澳大利亞H區(qū)塊中煤階煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

淮銀超，譚成仟，張 銘，劉潤川，夏朝輝

(1.西北大學(xué) a.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)于煤中的非常規(guī)天然氣，主要由甲烷、二氧化碳、氮?dú)獾冉M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(hù)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(chǔ)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(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)及方法應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)時(shí)準(zhǔn)確率低，穩(wěn)定性差。目前針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的研究主要集中在含氣量上，對(duì)影響含氣量的煤質(zhì)、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)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(diǎn)[6-8]。為了系統(tǒng)性、針對(duì)性地開展澳大利亞中煤階的煤層氣儲(chǔ)層研究，本文以測(cè)井、錄井及取心分析資料為基礎(chǔ)，在煤層識(shí)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(chǔ)層物性研究，通過改進(jìn)常規(guī)的等溫吸附模擬方法，構(gòu)建含氣量、飽和度模型，實(shí)現(xiàn)了澳大利亞H區(qū)塊中煤階的煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。

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(gè)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(duì)簡(jiǎn)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(chǔ)層評(píng)價(jià)

2.1 煤層識(shí)別

在常規(guī)儲(chǔ)層中，烴源巖與儲(chǔ)層屬于不同的系統(tǒng)。然而在煤層氣儲(chǔ)層中，煤巖不僅是烴源巖，同時(shí)也是儲(chǔ)集層[9]。煤巖的準(zhǔn)確識(shí)別是煤層氣儲(chǔ)層研究的基礎(chǔ)。以常規(guī)曲線作為識(shí)別煤層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)識(shí)別煤層具有天然優(yōu)勢(shì)。H區(qū)塊的測(cè)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(bǔ)償密度，煤層測(cè)井響應(yīng)特征如表1所示。本文根據(jù)煤層的測(cè)井響應(yīng)特征和取心數(shù)據(jù)的巖性描述，對(duì)巖性描述與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在煤層識(shí)別過程中，自然伽瑪、補(bǔ)償密度對(duì)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(cè)井曲線受圍巖、井眼及泥漿濾液的影響，對(duì)煤巖識(shí)別的靈敏度較低，故而本文選取自然伽瑪、補(bǔ)償密度作為煤層識(shí)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(bǔ)償密度、自然伽瑪識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)分別為1.85 g/cm3，55 API.

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

以研究區(qū)煤層補(bǔ)償密度、自然伽瑪?shù)淖R(shí)別標(biāo)準(zhǔn)值為依據(jù)，在單井煤層識(shí)別基礎(chǔ)上，通過H區(qū)塊單井煤層對(duì)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(chǔ)層頂?shù)装迮c常規(guī)油氣藏蓋層相似，對(duì)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(cè)井資料、巖性描述、取心分析資料為基礎(chǔ)，通過對(duì)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(chǔ)層頂?shù)装鍘r性以砂巖和粉砂巖為主(圖2)，測(cè)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(chǔ)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(duì)于煤層含氣量評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性意義重大。煤層氣儲(chǔ)層煤質(zhì)參數(shù)的研究方法有兩種：巖心分析法和測(cè)井解釋法[11-13]。巖心分析法通過對(duì)密閉取心的巖心進(jìn)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(cè)試費(fèi)用的限制。與巖心分析法相比，測(cè)井解釋法具有連續(xù)性好、縱向分辨率高等特點(diǎn)，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(bǔ)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(bǔ)償密度；Lithology—巖性圖2 煤層氣儲(chǔ)層巖性特征Fig.2 Lithological characteristics of CBM

采用測(cè)井解釋法對(duì)煤質(zhì)參數(shù)與測(cè)井曲線進(jìn)行了相關(guān)性分析，篩選出最佳測(cè)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(cè)井解釋公式如下：

(1)

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

基于測(cè)井解釋法獲得的H區(qū)塊的煤質(zhì)參數(shù)如表2所示?？梢钥闯?，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(diǎn)，有利于煤層氣的富集。

2.4 儲(chǔ)層物性

煤層氣的儲(chǔ)層物性包括孔隙度與滲透率。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，煤層氣儲(chǔ)層通常具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)：基質(zhì)孔隙度和裂縫。基質(zhì)孔隙度以微孔為主，具有較大內(nèi)表面積，對(duì)甲烷的吸附性較強(qiáng)，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(chǔ)層的一個(gè)重要參數(shù)。在計(jì)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(zhǔn)確反映煤層孔隙度；聲波時(shí)差則因?yàn)槠洳杉匦?，無法反映次生孔隙度。與中子孔隙度和聲波時(shí)差曲線相比，采用補(bǔ)償密度曲線計(jì)算孔隙度不僅不受束縛水影響，還能反映煤層氣儲(chǔ)層的次生孔隙度，所以補(bǔ)償密度是計(jì)算孔隙度的最佳數(shù)據(jù)。考慮到不需要泥質(zhì)校正，建立了H區(qū)塊基于體積模型的煤層氣儲(chǔ)層孔隙度模型：

(2)

式中：φ為煤層孔隙度；ρ為測(cè)井補(bǔ)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(chǔ)層煤質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(duì)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(chǔ)層研究難點(diǎn)，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(jí)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(duì)于煤層氣儲(chǔ)層井型布置、井位選擇以及“甜點(diǎn)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(duì)含氣量計(jì)算精度的要求越來越高。目前含氣量計(jì)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(cè)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(cè)井曲線自身的精度降低了煤層氣含氣量計(jì)算精度。等溫吸附模擬法以其精度高、計(jì)算方便，常常被用來模擬煤層含氣量，計(jì)算方法如下：

(3)

式中：GC為壓力p對(duì)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(zhǔn)確性決定了最終的計(jì)算結(jié)果。蘭氏體積和蘭氏壓力值來自于等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)或者煤層含氣量解吸實(shí)驗(yàn)。蘭氏體積和蘭氏壓力的取值存在三個(gè)缺陷：第一，等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，與地下實(shí)際特征差異較大；第二，等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)并未考慮到灰分、水分及揮發(fā)分對(duì)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(duì)取心等溫吸附模擬樣品的最小二乘擬合獲得，即將整個(gè)煤層作為一個(gè)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(jì)算精度不高。為了提高含氣量計(jì)算精度，需要對(duì)煤層氣儲(chǔ)層常規(guī)等溫吸附模擬做一修正，具體表達(dá)式如下：

(4)

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

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

動(dòng)態(tài)蘭氏體積是含氣量計(jì)算精度的關(guān)鍵，也是計(jì)算難點(diǎn)。根據(jù)H區(qū)塊的等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)，建立了基于巖心分析密度的動(dòng)態(tài)蘭氏體積表征模型(圖4)?；趧?dòng)態(tài)蘭氏體積的含氣量計(jì)算具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)楹罄m(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(jì)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(chǔ)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(shí)測(cè)含氣量與原始地層壓力對(duì)應(yīng)的吸附氣含氣量之比值。當(dāng)煤層含氣飽和度為100%時(shí)，稱之為飽和煤層；當(dāng)含氣飽和度小于100%，稱之為欠飽和煤層；當(dāng)含氣飽和度大于100%，則稱之為過飽和煤層。煤層氣儲(chǔ)層含氣飽和度的計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Sg為含氣飽和度；V為地層壓力下對(duì)應(yīng)的實(shí)際含氣量，m3/t；VS為地層壓力下對(duì)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(shí)測(cè)含氣量，計(jì)算出H區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的含氣飽和度為86%.

pL—蘭氏壓力；V—實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 CBM isothermal adsorption experimental result in H block

3 應(yīng)用結(jié)果分析

在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上，以單井測(cè)井?dāng)?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(chǔ)層評(píng)價(jià)。圖6為H區(qū)塊的AA井的煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果。由圖6可看出，澳大利亞H區(qū)塊中煤階煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的結(jié)果為：灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.6%～30.7%，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.00%～32.48%，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.60%～69.84%，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)的動(dòng)態(tài)蘭氏體積煤層含氣量的等溫吸附模擬結(jié)果計(jì)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(chǔ)層研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

在煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行了H區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的有利區(qū)劃分，結(jié)合實(shí)際開發(fā)效果確定了有利區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)。煤層氣開發(fā)有利區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為含氣量、累計(jì)厚度、滲透率和頂?shù)装鍘r性。有利區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)為：含氣量大于5 m3/t，煤巖累計(jì)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(bǔ)償密度；NPHI—中子孔隙度；AC—聲波時(shí)差；LLS—淺電阻率； VSH—泥質(zhì)含量；w(IM)—水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(ASH)—灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(FC)—固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)； w(VM)—揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?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(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Evaluation results of middle rank CBM in the H block, Australia

4 結(jié)論

通過對(duì)澳大利亞H區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)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(duì)于煤層儲(chǔ)層特點(diǎn)，結(jié)合煤層氣開發(fā)實(shí)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(chǔ)層評(píng)價(jià)。

2) 采用常規(guī)測(cè)井資料與取心分析資料進(jìn)行煤層識(shí)別，同時(shí)開展煤層頂?shù)装鍘r性識(shí)別，為準(zhǔn)確研究煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。基于巖心分析資料與測(cè)井資料的煤質(zhì)、儲(chǔ)層物性、改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)蘭氏體積含氣量能夠準(zhǔn)確地對(duì)煤層氣儲(chǔ)層開展評(píng)價(jià)，同時(shí)在含氣量計(jì)算過程中能夠消除灰分、水分和揮發(fā)分對(duì)含氣量與飽和度影響，極大地提高了含氣量計(jì)算精度。

3) 受限于煤層儲(chǔ)層測(cè)井曲線自身精度，煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)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(cè)井資料以提高煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性。