王 晶

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

我国低煤阶煤层气资源丰富，约占全国煤层气资源总量的40%左右，结合我国能源短缺的社会局面，低煤阶煤层气开发既具有能源开发必要性也具有很大的开发潜力[1-3]。目前国内针对低煤阶煤层气藏的开发进行了大量的开发试验工作[4-6]，煤层气井产量却差异明显，因此煤层气可采性评价、有利区优选是低煤阶煤层气开发面临的主要问题。目前国内针对可采性评价进行了大量的研究工作。李国忠等[7]通过国内高产井地质参数分析，提出了不同煤阶的煤层气选区评价参数及标准。康永尚等[8]利用等温吸附曲线评价区块煤层气的开发潜力，提出了临界压差、临废压差和有效解吸量3个量化指标。然而由于不同井田、不同区块的煤层地质参数非均质性较强，因此量化指标应具有区域性。同时由于煤层气开发往往与煤矿井下安全相关联，因此煤层气可采评价不能单纯的考虑开发潜力，与实效性相关的煤层气产量是煤层气可采性的重要研究指标。基于此，如何将低煤阶煤层气的地质影响参数与产气效果进行直接匹配，得到定量化的煤层气可采参数区间具有重要研究意义。为此，以彬长矿区大佛寺井田为例，结合该区的煤层气开采情况，开展了影响煤层气产能的地质主控因素研究及定量化的煤层气开采评价。

1 大佛寺井田煤层气开发现状

大佛寺井田位于鄂尔多斯盆地彬长矿区南部，含煤地层为侏罗系中下统延安组，4号煤层为主采煤层，全区可采。大佛寺井田自2011年开始进行煤层气地面开发部署、试验，目前尝试了垂直井、多分支水平井、“V型”水平井等多种井型，其中主要井型为煤层气地面垂直井，如图1所示。

图1 大佛寺井田煤层气井分布及分区Fig.1 Distribution and subdivision of coalbed methane wells in Dafosi mine field

收集了24口煤层气排采直井排采数据，从产能上来看，该区24口压裂直井日产气量在0～3 043.30 m3/d，产能差异大。根据大佛寺井田井位分布位置将井田分为4个区：北区、中区、南区、东区，如图2所示。其中南区有8口直井，平均产气量均低于500 m3/t；北区有7口直井，其中4口平均产气量低于500 m3/t，3口平均产气量介于500～1 000 m3/t之间。中区有8口直井，除DFS-151、DFS-153井产量很低、几乎不产气外，其余6口井产量均大于500 m3/t，最高产量达2 600 m3/t。东区仅有一口直井，产量大于2 000 m3/t。由此可见，大佛寺井田部分地区煤层气具有一定经济可采性，但一些地区产量并不理想，排采效果较差。

图2 大佛寺井田煤层气井产气情况Fig.2 Gas production in coalbed methane wells in Dafosi mine field

2 产能主控因素研究

大佛寺井田煤层气开发过程中，各排采井产能受地质及工程等多种因素影响[9-10]。工程因素具有不确定性，而找到地质参数的关键影响因素是判断、评价地区煤层气可采性的最重要环节[11]。通过收集大佛寺井田煤层气井地质资料及测试化验数据，建立了大佛寺井田地质模型，采用正交试验设计方法设计模拟方案，以累计产气量为评价指标，讨论含气量、煤层厚度、孔隙度、裂隙渗透率、含气饱和度、储层压力共6个参数对煤层气井产能的影响，进而确定影响大佛寺井田低煤阶煤层气可采性的主控因素。

2.1 产能影响因素及选值区间

煤层厚度:煤层厚度和含气量决定着煤层气的资源丰度，是低煤阶煤储层富集煤层气与提供产能的关键。煤层厚度越大，产气量越大，供气能力也越好，产能越高。根据统计的大佛寺井田的生产井揭露的煤厚数据，大佛寺井田煤层气厚度在4.23～18.7 m间，因此设计煤层厚度分别为5 m、8 m、10 m、15 m、20 m共5个水平值。

含气量:根据统计的大佛寺井田参数井测试数据，大佛寺井田煤层气含气量在0.72～3.65 m3/t，因此设计含气量为0.8 m3/t、1 m3/t、2 m3/t、3 m3/t、4 m3/t、5 m3/t共5个水平。

裂隙渗透率:参与煤层气井产出运移的渗透率为裂隙渗透率，该参数是影响煤层气产量及采收率的关键参数。裂隙渗透率越高，渗流阻力越小，煤层气产量越高。渗透率受构造、埋深等因素的影响，差别较大。大佛寺井田以往压降试井数据只有4口井，因此参考4上和4号煤的试井渗透率，在0.11～6.84 m3/t。因此设计渗透率为0.1 mD、0.5 mD、1 mD、3 mD、6 mD共5个水平值。

裂隙孔隙度:裂隙孔隙度直接影响煤层气产水量及降压速率。裂隙孔隙度越大，煤层中含水量越大，排水采气速率越快，产气效果越差。目前并没有针对裂隙孔隙度的测量方法，根据国内外煤层气裂隙孔隙度的数据分布范围，结合该区的煤岩煤质特征，确定大佛寺井田煤层裂隙孔隙度在2%～4%，因此设计裂隙孔隙度为2%、2.5%、3%、3.5%、4%共5个水平。

含气饱和度:含气饱和度是反映煤层气饱和程度的指标，是煤层气开发可行性的重要评价参数。根据大佛寺井田实测结果，计算得到4上及4号煤层含气量饱和度在37.32%～80.47%，因此设计含气饱和度为40%、50%、60%、70%、80%共5个水平。

储层压力:根据大佛寺井田储层压力梯度较低，在0.45～0.53 MPa间，因此设计储层压力梯度在0.45 MPa/100 m、0.475 MPa/100 m、0.50 MPa/100 m、0.525 MPa/100 m、0.55 MPa/100 m共5个水平。

2.2 正交法敏感性分析方案

以大佛寺井田各参数的实际变化范围为基础，设计了6因素5水平正交试验，共25个模拟试验方案，见表1。应用数值模拟方法计算10 a累计产气量，以此来确定影响大佛寺井田低煤阶煤层气井产能的主控因素。

表1 正交试验方案Table 1 Orthogonal test scheme

2.3 正交法敏感性分析结果

数值模拟采用300 m×300 m井网，模拟9口井，定井底压力开采，以中间井10 a累计产气量作为评价指标，并计算极差来确定各因素影响效果，计算结果如图3所示。

图3 10 a累计产气量敏感性Fig.3 Sensitivity of cumulative gas production in 10 a

敏感性分析结果表明，影响低煤阶煤层气井产能的因素由强到弱依次为渗透率、煤层厚度、含气量、孔隙度、储层压力梯度、含气饱和度。因此确定了影响大佛寺井田煤层气井产能的三大主控因素为裂隙渗透率、煤层厚度、含气量，其他因素对产能的影响均相对较小，因此可将其视为影响低煤阶煤层气井产能的非主控因素。

2.4 大佛寺井田主控地质参数影响效果

根据大佛寺井田前期的煤层气开发直井数据，对实际产气情况与敏感性分析得到的主控因素的关系进行验证。由于煤层的厚度和含气量共同决定了煤层的资源丰度，因此将2个因素共同考虑。而大佛寺井田裂隙渗透率测点较少，由于埋深通过对应力的影响控制着煤储层渗透率的大小[12]，因此通过研究埋深对产能的影响间接分析裂隙渗透率与产能的关系。

如图4所示，全区来看，煤层气井平均日产气量与资源丰度(煤厚×含气量)的关系并不明显，这是由于不同区域各地质参数差异大，单一因素影响不明显。而分区来看，平均日产气量与资源丰度(煤厚×含气量)有着明显的正相关关系。即三区均随着煤厚与含气量乘积值的增加，平均日产气量增加。

图4 平均日产气量与煤厚、含气量的关系散点Fig.4 Scatter plot of the relationship between average daily gas production and coal thickness and gas content

如图5所示，全区来看，煤层气井平均日产气量高值均分布在埋深较浅区，南区的“低产区”埋深较深，由此可以认为埋藏深度一定程度上反映了渗透率的高低，而渗透率是影响该区煤层气产能最重要的因素，因此在全区的影响就较为明显，这与敏感性分析得到了渗透率是影响最大的地质因素相吻合。

由上述分析可得，正交试验方法模拟得到的大佛寺井田低煤阶煤层气三大主控因素具有可靠性。

3 低煤阶煤层气定量化可采性评价

基于前人研究及低煤阶煤层气选区评价中存在的问题，以实现快速、定量化煤层气开发选区，提出了主控因素阶梯式数值模拟评价法对低煤阶煤层气可采性进行定量化评价研究。该方法要结合敏感性分析得到的三大主控因素。主控因素阶梯式数值模拟评价法遵循以下流程和原则：首先，要根据研究区地质数据明确2个数值区间较为确定的主控因素，并在其数值区间内进行阶梯划分；其次，确定符合煤层气井可采性的产能指标；最后，通过插值法及数值模拟手段确定符合产能指标的第3个主控因素的阈值。从而得到了具有煤层气可采的主控因素组合，并且该方法直接与产能相关联，具有实用性。

大佛寺井田煤层气产能主控因素为渗透率、煤层厚度、含气量。根据该区的开发程度，含气量、煤层厚度数值区间较为确定。根据大佛寺井田低阶煤含气量分布范围，确定含气量0.8 m3/t、1 m3/t、2 m3/t、3 m3/t、4 m3/t这5个含气量评价阶梯，以日产量500 m3/t为衡量标准，通过不同煤层厚度(5～20 m)下，改变渗透率的方式，确定不同地质条件下符合规定产能标准的渗透率阈值。数值模拟基础参数及具体模拟方案见表2、3。

表2 产能模拟基础数据Table 2 Basic data of capacity simulation

表3 主控因素阶梯式数值模拟方案Table 3 Stepped numerical simulation scheme of main control factors

图6 含气量0.8 m3/t煤厚20 m储层渗透率阈值确定Fig.6 Permeability threshold of 20 m thick coal reservoir with gas content of 0.8 m3/t

根据主控因素阶梯式数值模拟评价方法，最终得到大佛寺井田不同含气量、煤厚阶梯组合条件下达到可采标准的渗透率阈值，如图7所示。含气量等于0.8 m3/t的阶梯，即绿色曲线，可以看到由于含气量过低，可采性较差，仅有绿色曲线右侧的组合范围是可采的。当厚度大于15 m时，若要达到500 m3/d的产能指标，渗透率需大于15 mD，即使厚度达到20 m，渗透率也要达到11 mD才具有可采性；当含气量等于4m3/t时，该区的可采性范围较大。当含气量等于1 m3/t时，煤层厚度在5～20 m范围，达到可采能力的渗透率阈值为6 mD，具体可根据图7中紫色曲线，查找到不同厚度下的渗透率阈值。随着含气量的增加，达到可采能力的渗透率阈值降低，可采区间越大。当煤厚为5 m时，渗透率达到0.7 mD即可采，而当厚度为20 m时，若要达到500 m3/d的产能指标，渗透率阈值为0.075 mD。依次类推，已知大佛寺井田某一区块的煤厚、含气量，可通过查询图7，快速确定该区具有可采价值的煤层渗透率区间。当含气量不在所列阶梯数值中，也可通过插值法，得到不同厚度条件下相应的渗透率阈值。图7涵盖了大佛寺井田影响煤层气井产能的三大主控因素的分布范围，因此通过查询图版，初步进行煤层气选区。

图7 大佛寺井田煤层气可采能力查询图版Fig.7 Query chart of coalbed methane recoverable capacity in Dafosi mine field

4 结论

(1)以典型的低煤阶大佛寺井田为例，通过正交试验和数值模拟方法，确定了井田内影响煤层气井产能的三大主控因素为裂隙渗透率、煤层厚度、含气量，其他因素对产能的影响均相对较小。

(2)为了实现快速、定量化煤层气开发选区，提出了主控因素阶梯式数值模拟方法，并阐述了该评价方法应遵循的流程和原则。

(3)采用主控因素阶梯式数值模拟方法，得出了井田内不同煤厚、含气量阶梯组合达到可采标准的渗透率阈值，并建立了大佛寺井田煤层气可采能力查询图版。