基于等温吸附曲线煤储层评价指标的建立

张云峰

（中海油研究总院，北京 100028）

我国煤层气资源丰富，位居世界第三，共41 个煤层气含气盆地（群），其中煤层气地质资源量大于10 000×108m3的大型含气盆地（群）共10 个，依次为鄂尔多斯、沁水、滇东黔西、准噶尔、天山、川南黔北、塔里木、海拉尔、二连和吐哈盆地（群）。但仅在沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘建成2 个上千亿立方米煤层气产业发展基地，其他煤层气含气盆地勘探开发进展缓慢，仍未取得重大突破。主要原因是我国煤层气地质条件复杂，资源普遍具有低资源丰度、低储层压力、低渗透度、低饱和度和高变质程度的赋存特征[1]。因此，开发新的技术手段和方法，对煤层气区块进行精细化评价，找出甜点区，对于我国煤层气资源的高效勘探开发尤为重要。

煤储层评价是煤层气勘探开发的一项重要而庞杂的工作。评价的主要内容包括煤层的孔裂隙系统、煤储层渗透性、机械力学性质、煤岩煤质特征、含气量，以及吸附和解吸特征等[2]。由于煤层气成藏本身的复杂性和区域差异性，以含气量为主要指标的评价方法不能全面准确反映煤储层的勘探开发潜力，导致评价结果在实际应用中存在很大的不确定性。

等温吸附性是煤层气区别于常规油气的主要特征，也是煤层气勘探开发领域的一项重要研究内容。通常采用朗格缪尔等温吸附方程表征煤储层的等温吸附特性[3]。以往对煤储层等温吸附性的研究主要侧重于吸附实验的影响因素分析、对实际环境条件的模拟，以及吸附机理的验证等[4-6]。此外，也有研究者引入解吸效率和曲率的概念，通过数学计算和推导，在等温吸附曲线上划分出不同的解吸阶段，进行煤层气井产能预测和开发潜力评价[7，8]。然而，这些研究成果在煤储层的评价、预测以及勘探开发选区等方面的应用很少或不够深入。

位于滇东黔西盆地的YW 区块面积81.8 km2，煤层气储量估算为128.05×108m3。因地质构造复杂，历经多年评价和勘探部署，仍未获得高产井。

本文基于前人对煤储层等温吸附实验影响条件和吸附解吸特征等成果认识，引申出几个评价指标，并尝试应用于云南YW 区块的煤储层评价与预测，提高有利区优选的可靠性，为复杂煤层气区块的评价提供一种新思路。

1 评价指标的建立

等温吸附曲线综合反映了煤储层主要煤岩煤质组成和物性特征。朗格缪尔体积和朗格缪尔压力决定了等温吸附曲线形态，而等温吸附曲线的斜率反映了朗格缪尔常数之间的变化关系。实测含气量反映了煤储层的围岩压力条件。基于煤层气的上述主要特征，为方便实际应用，本文从含气量、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力和等温吸附曲线斜率四个参数引申出三个指标：构造煤指数、含气指数和保存压力来定量评价煤储层。

1.1 特征斜率

等温吸附曲线的斜率是度量煤储层吸附和解吸气体快慢的一个指标。由于等温吸附方程二阶导数值恒小于0（式1），因此，任何煤储层吸附气体的能力都随着压力的增大而降低。由于朗格缪尔常数PL是确定等温吸附曲线形态的压力参数，为了方便讨论，本文将等温吸附方程在PL的一阶导数值，定义为等温吸附曲线的特征斜率（CS，characteristic slope）（式2）。

式中：VL－朗格缪尔体积，cm3/g；PL－朗格缪尔压力，MPa。

1.2 构造煤指数

对中阶煤的大量研究认为，煤的变质和变形均会改变煤的分子组成和孔隙结构，从而导致朗格缪尔体积VL的增大和朗格缪尔压力PL的减小[9-16]。因此，煤变质程度和构造变形程度是决定特征斜率大小的两大主要因素。

煤的挥发分是反映煤变质程度的一个较灵敏的指标。随着热演化程度的加深，煤的挥发分随之降低，同时煤的分子组成、结构和孔隙特征也发生改变。因此，对于成煤母质和成煤环境相似的原生结构煤或煤体结构较完整的碎裂煤（分子组成、结构等未受后期构造作用改变），其等温吸附曲线的特征斜率与挥发分应该具有较严格的负相关关系。云南YW 区块9 号煤的回归分析证实了上述推断。原生-碎裂结构煤的特征斜率与挥发分具有较严格的幂函数关系，而碎粒-糜棱结构煤的特征斜率均偏向该回归线的上方（见图1）。

图1 YW 区块9 号煤层构造煤指数分析图

基于上述认识，本文将实测等温吸附曲线特征斜率（用CS2表示）与回归分析计算得到的原生结构煤特征斜率（用CS1表示）的差值定义为煤储层的构造煤指数（TDCI，tectonically deformed coals index）（式3）。构造煤指数越大，煤体结构破坏越严重。

式中：CS1-回归分析计算获取的原生结构煤特征斜率，cm3/（g·MPa）；CS2-实测等温曲线特征斜率，cm3/（g·MPa）。

1.3 含气指数

含气量通常是煤储层评价的一个最重要指标。煤储层特征在评价区内较稳定时，含气量的大小可以较准确指示煤层气富集区。然而，煤岩煤质、热演化和构造变形程度等因素变化较大时，尤其是评价区内煤储层的朗格缪尔体积差异较大时，如果仍然采用含气量的绝对大小进行储层预测，往往造成预测结果的较大偏差。

因此，本文引入含气指数（GBI，gas bearing index）表征煤储层的含气特征，尽可能避免采用含气量进行储层预测时带来的缺陷。即：将煤储层实测含气量（V2）与其等温吸附曲线在转折压力时的吸附量（V1）之比定义为煤储层的含气指数（式4）。

以中高阶煤为例，由于当等温吸附压力达到转折压力时，煤储层吸附气体量占最大吸附量的80%以上[8]。因此，上述含气指数以实测含气量与等温吸附曲线上转折压力吸附量做参照，反映煤储层吸附气体的饱和程度是合适的。

式中：V1-煤储层等温吸附曲线在转折压力时的吸附量，cm3/g；V2-煤储层实测含气量，cm3/g。

1.4 保存压力

煤的含气量是由煤储层本身的吸附特性和围岩的封闭条件共同作用的结果。实测的含气量代表了在地质历史时期该煤层经历的与围岩在温度、含水率和压力等环境条件均衡后，所能保存下来的最大吸附气体量。样品经室内模拟地下条件进行等温吸附实验，绘制的等温吸附曲线，可看作一种地质压力计。为方便讨论，本文将实测含气量在模拟地下储层温度和含水率等条件下的等温吸附曲线上读取的压力值定义为煤层气的保存压力（PP，preserval pressure）。如果忽略温度和含水率等条件在区域上的差异，保存压力越高，煤层气保存条件越好。

2 应用实例

2.1 区块简介与评价参数计算

YW 区块位于云南省东部的云贵接壤地带，跨曲靖市麒麟区、富源县境内，面积81.8 km2。构造上位于老厂背斜南东翼，区内次级褶皱构造不发育，为一些宽缓、不太明显的向、背斜或波状起伏。该区块历经多年煤层气勘探开发，累计施工9 口参数井，获取了较全面的煤层气地质资料。虽经多轮煤层气评价，但实际钻探均没有取得突破，产气量仅50～300 m3/d。

上二叠统龙潭组为区内主要含煤岩系，属海陆交互相沉积。主要可采煤层8 层，平均可采总厚为16～18 m。其中9 号煤层位于龙潭组中上部，全区稳定分布，为主要可采煤层，一般厚度0.75～7.53 m，平均2.59 m，埋深550～1 200 m。其宏观煤岩特征为半亮煤、亮煤。煤体结构主要为碎裂结构，镜质体反射率Ro 分布在2.76%～3.37%，属高煤级煤（见表1）。实测含气量为3.11～14.63 cm3/g，平均9.70 cm3/g。等温吸附常数及评价参数计算结果（见表2）。

表1 9 号煤层主要煤岩煤质特征

2.2 含气性评价

分别做该区块的含气量、含气指数和保存压力等值线图（见图2、图3 和图4）。由含气量等值线图表明，中部含气量最高，达14.63 cm3/g，向北东方向含气量呈连续增大趋势。但图3 含气指数指示的高值区与含气量高值区并不完全重合，而是沿NE-SW 向呈低-高-较低形态排列，比图2 含气量等值线图预测的高含气量区大大缩小。图4 所示的该区的煤层气保存压力高值区位于中部，与图3 含气指数等值线图的形态基本吻合。因此，9 号煤层富集区位于该区块中部。

图2 9 号煤层含气量

图3 9 号煤层含气指数

图4 9 号煤层保存压力

2.3 煤体结构评价

煤储层是煤层气的存储和运移介质。煤体结构是煤层气开发阶段储层评价的一个重要指标。对于中高煤级煤，原生煤体结构致密且层理和割理多为胶结闭合状态，通常并不利于煤层气的富集、解吸、运移；构造煤中的碎裂结构煤裂隙发育、张开度和连通性较好，其含气储层是煤层气开发的有利区；但随着煤体结构破坏加重（如碎粒、糜棱结构），煤体中的糜棱质也随之增加，常常充填孔隙、堵塞通道，形成隔水隔气层，反而不利于开发。

图3 所示，该区的构造煤指数等值线整体呈NESW 走向分布，东南高，西北低，且中部向北凸起。构造煤指数计算结果（见表2）与宏观煤岩描述（见表1）对比分析表明，该煤层构造煤指数与煤体结构具有下述对应关系（见图5）：（1）0～0.3 为原生-碎裂结构；（2）0.3～1.88 为碎粒结构；（3）>1.88 为糜棱结构。根据上述标准，可将该区煤体结构沿SE-NW 向进行分区，分别为：原生-碎裂结构区，碎粒结构区和糜棱结构区。

表2 9 号煤层等温吸附常数及评价参数

图5 9 号煤层构造煤指数

3 结论与讨论

（1）本文主要以等温吸附曲线为纽带，引申出煤储层评价的三个指标－含气指数、构造煤指数和保存压力。该三个指标既涵盖了煤层气主要成藏要素：流体、煤储层介质和围岩条件，又反映了三者之间内在联系，更符合煤层气储集和运移规律。

含气指数反映了含气量与煤储层介质本身容量之间的关系，比单纯的含气量指标更能反映煤层气开发潜力，对煤层气的勘探开发更具指导意义。当区域煤岩煤质特征稳定、构造煤不发育时，由于朗格缪尔体积相差不大，含气量能较准确反映煤层气勘探开发有利区。但当区域煤岩煤质特征变化较大、构造破坏相对严重时，尤其是碎粒和糜棱煤发育区域，尽管其含气量比原生结构煤含气量大，由于其朗格缪尔体积增大，实际可采出体积并未成比例增加，造成有利区预测结果与实际开发情况较大的偏差。含气指数就避免了这种缺陷。

构造煤指数从煤的分子组成和排列结构等微观层面将煤的热演化程度引起的等温吸附特征变化与构造运动引起的等温吸附特征变化相区分，并实现了对煤体结构的定量评价，结果更加精细适用，可为井位部署提供更加可靠的参考指标。

模拟地下环境条件绘制的等温吸附曲线可作为一种地质压力计。由实测含气量在该曲线上读取的压力值，本文定义为保存压力，记录了煤储层在地质历史时期所经历的最小外部围岩环境压力条件，从而与现今煤储层所处地层压力相对应。保存压力值的大小，直接反映了煤储层的保存条件。

（2）采用本文提出的煤储层评价指标对云南YW区块9 号煤层评价，确定了较有利区位于区块中北部。虽然中南部储层含气指数也较高，但由于其煤体结构主要为碎粒煤，并不利于施工和后期的排采降压。因此，该区块9 号煤层有利勘探区非常有限。