澳大利亞東部S區塊煤層氣儲層特征及有利區預測

淮銀超 ，張 銘 ，譚玉涵 ，王 鑫

（1.西北大學地質學系，西安710069；2.中國石油勘探開發研究院，北京100083；3.中國石油集團測井有限公司測井應用研究院，西安710077；4.中國石油長慶油田分公司第七采油廠，西安710200）

0 引言

煤層氣是煤巖在演化過程中，在生物、化學等作用下形成并且存儲于煤巖中的非常規天然氣，主要以吸附氣、游離氣以及溶解氣等3種形式存在，其中吸附氣占絕對多數［1-3］。煤層氣所特有的吸附性、非均質性以及雙孔隙結構決定了煤層氣儲層與常規儲層在賦存方式、開發方式等方面存在較大差異［4］，煤層氣儲層特征研究對于煤層氣的開發方案設計、井位布置以及井型選擇均具有指導意義。自從20世紀70年代煤層氣被商業性開發以來，開發的煤層氣多位于中—高煤階中，澳大利亞作為少數將低煤階煤層氣大規模商業化開發的國家，不僅具有十分豐富的煤層氣資源（截至2012年，澳大利亞煤層氣資源量為（8～14）萬億 m3，位居世界第 5位［5-6］），同時煤層氣類型也十分豐富，低、中、高煤階的煤層氣均有分布。開發成本低、開發技術相對成熟、距離周邊消費市場近等特點使得澳大利亞S區塊的低煤階煤層氣最具代表性，具有很好的開發前景，但是缺乏煤層氣儲層特征的系統性研究。基于此，以澳大利亞S區塊的鉆井、測井以及實驗室分析化驗等資料為基礎，通過研究煤層分布、煤質特征、儲層物性、含氣性以及保存條件等儲層特征，利用多層次模糊模型，對研究區進行處理，以期預測研究區的煤層氣有利開發區，并為具有相同特征的煤層氣區塊的儲層特征與開發有利區優選研究提供借鑒。

1 區域地質

S區塊位于博文—蘇拉特盆地，該盆地是澳大利亞東部重要的聚煤疊合盆地，位于昆士蘭州東南部和南威爾士州東北部，面積 32萬 km2［6］（圖1），其中蘇拉特盆地不整合于博文盆地三疊系之上，主要發育部分三疊系、侏羅系以及白堊系。蘇拉特盆地早期沉積受控于早侏羅世的被動型熱沉降，主要為河流、湖沼相沉積；中侏羅世除北部為河流沉積外，盆地大部分地區為以低能曲流河沉積為主的成煤沼澤環境，形成本次研究的巨厚Walloon含煤系地層。在侏羅紀之后的構造活動較弱，沒有發生構造破壞運動，使得煤層保存比較完整。S區塊位于蘇拉特盆地東部邊緣，構造相對簡單，為一西傾的單斜構造，傾角小于10°，區塊東部邊界煤層出露地面，屬于煤層剝蝕區，向西南方向煤層埋深增加。研究區滲透率較高，主要采用直井合層開采，開采技術成本較低。

圖1 S區塊位置圖Fig.1 Location of Sblock

2 儲層特征

2.1 煤層發育

澳大利亞東部S區塊含煤地層主要位于中侏羅統Injune Creek群Walloon亞群地層中，主要為湖泊—沼澤相沉積，巖性以砂巖、粉砂巖、泥巖、煤巖為主，含有少量炭質頁巖、凝灰巖，含煤地層厚度為350～400 m，平均為360 m。含煤地層分為上、下兩部分，中間被一套穩定的砂巖分割，1，2，3和4號煤層組位于上部地層中，5和6號煤層組位于下部地層中，各煤層組內部存在3～4個單煤層。S區塊的地震、測井資料均表明，研究區的煤層構造表現為西傾單斜，煤層東北部、東部的構造均較高，部分煤層出露地面而被剝蝕掉，西部煤層的構造較低，形成洼陷。煤層海拔為-440～-250 m，埋藏深度不超過800 m，平均埋藏深度僅為353 m，與周邊區塊相比，研究區煤層埋藏深度均處于較淺部位。

作為煤層氣的載體，煤層的分布特征在一定程度上決定著煤層氣的分布特征，煤層只有達到一定的厚度與規模才能夠作為煤層氣的有效載體［7-8］。S區塊為低煤階煤層氣區塊，其開發經驗表明，當單煤層厚度超過1 m，累計厚度超過5 m的煤層即可作為有效儲層。S區塊的煤層組厚度普遍為3～4 m，累計厚度可以達到25 m，同時在研究區內部橫向上連續發育，厚度變化較小，可追蹤性強，為煤層氣富集奠定了物質基礎。

2.2 煤質特征

鏡質體反射率（Ro）是反映煤巖演化程度的重要參數之一，研究區內煤巖鏡質體反射率為0.3%～0.7%，平均為0.6%，屬于典型低煤階煤。煤巖宏觀特征在一定程度上決定著煤層的生氣潛力［9-10］，研究區內煤巖宏觀類型單一，主要呈原生均一狀結構，以具有絲卷、玻璃光澤，呈現黑色、黑灰色以及黑褐色的亮煤和半亮煤為主（圖2），含有少量呈條帶狀或透鏡狀分布的絲炭和暗煤條帶，煤巖斷口多呈貝殼狀分布。

圖2 S區塊煤巖宏觀特征（a）煤巖呈玻璃光澤，端割理和面割理發育，裂隙中可見條帶狀的暗煤帶，2號煤層組，煤巖取心；（b）煤巖成絲絹光澤，斷口呈貝殼狀，見有絲炭條帶，3號煤層組，煤巖取心；（c）煤巖的面割理和端割理不發育，玻璃光澤，局部發育暗煤條帶，6號煤層組，煤巖取心Fig.2 Macroscopic characteristicsof coal in Sblock

煤巖的顯微組分構成是煤層生氣潛力的重要決定性因素之一，通過對研究區18塊煤巖樣品的光學顯微鏡觀察，確定煤巖的顯微組分分布圖（圖3）。其中，鏡質組含量最高，體積分數為34.0%～71.0%，平均50.8%，鏡質組的顯微亞組以均質鏡質體、基質鏡質體和團塊鏡質體為主。殼質組含量為次，體積分數為13.2%～36.1%，平均為25.0%，主要由木栓質體、孢粉體、樹質體以及角質體等4種亞組分組成，其中木栓質體含量最高，體積分數為23.7%；惰質組含量在3種有機質類型中最少，體積分數不足5%。礦物組分體積分數為10.3%～52.7%，平均為24.0%，礦物組分主要為黏土礦物、方解石以及黃鐵礦，方解石和黃鐵礦主要充填于生物體腔、煤巖割理以及裂縫中，黏土礦物則以灰分形式存在于煤中。

圖3 S區塊煤巖顯微組分特征Fig.3 Characteristics of micro-components for coal in Sblock

作為煤巖煤質特征評價指標的工業組分，不僅影響到含氣量的分布，同時在一定程度上決定著煤層氣的開發方式。研究區煤巖的工業組分與含氣量如表1所列，各煤層組之間十分接近，固定炭質量分數為0.4%～56.8%，平均為30.35%，水分質量分數為2.0%～13.1%，平均為6.88%，揮發分質量分數為5.1%～49.6%，平均為35.17%，灰分質量分數為3.9%～88.6%，平均為27.53%，工業組分分析結果表明，研究區煤巖屬于中—高灰分，高揮發分的低煤階長焰煤。

煤層的煤質特征表明，研究區內的煤巖為中—高灰分含量的長焰煤，煤巖宏觀類型以亮煤、半亮煤為主，顯微組分則以鏡質組為主。良好的煤質特征決定了煤巖具有良好的生氣潛力。

表1 S區塊煤巖的工業組分與含氣量Table 1 Industrial composition and gas content of coal in Sblock

2.3 物性參數

2.3.1 孔隙度

作為煤層氣的載體，煤巖不僅要扮演烴源巖的角色，同時又要作為煤層氣儲層［3］。與常規儲層不同，煤巖不僅存在雙孔隙結構，同時還發育自身所特有的裂隙系統［11-12］。S區塊的煤層氣賦存空間為基質孔隙度與裂隙，其中基質孔隙類型主要有2種，分別為大孔（＞50 nm）和中孔（2～50 nm），二者體積之和占總孔隙體積的95%以上，大孔與中孔主要來自于割理、裂縫以及鏡質組內部的孔隙，同時含有少量的微孔，微孔內氣體流動能力非常差，無法作為有效的流動通道，對孔隙度貢獻有限。

煤巖的壓汞實驗確定煤層氣儲層孔隙度為11.5%～20.3%，平均為17.2%，屬于高孔隙度煤層氣儲層，高孔隙度有利于煤層氣的流動和開采，卻降低了煤層的比表面積，不利于煤層氣的吸附。

裂隙不僅是煤層氣的主要滲流通道，同時決定著煤層滲透率的大小。煤巖裂隙系統劃分為內生裂隙、外生裂隙和繼承性裂隙，其中內生裂隙是內張力作用的結果，外生裂隙是構造應力作用的結果，繼承性裂隙是割理后期改造的結果［13］。研究區內的煤巖主要發育內生裂隙和外生裂隙，其中內生裂隙即割理，外生裂隙中主要包括不同宏觀煤巖內部的微裂縫網絡，另外還發育由斷層、采礦誘發的裂縫等。不同類型的裂隙對于整個裂隙系統的貢獻不一樣，研究區內割理對于裂隙系統的貢獻最大，外生裂隙貢獻相對較小，其中面割理多平行于傾向，呈北東—南西向展布，端割理則與走向一致，呈北西—南東向。為了研究方便，依據割理的發育特征將研究區割理分為面割理、端割理以及其他類型割理3種（表2）。研究區的面割理與端割理多被方解石或黏土礦物填充，充填物為呈薄膜狀分布的黏土礦物與方解石，在裂隙充填物中，方解石所占比例最高。良好的裂隙發育特征不僅為氣體提供滲流通道，也極大地提高了煤巖的滲透率。

表2 S區塊煤巖裂隙發育統計Table 2 Statistics of cracks developed in coal in Sblock

2.3.2 滲透率

煤層氣儲層的滲透率主要由割理決定，同時受到割理系統各向異性影響，通常在沿著面割理的發育方向滲透率較大［14-15］。除了割理之外，煤巖中由于構造活動形成的裂縫系統也可以增大滲透率。總的來講，煤巖的割理系統和裂縫系統共同決定了煤巖滲透率。研究區具有以中孔和大孔為主的孔隙結構，同時研究區應力較弱以及割理與各種小裂縫發育使得研究區煤層氣儲層具有較高的滲透率，S區塊的25口井的DST測試結果表明，滲透率為0.1～789.6 mD，平均為399.85 mD，說明研究區滲透率較高，為煤層氣的開發奠定了滲流基礎。

2.4 含氣性

2.4.1 含氣量

含氣性是煤層氣儲層研究的基礎，在資源量評價以及開發有利區優選的過程中均具有決定性作用［16］。依據測定方式的不同，分為解吸氣、散溢氣以及殘余氣［17］。根據研究區內煤層含氣量實驗室測定結果，結合測井、鉆孔等資料確定含氣量平面分布（圖4），1號和2號煤層組由于埋藏深度較淺，東北部的部分地區處于瓦斯風化帶，導致煤層氣散失，其余煤層組含氣性則在研究區內呈連續性分布。1號煤層組的含氣質量體積為0～2.1 m3/t，平均為1.83 m3/t，2號煤層組的含氣質量體積為0～2.5 m3/t，平均為2.25 m3/t，3號煤層組的含氣質量體積為0～3.2 m3/t，平均為3.08 m3/t，4號煤層組的含氣質量體積為1.8～3.8 m3/t，平均為3.51 m3/t，5號煤層組的含氣質量體積為2～4 m3/t，平均為3.71 m3/t，6號煤層組的含氣質量體積為1.2～4.4 m3/t，平均為3.82 m3/t。研究區平均含氣質量體積為3.65 m3/t，雖然與其他中—高煤階煤層氣相比，研究區煤層的含氣量不高，但是與相同演化程度的煤巖相比，研究區煤巖具有較高的含氣量。

無論是縱向上煤層組之間，還是橫向上煤層組內部，研究區內含氣量分布圖與煤層構造具有很好的一致性，隨著煤層埋藏深度的增加，含氣量不斷增加。含氣量分布特征與煤層的構造特征相吻合，即整個研究區的含氣量整體上表現為北東—東高、西—南西低的特征，含氣量分布特征為區塊開發有利區優選奠定了數據基礎。

圖4 S區塊不同煤層組含氣量平面分布Fig.4 Distribution of gascontent in different coal measuresin Sblock

2.4.2 等溫吸附

煤的等溫吸附曲線是含氣量模擬、飽和度計算以及地質儲量核算的基礎數據［18］。蘭氏體積反映了煤的最大吸附能力，蘭氏體積值越高，反映出對煤層氣中甲烷的吸附能力越強，蘭氏壓力反映煤層氣解吸的難易程度，蘭氏體積值越高，吸附態氣體脫吸附越容易，越有利于煤層氣的開發［19］。確定研究區的蘭氏體積為15.64～17.72 m3/t，蘭氏壓力為5.51～5.42 MPa（圖5），說明研究區煤巖具有較強的吸附能力，同時解吸難度也不高。與此同時，隨著埋藏深度的增加，煤層對于甲烷的吸附能力不斷增加（蘭氏體積升高），甲烷的解吸難度反而降低（蘭氏壓力升高）。

圖5 S區塊AA井煤層等溫吸附曲線Fig.5 Adsorption isotherm of coal in well AA in Sblock

2.5 水文地質

良好的水文地質條件，不僅可以阻止煤層氣的側向運移，起到側向封堵煤層氣的作用，形成承壓水封堵型煤層氣藏［3，20］。同時封閉的地下水系統可以降低煤層氣開發中的排水成本。因而水文地質條件對于煤層氣保存具有重要意義。

區內水樣分析化驗表明，煤層頂部和底部均存在承壓含水層，這些含水層內部存在明顯的地下水流動，承壓水層與含煤地層之間存在大段連續的泥巖，能夠有效地阻止含水層與含煤地層的地下水流動，形成對于煤層縱向上的封堵。煤組內部雖然形成孔隙-裂縫混合的砂巖含水層，但是各內部含水層之間不連續，依然無法實現煤層組內部地下水的自然流動，在一定程度上實現了地下水對煤層氣的側向封堵。含煤地層與承壓含水層無水體流動，煤層組內部的含水層的不連續性對于煤層氣起到分隔與縱向封堵作用，有利于低煤階煤層氣的保存。

2.6 蓋層

煤層氣儲層的蓋層分為頂板和底板，其巖性對于防止煤層氣散失具有重要的意義［21］。測井與鉆孔錄井資料均表明，S區塊的地層除煤層以外的主要巖性為砂巖、粉砂巖以及泥巖，煤巖直接頂板、底板巖性主要為灰色、深灰色泥巖、炭質頁巖，厚度在6 m以上，局部最大厚度可以達到20 m，該泥巖具有較高的突破壓力，能夠很好地封閉煤層氣，防止散失，有利于低煤階煤層氣的保存。

2.7 溫度與壓力

溫度、壓力均與吸附氣含量密切相關，其中壓力與含氣量呈正相關性，隨著壓力的增大，含氣量呈指數升高；溫度與壓力呈負相關性，隨著溫度的升高，煤層含氣量逐漸降低。煤層氣儲層的壓力與溫度測試結果表明，澳大利亞東部S區塊壓力系數處于正常的壓力系數范圍內，為1.5～5.5 MPa，隨著煤層埋藏深度增加，研究區煤層氣儲層壓力呈線性增加。溫度亦處于正常范圍，為25～55℃，隨著煤層埋藏深度增加，區內煤層氣儲層溫度呈線性增加。正常且穩定的溫度、壓力系統保證了煤層氣的富集和保存。

3 開發有利區預測

開發有利區優選可以有效地節約煤層氣開發成本，提高煤層氣開發效率，是煤層氣開發中最常用的手段之一。相比于常規儲層，煤層氣儲層開發有利區優選的影響參數更多，而且儲層參數之間的關系錯綜復雜，各儲層參數對開發有利區優選的影響程度也不一樣［22-23］。準確的儲層參數的選擇以及對應的權重系數計算是開發有利區優選的根本。①利用已生產井，選擇煤層氣產量的儲層參數作為產氣量的主控參數；②構建主控參數的多層次模糊評價模型，計算不同主控參數對于產氣量的權重系數；③結合煤層氣主控因素的分布特征構建開發效果評價參數，確定開發效果評價參數截止值，獲得主控參數的評價指標權重系數，實現區塊的開發有利區劃分。

研究區內的煤層氣屬于典型的低煤階煤層氣，具有煤層夾矸少、滲透率高、煤組埋深間距小等特征。在實際生產中，多采用直井合層開采的方式生產，而含氣量、累計厚度、滲透率、孔隙度、灰分等儲層參數對于產氣量影響較大，被選為含氣量的主控參數。利用多層次模糊評價模型計算出上述主控參數的權重系數，構建低煤階煤層氣開發效果評價參數。在構建產氣量與開發效果評價參數函數關系式的基礎上，結合低煤階煤層氣開發經驗，以3萬m3/d和0.6萬m3/d作為高產區、中產區以及低產區的產氣量門限值，確定不同開發有利區的開發效果評價參數以及主控參數的門限值（表3）。

在主控參數平面展布、權重系數以及主控參數門限值基礎上，劃分研究區為高產區、中產區以及低產區3個部分（圖6）。從圖6可以看出，高產區主要位于研究區西南部、低產區則位于東北部，中產區位于兩者之間。

表3 S區塊開發有利區的優選預測指標Table3 Optimal predictor of thefavorableareasin Sblock

圖6 S區塊開發有利區分布Fig.6 Distribution of favorable areas in Sblock

通過對研究內已開發的井的單井產氣量分析（圖7），可以看出在高產井區，單井的產氣量往往表現為產量的上升期短，穩產期較長，衰減期較短的特點，可以形象地形容為“爬坡快，衰減慢”的特點；中產區的單井產量則主要表現為產量上升期慢，穩定期較長，衰減期較短，穩產期的產氣量小于高產區產氣量；低產區的單井產氣量表現為爬坡速時間長，穩產期長，同時衰減期也長的特點，單井產氣量整體上都低。同時在已經開發的低產區中，位于低產區的單井穩產期產氣量均小于0.6萬m3/d，中產區單井穩產期產氣量主要為0.6～3.0萬m3/d，高產區單井穩產期產氣量通常大于3萬m3/d。從單井的產氣量統計結果上來看，也表明了基于儲層特征研究的主控參數的開發有利區優選的準確性、實用性，為基于地質模型的低煤階煤層氣藏的開發有利區優選奠定了基礎。

圖7 S區塊高產區（a）、中產區（b）和低產區（c）典型井產氣量Fig.7 Production of typical wellsin high yield area（a），middleyield area（b）and low yield area（c）in Sblock

4 結論

（1）澳大利亞東部S區塊煤層屬于典型低煤階煤層氣，含煤地層屬于典型的河流、沼澤相沉積，發育6套煤層組，單層厚度為4～6 m，累計厚度為25 m。煤層構造特征表現為西傾的單斜構造，在東部煤層出露地面而受到剝蝕，西部地區形成構造洼陷。

（2）澳大利亞東部S區塊煤層屬于中—高灰分的長焰煤，宏觀煤質以亮煤—半亮煤為主，主要顯微組分為鏡質組，反映出較好的生氣潛力。孔隙結構主要發育中孔—大孔，孔隙度為17.2%，滲透率為0.1～789.6 mD，良好的儲層物性為煤層氣的流動與開發提供了富集空間與滲流通道。

（3）澳大利亞東部S區塊煤層含氣質量體積為3.65 m3/t，含氣量受構造特征影響，高含氣量區位于西南部，低含氣量區位于東北部。等溫吸附模擬表明研究區煤層具有很強的煤層氣富集能力。煤層良好的水文地質、蓋層、溫度以及壓力特征十分有利于煤層氣的保存與富集。

（4）澳大利亞東部S區塊煤層氣可劃分為高產區、中產區以及低產區。有利開發區的分布特征主要受含氣量、煤層累計厚度以及滲透率控制，高產區位于研究區西南部、低產區則位于東北部，中產區位于兩者之間。