基于三維地質建模技術的煤層氣抽采效果評價?以晉城寺河煤礦為例

姜在炳，楊建超，李 勇，龐 濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣資源勘探評價與開發階段都需要全面描述和研究煤層氣儲層的構造形態和分布特征。傳統儲層描述的方法，如數據統計分析圖表、剖面圖、平面圖等，已無法滿足儲層精細描述的要求；與此同時，現代計算、仿真和可視化技術的飛速發展正不斷促進三維地質建模的改進和應用[1]。三維儲層描述技術由相互銜接的兩部分組成：儲層靜態描述和儲層動態模擬[2]，其中，靜態描述是工作的核心，即地質建模[3-5]，利用煤層氣測試數據可繪制煤層含氣量、煤厚、煤巖煤質、滲透率等二維平面分布圖；王曉梅[6]、張亞蒲[7]、閆巖[8]等利用儲層模擬軟件開展產能預測工作，預測煤層含氣量隨時間的變化情況。儲層動態模擬可以研究儲層參數隨著時間的變化規律，如“十一五”“十二五”期間，利用抽采效果檢驗井獲取的剩余含氣量數據評價研究區煤層含氣量下降程度，并繪制剩余含氣量等值線圖[9-10]；利用鉆錄井、測井資料、實驗測試和產能數據，借助三維地質建模軟件，采用隨機建模方法，精細描述煤儲層物性參數在三維空間的分布規律，基于地質模型開展煤層氣井產能主控因素分析，評估煤層氣資源開采程度，并指出煤層氣資源優勢區[11-14]。綜上所述，國內外在有關煤層氣二維平面儲層靜態與動態描述分布已經取得了許多成果，但在煤層氣儲層三維靜態與動態方面的研究還需要進一步完善，本次地質建模以多學科理論相結合為原則[15]，充分利用煤礦地質勘查資料、生產資料和煤層氣開發過程中的鉆井、測井、煤層氣排采資料、儲層數值模擬預測參數及煤層氣抽采數據資料，在煤層氣抽采效果評價的基礎上，應用三維可視化地質建模軟件，選取晉城寺河煤礦3 號煤儲層進行高精度三維地質建模，包括三維地質構造模型及儲層屬性參數模型，深入研究煤層的宏觀分布、煤儲層參數分布及其在煤層氣開發過程中參數的動態變化特征，以期實現研究區煤層氣抽采效果的動態評價。

1 寺河煤礦地質特征

寺河煤礦位于沁水復式向斜南段軸部附近，地層平緩，構造簡單，煤層氣資源量大，煤層埋深較淺，為煤層氣開發的有利區域[16]。寺河煤礦地層由新到老有第四系、二疊系、石炭系和奧陶系[17]。主要含煤地層包括二疊系下統山西組和石炭系上統?二疊系下統太原組，山西組發育3 號煤，太原組發育9 號和15 號煤。3 號煤埋深200～470 m，15 號煤埋深329～554 m。寺河煤礦西二盤區總面積為6.94 km2，區內煤層厚度在5.70～7.48 m，平均6.31 m。研究區內煤變質程度高，以無煙煤為主。研究區含氣量普遍較高，由南向北、由東向西含氣量先增大后減小，煤層含氣量為3.36～29.02 m3/t，平均18.99 m3/t[18]。東部與西部相比含氣量偏低，其中，中部東部盤區含氣量較高，含氣量在18.98～29.02 m3/t，平均為23.68 m3/t；西二盤區含氣量為19.50～27.79 m3/t，平均21.96 m3/t，區內3、9、15號煤多為原生結構煤，且裂隙發育規整。通過注入/壓降測試可知，3 號煤滲透率(4.05～7.92)×10?3μm2，因此，該區基本上以大于1×10?3μm2為主。3 號煤儲層壓力在0.78～0.85 MPa，壓力梯度為2.35～2.47 kPa/m(表1)，遠遠低于靜水壓力梯度。整體上寺河煤礦煤層埋深適中，煤層厚度較大，煤變質程度高，煤層含氣量較高，原生結構煤發育，滲透率較高。

表1 寺河煤礦西二盤區及相鄰區塊3 號煤儲層壓力Table 1 Reservoir pressure of No.3 Coal Seam in west-second panel of Sihe Mine and adjacent blocks

2 三維建模儲層靜態數據與動態數據準備

三維建模過程包括數據整理、構造模型建立、屬性模型建立、圖形顯示。其中，煤儲層靜態數據與動態數據是關鍵。在建模之前需要準備數據，包括井名、井口坐標、井口高程、井起始深度、井底深度、原始含氣量、儲層壓力、產氣量、剩余含氣量等。

2.1 煤儲層靜態參數評價

研究區受測試條件的影響，水分、灰分、揮發分、滲透率、儲層壓力等數據較少，但煤儲層厚度、含氣量測試資料相對豐富，且含有不同煤厚的分段數據(表2)，因此，本次主要針對原始含氣量進行靜態屬性建模。在進行儲層原始靜態屬性建模之前，首先將收集到的數據整理成相應的數據格式導入軟件，然后利用變差函數對屬性參數的空間結構特征進行分析，獲得儲層參數分布的變程大小及方向，最后利用建模軟件中的序貫高斯模擬方法實現各參數的隨機模擬。

表2 寺河煤礦西二盤區3 號煤原始含氣量實測結果Table 2 Measured results of original gas content of No.3 Coal Seam in west-second panel of Sihe Mine

2.2 煤儲層動態參數數值模擬預測

采用煤層氣產能模擬軟件CBM-SIM，對研究區內煤層氣井產能、剩余含氣量及儲層壓力等生產動態關鍵參數進行預測。根據寺河煤礦西二盤區內煤層氣生產井的分布情況、起始排采時間、排采周期及排采數據，在滿足模擬條件的基礎上，選擇煤層氣井生產數據進行歷史擬合，并修正參數，最終預測煤層氣井的產能、剩余含氣量和儲層壓力等動態參數，并完成動態參數建模。

本次收集了西二盤區72 口煤層氣井歷史產氣量數據(單采3 號煤層)，時間跨度為2007?2019 年。截至2019 年，研究區內單井平均日產氣量在494.69～8 214.02 m3，最高單井產量為22 953 m3/d。在西二盤區基于歷史排采數據和3 號煤儲層參數制定數值模擬參數(表3)，借助CBM-SIM 數值模擬軟件，采用定水產量的工作制度，并對其中關鍵參數(滲透率、含氣量、煤厚等)作網格化處理，以易于參數調整，進而對該區煤層氣生產井進行歷史擬合(圖1)，在歷史擬合參數修正的基礎上，對西二盤區72 口井第10?第15 年的平均日產氣量進行預測(表4)。

圖1 煤層氣井產氣量擬合曲線Fig.1 Fitting curves of gas production

表3 寺河煤礦西二盤區數值模擬參數Table 3 Numerical simulation parameters in west-second panel of Sihe Mine

表4 煤層氣井排采第10—第15 年間預測日平均產氣量Table 4 Predicted daily average gas production of CBM well drainage during the 10th to 15th years

歷史擬合顯示，從第5 年開始，數值模擬產氣量低于實際產氣量，主要原因是：一方面產能模擬模型中未考慮基質收縮效應引起的滲透率增加，這種效應在排采后期越明顯；另一方面數值模擬產水量為0，產氣量為0，而實際產氣量大于0，使得實際產氣量高于數值模擬擬合的產氣量。其中SHX-126 井和SHX-133 井在穩定生產階段實際產量波動較大，分析實際排采數據發現，由于排采過程中套壓的不合理控制，排采工作制度頻繁調整，造成井筒內液面振蕩次數過多，影響煤層氣單井穩定生產[19-20]。

3 儲層地質模型建立

3.1 構造及煤層模型構建

筆者采用成熟的商業地質建模軟件MSGIS2.5 中的3D 建模模塊，以寺河煤礦西二盤區內煤層氣井實測數據、煤田地質勘探鉆孔數據、煤礦地質圖信息等資料為基礎，構建寺河煤礦西二盤區3 號煤儲層地質模型。斷層模型是三維地質建模的第一步，斷層模型準確與否直接影響到最終模型的可靠性[21-22]。以寺河煤礦西二盤區3 號煤層西區構造綱要圖為基礎，結合歷次勘探報告資料和井下煤層揭露資料，構建涉及3 號煤層的DF9、F2302X-3、FW2302X-2 和FW23032-2斷層(圖2)。

圖2 斷層模型Fig.2 Fault model

層面模型可以將煤層頂底板的三維界面呈現出來，建立起研究區煤儲層框架。本次層面模型構建時依據3 號煤層底板等高線圖、煤層鉆孔柱狀圖、勘探鉆孔柱狀圖等，煤層的頂板深度為214.96～460.91 m，底板深度為220.92～467.40 m，生成如圖3 所示的層面模型。

圖3 層面模型Fig.3 Layer model

在完成斷層模型、層面模型后，需對層間地層進行網格劃分，建立三維網格化煤層空間模型[23]。本文使用角點網格，同時考慮網格大小和方向等參數。根據研究區內煤層氣井的平均井距確定網格的平面步長為48 m，垂向網格設置為40 個，平均高度為0.15 m。最終網格數設置為80×64×40，共計204 800 個網格(圖4)。

圖4 模型網格設計Fig.4 Model grid design

3.2 屬性參數模型

變差函數是一種度量區域化變量空間變異性的工具，可以反映變量空間變異程度隨距離變化的規律和特征，是后續隨機模擬中的重要工具之一[24]。在變差函數分析的基礎上，使用序貫高斯模擬方法[25]，利用建模軟件，分別對原始含氣量、產氣量、儲層壓力、剩余含氣量進行隨機模擬。采用序貫高斯模擬方法建立原始含氣量模型(圖5)，同時分別建立2010 年、2012 年、2017 年、2022 年不同時間節點的儲層壓力模型(圖6)和產氣量模型(圖7)。

圖5 3 號煤層原始含氣量模擬空間展布Fig.5 Simulated spatial distribution of original gas content of No.3 Coal Seam

基于圖6 數值模擬預測的各個時間點儲層壓力的地質屬性模型，分別統計所有網格數據。2010 年整個研究區內平均儲層壓力為1.31 MPa，最大值為2 MPa，標準差為0.672，數據變化幅度較為均勻；2012 年平均儲層壓力為0.94 MPa，最大值為2 MPa；2017 年平均儲層壓力為0.73 MPa，2022 年平均儲層壓力僅為0.60 MPa，較2010 年下降54%，由此可知，隨著地面煤層氣井不斷抽采儲層壓力逐漸降低。

由圖7 可知，隨著抽采時間的延續，排采1 a 后平均產氣量為1 906.5 m3/d，排采2～3 a 后平均產氣量為3 149 m3/d，排采4～10 a 后平均產氣量為3 245.8 m3/d，排采11～15 a 后單井平均產氣量818 m3/d。即第1、第2?第3、第4?第10、第11?第15 年，煤層氣井平均日產氣量逐漸降低，影響范圍逐漸擴大。

3.3 地質模型檢驗及抽采效果評價

由圖8 可知，2010 年時整個研究區內剩余含氣量3.7～17.9 m3/t，平均15.7 m3/t；2012 年時平均剩余含氣量為13.6 m3/t；2017 年時平均剩余含氣量為8.4 m3/t；2022 年時平均剩余含氣量為5.65 m3/t(圖8)。

圖8 西二盤區剩余含氣量動態變化模擬空間展布Fig.8 Simulation space distribution of the dynamic change of the remaining gas content in west-second panel

利用三維地質模型預測的剩余含氣量進行抽采效果評價，發現從2010?2019 年經過10 a 的地面煤層氣抽采，噸煤含氣量降低幅度達73.26%，噸煤剩余含氣量平均為5.77 m3/t(表5)。因此，通過地面煤層氣抽采可以有效降低煤層瓦斯含量，為煤礦安全開采提供有力保障。

表5 寺河礦西二盤區抽采效果評價Table 5 Evaluation of drainage effect in west-second panel of Sihe Mine

煤層氣產能模擬進行網格劃分過程中網格尺寸較大，而三維地質建模過程中網格尺寸較細，為了驗證三維地質模型的準確性，利用2019 年在研究區施工的5 口抽采效果檢驗井(ZX-X2JY-01?ZX-X2JY-05)與三維地質屬性模型預測的剩余含氣量進行對比，三維模型預測的剩余含氣量與實測剩余含氣量較為接近，但是也存在個別預測值誤差較大，其中ZX-X2JY-02井預測剩余含氣量比實測值偏低1.57 m3/t(表6)，主要原因是數值模擬為理想狀態的模型，而實際上儲層常常受到污染，隨著產氣量的進行，裂縫閉合產氣量逐漸降低；ZX-X2JY-05 井數值模擬預測的剩余含氣量比實際剩余含氣量偏高3.68 m3/t(表6)，由于數值模擬未考慮基質收縮效應與氣體滑脫的影響，使得數值模擬預測的產氣量低于實際產氣量，導致預測的剩余含氣量偏高(表6)。整體上，寺河煤礦西二盤區瓦斯經過10多年的抽采，抽采效果較為明顯，噸煤瓦斯含量基本降到《防治煤與瓦斯突出規定》要求的8 m3/t 以下，達到無突出危險的標準[21]。

表6 三維地質模型預測剩余含氣量與實測剩余含氣量對比Table 6 Comparison of the remaining gas content predicted by the 3D geological model and the measured remaining gas content

4 結論

a.利用煤層氣數值模擬軟件CBM-SIM，通過歷史擬合和參數修正，預測寺河煤礦西二盤區排采10～15 a的產能情況，其中，2010、2012、2017、2022 年各井的平均儲層壓力分別為1.31、0.94、0.73、0.6 MPa，即隨著地面煤層氣井不斷抽采儲層壓力逐漸降低；產氣量從2010 年到2022 年先上升后下降，影響范圍逐漸擴大；研究區內2010、2012、2017、2022 年的各井的平均剩余含氣量分別為15.70、13.60、8.40、5.65 m3/t，經過地面煤層氣井逐年抽采，噸煤含氣量逐漸降低。

b.利用三維地質模擬軟件，建立了3 號煤層三維地質結構模型(煤層模型和斷層模型)，建立原始含氣量的靜態模型，以數值模擬結果和不同排采時期的平均日產氣量數據，建立儲層壓力、平均日產氣量、剩余含氣量的動態模型，為直觀研究煤層氣井抽采效果評價奠定了基礎。

c.利用三維地質模型預測了煤層氣井抽采10 a的剩余含氣量，與附近參數井原始含氣量對比，平均含氣量降低幅度達73.26%，噸煤剩余含氣量平均為5.77 m3/t，噸煤瓦斯含量達到了區域無突出危險的標準。并與5 口抽采效果檢驗井實測數據進行對比，結果顯示兩者較為接近，絕對誤差在?1.57～3.68 m3/t。

d.鑒于本次研究區儲層參數測試較少，如3 號煤的滲透率和儲層壓力變化規律有待進一步提高，建議在煤巖地質或煤層氣地質勘探期間，統籌考慮后期煤層氣開發所需相關參數，為后續開發效果評價提供依據。