低煤阶煤储层产气潜力定量评价

汪万红，茹 婷，李 林，杨 刚，降文萍

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710119)

目前，国内学者还未对低煤阶煤储层产气潜力定量评价进行研究工作。众所周知，低阶煤主要指镜质组最大反射率Ro，max为0.20%～0.65%的褐煤和长焰煤。我国低煤阶煤煤层气资源量巨大(14.7×1012m3)，约占全国煤层气资源总量的40%左右[1]。随着沁水盆地高煤阶(Ro，max>1.9%)和鄂尔多斯盆地东缘中煤阶(0.65%

目前，国内对低阶煤层气储层产气潜力的定量评价工作较少。笔者以彬长矿区大佛寺井田4号煤储层为例，借鉴前人提出的临储压差、临废压差、有效解吸量、解吸效率等指标，并结合低煤阶储层含气量低、厚度大、渗透性好等特点，运用煤层气数值模拟软件对大佛寺井田低煤阶煤储层产气潜力进行定量评价，以期为该区和低煤阶煤储层煤层气勘探开发提供参考和借鉴。

1 井田煤层气地质情况

大佛寺井田位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区南部，面积71.48km2，是我国典型的低阶煤地区[10-12]。井田构造条件简单，整体上为一波状起伏的单斜构造，其上发育了一系列北东东和北北西向的褶皱构造，二者相互交织。其中以北东东向褶皱为主。地层倾角平缓，一般3°～5°，最大17°～21°[13-15]。大佛寺煤矿地质构造如图1所示。

侏罗系延安组为井田唯一含煤地层，属平原河流环境含煤建造，厚度40.05～168.57m，平均75.57m。延安组共含煤6层(包括分煤层和分叉煤层)，从上而下依次编号为3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上、4号煤。4号煤为主采煤层，全区可采。4号煤厚度0～19.23m，平均11.65m[16]。各煤层特征见表1。

图1 大佛寺煤矿地质构造示意图

表1 大佛寺煤矿主要可采煤层特征表

该区煤的变质程度较低，4号煤层最大镜质体反射率 0.59 %～0.68 %，属低变质长焰煤；4号煤层含气量为2.30～3.62m3/t，平均为2.87m3/t[17]；4号煤层测定渗透率 3.06×10-3～5.73×10-3μm2，平均 3.86mD×10-3μm2，渗透性较好；4号煤层埋深 400～650m，储层压力 0.28～3.2MPa，平均 2.81MPa，压力梯度0.05～0.53MPa/100m，平均0.38MPa/100m，煤储层压力梯度小于静水压力梯度，为低压异常状态。

2 储层开发潜力定量评价

2.1 定量评价指标

借鉴前人提出的临储压差、临废压差、有效解吸量、解吸效率等指标[6，7]。

临储压差(p1)为临界解吸压力(pc)与储层压力(pr)的差值。临废压差(p2)为临界解吸压力(pc)与废弃压力(pn)的差值。有效解吸量(Ve)为临界解吸压力对应的含气量(Vr)与废弃压力对应的含气量(Vn)的差值。有效解吸量与实测含气量的比值可粗略计算煤层气的理论采收率。

计算公式如下：

p1=pr-pc

(1)

p2=pc-pn

(2)

Ve=Vr-Vn

(3)

解吸效率η是指单位压降下每吨煤的煤层气解吸量，用来定量表征不同煤储层压力下的煤层气解吸量及其对煤层气井产能的贡献。计算公式如下：

以启动压力(pst)、转折压力(ptu)和敏感压力(pse)为界，可将等温吸附曲线从右至左依次划分为低效解吸、缓慢解吸、快速解吸与敏感解吸四个阶段[18]。不同解吸阶段煤层气解吸效率不同。计算公式如下：

2.2 开发潜力定量评价

在同一区块，同一煤层具有特定的沉积环境和特定的煤质，因此对于同一区块的同一煤层，可依据参数井的等温吸附曲线，概化出一条代表性的等温吸附曲线[6]，进而计算临储压差(p1)、临废压差(p2)和有效解吸量(Ve)、启动压力(pst)、转折压力(ptu)、敏感压力(pse)和解吸效率(η)，从而定量评价该煤储层的产气潜力。

依据大佛寺井田参数井4号煤层等温吸附曲线概化出一条4号煤层的代表性等温吸附曲线，如图2所示。结合参数井4号煤层含气量测试和排采数据，得到4号煤层含气量平均为2.87m3/t、储层压力平均为2.73MPa、临界解吸压力平均为1.46MPa、Langmuir体积平均为11.55m3/t、Langmuir压力平均为4.28MPa、含气饱和度平均为67%(表2)。

图2 大佛寺井田4号煤等温吸附曲线

表2 大佛寺井田4号煤储层数据统计表

我国由于没有废弃井的实际废弃压力资料，故煤层气井废弃压力主要参考国外煤层气开发的经验，国外早期煤层气开发中多采用0.67MPa作为废弃压力[19]。目前，我国学者废弃压力取值在0.2～1.0MPa之间，常用值为 0.7MPa[20]。由于低煤阶储层相对中高煤阶储层废弃压力偏低，本次废弃压力取0.2～0.7MPa。当废弃压力从0.7MPa降到0.2MPa时，依据式(1)—式(3)计算得到大佛寺井田4号煤层临储压差为1.27MPa、临废压差为0.76～1.26MPa、有效解吸量为1.25～2.35m3/t(表3)。

表3 4号煤不同废弃压力条件有效解吸量计算结果统计表

计算结果显示，4号煤层产气之前需要降压 1.27MPa，粗略换算成液柱高度大概127m，井筒内液面下降127m开始产气，说明排采后很快就会见气。当废弃压力从0.7MPa降到0.2MPa时，4号煤层临废压差为0.76～1.26MPa，说明产气阶段的压降空间相对较小；有效解吸量为1.25～2.35 m3/t，显示每吨煤岩中可采出的煤层气量相对较少。用有效解吸量与含气量计算得到理论采收率为43.6%～81.9%。

依据式(4)求取不同废弃压力下的解吸效率。在0.2～0.7MPa废弃压力范围内的最大解吸效率为1.99～2.46m3/(t·MPa)，见表4。

表4 4号煤不同废弃压力条件解吸效率表

同时，依据式(5)—式(7)，分别计算大佛寺井田4号煤储层解吸过程的启动压力、转折压力及敏感压力分别为5.21MPa、2.75MPa、0.08MPa，并划分解吸阶段(图3)。由于4号煤层原始储层压力(2.73MPa)和临界解吸压力(1.46MPa)均小于转折压力2.7MPa，且废弃压力(0.2～0.7MPa)大于敏感压力0.08MPa，故4号煤层实际排采过程中只会经历快速解吸阶段，表明解吸效率高。

图3 大佛寺井田4号煤解吸阶段划分图

众所周知，低煤阶煤储层具有煤层厚度大、煤层储层物性好(渗透性高)、含气性低、含气饱和度高等特点[21]。大佛寺井田4号煤层具有典型的低阶煤特征，其平均厚度11.65m，渗透率平均为 3.86×10-3μm2，含气量平均为2.87m3/t，含气饱和度为67%。故相对于中高煤阶煤储层，大佛寺井田4号煤层临储压差(1.27MPa)、临废压差(0.76～1.26MPa)和有效解吸量(1.25～2.35m3/t)均相对较小，这是由于低煤阶储层本身含气量低造成的。但4号煤层厚度大、渗透性好，实际排采过程中处于快速解吸阶段，解吸效率高，压降漏斗扩展较远，产气控制范围大，理论采收率(43.6%～81.9%)较高，说明具备较好的产气潜力。下面笔者运用煤层气数值模拟软件对大佛寺井田4号煤层抽采潜力进行进一步评价。

3 产能数值模拟

采用煤层气数值模拟CBM-SIM软件，对大佛寺井田4号煤层抽采潜力进行预测。结果显示(表5、图4)，抽采10a累计产气量为212.01×104m3，平均日产气量达642.46m3；抽采5a累计产气量为153.50×104m3，平均日产气量达965m3，达到工业气流煤层气井日产800m3的标准。说明4号煤层具有形成工业气流煤层气井的产气潜力。抽采数值模拟采用4号煤层参数见表6。

表5 大佛寺井田4号煤层产气量预测数据表

图4 大佛寺井田4号煤层产气量预测图

表6 大佛寺井田4号煤层产气量预测参数表

4 排采实践

DFS-132井是大佛寺井田一口参数+生产直井，4号煤是目标产层，埋深489.01m，厚度11.30m。排采曲线如图5所示。

图5 DFS-132井排采曲线

DFS-132井实际排采过程中，当该井开始排采，液面缓慢下降，储层压力随之降低，由于临储压差较小(1.0MPa)，产气之前需要排水降压的幅度小，粗略换算成液柱高度大概100m，该井排采至第30d开始产气，每天降压幅度约为0.033MPa，降压幅度缓慢，使压降漏斗得到稳定扩展；开始产气后，该井产气处于快速解吸阶段，解吸效率高。虽然该井其临废压差(0.35～0.85MPa)和有效解吸量(0.66～1.81m3/t)较小，产气阶段的压降空间相对较小，且每吨煤岩中可采出的煤层气量较少。但该井4号煤厚度大、渗透性好，压降漏斗扩展较远，产气影响范围大，排采至第239d，日产气量达到最大值1532m3，后稳定至850m3/d左右。

依据煤层气资源/储量规范(DZ/T 0216—2010)，煤层埋深小于500m，直井平均产量下限标准为500m3/d，故DFS-132井取得较好的产气效果。也从侧面验证了上述4号煤产气潜力定量评价结果的可靠性。

5 结 论

1)依据大佛寺井田参数井4号煤层等温吸附曲线概化出一条4号煤层的代表性等温吸附曲线，计算得到4号煤层的临储压差为1.27MPa、临废压差为0.76～1.26MPa、有效解吸量为1.25～2.35m3/t，最大解吸效率为1.99～ 2.46m3/(t·MPa)。相对于中高煤阶煤储层都偏低，这是由于低煤阶储层本身含气量低造成的。

2)大佛寺井田4号煤层虽然临储压差、临废压差和有效解吸量均相对较小，但4号煤层厚度大、渗透性好，实际排采过程中处于快速解吸阶段，解吸效率高，压降漏斗扩展较远，产气控制范围大，计算得到理论采收率较高(43.6%～81.9%)。抽采数值模拟结果显示5年平均日产气量达965m3，具有形成工业气流煤层气井的产气潜力。现场单井排采实践验证了4号煤层产气潜力定量评价结果的可靠性。

3)由于煤阶煤储层具有煤层厚度大、渗透性好、含气性低等特点。综合分析认为应将煤层厚度和渗透率指标纳入低煤阶煤储层定量评价指标体系中。