基于三維地質(zhì)建模的煤層氣井產(chǎn)能特征分析

李 勇，姜在炳，劉鈺輝，3

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

地質(zhì)建模最早應(yīng)用于常規(guī)油氣儲層，通過對儲層進行地質(zhì)建模和模型數(shù)值模擬，進而對油藏進行油藏評價和油藏管理，而對于煤儲層而言，煤儲層地質(zhì)建模方面明顯滯后于礦場生產(chǎn)，甚至在這方面是一項空白[1]。煤體結(jié)構(gòu)的研究對煤層氣富集和開采具有重要的意義[2-3]，特別是構(gòu)造煤的含量對煤層氣井的產(chǎn)量有顯著影響[4]。國內(nèi)外很多學(xué)者對煤體結(jié)構(gòu)和煤層氣井產(chǎn)能研究，大多基于單井點的煤體結(jié)構(gòu)分布情況及其對產(chǎn)能的影響[4-12]。對于井間和整體不同煤體結(jié)構(gòu)三維空間分布及不同煤體結(jié)構(gòu)分布區(qū)煤層氣井產(chǎn)能特征的研究還有待深入。寺河井田自20 世紀(jì)90 年代開始地面煤層氣排采，至今區(qū)內(nèi)已施工地面煤層氣排采井千余口，是我國首個實現(xiàn)煤層氣地面規(guī)模性商業(yè)開發(fā)的地區(qū)。目前根據(jù)寺河西區(qū)井田生產(chǎn)情況來看，發(fā)現(xiàn)地面煤層氣井整體產(chǎn)氣效果突出，但井田內(nèi)煤層氣井產(chǎn)能分布區(qū)域差異性大[13]。因此基于三維地質(zhì)建模軟件，借鑒油氣儲層三維地質(zhì)建模方法，建立煤層宏觀模型和煤體結(jié)構(gòu)分布三維模型，開展寺河西區(qū)煤體結(jié)構(gòu)三維空間分布規(guī)律與單采3 號煤層的氣井產(chǎn)能分布特征的研究，并據(jù)此為本區(qū)煤層氣井下一步增產(chǎn)改造提供參考。

1 目標(biāo)區(qū)地質(zhì)特征

寺河井田位于沁水煤田東南部，處于沁水復(fù)式向斜南段軸部附近，其中可采和局部可采煤層3 層（3 號，9 號，15 號）；此次研究的目標(biāo)區(qū)域為寺河井田西區(qū)3 號煤層，3 號煤層具有煤層穩(wěn)定、埋藏深度小、含氣量較高和滲透率高等特征，總體構(gòu)造為單斜構(gòu)造，走向 NNE，傾向 NWW，傾角 3°～15°，發(fā)育一系列近SN-NNE 向的次級緩波狀褶曲，斷層主要有一些小型的層間斷層以及陷落柱，屬地質(zhì)構(gòu)造簡單類。

2 煤體結(jié)構(gòu)三維建模

三維地質(zhì)建模是儲層表征的最高層次，是建立儲層特征三維分布的數(shù)字化模型[14]。一般的油氣藏三維地質(zhì)建模步驟可分為構(gòu)造建模和屬性建模2步，構(gòu)造模型是屬性建模的基礎(chǔ)，在進行屬性參數(shù)建模前要進行相建模[15]（沉積相建模或巖相建模）。而相對于煤儲層而言，考慮到煤儲層屬性參數(shù)諸如滲透率、孔隙度的獲取與砂巖油氣藏有較大區(qū)別，所以煤儲層的相控建模思路不能完全照搬油氣藏的相控建模，馬平華等提出了分宏觀煤巖類型的煤儲層建模思路[1]，為煤儲層的三維地質(zhì)建模提供了一種可行的方法。但受制于研究區(qū)域范圍內(nèi)煤巖類型變化不大，煤巖類型數(shù)據(jù)獲取困難等問題，因此決定采用分不同煤體結(jié)構(gòu)煤進行屬性參數(shù)建模的相控建模思路，通過測井信息解釋各單井縱向上煤體結(jié)構(gòu)的分布，按照煤體結(jié)構(gòu)煤的分類：完整結(jié)構(gòu)煤I、塊狀結(jié)構(gòu)煤II，碎裂結(jié)構(gòu)煤III，碎粒結(jié)構(gòu)煤IV，糜棱結(jié)構(gòu)煤V 和夾矸VI 設(shè)置6 種類型，并建立煤儲層宏觀空間分布模型和煤體結(jié)構(gòu)三維分布模型。

2.1 煤儲層宏觀空間分布模型

研究區(qū)3 號煤儲層宏觀空間分布模型的建立可分為斷層模型、煤層模型2 部分。寺河西區(qū)斷層較少，且多為小斷層，利用剖面和構(gòu)造圖數(shù)據(jù)，生成斷層 DF9、F2302X-3、FW2302X-2 和 FW23032-2 模型，斷層模型如圖1。

圖1 斷層模型Fig.1 Fault model

統(tǒng)計218 口井3 號煤層的頂?shù)装迳疃葦?shù)據(jù)，寺河西區(qū)3 號煤儲層煤層埋深呈現(xiàn)南部和東部淺，西北部深的趨勢，埋深范圍270～690 m，煤厚5.0～7.65 m，平均煤厚6.2 m，煤厚空間變化不大，因此采用光滑插值法生成煤層三維模型，煤層厚度模型如圖 2；在網(wǎng)格劃分時，由于煤體結(jié)構(gòu)垂向分層較多，有的厚度最薄達到0.15 m，為了達到真實反映煤體結(jié)構(gòu)的情況，垂向上劃分40 個網(wǎng)格，平面上以26 m 的步長，最后選用 250×145×40 共 1 450 000 的網(wǎng)格數(shù)量剖分模型。

圖2 煤層厚度模型Fig.2 Coal seam model

2.2 煤體結(jié)構(gòu)三維分布模型建立及分布規(guī)律

根據(jù)寺河井田煤體結(jié)構(gòu)測井響應(yīng)值分布范圍，定量解釋了寺河西區(qū)13 口煤層氣井的煤體結(jié)構(gòu)分布情況。寺河礦區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)類型的測井響應(yīng)值范圍見表1[8]。

煤體結(jié)構(gòu)屬于離散變量，分布具有空間隨機性，序貫指示模擬既可用于離散的類型變量，又可用于離散化的連續(xù)變量類別的隨機模擬，它通過對每個網(wǎng)格的累積條件概率分布函數(shù)的隨機抽樣，從而得到研究區(qū)內(nèi)離散類型變量的1 個隨機實現(xiàn)，因此選用基于像元的序貫指示模擬方法，來實現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)的三維建模，研究煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。

表1 寺河礦區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)類型的測井響應(yīng)值范圍Table 1 Logging response range of different coal body structure types in Sihe mining area

煤體結(jié)構(gòu)三維模型如圖3。從全局含量來看，研究區(qū)內(nèi)3 號煤層主要發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤（完整結(jié)構(gòu)煤占 47.90%，塊狀結(jié)構(gòu)煤占 32.80%），含少量碎裂結(jié)構(gòu)煤（18.20%），基本不含碎粒煤和糜棱煤，局部發(fā)育有夾矸，而且單井碎裂煤最多含量不超過30%。

圖3 煤體結(jié)構(gòu)三維模型Fig.3 Three-dimensional model of coal structure

原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤分布特征如圖4。

從圖3、圖4 可知，平面上原生結(jié)構(gòu)煤基本上全局發(fā)育，碎裂煤分布非均質(zhì)性較強，以A、B、C 3 個區(qū)域考察煤體結(jié)構(gòu)分布，碎裂煤在C 區(qū)含量最高普遍大于16%，中心最高含量達到28%，并以環(huán)狀向A區(qū)和B 區(qū)逐漸減少，B 區(qū)碎裂煤含量在16%～20%之間，A 區(qū)碎裂煤含量大部分＜16%，較B 區(qū)和C 區(qū)最少。碎裂煤在垂向上主要分布于煤層的上部，煤體結(jié)構(gòu)垂向分布特征如圖5，以剖面A-A’為例，井YH082 與YH086 之間碎裂煤較為發(fā)育，并以此為中心分別向東西兩側(cè)碎裂煤含量逐漸減少并有向淺層發(fā)育的趨勢。與本地區(qū)關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)的研究成果對比[7-8]，煤體結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律基本一致，證明了模型的可靠性。

圖4 原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤分布特征Fig.4 Distribution characteristics of primary structure coal and structure coal

圖5 煤體結(jié)構(gòu)垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of coal structure

3 煤層氣產(chǎn)能時空分布特征

寺河井田煤層氣井產(chǎn)能分布區(qū)域差異性大[13]，整體產(chǎn)氣量東區(qū)好于西區(qū)。目前寺河井田內(nèi)開發(fā)的煤層氣井已達千余口，根據(jù)開發(fā)的煤層可分為單采3 號煤、9+15 號合采和3+9+15 號煤層合采等，統(tǒng)計了西區(qū)西二西三盤區(qū)138 口單采3 號煤層的煤層氣井產(chǎn)量數(shù)據(jù)，時間跨度為2007 年至2017 年。

為分析煤層氣井生命周期內(nèi)產(chǎn)量的時間變化，以時間節(jié)點1 年、3 年、3 年至10 年，分別統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)煤層氣井的日平均產(chǎn)氣量，煤層氣井產(chǎn)能變化趨勢如圖6。

排采1 年后138 口井的平均日產(chǎn)氣量為4.6～5 821.8 m3/d，平均 2 183.8 m3/d；排采 3 年后 138 口井的平均日產(chǎn)量 135.6～9 805.7 m3/d，平均 3 023.8 m3/d；排采大于 3 年的平均日產(chǎn)氣量 499.8～8 286.3 m3/d，平均為3 003.0 m3/d。可見研究區(qū)內(nèi)總體產(chǎn)氣量較好，但不同區(qū)域，不僅產(chǎn)氣量大小差異較大而且隨時間產(chǎn)氣量變化趨勢不同。

對比不同排采時間煤層氣井產(chǎn)能空間分布圖來看，研究區(qū)煤層氣產(chǎn)能可分為3 個區(qū)域，西二盤區(qū)A、西三盤區(qū)B 和西二西三盤區(qū)接觸區(qū)域C，排采3年至10 年時各區(qū)域平均日產(chǎn)氣量為A＞B＞C，產(chǎn)能分區(qū)統(tǒng)計見表2。

表2 產(chǎn)能分區(qū)統(tǒng)計Table 2 Statistical of gas production in different zones

A 區(qū)以 SHx190、SHx142、SHx116、SHx129 和SHx256 為中心連成的一個較大的高產(chǎn)區(qū)域，區(qū)域中心最大平均日產(chǎn)氣量達到8 286 m3/d，而且隨著排采時間延長可以發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的煤層氣井產(chǎn)氣量持續(xù)性較好；而在A 區(qū)南部，東北部及高產(chǎn)區(qū)域的周圍產(chǎn)氣量相對較低，平均在3 000 m3/d 以下。B 區(qū)以YH026 和YH023 為中心連成1 個高產(chǎn)區(qū)域，區(qū)域中心最大平均日產(chǎn)氣量為 5 500 m3/d，B 區(qū)的東部和南部產(chǎn)氣量相對較低。C 區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣量排采早期上升較快，以YH058 和YH096 為中心排采1 年左右即達到產(chǎn)量峰值，中心平均日產(chǎn)氣量達5 002 m3/d，但隨著排采時間延長，產(chǎn)量逐漸下降，綜合分析本區(qū)產(chǎn)氣井的排采曲線后發(fā)現(xiàn)本區(qū)域分布較多產(chǎn)量衰減型[16]煤層氣井。

4 煤體結(jié)構(gòu)對產(chǎn)能分布的影響

對比圖4 與圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在A、B 和C 區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)與煤層氣井產(chǎn)能相關(guān)性較強，具體表現(xiàn)煤層氣井平均日產(chǎn)量和產(chǎn)氣時間，與原生結(jié)構(gòu)煤含量趨勢相同。例如從C 區(qū)到B 區(qū)到A 區(qū)，平均日產(chǎn)氣量為1 802、2 860、3 311 m3，產(chǎn)量逐漸增大而原生結(jié)構(gòu)煤含量逐漸增加，構(gòu)造煤含量減少。A 區(qū)和B 區(qū)的煤層氣井產(chǎn)能的衰減的也較慢，一些井排采10 年后依然可以達到日產(chǎn)2 000 m3以上。而碎裂結(jié)構(gòu)煤較發(fā)育的C 區(qū)，多分布一些產(chǎn)能衰減型煤層氣井，早期產(chǎn)氣量較好，但衰減較快。說明寺河地區(qū)3 號煤層原生結(jié)構(gòu)煤是煤層氣產(chǎn)氣量的主控煤體結(jié)構(gòu)，原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育的地區(qū)產(chǎn)氣量高，產(chǎn)能衰減慢；碎裂煤含量對煤層氣井前期產(chǎn)氣量有較大貢獻，但隨著排采時間延長煤層氣井的產(chǎn)量下降較快。

可能的原因是得益于寺河3 號煤層得天獨厚的儲層條件，所以整體寺河3 號煤層產(chǎn)氣量較好。一般而言，雖然碎裂結(jié)構(gòu)煤其構(gòu)造裂隙、外生裂隙、微裂隙、割理等都較為發(fā)育，但是對應(yīng)力較為敏感，不合理的排采制度很容易造成其儲層破壞和煤粉產(chǎn)出堵塞滲流通道，影響其產(chǎn)能持續(xù)時間，過早衰竭。而原生結(jié)構(gòu)煤主要發(fā)育內(nèi)生裂隙，水力壓裂后將溝通人工裂縫和內(nèi)生裂隙，從而提高煤層的滲透率，但是由于原生結(jié)構(gòu)煤具有較大的機械強度，它的壓敏性較碎裂煤等構(gòu)造煤不敏感。因此在進行降壓過程中，原生結(jié)構(gòu)煤中的內(nèi)生裂隙和人工裂縫會一直保持打開狀態(tài)。而在排水降壓過程中煤層很容易形成整體壓降，進而提高壓降漏斗的范圍，促使井眼更遠處的儲層煤層氣解吸，為煤層氣井的產(chǎn)量提供充足的氣源。

5 結(jié) 論

1）通過油氣儲層地質(zhì)建模方法建立的三維煤體結(jié)構(gòu)模型，與已有的地質(zhì)認識一致，可以很好地顯示煤體結(jié)構(gòu)的平剖面特征，進而分析不同煤體結(jié)構(gòu)區(qū)煤層氣井的產(chǎn)能特征。研究區(qū)主要分布原生結(jié)構(gòu)煤80.7%，含少量碎裂結(jié)構(gòu)煤18.2%，由中部YH082井和YH086 井向東西兩側(cè)，構(gòu)造煤有向淺層發(fā)育的趨勢。

2）通過分析煤層氣井平均日產(chǎn)氣量隨時空變換而變化的過程及產(chǎn)能特征，對研究區(qū)進行了分區(qū)，發(fā)現(xiàn)寺河西區(qū)整體產(chǎn)氣量較高，日均產(chǎn)氣量普遍大于3 000 m3，其中區(qū)域日均產(chǎn)氣量大小A＞B＞C，A和C 區(qū)煤層氣井產(chǎn)能保持時間較長，區(qū)域C 多分布一些產(chǎn)能衰減型煤層氣井。

3）西區(qū)3 號煤層煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣井的產(chǎn)能和維持時間有影響，原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育的地區(qū)，煤層氣井產(chǎn)量高且其持續(xù)時間長，碎裂煤含量18%左右的地區(qū)，初期產(chǎn)氣量較高，但衰減快。