煤層氣田儲(chǔ)量評(píng)估方法適用性研究

劉恩奇，周立明，任繼紅，張 平

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015；2.自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100034)

0 引 言

作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，煤層氣的開發(fā)隨著開采技術(shù)和商業(yè)模式的改進(jìn)而日趨成熟，不斷引發(fā)著國(guó)際能源結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量評(píng)價(jià)體系的改變。根據(jù)2014年新一輪煤層氣資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的拓展延伸評(píng)價(jià)[1]，全國(guó)41個(gè)含氣盆地(群)煤層氣地質(zhì)資源量為30.25萬(wàn)億m3，可采資源量為12.50萬(wàn)億m3。其中鄂爾多斯盆地、沁水盆地煤層氣地質(zhì)資源量分別為7.26萬(wàn)億m3和4.00萬(wàn)億m3，為所有含氣盆地(群)中資源量最高的兩個(gè)盆地，占據(jù)總資源量的37.2%。截至2017年底，全國(guó)煤層氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量6 344.96億m3，經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量2 537.11億m3。2018年煤層氣產(chǎn)量51.5億m3(摘自2017年全國(guó)油氣礦產(chǎn)儲(chǔ)量通報(bào))，累計(jì)產(chǎn)量324億m3(2009～2018年)，儲(chǔ)量動(dòng)用程度仍有些偏低。

1 石油天然氣(包括煤層氣)資源/儲(chǔ)量分類體系

油氣資源和儲(chǔ)量是國(guó)家能源工業(yè)的基礎(chǔ)，不同目的、要求和層面，對(duì)資源儲(chǔ)量的內(nèi)涵有著不同的理解，不同的分類體系及內(nèi)涵決定了儲(chǔ)量計(jì)算的方法和結(jié)果[2]。

1.1 國(guó)外油氣資源/儲(chǔ)量分類框架(SEC/SPE)

國(guó)外證券市場(chǎng)的油氣儲(chǔ)量是從商業(yè)價(jià)值→資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)→市場(chǎng)化可行性→可采儲(chǔ)量→地質(zhì)儲(chǔ)量的“逆向”思維來(lái)建立的，立足于動(dòng)態(tài)的可采儲(chǔ)量上；地質(zhì)儲(chǔ)量的類別附屬于可采儲(chǔ)量或地質(zhì)儲(chǔ)量不分類；以可采儲(chǔ)量的可靠程度和可利用程度劃分為主，儲(chǔ)量與評(píng)價(jià)、開發(fā)階段緊密相連。國(guó)外(尤其是美國(guó))油氣儲(chǔ)量更側(cè)重于儲(chǔ)量的經(jīng)濟(jì)/商業(yè)價(jià)值。目前美國(guó)證券市場(chǎng)主要采用《Petroleum Resources Management System》(2018)中的儲(chǔ)量分類體系，此分類體系更好地詮釋了儲(chǔ)量經(jīng)濟(jì)價(jià)值性。

1.2 國(guó)內(nèi)油氣資源/儲(chǔ)量分類框架

國(guó)內(nèi)油氣儲(chǔ)量分類分級(jí)采用《石油天然氣資源儲(chǔ)量分類》(GB/T 19492—2004)。我國(guó)油氣儲(chǔ)量概念是從油氣聚集→成藏→資源量→地質(zhì)儲(chǔ)量→可采儲(chǔ)量的“正向”思維來(lái)建立的，立足于靜態(tài)的地質(zhì)儲(chǔ)量上；可采儲(chǔ)量的類別附屬于地質(zhì)儲(chǔ)量，即地質(zhì)儲(chǔ)量與可采儲(chǔ)量在級(jí)別上一一對(duì)應(yīng)，我國(guó)油氣儲(chǔ)量更側(cè)重于地下資源量。

1.3 國(guó)內(nèi)煤層氣資源/儲(chǔ)量分類框架

國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)量分類分級(jí)采用《煤層氣資源儲(chǔ)量規(guī)范》(DZ/T 0216—2010)。煤層氣作為非常規(guī)天然氣，所采用資源/儲(chǔ)量分類仍以常規(guī)油氣資源/儲(chǔ)量分類框架為基礎(chǔ)，以煤層氣特點(diǎn)加以劃分。

2 煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估方法

目前煤層氣田儲(chǔ)量評(píng)估方法與常規(guī)油氣儲(chǔ)量評(píng)估方法非常接近，主要包括：概率法、類比法、容積法、遞減曲線法、物質(zhì)平衡法、數(shù)值模擬法。每種評(píng)估方法都有其局限性，一般將多種評(píng)估方法結(jié)合起來(lái)評(píng)估一個(gè)煤層氣田。隨著煤層氣田勘探開發(fā)階段的不同，采用的方法也有所區(qū)別。

2.1 概率法

每一個(gè)未知參數(shù)(地球科學(xué)、工程、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù))都有其合理的范圍值，利用這些參數(shù)的全部范圍值去計(jì)算可能出現(xiàn)的結(jié)果及其相關(guān)出現(xiàn)概率的全部范圍值時(shí)，這種儲(chǔ)量或資源評(píng)估方法被稱作概率法。

2.2 類比法

類比法是一種比較簡(jiǎn)單的煤層氣儲(chǔ)量預(yù)測(cè)方法，通過(guò)與地質(zhì)條件相似的地區(qū)進(jìn)行類比分析，從而獲得煤層氣儲(chǔ)量。該方法要求類比區(qū)和被類比區(qū)在地質(zhì)條件、開發(fā)技術(shù)、開采工藝以及井網(wǎng)形態(tài)等方面基本一致，一般用于煤層氣田勘探開發(fā)初級(jí)階段。類比法通用原則是比差不比好。

2.3 容(體)積法

容(體)積法是煤層氣田勘探開發(fā)初期常用的儲(chǔ)量評(píng)估方法，也是煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算主要采用的方法，根據(jù)油氣藏情況或資料情況也可采用動(dòng)態(tài)法、確定性方法、概率法，一般采用確定性法。容(體)積法通俗表達(dá)公式：地質(zhì)儲(chǔ)量=面積×厚度×煤密度×含氣量。

2.4 遞減曲線法(產(chǎn)量遞減法)

遞減曲線法(產(chǎn)量遞減法)主要指通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析尋找研究區(qū)產(chǎn)量規(guī)律的方法估算煤層氣儲(chǔ)量，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)量評(píng)估，特別是用于評(píng)估已開發(fā)儲(chǔ)量。分析的原理是在具有足夠長(zhǎng)的生產(chǎn)歷史后，根據(jù)擬合得到的最佳單井歷史產(chǎn)量——時(shí)間動(dòng)態(tài)方程構(gòu)建出一條曲線，從曲線外推即可預(yù)測(cè)未來(lái)單井產(chǎn)量。當(dāng)明確存在遞減趨勢(shì)時(shí)，這種預(yù)測(cè)就特別有效[3]。由于煤層氣單井生產(chǎn)曲線的特征，一般是煤層氣井經(jīng)歷了產(chǎn)氣高峰開始穩(wěn)產(chǎn)并出現(xiàn)遞減后，利用遞減曲線對(duì)未來(lái)產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，該方法主要應(yīng)用于煤層氣田開發(fā)中后期階段。

2.5 物質(zhì)平衡法

物質(zhì)平衡法是物質(zhì)守恒定理在儲(chǔ)量計(jì)算中的具體運(yùn)用，是動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量評(píng)估的主要方法之一。其實(shí)質(zhì)是假定煤層氣藏開發(fā)過(guò)程中，油氣物質(zhì)的總量不變，即某個(gè)煤層氣藏的原始儲(chǔ)量等于采出量與地下剩余儲(chǔ)量之和。

2.6 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是通過(guò)建立模型、敏感性分析、歷史擬合等工作，利用專門的數(shù)值模擬軟件，對(duì)已獲得的儲(chǔ)層參數(shù)和早期的試采生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配擬合，最后獲取煤層氣井的預(yù)計(jì)生產(chǎn)曲線和可采儲(chǔ)量。

3 不同開發(fā)階段儲(chǔ)量評(píng)估適用性

隨著煤層氣田勘探開發(fā)程度逐漸加深，地質(zhì)資料、工程資料逐漸趨于豐富，采用的評(píng)估方法也不同。一般來(lái)說(shuō)煤層氣田開發(fā)初中期階段主要采用靜態(tài)法評(píng)估，包括概率法、類比法、容積法，開發(fā)中后期一般采用動(dòng)態(tài)法評(píng)估，包括遞減曲線法、數(shù)值模擬法、物質(zhì)平衡法。靜態(tài)法評(píng)估主要用于地質(zhì)儲(chǔ)量的計(jì)算(類似于SEC/SPE準(zhǔn)則下的PIIP/OO(G)IP)；動(dòng)態(tài)法評(píng)估主要用于技術(shù)可采儲(chǔ)量/剩余技術(shù)可采儲(chǔ)量的計(jì)算(類似于SEC/SPE準(zhǔn)則下的EUR/TRR)。

因?yàn)閮?chǔ)量評(píng)估具有不確定性，所以多種評(píng)估方法結(jié)合使用能相對(duì)客觀地反應(yīng)煤層氣田儲(chǔ)量、數(shù)量、狀態(tài)及變化過(guò)程，尤其是在煤層氣田開發(fā)后，生產(chǎn)資料逐漸豐富，儲(chǔ)量評(píng)估是常態(tài)化的工作。根據(jù)以往油氣儲(chǔ)量評(píng)估經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，遞減曲線法評(píng)估的儲(chǔ)量更接近真實(shí)，也相對(duì)最保守；數(shù)值模擬法、物質(zhì)平衡法評(píng)估的儲(chǔ)量通常偏大。但在煤層氣田開發(fā)初期，遞減規(guī)律不明顯的階段，數(shù)值模擬法、物質(zhì)平衡法也是經(jīng)常使用的評(píng)估方法。

沁水盆地是全國(guó)煤層氣田開發(fā)程度最高盆地之一，PH區(qū)塊位于沁水盆地東南部，已開發(fā)10年以上，處于煤層氣田開發(fā)中后期階段，面積近18 km2，主力煤層為3#煤層、15#煤層，其中3#煤層開發(fā)程度較高(約190口生產(chǎn)井)，地質(zhì)、生產(chǎn)資料豐富，本文著重研究3#煤層的儲(chǔ)量評(píng)估方法。以PH區(qū)塊為例，利用靜態(tài)法、動(dòng)態(tài)法、中方常用方法、西方常用方法(概率法、產(chǎn)量概率法)分別評(píng)估該區(qū)塊的儲(chǔ)量，重點(diǎn)研究遞減曲線法和產(chǎn)量概率法，總結(jié)煤層氣田開發(fā)過(guò)程中各種方法的適用性情況。

3.1 概率法(容積法參數(shù)概率分布計(jì)算)

統(tǒng)計(jì)3#煤層每個(gè)參數(shù)包括煤厚度、含氣量等參數(shù)的概率分布，建立概率分布圖及累計(jì)概率分布曲線，利用容積法公式計(jì)算得PH區(qū)塊靜態(tài)地質(zhì)儲(chǔ)量P10：34.62億m3、P50：26.94億m3、P90：21.29億m3、Pmean：27.38億m3、P^：27.16億m3。

3.2 數(shù)值模擬法

依據(jù)PH區(qū)塊3#煤層6口參數(shù)井的地質(zhì)參數(shù)，利用Petrel軟件建立地質(zhì)模型，模型為300×261×2的三維網(wǎng)格，再依據(jù)相滲、蘭氏曲線、參數(shù)井煤巖測(cè)試結(jié)果、流體PVT、擴(kuò)散系數(shù)、人工裂縫滲透率、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、應(yīng)力敏感、形狀因子等其他參數(shù)建立屬性模型，生成地質(zhì)模型圖、含氣量模型圖、孔隙度模型圖等。

利用PH區(qū)塊共196口生產(chǎn)井2005～2016年的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。在此歷史擬合的基礎(chǔ)上(其中184口井?dāng)M合程度較高)，采用確定地下產(chǎn)出流體的生產(chǎn)制度和控制方式，設(shè)定廢棄壓力為1個(gè)大氣壓，對(duì)后期的生產(chǎn)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)(圖1)。平均單井日產(chǎn)氣量2 638 m3/d，預(yù)測(cè)20年技術(shù)可采儲(chǔ)量32.1億m3。

3.3 遞減曲線法

分析PH區(qū)塊190口生產(chǎn)井中排采生產(chǎn)超過(guò)10年的直井的產(chǎn)氣曲線、產(chǎn)水曲線，對(duì)所有產(chǎn)氣曲線進(jìn)行擬合(圖2)，求出平均值，并找出遞減規(guī)律，確定遞減率。同時(shí)需分析在遞減期利用增壓措施來(lái)提高瞬時(shí)產(chǎn)量的情況。

通過(guò)Arps遞減分析，確定增壓前擬合初始遞減率D=0.00055，b=0.24，得到R2=97.7%，為雙曲遞減；增壓后擬合初始遞減率D=0.00061，b=0，得到R2=92.4%，為指數(shù)遞減。通過(guò)遞減分析計(jì)算得出，PH區(qū)塊單井30年(按見氣時(shí)間算)平均累產(chǎn)氣量1 692萬(wàn)m3，共計(jì)可采氣量(視為技術(shù)可采儲(chǔ)量)32.15億m3。

圖1 累計(jì)產(chǎn)氣預(yù)測(cè)曲線Fig.1 Accumulative forecast

圖2 單井平均產(chǎn)氣遞減曲線規(guī)律分析預(yù)測(cè)圖Fig.2 Single average production forecast

3.4 產(chǎn)量概率法

利用產(chǎn)量概率法進(jìn)行儲(chǔ)量評(píng)估一般僅適用于開發(fā)程度較高的煤層氣田。

產(chǎn)量概率法原理/概念：通過(guò)利用大量的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從產(chǎn)氣初始開始，利用概率函數(shù)計(jì)算單位時(shí)間(一般是月份)的產(chǎn)量的概率分布，而后計(jì)算出全生產(chǎn)周期的生產(chǎn)概率分布數(shù)據(jù)(EUR)，并生成概率分布曲線。一般給出的結(jié)果為P90、P50、P10。產(chǎn)量概率法一般結(jié)合遞減曲線法使用。

分別利用PH區(qū)塊3#煤層2005年投入生產(chǎn)的40口井及2009年投入生產(chǎn)的150口井的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)，結(jié)合遞減規(guī)律的預(yù)測(cè)，模擬了全周期產(chǎn)氣概率分布曲線(圖3～6)，并篩選出P90、P50、P10三條產(chǎn)氣概率分布曲線。

最后分別得出P90、P50、P10的EUR結(jié)果(表1)。

圖3 40口井時(shí)間拉齊產(chǎn)氣曲線平均值Fig.3 Normalize time zero by 40 wells average value

圖4 40口井P10/P50/P90產(chǎn)氣曲線(線性處理)Fig.4 Production curve by 40 wells of P10/50/90(lineal processing)

圖5 150口井時(shí)間拉齊產(chǎn)氣曲線平均值Fig.5 Normalize time zero by 150 wells average value

圖6 150口井P10/P50/P90產(chǎn)氣曲線(線性處理)Fig.6 Production curve by 150 wells of P10/50/90(lineal processing)

表1 產(chǎn)量概率法預(yù)測(cè)儲(chǔ)量結(jié)果表Table 1 Reserves forecast by production probability

類型P90P50P10EUR/(億m3)24.2931.4943.97

3.5 分析結(jié)果

2001年，通過(guò)面積權(quán)衡法，測(cè)算PH區(qū)塊3#煤層探明地質(zhì)儲(chǔ)量27.41億m3，技術(shù)可采儲(chǔ)量14.76億m3。由于年代久遠(yuǎn)，此數(shù)據(jù)與當(dāng)前評(píng)估的儲(chǔ)量對(duì)比意義不大，僅具有一定的參考性。

通過(guò)概率法算出的地質(zhì)儲(chǔ)量(P10：34.62億m3、P50：26.94億m3、P90：21.29億m3)比實(shí)際預(yù)想的結(jié)果低。截至2017年12月份，PH區(qū)塊3#煤層累產(chǎn)20.05億m3，未來(lái)仍要產(chǎn)氣數(shù)億立方米，按照目前公認(rèn)的采收率50%～55%計(jì)算，P50儲(chǔ)量應(yīng)該在50億m3以上。造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下兩個(gè)方面：①參數(shù)井較少，大多采用煤礦鉆孔(煤孔含氣量一般偏低)；②選用的參數(shù)基本上都是幾年甚至十幾年前的數(shù)據(jù)(以往測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)照目前有差距)。盡管如此，用概率法評(píng)估來(lái)儲(chǔ)量在油氣田勘探開發(fā)早期是可行的，與容積法中常用的等值線面積權(quán)衡法計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量一樣。

數(shù)值模擬法、遞減曲線法、產(chǎn)量概率法(P50)三種動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果極其相近。從以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，數(shù)值模擬、產(chǎn)量概率評(píng)估的儲(chǔ)量一般要比遞減曲線法評(píng)估的儲(chǔ)量高，出現(xiàn)這種情況的一個(gè)很重要的原因是PH區(qū)塊已生產(chǎn)多年，處于遞減階段，未來(lái)生產(chǎn)年限所剩不多，因此數(shù)據(jù)擬合程度很高，評(píng)估結(jié)果比較接近。對(duì)儲(chǔ)量評(píng)估來(lái)說(shuō)，需要逐口井分析遞減規(guī)律并生成產(chǎn)氣全周期曲線，精確性更高，因此，遞減曲線法被廣泛地應(yīng)用于儲(chǔ)量評(píng)估。

4 結(jié)論及思考

4.1 結(jié)論

1) 煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估方法主要采用常規(guī)油氣儲(chǔ)量評(píng)估方法，產(chǎn)量概率法比較適合非常規(guī)油氣儲(chǔ)量的評(píng)估，尤其是在煤層氣田開發(fā)的中后期，有大量生產(chǎn)井/數(shù)據(jù)的情況下，此方法結(jié)合遞減曲線法能更準(zhǔn)確地評(píng)估煤層氣田可采儲(chǔ)量。

2) 一般來(lái)說(shuō)，煤層氣田勘探開發(fā)程度不同，所采用的評(píng)估方法均有不同。勘探開發(fā)早期一般采用靜態(tài)法評(píng)估，使用方法主要有類比法、容積法。開發(fā)中后期一般采用動(dòng)態(tài)法評(píng)估，主要有數(shù)值模擬法、遞減曲線法、物質(zhì)平衡法等。其中遞減曲線法應(yīng)用比較廣泛，主要在于遞減曲線法評(píng)估儲(chǔ)量更精確，與煤層氣田開發(fā)生產(chǎn)結(jié)合更緊密。數(shù)值模擬法和物質(zhì)平衡法經(jīng)常被用作輔助手段。綜上，煤層氣田勘探前中期主要采用類比法；勘探后期、開發(fā)前期(生產(chǎn)井?dāng)?shù)較少)主要采用容積法、概率法；開發(fā)前期(開發(fā)兩年左右)可采用數(shù)值模擬法、物質(zhì)平衡法等方法；開發(fā)中后期采用遞減曲線法。

3) 每一種評(píng)估方法都有其局限性，儲(chǔ)量評(píng)估應(yīng)采用多種方法相結(jié)合，這樣才能客觀地反映一個(gè)煤層氣田的儲(chǔ)量，同時(shí)也給決策者提供后續(xù)開發(fā)生產(chǎn)建議。

4.2 思考

1) 儲(chǔ)量是一個(gè)范圍區(qū)間的概念，地下資源量/儲(chǔ)量不應(yīng)該用一個(gè)確定的數(shù)值來(lái)表示。資源量/儲(chǔ)量評(píng)估具有不確定性，即使計(jì)算出一個(gè)確定的儲(chǔ)量數(shù)值，也不能完全真實(shí)地反應(yīng)地下的情況。甚至于一旦某個(gè)參數(shù)出現(xiàn)偏差，評(píng)估結(jié)果可能會(huì)大相徑庭。相比之下，給出一個(gè)概率分布數(shù)值能較為科學(xué)地反應(yīng)煤層氣儲(chǔ)量賦存狀態(tài)，同時(shí)給決策者提供合理建議。但是從管理者的角度來(lái)看，儲(chǔ)量數(shù)值多樣性不利于管理，容易出現(xiàn)混亂現(xiàn)象，即使在美國(guó)資本市場(chǎng)，也僅僅披露P1儲(chǔ)量(P2、P3一般不作披露)。所以儲(chǔ)量合理性改革任重道遠(yuǎn)。

2) 目前煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估主要側(cè)重于容積法，包括國(guó)家和公司的管理更傾向于地下資源量的概念。隨著油氣市場(chǎng)化/資本化的進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量的重要性凸顯，尤其是儲(chǔ)量與經(jīng)濟(jì)價(jià)值的掛鉤越來(lái)越緊密，未來(lái)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量、價(jià)值的評(píng)估將占主導(dǎo)地位。因此逐步完善煤層氣乃至非常規(guī)油氣動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量評(píng)估將成為主流趨勢(shì)。

3) 儲(chǔ)量的評(píng)估僅是過(guò)程并非結(jié)果，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō),其目的一是指導(dǎo)及銜接勘探開發(fā)與生產(chǎn)；二是為實(shí)現(xiàn)企業(yè)增值；對(duì)于國(guó)家層面來(lái)講,務(wù)必掌握其“家底”，供戰(zhàn)略決策之用。因此在完成地質(zhì)儲(chǔ)量評(píng)估的基礎(chǔ)上，評(píng)估動(dòng)用儲(chǔ)量的意義將越來(lái)越明顯。目前國(guó)內(nèi)煤層氣乃至非常規(guī)油氣動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)估還很薄弱，有必要建立動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)估體系，與開發(fā)生產(chǎn)緊密結(jié)合并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化管理。這樣最大程度反映國(guó)家、公司“家底”的同時(shí)，還可以對(duì)公司資本化、國(guó)家戰(zhàn)略化建設(shè)進(jìn)程提供更優(yōu)的決策及部署建議。

4) 煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估方法與油氣儲(chǔ)量評(píng)估方法基本相同，目前主要針對(duì)不同開發(fā)階段的煤層氣田選取適用性方法評(píng)估。我國(guó)煤炭資源豐富，地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層條件種類繁多，未來(lái)可針對(duì)不同地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層條件等研究針對(duì)型的評(píng)估方法，并建立相關(guān)體系。這樣不僅可繼續(xù)完善煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估體系架構(gòu)，同時(shí)還能更加科學(xué)系統(tǒng)化地指導(dǎo)煤層氣田勘探開發(fā)的生產(chǎn)及部署。