淮銀超，譚成仟，張 銘，劉潤川，夏朝輝

(1.西北大學(xué) a.大陸動力學(xué)國家重點實驗室；b.地質(zhì)學(xué)系，西安 710069；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083; 3.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

煤層氣(coalbed methane，CBM)是在煤的形成過程及后期改造過程中產(chǎn)生并存儲于煤中的非常規(guī)天然氣，主要由甲烷、二氧化碳、氮氣等組成。分布形式有吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)等三種，吸附態(tài)占比最大(85%～95%)，溶解態(tài)占比最小。煤層氣開發(fā)不僅能夠保證煤礦安全開采，在減少甲烷直接向大氣中排放、保護大氣環(huán)境方面也具有重要意義[1-3]。與常規(guī)油氣相比，煤層氣儲層在賦存方式、物性參數(shù)以及開發(fā)方式等方面有著較大差異[4-5]，常規(guī)儲層評價參數(shù)及方法應(yīng)用于煤層氣儲層評價時準確率低，穩(wěn)定性差。目前針對煤層氣儲層的研究主要集中在含氣量上，對影響含氣量的煤質(zhì)、孔隙度、滲透率等儲層參數(shù)研究較少。澳大利亞中煤階的煤層氣資源豐富，普遍具有低灰分、低揮發(fā)分、高固定碳及高含氣量等特點[6-8]。為了系統(tǒng)性、針對性地開展澳大利亞中煤階的煤層氣儲層研究，本文以測井、錄井及取心分析資料為基礎(chǔ)，在煤層識別與煤層空間分布分析基礎(chǔ)上，開展了頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)及儲層物性研究，通過改進常規(guī)的等溫吸附模擬方法，構(gòu)建含氣量、飽和度模型，實現(xiàn)了澳大利亞H區(qū)塊中煤階的煤層氣儲層評價。

1 研究區(qū)概況

澳大利亞H區(qū)塊位于澳大利亞東部S盆地，構(gòu)造上表現(xiàn)為一個東高西低的單斜構(gòu)造，內(nèi)部僅有很少北-西走向的逆沖斷層，斷層整體上不發(fā)育，構(gòu)造相對簡單。研究區(qū)煤層位于晚二疊世地層中。研究區(qū)煤層劃分為9套單煤層，單煤層厚度為0.1～6.5 m，平均厚度2.4 m.由于處于沼澤相沉積環(huán)境，煤層連續(xù)性差，單煤層存在少量分叉、合并以及尖滅現(xiàn)象。煤層的鏡質(zhì)體反射率為1.3～1.5，反映出中煤階煤巖的特征；煤層含氣量7.80～26.93 m3/t，滲透率0.028×10-3～3.720×10-3μm2，埋藏深度300～700 m.埋藏深度較淺，十分有利于煤層氣開發(fā)。

2 煤層氣儲層評價

2.1 煤層識別

在常規(guī)儲層中，烴源巖與儲層屬于不同的系統(tǒng)。然而在煤層氣儲層中，煤巖不僅是烴源巖，同時也是儲集層[9]。煤巖的準確識別是煤層氣儲層研究的基礎(chǔ)。以常規(guī)曲線作為識別煤層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對識別煤層具有天然優(yōu)勢。H區(qū)塊的測井曲線主要有井徑、自然伽瑪、自然電位、電阻率、中子孔隙度及補償密度，煤層測井響應(yīng)特征如表1所示。本文根據(jù)煤層的測井響應(yīng)特征和取心數(shù)據(jù)的巖性描述，對巖性描述與測井數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進行了分析。結(jié)果表明，在煤層識別過程中，自然伽瑪、補償密度對煤巖反應(yīng)最靈敏，而井徑、自然電位、電阻率、中子孔隙度等測井曲線受圍巖、井眼及泥漿濾液的影響，對煤巖識別的靈敏度較低，故而本文選取自然伽瑪、補償密度作為煤層識別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。煤巖的取心數(shù)據(jù)表明，H區(qū)塊煤層的補償密度、自然伽瑪識別標準分別為1.85 g/cm3，55 API.

表1 H區(qū)塊的煤層氣測井響應(yīng)特征Table 1 Logging response characteristics for CBM of H Block

以研究區(qū)煤層補償密度、自然伽瑪?shù)淖R別標準值為依據(jù)，在單井煤層識別基礎(chǔ)上，通過H區(qū)塊單井煤層對比、追蹤，明確了研究區(qū)煤層空間展布，如圖1所示。H區(qū)塊的空間分布特征表明研究區(qū)煤層厚度均勻，局部存在尖滅，埋藏深度與構(gòu)造特征吻合，自東向西埋藏深度逐漸加深。

2.2 頂?shù)装鍘r性特征

煤層氣儲層頂?shù)装迮c常規(guī)油氣藏蓋層相似，對于煤層氣保存具有重要意義。良好的煤層氣藏要求煤層氣頂?shù)装寰哂泻芎玫姆忾]性，這樣才能夠阻止煤層氣散溢[10]。本文以測井資料、巖性描述、取心分析資料為基礎(chǔ)，通過對巖性以及物性分析來研究煤層氣頂?shù)装?。結(jié)果表明，H區(qū)塊煤層氣儲層頂?shù)装鍘r性以砂巖和粉砂巖為主(圖2)，測井密度為2.58～2.64 g/cm3，孔隙度為2%～5%.這說明研究區(qū)頂?shù)装鍘r性以致密砂巖為主，有利于煤層氣的保存。

2.3 煤質(zhì)特征

煤層氣儲層煤質(zhì)分析即煤層工業(yè)分析，包括固定碳、灰分、水分以及揮發(fā)分。其中，固定碳為煤層氣載體，而灰分、水分及揮發(fā)分的存在不利于煤巖中煤層氣吸附。煤質(zhì)參數(shù)研究對于煤層含氣量評價準確性意義重大。煤層氣儲層煤質(zhì)參數(shù)的研究方法有兩種：巖心分析法和測井解釋法[11-13]。巖心分析法通過對密閉取心的巖心進行分析以獲得煤層煤質(zhì)分析參數(shù)，該方法精度高，但受樣品數(shù)量、測試費用的限制。與巖心分析法相比，測井解釋法具有連續(xù)性好、縱向分辨率高等特點，該方法多應(yīng)用于煤質(zhì)特征參數(shù)研究。

GR—自然伽瑪；FDC—補償密度圖1 煤層空間分布特征Fig.1 Distribution profile of coal seam

BITE—鉆頭直徑；CALI—井徑；GR—自然伽瑪；SP—自然電位； LLD—深電阻率；LLS—淺電阻率；NPHI—中子孔隙度； FDC—補償密度；Lithology—巖性圖2 煤層氣儲層巖性特征Fig.2 Lithological characteristics of CBM

采用測井解釋法對煤質(zhì)參數(shù)與測井曲線進行了相關(guān)性分析，篩選出最佳測井曲線作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用多元回歸完成煤質(zhì)參數(shù)解釋，具體的測井解釋公式如下：

(1)

式中：w(FC)為固定碳質(zhì)量分數(shù)；w(ASH)為灰分質(zhì)量分數(shù)；w(IM)為水煤層水分質(zhì)量分數(shù)；w(VM)為揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)；GR為自然伽瑪，API；ρ為補償密度，g/cm3；NPHI為中子孔隙度；AC為聲波時差，μs/m.

基于測井解釋法獲得的H區(qū)塊的煤質(zhì)參數(shù)如表2所示。可以看出，研究區(qū)的煤巖具有高固定碳、低灰分、低濕度及低揮發(fā)分特點，有利于煤層氣的富集。

2.4 儲層物性

煤層氣的儲層物性包括孔隙度與滲透率。與常規(guī)儲層相比，煤層氣儲層通常具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)：基質(zhì)孔隙度和裂縫?；|(zhì)孔隙度以微孔為主，具有較大內(nèi)表面積，對甲烷的吸附性較強，在一定程度上決定著煤層氣資源量[14]。裂縫則是作為煤層氣滲流通道，維持煤層壓力。

孔隙度是表征煤層氣儲層的一個重要參數(shù)。在計算孔隙度的眾多曲線中，中子孔隙度由于受到煤層中存在的大量束縛水的影響，不能準確反映煤層孔隙度；聲波時差則因為其采集特性，無法反映次生孔隙度。與中子孔隙度和聲波時差曲線相比，采用補償密度曲線計算孔隙度不僅不受束縛水影響，還能反映煤層氣儲層的次生孔隙度，所以補償密度是計算孔隙度的最佳數(shù)據(jù)?？紤]到不需要泥質(zhì)校正，建立了H區(qū)塊基于體積模型的煤層氣儲層孔隙度模型：

(2)

式中：φ為煤層孔隙度；ρ為測井補償密度，g/cm3；ρma為煤密度，g/cm3；ρf為甲烷密度，g/cm3.

表2 研究區(qū)煤層氣儲層煤質(zhì)參數(shù)實驗室測定結(jié)果Table 2 Laboratory test results of CBM reservoir quality parameters for research block

煤層氣開發(fā)過程中，滲透率是煤層氣產(chǎn)能的關(guān)鍵因素，對煤層氣開發(fā)起著決定性作用，直接影響著煤層氣開采效果。滲透率是煤層氣儲層研究難點，影響因素較多，包括地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、煤級和裂隙系統(tǒng)等[15-17]。滲透率與煤層埋藏深度相關(guān)性分析表明，二者具有很好的相關(guān)性，因此基于煤層埋藏深度的H區(qū)塊的滲透率表征模型見圖3.

圖3 滲透率與煤層埋藏深度關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability and depth

2.5 含氣量

含氣性對于煤層氣儲層井型布置、井位選擇以及“甜點區(qū)”優(yōu)選具有重要意義。隨著煤層含氣量研究的不斷發(fā)展，對含氣量計算精度的要求越來越高。目前含氣量計算以間接方法為主，主要有密閉取心分析法、煤層含氣梯度法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬含氣量法、基于朗格繆爾方程的煤層含氣量預(yù)測方法等[18]。其中，密閉取心法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法受限于樣品數(shù)量，而測井曲線自身的精度降低了煤層氣含氣量計算精度。等溫吸附模擬法以其精度高、計算方便，常常被用來模擬煤層含氣量，計算方法如下：

(3)

式中：GC為壓力p對應(yīng)的含氣量，m3/t；p為地層壓力，MPa；VL為蘭氏體積，m3/t；pL為蘭氏壓力，MPa.

在煤層含氣量模擬過程中，蘭氏體積和蘭氏壓力的準確性決定了最終的計算結(jié)果。蘭氏體積和蘭氏壓力值來自于等溫吸附模擬實驗或者煤層含氣量解吸實驗。蘭氏體積和蘭氏壓力的取值存在三個缺陷：第一，等溫吸附模擬實驗是在理想狀態(tài)下進行的，與地下實際特征差異較大；第二，等溫吸附模擬實驗并未考慮到灰分、水分及揮發(fā)分對蘭氏體積和蘭氏壓力的影響；第三，蘭氏體積與蘭氏壓力由對取心等溫吸附模擬樣品的最小二乘擬合獲得，即將整個煤層作為一個統(tǒng)一整體，賦予統(tǒng)一的蘭氏體積與蘭氏壓力值，而并未考慮到煤層的不均一性。上述原因使得常規(guī)煤層氣吸附模擬法得到的含氣量計算精度不高。為了提高含氣量計算精度，需要對煤層氣儲層常規(guī)等溫吸附模擬做一修正，具體表達式如下：

(4)

式中：GC為地層壓力p對應(yīng)的含氣量，m3/t；p為地層壓力，MPa；VL,d為動態(tài)蘭氏體積，m3/t；pL為蘭氏壓力，MPa；w(IM)為水分質(zhì)量分數(shù)；w(ASH)為灰分質(zhì)量分數(shù)；w(VM)為揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)。

與常規(guī)等溫吸附模擬法相比，基于煤層氣儲層煤質(zhì)特征的動態(tài)等溫吸附模擬能夠消除灰分、水分、揮發(fā)分對煤層含氣量影響，使得煤層含氣量的計算結(jié)果更接近于實際情況。同時，采用動態(tài)蘭氏體積避免了將整個煤層作為整體考慮，提高了含氣量的縱向分辨率。

動態(tài)蘭氏體積是含氣量計算精度的關(guān)鍵，也是計算難點。根據(jù)H區(qū)塊的等溫吸附模擬實驗，建立了基于巖心分析密度的動態(tài)蘭氏體積表征模型(圖4)?；趧討B(tài)蘭氏體積的含氣量計算具有較強的現(xiàn)實意義，能夠為后續(xù)含氣量相關(guān)研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 巖心分析密度與蘭氏體積關(guān)系Fig.4 Relationship between VL and RD

2.6 含氣飽和度

含氣飽和度是計算煤層氣資源量的重要參數(shù)，也是煤層氣勘探開發(fā)中最重要的參數(shù)。與常規(guī)儲層中氣體所占的孔隙百分比不一樣，煤層氣含氣飽和度是指煤層實測含氣量與原始地層壓力對應(yīng)的吸附氣含氣量之比值。當煤層含氣飽和度為100%時，稱之為飽和煤層；當含氣飽和度小于100%，稱之為欠飽和煤層；當含氣飽和度大于100%，則稱之為過飽和煤層。煤層氣儲層含氣飽和度的計算公式如下：

(5)

式中：Sg為含氣飽和度；V為地層壓力下對應(yīng)的實際含氣量，m3/t；VS為地層壓力下對應(yīng)的理論含氣量，m3/t.

圖5為H區(qū)塊的煤層氣等溫吸附曲線。根據(jù)煤層氣等溫吸附曲線和H區(qū)塊的實測含氣量，計算出H區(qū)塊煤層氣儲層的含氣飽和度為86%.

pL—蘭氏壓力；V—實際含氣量；Vs—理論含氣量；VL—蘭氏體積圖5 H區(qū)塊中煤階煤層氣等溫吸附實驗結(jié)果Fig.5 CBM isothermal adsorption experimental result in H block

3 應(yīng)用結(jié)果分析

在儲層評價模型基礎(chǔ)上，以單井測井數(shù)據(jù)、巖心分析結(jié)果為約束，開展了H區(qū)塊的單井的煤層氣儲層評價。圖6為H區(qū)塊的AA井的煤層氣儲層評價結(jié)果。由圖6可看出，澳大利亞H區(qū)塊中煤階煤層氣儲層評價的結(jié)果為：灰分質(zhì)量分數(shù)5.6%～30.7%，水分質(zhì)量分數(shù)0.00%～32.48%，固定碳質(zhì)量分數(shù)32.60%～69.84%，揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)0.00%～32.54%，孔隙度2.50%～10.35%，滲透率0.10×10-3～3.51×10-3μm2.依據(jù)改進的動態(tài)蘭氏體積煤層含氣量的等溫吸附模擬結(jié)果計算出H區(qū)塊含氣量為7.8 ～19.8 m3/t，含氣飽和度為90.6%.這些數(shù)據(jù)為后續(xù)煤層氣儲層研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

在煤層氣儲層評價基礎(chǔ)上，筆者進行了H區(qū)塊煤層氣儲層的有利區(qū)劃分，結(jié)合實際開發(fā)效果確定了有利區(qū)的評價指標與標準。煤層氣開發(fā)有利區(qū)的評價指標為含氣量、累計厚度、滲透率和頂?shù)装鍘r性。有利區(qū)的標準為：含氣量大于5 m3/t，煤巖累計厚度大于7 m，滲透率大于1×10-3μm2，頂?shù)装逯g主要以泥巖或者致密砂巖為主。

GR—自然伽瑪；BITE—鉆頭直徑；FDC—補償密度；NPHI—中子孔隙度；AC—聲波時差；LLS—淺電阻率； VSH—泥質(zhì)含量；w(IM)—水分質(zhì)量分數(shù)；w(ASH)—灰分質(zhì)量分數(shù)；w(FC)—固定碳質(zhì)量分數(shù)； w(VM)—揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)；POR—孔隙率；GC—含氣量；SG—含氣飽和度圖6 澳大利亞H區(qū)塊中煤階煤層氣儲層評價結(jié)果Fig.6 Evaluation results of middle rank CBM in the H block, Australia

4 結(jié)論

通過對澳大利亞H區(qū)塊煤層氣儲層的評價研究，得到以下結(jié)論：

1) 煤層氣作為重要的非常規(guī)天然氣，與常規(guī)天然氣在賦存方式、物性參數(shù)以及開發(fā)方式等方面存在較大差異。針對于煤層儲層特點，結(jié)合煤層氣開發(fā)實際需要，依據(jù)圍巖特征、煤質(zhì)、孔隙度、滲透率、含氣量和飽和度開展煤層氣儲層評價。

2) 采用常規(guī)測井資料與取心分析資料進行煤層識別，同時開展煤層頂?shù)装鍘r性識別，為準確研究煤層氣儲層評價奠定了基礎(chǔ)?；趲r心分析資料與測井資料的煤質(zhì)、儲層物性、改進后的動態(tài)蘭氏體積含氣量能夠準確地對煤層氣儲層開展評價，同時在含氣量計算過程中能夠消除灰分、水分和揮發(fā)分對含氣量與飽和度影響，極大地提高了含氣量計算精度。

3) 受限于煤層儲層測井曲線自身精度，煤層氣儲層參數(shù)評價結(jié)果有一定局限性。在后續(xù)的研究中，將考慮采用成像測井資料以提高煤層氣儲層評價結(jié)果準確性。