柿庄南区块煤层气储层精细评价及其应用

柳迎红 吕玉民 郭广山 冯汝勇 王存武 朱学申 刘 佳

（中海油研究总院有限责任公司 北京 100028）

寻找甜点区是煤层气高效勘探开发的核心目标，国内外学者对此进行了深入研究，取得了较好评价效果［1-3］。然而，在评价参数不足的情况下，如何有效地开展煤储层评价及甜点区预测，仍需要深入研究。本文以沁水盆地柿庄南区块为研究对象，充分利用已有测井资料、压裂数据、生产数据及其煤储层参数测试资料，开展煤储层精细评价及甜点区预测，并将评价结果运用于煤层气井排采管理、开发策略及生产管理优化，取得了良好的增产效果。

1 地质概况

柿庄南区块位于沁水盆地东南部（图1），隶属山西省晋城市管辖，区块面积约388 km2，探明含气面积为187.80 km2，二维地震测线33条，各类煤层气钻井超过1 300口，累计产气量约为4×108m3。该区块含煤层系为二叠系山西组和石炭系太原组，目前主要开发目的层为山西组3＃煤层，该煤层具有“一高一低三中”的特点，即热演化程度高、孔渗条件低、含气量中等、含气饱和度中等和临储比中等［4-5］。

自2010年起，柿庄南区块2区、3区、4区和5区相继投入开发。投产井型以直井为主，井距约300 m，基本采用套管固井完井和射孔压裂工艺。目前，见气井约占投产井的73%，产气井平均日产气量仅500 m3／d左右。平面上该区块煤层气井产气量差异大，直井单井最高产气量可达7 266 m3／d，但绝大部分井产气量不足500 m3／d，揭示该区煤储层具有很强的非均质性，而4 km的探井井距无法控制煤储层的非均质性变化特征，因此须开展煤储层精细评价及甜点区预测。

2 煤储层精细评价

描述煤储层的参数有很多，但概括起来主要可分为资源品质参数、可采性参数和可压裂性参数。鉴于1区和4区资料有限，主要针对2区、3区和5区，从资源品质、可采性和可压裂性对煤储层进行精细评价。

2.1 资源品质评价

2.1.1 煤层厚度

煤层厚度与平面稳定性展布特征共同决定储集空间性能，厚度越大，稳定性越好，储集空间越有利于气体赋存。通过实钻数据分析可知，柿庄南区块3＃煤层厚度为0～14.30 m（图2），主要介于5.0～7.0 m，平均6.01 m，平面上绝大部分地区厚度在6.0 m以上，仅局部有限范围内因陷落柱缘故出现煤层缺失现象；煤层厚度分布的标准偏差为0.87、变异系数仅为0.14，均表明区内3＃煤层全区分布稳定、厚度大。

图2 柿庄南区块3＃煤层厚度等值线图Fig.2 Contour map of 3＃coal thickness in Shizhuangnan block

2.1.2 煤层结构

一般来说，煤层结构评价指标包括夹矸发育的层数、夹矸的厚度和夹矸所占煤层厚度的比率［6-7］，夹矸的发育必然影响有效煤储层厚度及含气量。已钻井揭示，柿庄南区块3＃煤层的中下部发育一套较稳定、厚度较小的夹矸，此套夹矸总厚度在0.2～0.8 m，平均厚度0.45 m，夹矸比率在4%～10%（图3）；全区稳定发育，且在南部夹矸厚度略大。

图3 柿庄南区块3＃煤层夹矸比率分布图Fig.3 Distribution of 3＃coal parting in Shizhuangnan block

2.1.3 灰分产率

灰分产率主要受到成煤环境的影响，在平面和纵向上灰分产率均具有一定的非均质性。此次评价利用参数井实测数据建立测井解释模型［8-10］，利用大量开发井的测井资料来刻画灰分产率的变化特征，结果表明：柿庄南区块整体表现出“中—低灰”特征，灰分产率介于12%～18%（图4），平均产率15.0%；平面上，区内西南部、中部和东北部局部区域灰分较为发育，达到15%以上，其余区域均小于15%。

2.1.4 含气量

含气量是煤储层资源品质的关键参数之一，目前评价中使用的含气量主要通过参数井现场快速解吸法测定，但仅仅利用快速解吸法测定的含气量进行平面分布特征评价难度较大［11-12］。

图4 柿庄南区块3＃煤层灰分产率等值线图Fig.4 Contour map of 3＃coal ash yield in Shizhuangnan block

利用生产数据，结合兰氏方程建立含气量预测模型，能够较准确地评价含气量分布特征。将生产数据中开始产气时的井底流压近似等于临界解吸压力，通过兰氏方程建立柿庄南区块3＃煤层含气量与临界解吸压力关系计算公式，即

式（1）中：y为空气干燥基含气量，m3／t；x为临界解吸压力，MPa。

图5为柿庄南区块3＃煤层含气量等值线图，可以看出，区块3＃煤层含气量主要分布在4.0～24.0 m3／t，平均11.8 m3／t；平面上，含气量大于12.0 m3／t的区域主要分布在区块中部和东北部，其他地段含气量相对较低，小于12.0 m3／t。

2.2 可采性评价

为实现效益开发，可采性评价是煤储层评价的重要内容之一，主要评价参数为临储比和渗透率。

临储比越大，说明吸附气越容易解吸，实现产气所需的降压幅度越小，所需要的时间越短；临界解吸压力越大，说明地层能量越强，驱动能力越强，解吸量越大，开发潜力越大［13］。利用生产数据近似求得临界解吸压力，进而计算临储比。计算结果表明，柿庄南区块3＃煤层临储比主要分布在0.2～0.8，平均值0.6，整体较高；临储比大于0.6的高值区主要分布在区块中部和东北部，临储比小于0.3的低值区主要分布在区块东南部和西北部。

图5 柿庄南区块3＃煤层含气量等值线图Fig.5 Contour map of 3＃coal gas content in Shizhuangnan block

煤层渗透率通过注入／压降试井法获得，利用压裂数据计算地应力，建立地应力与渗透率的关系公式评价渗透率特征［13-15］。水力压裂法是确定地应力常用的方法之一，闭合压力即为最小水平主应力，据此建立柿庄南区块3＃煤层最小水平主应力与渗透率关系计算公式，即：

式（2）中：y为渗透率，mD；x为最小水平主应力，MPa。

计算结果表明，柿庄南区块3＃煤层渗透率整体呈现由东南向西北逐渐减小的趋势，渗透率主要分布在0.1～1.0 mD，平均0.56 mD，属于低渗煤储层；东南部渗透率最大，大于1.0 mD，随着向西北部埋深逐渐增加，地应力逐渐增强，渗透率降低到0.1 mD以下。

2.3 可压裂性评价

煤储层压裂效果不仅受压裂工艺和方式影响，还与煤层自身可压裂性密切相关。为了更好地与地质评价相结合，选取煤体结构作为煤层可压裂性评价参数。

不同煤体结构的煤储层，因其岩石力学参数差异大而表现出不同的压裂响应特征。总体上，原生结构煤弹性模量大、泊松比小，有利于压裂造缝；而碎粒煤、糜棱煤则弹性模量小、泊松比大，不利于压裂造缝。实际上，探井取心是对煤体结构最直观可靠的观测，然而受探井分布及井数的影响，难以在平面上进行煤体结构的精细描述与评价。前人的研究表明［16-18］，测井信息能较好地识别煤体结构，原生结构煤电阻率幅值较高，随着煤体破碎程度增加，煤中的导电网络变发达，导电离子在电场作用下更加自由地迁移，使电阻率幅值减小；原生结构煤灰分产率相对较低，自然伽马幅值低，随着灰分的升高，自然伽马幅值增大，煤体则更易于发生破碎。

基于测井信息，开展柿庄南区块煤体结构的识别与划分，分析不同煤体结构类型的平面分布特征，结果表明，该区块原生结构煤所占比率与平均产气量具有较好的正相关关系，比值介于40%～70%，煤层气产量显示出较好的表现；当比值处于40%以下时，产气效果较差（图6）。该区块中部原生结构煤比率处于40%～80%，具有较好的煤体结构特征，有利于煤储层压裂改造。

图6 柿庄南区块原生结构煤比率与平均产气量相关关系图Fig.6 The relationship between raw coal ratio and average gas production in Shizhuangnan block

3 有利煤储层分布区预测

3.1 评价方法及参数

煤层各参数评价可以确定单参数的有利区分布范围，但难以综合各参数来划分确定煤层气勘探开发有利区。多层次模糊评价是进行有利区综合客观评价的有效方法。从资源品质、可采性和可压裂性选取含气量、渗透率、临储比、煤体结构和煤岩品质等5个主控要素进行有利区综合评价，其中煤岩品质包括煤层厚度、夹矸厚度和灰分产率。表1为柿庄南区块五要素三层次的有利区模糊数学评价模型，由于区内含气量、渗透率和临储比非均质性较强，因此评价时权重重点考虑这3方面因素，分别设置为0.25、0.25和0.20。

表1 柿庄南区块煤储层有利区评价模型Table1 Evaluation model of coal reservoirs in Shizhuangnan block

3.2 评价结果及验证

评价结果显示，柿庄南区块3＃煤层的I类储层主要集中在中部地区，沿NNE向呈条带状分布；III类储层则分布于北部和南部地区；其他地区为II类储层区（图7）。

图7 柿庄南区块3＃煤储层有利区预测成果图Fig.7 Forcast of favorable 3＃coal reservoirs in Shizhuangnan block

为了验证评价结果，对柿庄南区块的煤层气试采动态进行了分析。按照平均日产气量大于1 000 m3、500～1 000 m3、小于100 m3的高、中、低产井分类标准，其中74%的高产气井和60%的中产气井集中分布在I类煤储层有利评价区；17%高产气井和35%的中产气井分布在II类煤储层有利评价区。由此可见，该区块中高产煤层气井的产气效果与煤储层有利区评价结果具有很好的吻合性。

4 实际应用

4.1 划分地质单元，落实提产有利区

根据构造特征、储层评价特征，对柿庄南区块3＃煤层进行三级地质单元划分。其中，一级地质单元以区块级构造（如寺头大断层）为划分依据，共划分出3个；二级地质单元则在此基础上以局部区域构造（如次级背、向斜构造）为划分依据，共划分出9个；而三级地质单元则在二级划分基础上根据储层评价结果，共划分出23个（图8）。

图8 柿庄南区块3＃煤层地质单元分区图Fig.8 Geological units of 3＃coal reservoirs in Shizhuangnan block

对比一级地质单元可以发现：中部有利区的渗透率较大、含气量高、临储比大、夹矸薄，煤层气地质条件较好；西部深埋区因埋深大，含气量较高，但其渗透率很低、临储比偏小，开发难度较大；东部缓坡区埋深浅，渗透率较大，但其含气量、临储比偏低（图9）。

分类对比中部有利区的三级地质单元内渗透率、含气量和临储比三大煤储层关键参数，可以发现中部I类区内的渗透率、含气量和临储比均明显优于III类区的相关参数，表明中部I类区煤层气地质条件较好，有利于煤层气勘探开发。对比落实C-I1、C-I2、C-I3和C-I4地质单元为柿庄南区块有利的煤储层分布区，是该区块煤层气提产有利区。该提产有利区面积61.45 km2，已有钻井499口，其中未投产井88口，未压裂井20口，应优先重点推进区内煤层气井投产与排采管理。

图9 柿庄南区块一级地质单元煤储层参数对比图Fig.9 Comparison of coal reservoir parameters of geological units in Shizhuangnan block

4.2 优化排采制度，有效提高气井产量

生产动态显示，柿庄南区块提产有利区内典型高产气井具有见气时间早，见气后产气量快速上升并达到高产后稳产时间持续的生产特征（图10）。研究发现，区内高产气井见气前井底流压下降变化范围0.034 3～0.047 8 MPa／d，产量上升阶段流压下降控制在0.000 8～0.005 2 MPa／d，产量稳定阶段则保持在0.000 2～0.000 3 MPa／d，井底流压基本稳定不变；而低效井生产过程中井底流压的控制范围往往偏离高产气井的井底流压变化范围。

依据提产有利区内典型高产气井的生产动态及井底流压分析，提出低效井排采制度优化方案，包括加深泵挂、保持排采平稳连续以及按照区内高产井生产特征控制各阶段井底流压变化，并实施了12口井的优化作业，其中10口井优化后煤层气井提产明显，基本提产2倍以上，最大提产幅度达到1 459 m3／d，显示出很好的提产效果（图11）。

图10 柿庄南区块提产有利区典型高产气井生产特征曲线图Fig.10 Production characteristics curves of typical well with high production in the area favorable for production improvement in Shizhuangnan block

图11 柿庄南区块提产有利区低效井优化前后产气量对比Fig.11 Comparison of gas production before／after optimization measure in the area favorable for production improvement in Shizhuangnan block

5 结论

1）从资源品质、可采性和可压裂性等方面对柿庄南区块煤层气储层进行了精细评价，并借助多层次模糊评价技术开展了煤储层有利区评价。柿庄南区块3＃煤层的I类储层主要集中在中部地区，沿NNE向呈条带状分布，III类储层则分布于北部和南部地区，其他地区为Ⅱ类区。生产动态分析显示74%的高产气井和60%的中产气井集中分布在I类煤储层有利评价区；17%高产气井和35%的中产气井分布在II类煤储层有利评价区。

2）结合区域构造特征，划分出3个一级地质单元、9个二级地质单元和23个三级地质单元，落实研究区中部为提产有利区，面积达61.45 km2。根据典型高产井动态分析，优化排采制度，以此对低效井进行了调整作业，基本实现提产2倍以上，显示出良好的增产效果。