芦岭井田单煤层产气潜力定量评价

安 林， 韩保山， 卢昭阳

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

煤层气选区与评价是煤层气开发的基础工作，其结果直接影响煤层气产能[1]。常规的评价内容包括煤层气生成的物质基础和保存条件[2]、资源量的估算[3]、储层参数的分析[4]、储层的抽采性、经济技术评价。这些都需要丰富的地质资料作为支撑，不适用缺乏地质资料的地区或煤层进行潜力评价。中国矿业大学秦勇教授[12]提出了通过临储压差、临废压差、有效解吸量等指标评价煤层气开发潜能的方法，该方法适合对参数井少，地质资料不足的地区进行煤层气产气潜力评价。

芦岭井田主要产气层为8、9号煤层[5-6]，10号煤层渗透率等资料缺乏，难以通过常规方法进行评价。本文通过临储压差、临废压差、有效解吸量、不同解吸阶段煤层气解吸效率等指标，建立单煤层产气潜力评价标准，评价芦岭井田10号煤层的产气潜能，为10号煤层的开发提供依据。

1 地质概况

芦岭井田发育寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、新近系、第四系。地层受古生代加里东早期构造运动的影响，致使本区缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统。石炭纪早期，本区地壳缓慢下沉，接受沉积，并具备有良好的成煤环境，沉积了一套含煤地层。如图1所示，芦岭井田处于宿东向斜西南翼的东南段。井田内主要以斜切断层为主。

芦岭井田含煤地层为石炭-二叠系。石炭系太原组地层含煤6～8层；二叠系含煤地层有下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，含煤地层厚度约1 010m，含煤19～58层，煤层总厚约1.14～58.48m，平均20.60m，含煤地层含煤系数2.04%，主采煤层为8、9、10号煤层。

图1 研究区构造纲要图及地层简表Figure 1 Structural outline map of study area and simplified stratigraphic scale

各煤层的显微煤岩组分均以有机质为主约占80.0%～97.41%，无机质约3%～20%。主要煤层均以镜质组为主，约占37.2%～88.79%，惰性组次之约占0.43%～42.4%，稳定组约占0.99%～27.64%。

2 评价参数及获取

2.1 吸附数据

芦岭井田主要开发煤层为8、9号煤层，缺乏10号煤层吸附数据，因此在芦岭井田采取10号煤层样品，按照国家标准进行等温吸附实验，获得10号煤层等温吸附曲线数据(表1)。

表1 芦岭井田10号煤层储层参数表

2.2 临储压差、临废压差、有效解吸量

有效解吸量是在单井控制范围内煤层气井见气后到枯竭前能够从单位重量煤岩中产出的气量。在等温吸附曲线上表现为临界解吸压力对应的吸附量与废弃压力对应的吸附量之差[7]。

临储压差是指临界解吸压力与储层压力的差值，其大小反映了煤层气见气之前需要降压的大小。临废压差是指临界解吸压力与废弃压力的差值，其反映了地层能量的大小。临储压差(Pc)、临废压差(Pca)、有效解吸量(Ve)的关系(图2)。

临储压差、临废压差、有效解吸量计算方法如下：

Pc=P-Pcd

(1)

Pca=Pcd-Pad

(2)

Ve=Vcd-Vad

(3)

式中：P为原始储层压力，MPa;Pcd为临界解吸压力，MPa;Pad为废弃压力，Vcd为临界解吸压力对应的含气量，m3/t；Vad为废弃压力对应的含气量，m3/t。

2.3 解吸效率与解吸阶段

等温吸附曲线是压力与气含量的关系曲线，通过对压力求导可得到解吸效率(V′)公式：

(4)

式中：VL为兰氏体积；PL为兰氏压力。

解吸效率的工程意义为吨煤压力降低单位压力时的产气量。其反映了储层产气速率的快慢。令解吸效率等于0，可求得解吸曲线的转折压力(Ptu)，当压力大于转折压力时随着压力的降低，解吸效率逐渐增大，当压力小于转折压力时，随着压力的降低，解吸效率逐渐的增大。

(5)

将解吸效率公式，求对压力的二阶导数，并令二阶导数为0，得到两个压力值PSe、Pst，分别命名为启动压力与敏感压力[8]，以转折压力、启动压力(式6)、敏感压力(式7)为节点，将等温吸附曲线分为低效解吸、缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸 4 个阶段，如图3所示[9-11]，这四个阶段代表着解吸效率的高低，其中敏感解吸阶段意味着下单位压力是能够产生比前三个阶段更多的气量。

(6)

(7)

压力/MPa图2 芦岭井田10号煤层有效解吸量示意图Figure 2 A schematic diagram of coal No.10 effective desorption volume in Luling minefield

压力/MPa图3 芦岭井田10号煤层解吸阶段划分示意图Figure 3 A schematic diagram of coal No.10 desorption stage partitioning in Luling minefield

2.4 评价体系的构建

有效解吸量反映了煤层气采收率，临储压差反映见气难易程度，临废压差则指示地层能量强度。理论上，上述3个指标能够反映煤层产气潜力。但是，煤层气解吸对储层压力变化较为敏感，具体表现为不同解吸阶段的解吸效率[12]。一方面，较高的解吸效率可使煤层在较短时间内解吸大量气体 ；另一方面，较高的解吸效率能增大解吸体积，进而提高煤层气产出动态渗透率和气井产能。

解吸效率、解吸阶段有效的补充了有效解吸量、临储压差、临废压差指示意义，能够更加全面的评价煤层气井产气潜力。

3 10号煤层产气潜力评价

3.1 对比分析

3.1.1 有效解吸量

以废弃压力为0.2、0.5、0.7 ，按照公式(3)计算临储压差、有效解吸量，计算结果如表2所示：

表2 芦岭井田10号煤层有效解吸量计算表

从上表可以发现，在取废弃压力为0.2MPa时，10号煤的煤层气有效解吸量达5.59MPa，即从每吨煤中能够解吸出5.59m3的煤层气；在废弃压力为0.7时，计算可解吸3.18m3的煤层气,表明10号煤具有较好的生气潜能。但是，10号煤层的临储压差为6.53MPa，表明在10号煤层煤层气排采过程中需要经过较长时间的排水降压才能达到临界解吸压力，开始产气。

3.1.2 解吸阶段及解吸效率

按照(4)、(5)、(6)式计算10号煤的启动压力、转折压力、敏感压力结果如下表：

表3 芦岭井田10号煤层解吸阶段划分压力表

根据上表将等温吸附曲线分为低效解吸、缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸4个阶段，如图3所示。由于10号煤层的原始储层压力为8.12MPa，煤层气会经历缓慢解吸、快速解吸和敏感解吸3个阶段。10号煤层的临界解吸压力1.95MPa，略大于其敏感压力，在煤层气实际排采过程中，只经历一小部分快速解吸和敏感解吸两个阶段。通过对比计算发现芦岭井田8号煤、9号煤的临界解吸压力小于敏感压力，在排采过程中，只经历敏感解吸阶段，8、9号煤解吸效率高，产气很快就能达到产气高峰，而10号煤在产气后则需要一段时间才能达到产气高峰，并不会突然上升。

表4 芦岭井田10号煤层解吸效率计算表

按照公式(4)取废弃压力0.2MPa，计算10号煤层的煤层气最大解吸效率为5.43m3/t临界解吸压力阶段对应最小煤层气解吸效率，为2.98 m3/t表明10号煤层煤层气开发产气效果会相对较好。

4 结论

(1)芦岭井田10号煤层的有效解吸量达5.59MPa，表明10号煤具有良好的产气潜能，但是临储压差为6.53MPa，需要降压一段时间后才能产气。

(2)10号煤层气生产会经历快速解吸、敏感解吸2个阶段，废弃压力取值为0.2、0.5、0.7最大解吸效率为5.43～4.28m3/t·MPa，要小于8、9号煤的最大解吸效率，相对8、9号煤产气潜能要差，但是达到了工业气流的下限标准，具有工业开采的价值。