获得的函数关系式，在煤层岩相控制下，计算B区块已经建立的所有网格岩芯分析密度，建立岩芯分析密度模型（图12）。岩芯分析密度表达式为

ρRD=0.814ρ+0.442（1）

式中：ρRD为岩芯分析密度；ρ为测井密度。

图12岩芯分析密度模型

Fig.12Model of Core Analysis Density

灰分含量模型也是基于岩芯分析密度模型建立的。在煤层岩相的控制下，根据灰分含量与岩芯分析密度的函数关系式，计算B区块已经建立的网格灰分含量，建立灰分含量模型（图13）。灰分含量表达式为

Ash=123.725ln ρRD-30.55（2）

式中：Ash为煤层中的灰分含量。

图13灰分含量模型

Fig.13Model of Ash Content

原煤基含气量是计算煤层气藏的地质储量与筛选有利区的关键物性参数。原煤基含气量是干燥无灰基含气量考虑到灰分和水分影响之后的修正结果。原煤基含气量模型的建立主要依靠干燥无灰基含气量模型、灰分含量模型与水分含量模型（水分含量取岩芯分析密度的平均值）。在煤層岩相的控制下，根据原煤基含气量与干燥无灰基含气量、灰分含量、水分含量的关系式，计算已经建立的所有网格原煤基含气量，建立原煤基含气量模型（图14）。原煤基含气量表达式为

wraw=w（100-Ash-θ）（3）

式中：wraw为原煤基含气量；w为干燥无灰基含气量；θ为水分含量。

图14原煤基含气量模型

Fig.14Model of Raw Coalbased Gas Content

饱和度模型是基于原煤基含气量模型、等温吸附曲线建立的。根据煤层深度与煤层压力的关系式，确定B区块已经建立的网格地层压力，利用等温吸附公式计算原始地层压力对应的含气量。具体函数表达式为

wIP=VLPPL+P（4）

式中：wIP为原始地层压力下的含气量；PL为B区块的兰氏压力；VL为B区块兰氏体积；P为地层压力。

根据煤层气藏的饱和度定义，在煤层相的控制下，将原煤基含气量与原始地层压力下对应的含气量比值对模型网格逐一赋值，建立饱和度（Sg）模型（图15）。饱和度表达式为

Sg=wrawwIP（5）

图15饱和度模型

Fig.15Model of Saturation

4结果应用

煤层气藏的三维地质建模结果主要应用在地质储量计算与有利区的划分。将模拟结果与实际情况进行对比，可以验证煤层气藏三维地质模型的准确性。地质储量计算以B区块煤层气藏三维地质模型为基础，利用Petrel三维地质建模软件中的地质储量计算模块计算B区块的煤层气藏地质储量。在地质储量的计算中，以地质模型的单个网格为计算单元，计算每一个煤层气网格中的储量，累加所有网格的地质储量，获得B区块煤层气藏的地质储量。其表达式为

mGIIP=∑[DD（]ni=1Vixiwiρi（6）

式中：mGIIP为地质储量；Vi为第i个网格的体积，共有n个网格，i=1，2，…，n；xi为确定第i个网格岩相模型是否为煤层的标志；煤层岩相为煤时，xi=1，为非煤时，xi=0；wi为第i个网格的含气量；ρi为第i个网格的密度。

在计算地质储量的同时，挑选影响煤层气开发的原煤基含气量、埋藏深度、渗透率和单井煤层累计厚度等物性参数来划分有利区。根据B区块煤层气藏特点以及相邻区块的划分标准，确定B区块有利区划分标准为：原煤基含气量大于5.5 m3·t-1；埋藏深度介于200～700 m之间；渗透率大于0.05 mD；煤层累计厚度大于15 m。根据上述标准确定澳大利亚B区块的煤层气藏开发有利区。在B区块的后续开发中，这些有利区的新钻井均取得很好的产量，且稳产时间长，证明B区块煤层气藏三维地质模型准确有效。

5结语

（1）根据相控建模理论，煤层气藏的岩相划分为非煤相和煤相，煤层物性参数受到煤相分布的控制。煤层气藏中煤层作为储层，同时又作为烃源岩，在煤层气藏物性参数建模之前，建立煤层岩相模型能够确保物性参数模型更加精确和有效，更加接近地下的实际情况。

（2）煤层气藏的物性参数和常规储层不一样，主要有干燥无灰基含气量、渗透率、密度、灰分含量和饱和度。通过对物性参数与测井资料相关性的分析，建立基于测井资料的煤层物性参数表征。准确的物性参数表征对于物性参数建模至关重要。

（3）在煤层岩相的控制下，建立澳大利亚B区块煤层气藏三维地质模型，对B区块煤层气藏的煤层与物性参数进行精细刻画，为地质储量计算和有利区筛选建立地质基础，同时也为煤层气开发的数值模拟、井型选择与井位布置提供依据。

（4）以相控地质建模理论指导的随机建模技术能够解决煤层气藏“储层”数量多、埋藏深度跨度大、物性参数表征困难等问题，同时确保煤层气藏建模的准确性与有效性，为煤层气藏建模提供了研究思路与流程，为建模技术在煤层气藏三维地质建模中的应用奠定基础。

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