流體產(chǎn)出特征評價方法預(yù)測高階煤儲層產(chǎn)能

引用格式：劉春春，張聰，賈慧敏，吳定泉，霸振，王琪，毛生發(fā). 流體產(chǎn)出特征評價方法預(yù)測高階煤儲層產(chǎn)能［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（2）：189-198.

摘要：鄭莊區(qū)塊開發(fā)效果整體較差，主因是開發(fā)技術(shù)不適應(yīng)煤儲層特征，煤儲層綜合評價是開發(fā)技術(shù)政策確立的基礎(chǔ)。研究了煤儲層地質(zhì)開發(fā)特征，解剖了煤層氣產(chǎn)出機理，提出了可驅(qū)動性、流動性和儲層可改造性是決定單井產(chǎn)量的主要因素。采用層次分析法對儲層進行了綜合評價，建立了三類儲層模型。結(jié)果表明：流體產(chǎn)出的驅(qū)動能力主要取決于含氣飽和度，含氣飽和度越高，可驅(qū)動性越強；可流動性取決于煤巖孔裂隙發(fā)育特征；可改造性取決于煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育程度和地應(yīng)力大小。在內(nèi)生裂隙不發(fā)育區(qū)，合理縮短壓裂段間距，多簇多段大規(guī)模改造，實現(xiàn)縫網(wǎng)改造；在外生裂隙不發(fā)育區(qū)，采用水平井大排量體積改造，構(gòu)建人工復(fù)雜縫網(wǎng)，可實現(xiàn)最大控儲。該研究為煤儲層評價及實現(xiàn)高效開發(fā)提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：勘探開發(fā)；高階煤；煤儲層；流體產(chǎn)出特性；評價方法；鄭莊區(qū)塊

中圖分類號：TE37 文獻標識碼： A

0 引言

中國煤層氣資源富集，2 000 m 以淺的煤層氣資源量約30×1012 m3，高煤階、中煤階、低煤階煤層氣分別占比為34%、31% 和35%，其中沁水盆地煤層氣資源總量約4×1012 m3，約占高階煤煤層氣資源量的39%，占全國煤層氣資源總量的14%，是中國最重要的整裝煤層氣資源區(qū)。經(jīng)過多輪次選區(qū)評價，認為沁水盆地高階煤煤層氣資源為優(yōu)質(zhì)資源。“十二五”以來，中國煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，建成了沁水盆地高階煤產(chǎn)業(yè)基地、鄂爾多斯盆地東緣中低階煤產(chǎn)業(yè)基地等兩大產(chǎn)業(yè)化基地，但整體開發(fā)效果較差，不同區(qū)塊煤層氣井低產(chǎn)低效區(qū)的普遍存在，已成為制約中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸之一［1］。

研究區(qū)鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部，是典型的高階煤發(fā)育區(qū)，煤儲層具有含氣性好、滲透性差、儲層非均質(zhì)性強的特點。該區(qū)塊于2010 年投入規(guī)模開發(fā)，主體采用相鄰樊莊區(qū)塊的成熟開發(fā)技術(shù)和工藝，開發(fā)井型以直井為主、裸眼多分支水平井為輔，到2014 年整體進入穩(wěn)產(chǎn)期，開發(fā)上表現(xiàn)為低產(chǎn)低效，產(chǎn)能到位率不足30%，低產(chǎn)井（指直井日產(chǎn)氣量小于500 m3、水平井日產(chǎn)氣量小于2 000 m3 的井） 占比達到60%。通過深化開發(fā)地質(zhì)認識，解剖開發(fā)技術(shù)適應(yīng)性，認為低效主因是鄭莊區(qū)塊位于寺頭斷層下降盤，地應(yīng)力集中，煤儲層物性（滲透率一般小于0.1×10?3 μm2） 較上升盤的樊莊區(qū)塊（滲透率一般（0.1×10?3～1×10?3 μm2） 變差，樊莊區(qū)塊成熟的開發(fā)技術(shù)與鄭莊區(qū)塊特殊的地質(zhì)條件不匹配，直井在相似壓裂改造規(guī)模和工藝下，壓降漏斗變窄，井控資源量變小，單井產(chǎn)氣量偏低；裸眼多分支水平井采用裸眼洞穴方式完井，且未經(jīng)壓裂改造，鉆井、排采過程中井眼易變形垮塌，且在特低滲儲層條件下，僅靠煤巖自身的滲透性很難獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。因此，急需對煤儲層進行綜合評價，匹配合理的開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)塊效益開發(fā)。

在煤儲層評價方面，前人進行了大量研究。史飛飛認為沁水盆地山西組下部3 號煤儲層的含氣性、含煤性、儲層壓力、煤層孔滲性及水文地質(zhì)條件等是主要評價參數(shù)，采用模糊綜合評價法進行了定量評價［2］。毛毳等基于主成分分析法，選取蘭氏體積、比表面積、總孔體積、微孔含量等 11 項參數(shù)對鶴崗煤礦煤儲層進行了評價，認為煤儲層質(zhì)量主要受控于孔隙結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境和構(gòu)造作用［3］。靳黎明等基于注入/壓降測試結(jié)果對四川省某煤儲層進行了評價［4］。姚艷斌等提出了煤體結(jié)構(gòu)、宏觀煤巖類型、煤層構(gòu)造變形、地應(yīng)力、煤層與頂板抗拉強度差是影響煤層可改造性的關(guān)鍵地質(zhì)因素［5］。王存武等利用分頻屬性反演技術(shù)和頻譜成像技術(shù)預(yù)測煤層厚度與含氣量，并結(jié)合鉆井資料獲取其他煤儲層評價參數(shù)，采用多層次模糊評價方法預(yù)測柿莊南區(qū)塊3 號煤煤層氣地質(zhì)甜點［6］。張云峰基于等溫吸附曲線，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)、計算及實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，篩選并定義了構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的3 個煤儲層評價指標，即含氣指數(shù)、構(gòu)造煤指數(shù)和保存壓力［7］。孟召平等建立了基于 Griffith 強度理論的煤儲層水力壓裂有利區(qū)評價方法，根據(jù)單軸抗拉強度將煤儲層可壓裂性劃分為 4 類，煤儲層抗拉強度值越小，煤層氣井水力壓裂起裂壓力越小，越易于壓裂改造［8］。

在煤層氣產(chǎn)出影響因素方面，許耀波等認為煤層氣產(chǎn)出困難的主要原因是煤巖裂隙發(fā)育連通性差、臨儲比和含氣飽和度低、水平應(yīng)力差異系數(shù)小導(dǎo)致的壓裂改造效果差［9］。降文萍等認為構(gòu)造煤的孔裂隙決定了煤中氣體儲集量大但產(chǎn)出運移通道不暢，開發(fā)難度大［10］。李宇等認為滲透率和臨儲比是影響山西沁水盆地東南部某區(qū)塊產(chǎn)量的主控因素，且地質(zhì)因素對產(chǎn)量的影響高于工程因素［11］。張小東等認為煤儲層物性是影響煤層氣解吸、擴散、滲流的關(guān)鍵因素，其好壞直接決定煤層氣井的產(chǎn)氣效果［12］。劉順喜等基于應(yīng)力敏感性參數(shù)，推導(dǎo)出煤層氣井產(chǎn)能模型，結(jié)果顯示，不考慮應(yīng)力敏感性的氣井產(chǎn)量高于考慮應(yīng)力敏感性的氣井，并揭示了應(yīng)力敏感性對煤層氣井產(chǎn)量的影響程度［13］。

基于研究區(qū)的開發(fā)現(xiàn)狀及煤儲層特征，認為前人研究成果均是在特殊地質(zhì)特征下對煤儲層開展評價研究，各種評價方法均存在主控因素不足的特點，且多是對單一因素進行評價，缺乏對煤儲層的流體產(chǎn)出的驅(qū)動能力、流動能力和儲層的可改造性等進行綜合評價，在研究區(qū)適應(yīng)性差。因此，需要建立研究區(qū)特有的高階煤儲層綜合評價方法。通過精細評價煤儲層，指導(dǎo)形成差異化的鉆井、壓裂技術(shù)，從而實現(xiàn)單井產(chǎn)量的大幅提升。

在前人研究基礎(chǔ)上，筆者基于鄭莊區(qū)塊開發(fā)現(xiàn)狀，開展了產(chǎn)量主控因素分析，提出了流體產(chǎn)出驅(qū)動能力、流動能力和儲層可改造性是決定單井產(chǎn)量的主要因素，并在其綜合評價基礎(chǔ)上采用匹配儲層地質(zhì)特點的開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)煤層氣資源高效動用。

1 方法過程

前人研究結(jié)果表明，在煤儲層物性相似的條件下，煤層厚度越大、含氣量越高、含氣飽和度越高，越有利于煤層氣井的高產(chǎn)；在含氣性相似的條件下，煤儲層壓力、滲透率越高，越有利于流體的高效產(chǎn)出［14］?；诿簬r裂縫描述、流體模擬結(jié)果，認為流體的產(chǎn)出動能、煤巖原始各級孔隙裂縫的發(fā)育連通程度以及人工改造縫網(wǎng)與原始孔裂隙的連通性，綜合決定了流體的產(chǎn)出能力。只有三者的合理匹配才能實現(xiàn)流體的高效快速產(chǎn)出，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致煤層氣井的低產(chǎn)?；诹黧w產(chǎn)出過程的復(fù)雜性，認為高階煤儲層評價必須對煤儲層的可驅(qū)動性、可流動性、可改造性三類特征進行綜合評價。

1.1 室內(nèi)研究

1.1.1 研究區(qū)儲層地質(zhì)開發(fā)特征

（1） 構(gòu)造特征。受燕山期構(gòu)造運動及新生代構(gòu)造運動作用，沁水盆地南部構(gòu)造較發(fā)育［15］。鄭莊區(qū)塊構(gòu)造上位于沁水盆地南部晉城馬蹄形斜坡帶，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的系列小斷層，呈一組北東—西南向正斷層組成的弧形斷裂帶，并發(fā)育有一定數(shù)量的陷落柱。受寺頭斷層影響，區(qū)內(nèi)整體上表現(xiàn)為：西南部構(gòu)造簡單，地層傾角一般小于 4°左右，斷層、褶曲不發(fā)育，與區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力方向一致，褶曲軸向為北東向；東南、東北部受寺頭斷層影響，構(gòu)造相對較復(fù)雜，局部地層傾角達到 10°以上，褶曲相間展布，小斷層局部發(fā)育，褶曲、斷層方向多變，南北向、北東向、北西向均有發(fā)育，表現(xiàn)為多期構(gòu)造作用的產(chǎn)物。

（2） 含氣性特征。研究區(qū)煤層氣資源富集，巖心分析化驗結(jié)果表明，含氣量一般為 18～30 m3/t，含氣飽和度一般大于 50%，平面上表現(xiàn)為西南部、北部含氣量高，東部、中部含氣量和含氣飽和度差異較大的特點?？傮w表現(xiàn)為構(gòu)造對含氣量及其賦存規(guī)律具有明顯的控制作用［16］，在寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的小斷層組成的弧形斷裂帶、陷落柱附近，含氣量局部逸散，含氣性變差，含氣量普遍小于 18 m3/t，含氣飽和度一般小于 50%。

（3） 孔裂隙特征。研究區(qū)為高階煤儲層，受多期構(gòu)造運動疊加影響，煤巖具有低壓、低滲、非均質(zhì)性強的特點。孔隙是主要的存儲空間，割理裂隙是流體滲透的主要通道［17］。壓汞實驗結(jié)果顯示，孔隙以微孔、小孔發(fā)育為主，平均占比達 80%，大孔其次，中孔最不發(fā)育。巖心觀察孔隙度一般為 4%～6%。測試滲透率普遍小于 0.1×10?3 μm2。裂隙是煤層氣主要滲流通道，對煤層氣開發(fā)至關(guān)重要［18］。研究區(qū)多發(fā)育兩組裂隙，主裂隙密度一般為 5～10 條/cm，長度 0.01～7 cm，次裂隙與主裂隙近直交，長度受主裂隙控制。

（4） 開發(fā)特征。“十三五”以前，研究區(qū)主體開發(fā)井型為直井、裸眼多分支水平井，受煤儲層地質(zhì)條件控制，總體表現(xiàn)為由西南至東北開發(fā)效果逐漸變差的特征，西南部裸眼多分支水平井井均日產(chǎn)氣量2 500 m3/d，直井井均日產(chǎn)氣量不足 1 000 m3/d；北部裸眼多分支水平井單井日產(chǎn)氣量不足 1 000 m3/d，直井井均日產(chǎn)氣量 300 m3/d。不同井型在區(qū)塊的適應(yīng)性差異較大，西南部資源富集，煤儲層物性好，整體表現(xiàn)為直井、水平井效果相對較好；中部儲層非均質(zhì)性強，開發(fā)效果差異大；北部含氣量高，受埋深增大影響，儲層物性變差，直井、裸眼多分支水平井開發(fā)效果均不理想，必須實施壓裂改造。

1.1.2 高階煤儲層煤層氣產(chǎn)出特征研究

隨著沁南煤層氣田高階煤煤層氣開發(fā)的不斷深入和基礎(chǔ)地質(zhì)理論認識的不斷深化，在直井開發(fā)效果較差的資源富集區(qū)采用 L 型套管壓裂水平井開發(fā)，取得了良好的開發(fā)效果，亦逐漸認識到煤儲層內(nèi)流體的產(chǎn)出動能和運移產(chǎn)出通道是高效開發(fā)的基礎(chǔ)和保障。煤儲層能量是決定煤層氣開發(fā)效果的關(guān)鍵因素之一［19］，在相同能量下，只有在煤儲層中構(gòu)建高效的流體產(chǎn)出通道，通過人工縫網(wǎng)溝通各級天然割理裂縫，才能大幅度提高煤層氣單井產(chǎn)量。從空間上來說，煤儲層內(nèi)發(fā)育的天然裂隙系統(tǒng)包括大裂隙系統(tǒng)以及微裂隙，外生節(jié)理系統(tǒng)是流體產(chǎn)出的主干通道，次級裂縫為氣脹節(jié)理，煤巖基質(zhì)內(nèi)微裂隙是連接煤基質(zhì)內(nèi)孔隙與內(nèi)生裂隙系統(tǒng)的橋梁［20］，不同尺度的孔隙和裂隙共同構(gòu)成了流體運移產(chǎn)出通道，如圖1 所示。結(jié)合生產(chǎn)實際，按照尺度大小可將煤儲層裂隙分為一級宏觀裂隙、二級外生裂隙、三級內(nèi)生裂隙、四級基質(zhì)孔隙等 4 個級別。

從圖1 中可以看出，對于已開發(fā)的直井井網(wǎng)，通過水平井井眼和分段壓裂裂縫溝通直井人工壓裂裂縫、天然裂縫及割理裂縫，可實現(xiàn)井控范圍內(nèi)資源最大控制。

滲流力學(xué)模擬結(jié)果表明，甲烷氣體從煤巖基質(zhì)孔隙表面解吸、擴散出來，以滲流的方式通過內(nèi)生裂隙、外生裂隙、人工裂縫等組成的復(fù)雜孔裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能流入井筒，如圖2 所示。

由圖2 中可以看出，在整個產(chǎn)出過程中，只有四級縫網(wǎng)連通時，才能實現(xiàn)煤儲層快速疏水降壓，促使甲烷氣體產(chǎn)出。煤層氣開采過程中，甲烷氣體首先從煤基質(zhì)的微孔表面解吸，由吸附態(tài)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，自由態(tài)的甲烷氣體通過擴散、滲流作用進入煤的裂隙系統(tǒng)和大孔中，然后在一定的降壓條件下進入人工縫網(wǎng)，從井筒產(chǎn)出。由此可見，煤儲層中的裂隙系統(tǒng)是煤層氣由煤基質(zhì)表面擴散、滲流、產(chǎn)出的主要通道，煤儲層中裂隙的密度、寬度、裂隙的連通性及填充狀況直接影響著氣體的產(chǎn)出通道。

1.1.3 高階煤儲層評價

1.1.3.1 可驅(qū)動性評價

氣體的可驅(qū)動性，即氣體自原始基質(zhì)孔隙中逐漸解吸、擴散運移至各級孔裂縫系統(tǒng)和人工縫網(wǎng)中，直至從井筒產(chǎn)出的能力。研究表明，甲烷氣體產(chǎn)出的初始能量主要取決于煤巖含氣飽和度和生產(chǎn)過程中地層的壓降速率。對于相似的區(qū)塊而言，排采過程中一般會采用相近的降壓速率，因此重點對含氣飽和度對氣體產(chǎn)出的影響進行了論述。在煤層氣井排采過程中，采用相同的排水降壓速率，煤層氣井產(chǎn)量與含氣飽和度相關(guān)性較好，如圖3 所示。

由圖3 中可以看出，隨著含氣飽和度增加，單井穩(wěn)產(chǎn)氣量呈上升趨勢。同時含氣飽和度也直接影響著開采過程中煤儲層降壓解吸的難易程度，含氣飽和度越低，煤層氣井排水降壓的可降幅程度越小，壓降漏斗的擴展面積變小，致使產(chǎn)氣效果較差；煤儲層含氣飽和度越高，煤層臨界解吸壓力越高，煤層甲烷氣體越容易解吸產(chǎn)出，當含氣飽和度大于等于100%時，只要有地層壓力的下降，甲烷氣體就可以從煤層中解吸擴散出來。因此，含氣飽和度是決定甲烷氣體從基質(zhì)孔隙擴散到內(nèi)生、外生裂隙的初始能量的一個要素，含氣飽和度越高，氣體越易產(chǎn)出。

1.1.3.2 可流動性評價

流體的可流動性取決于是否有可流動至其他位置的通道，若存在流動能力，但沒有可流動通道，流體是無法流動的，因此，煤巖各級孔裂隙系統(tǒng)的發(fā)育情況、連通情況及人工壓裂建立的人工裂縫通道共同決定了流體是否能夠產(chǎn)出。本文中的可流動性評價重點是對裂隙系統(tǒng)的評價，煤儲層中各級裂隙系統(tǒng)是煤層氣運移的重要通道［21］，對煤儲層滲透性具有極為重要的控制作用［22］。研究表明，在同一區(qū)塊，煤巖組分和構(gòu)造決定了流體的可流動性。

（1） 煤巖組分的影響。煤巖顯微組分主要包括有機質(zhì)和無機質(zhì)兩部分，有機質(zhì)含量一般大于90%，其中有機質(zhì)顯微組分包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組。煤巖測試結(jié)果表明：研究區(qū)有機質(zhì)顯微組分中鏡質(zhì)組含量一般為61.8%～92.7%，平均為71.9%；惰質(zhì)組含量一般為7.3%～38.2%，平均為26.7%；幾乎不含有殼質(zhì)組組分。無機質(zhì)組分主要包括黏土類、硫化物類、碳酸鹽類、氧化物類等（見表1）。

由表1 中可以看出，黏土類組分含量一般為2.2%～8.3%，碳酸鹽類組分含量一般為0.2%～1.7%，部分井含有氧化物類組分，一般小于0.5%，多數(shù)井不含硫化物類組分。

研究表明，孔裂隙的發(fā)育程度在相同的熱變質(zhì)程度背景下受控于煤巖物質(zhì)成分的差異，煤巖內(nèi)生裂隙在鏡質(zhì)組內(nèi)最為發(fā)育［23］，煤巖中的鏡質(zhì)組含量對內(nèi)生裂隙發(fā)育影響顯著，鏡質(zhì)組含量越高，內(nèi)生裂隙越長，密度越高。從煤巖類型來看，光亮煤中鏡質(zhì)組含量最高，其裂隙最發(fā)育，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，光亮煤中鏡質(zhì)組含量最高，平均為6.45 條/cm，半亮煤中平均為4.97 條/cm，半暗煤中平均為4.55 條/cm，暗淡煤中鏡質(zhì)組含量最低，平均僅為3.98 條/cm。

灰分含量高會阻礙內(nèi)生裂隙的發(fā)育，在拋光的煤樣縱橫斷面上常見到內(nèi)生裂隙的延伸終止于高灰條帶或團塊的邊緣，灰分含量越高，內(nèi)生裂隙發(fā)育越短，密度越低，孔隙度越低（見圖5），同時使得孔裂隙的連通性變差，不利于甲烷氣體的流動產(chǎn)出。

從圖5 中可以看出，灰分含量與孔隙度呈負相關(guān)性，總體上隨著灰分含量的增大，孔隙度占比由7% 下降至4%。

（2） 構(gòu)造的影響。構(gòu)造不僅控制著煤儲層外生裂隙的發(fā)育程度，同時也控制著內(nèi)生裂隙的擴展。研究表明，煤巖在其形成與演化的整個過程中，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，先后經(jīng)歷了脆性變形、脆-韌性變形和韌性變形3 個階段，最終形成構(gòu)造裂隙或斷層。從圖6 可看出，脆性變形階段有利于內(nèi)生裂隙擴展，裂隙適度發(fā)育，更利于煤層氣的產(chǎn)出；韌性變形階段，裂隙通道被完全破壞，嚴重制約了氣體的擴散［24］。在同一構(gòu)造背景下，地層的不同變形程度可反映天然裂縫發(fā)育程度［25］，本文利用構(gòu)造曲率預(yù)測裂縫發(fā)育程度，采用三維地震屬性資料對研究區(qū)構(gòu)造曲率進行了計算，結(jié)果表明，研究區(qū)構(gòu)造曲率值在0.15～0.23 km?1 時，構(gòu)造幅度差小，裂縫適度發(fā)育，更利于甲烷氣體的產(chǎn)出。

1.1.3.3 可改造性評價

（1） 煤體結(jié)構(gòu)的影響。通常煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。隨著煤體結(jié)構(gòu)破碎程度增加，煤巖脆性變小，粒度變小，致裂效果變差。對同一區(qū)塊相似構(gòu)造背景下的不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖在相同壓裂改造工藝和參數(shù)下的壓裂縫長和縫網(wǎng)進行監(jiān)測，結(jié)果表明，原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤壓裂造縫效果最好，更有利于造長縫；碎粒煤縫網(wǎng)復(fù)雜，難造長主縫；糜棱煤裂縫很難擴展，壓裂砂一般堆積在近井筒附近。

以同一區(qū)塊的Z1、Z2 兩口井為例，兩口井位于不同的構(gòu)造位置，煤體結(jié)構(gòu)亦存在差異，采用相同的壓裂改造工藝和施工參數(shù)，壓裂施工液量均為700～800 m3， 砂量40～45 m3， 施工排量為6～7 m3/min。圖7 為裂縫監(jiān)測圖，可以看出，2 口井的壓裂裂縫數(shù)和長度存在明顯差異性：Z1 井位于背斜軸部位置，煤體結(jié)構(gòu)為碎裂-碎粒煤，監(jiān)測裂縫總長度為150 m，主縫不發(fā)育，共發(fā)育4 條支縫，部分支縫兩翼不對稱；Z2 井位于單斜構(gòu)造位置，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤，監(jiān)測裂縫總長度為210 m，共發(fā)育1 條主縫、2 條支縫，主縫兩翼長度對稱。

（2） 地應(yīng)力的影響。煤儲層地應(yīng)力狀態(tài)及大小對壓裂改造影響較大，決定了壓裂改造的難易程度，在其他條件相似的情況下，隨著地應(yīng)力的增大，壓裂改造變得越來越困難。研究區(qū)主應(yīng)力方位以北東向為主，局部受構(gòu)造影響，差異性明顯。地應(yīng)力與埋深具有較好的相關(guān)性，隨埋深增加而增大，同時由于位于寺頭斷層下降盤，相比相鄰樊莊區(qū)塊，整體地應(yīng)力值偏高，一般在向斜軸部、逆斷層發(fā)育處地應(yīng)力增大，施工壓力偏高，破裂壓力不明顯，施工曲線形態(tài)呈上升型，壓裂改造難；背斜軸部、正斷層發(fā)育處地應(yīng)力相對減小，表現(xiàn)為施工壓力低，施工曲線形態(tài)表現(xiàn)為下降型、平穩(wěn)型、波動型，易改造。且隨著地應(yīng)力的增大，裂縫閉合壓力隨之增大，支撐劑在閉合壓力作用下更易嵌入煤巖內(nèi)部，降低裂縫導(dǎo)流能力。

從表2 中可以看出，在同一井區(qū)不同構(gòu)造背景下，最大主應(yīng)力與壓裂施工壓力存在一定的相關(guān)性，總體表現(xiàn)為最大主應(yīng)力越大，施工壓力越高。逆斷層附近和向斜軸部最大主應(yīng)力偏大，施工壓力偏高，煤巖壓裂難改造，施工曲線呈上升型；背斜軸部和正斷層附近最大主應(yīng)力偏小，施工壓力偏低，煤巖易壓裂改造。

1.2 方法應(yīng)用

對研究區(qū)煤儲層的可驅(qū)動性、可流動性、可改造性評價的主要參數(shù)進行分析，采用層次分析法優(yōu)選評價參數(shù)并進行權(quán)重賦值，建立了高階煤儲層單元劃分標準，并依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對劃分結(jié)果進行了優(yōu)化，對鄭莊區(qū)塊煤儲層進行了單元劃分。從圖8 中可以看出，將煤儲層劃分為三類煤儲層單元。Ⅰ類單元位于研究區(qū)西南部，具有含氣飽和度高，內(nèi)生裂隙不發(fā)育、外生裂隙適度發(fā)育的特征；Ⅱ類單元位于研究區(qū)中部，具有含氣飽和度差異大，內(nèi)生裂隙較發(fā)育、外生裂隙局部過度發(fā)育的特征；Ⅲ類單元位于研究區(qū)北部，具有含氣飽和度較高，內(nèi)生裂隙發(fā)育、外生裂隙不發(fā)育的特征。

基于可驅(qū)動性、可流動性、可改造性煤儲層評價研究，建立鄭莊區(qū)塊三類煤儲層模型。

模型Ⅰ：資源富集，含氣飽和度一般大于 70%，可驅(qū)動性好；煤巖鏡質(zhì)組含量 62.2%～80.1%，平均值為 71%；灰分含量相對較高，為 11.55%～18.1%，平均值為 14%；孔隙度為 2.91%～4.84%，平均值為4.2%；由于構(gòu)造相對簡單，埋深適中，一般為300～800 m，內(nèi)生孔裂隙相對不發(fā)育，外生裂隙相對發(fā)育；煤巖煤體結(jié)構(gòu)以原生-碎裂結(jié)構(gòu)為主，閉合壓力為 10～20MPa，人工壓裂改造過程中易溝通更多的天然裂隙，且裂縫支撐效果好，可改造性好。如圖9 所示，煤儲層內(nèi)生孔裂隙不發(fā)育，外生孔裂隙相對發(fā)育，易壓裂改造，但難以有效溝通更多的內(nèi)生裂隙。

模型Ⅱ：含氣飽和度差異大，一般為 40%～80%，局部可驅(qū)動性差；煤巖鏡質(zhì)組含量較高，一般大于70%；灰分含量較少，一般小于15%，表現(xiàn)為內(nèi)生裂隙較為發(fā)育；但構(gòu)造復(fù)雜，褶曲相間發(fā)育、局部斷層發(fā)育，外生裂隙局部較發(fā)育；煤巖煤體結(jié)構(gòu)原生、碎裂、碎粒結(jié)構(gòu)均有發(fā)育，閉合壓力為 20～30 MPa，人工壓裂不易造縫，且裂縫支撐效果差，可改造性差。如圖10 所示，煤儲層內(nèi)生孔裂隙較發(fā)育，外生孔裂隙過度發(fā)育，壓裂易溝通天然割理裂縫，難以實現(xiàn)煤層有效改造。

模型Ⅲ：煤層氣資源富集，含氣飽和度一般大于80%，可驅(qū)動性好；鏡質(zhì)組含量83.4%～97.9%，平均85%；灰分含量相對較低，為10.62%～13.67%，平均11%；孔隙度4.19%～5.75%，平均5.3%；由于埋深相對增大，一般大于800 m，內(nèi)生孔裂隙相對發(fā)育，外生裂隙相對不發(fā)育；煤巖以原生-碎裂結(jié)構(gòu)為主，閉合壓力為 25～35 MPa，壓裂改造過程中造縫困難，且裂縫支撐效果差，煤巖可改造性差。如圖11 所示，煤儲層內(nèi)生孔裂隙較發(fā)育，外生裂隙不發(fā)育，壓裂難以溝通天然割理裂縫，不易形成網(wǎng)絡(luò)縫。

2 結(jié)果現(xiàn)象討論

研究區(qū)開發(fā)初期地質(zhì)認識不足，采用單一的儲層改造方式，導(dǎo)致相同的改造工藝下儲層改造效果差異大，單井、井組、井區(qū)之間的產(chǎn)量特征、流體擴散滲流特征、氣水產(chǎn)出特征等均存在較大的差異。雖然為煤層氣資源富集區(qū)， 但產(chǎn)能到位率不足30%，井均日產(chǎn)不足1 000 m3/d，整體開發(fā)效果和開發(fā)效益差。早期主要采用的直井開發(fā)井型，采用300 m×300 m 井網(wǎng)均勻網(wǎng)格化布井、水力常規(guī)壓裂改造方式；裸眼多分支水平井采用裸眼洞穴方式完井，鉆井、排采過程中井眼分支易垮塌變形，整體地質(zhì)適應(yīng)性差，且工程技術(shù)單一，無法滿足研究區(qū)煤儲層構(gòu)造、含氣性、煤體結(jié)構(gòu)、埋深、煤巖組分、力學(xué)參數(shù)復(fù)雜的開發(fā)需求。

基于流體產(chǎn)出特征的煤儲層綜合評價方法，通過對煤儲層的可驅(qū)動性、可流動性、可改造性評價，針對煤儲層的非均質(zhì)性和復(fù)雜性，采用差異化的井位設(shè)計、鉆完井及儲層改造工藝，技術(shù)工藝與地質(zhì)匹配程度不斷提高，儲層改造效果持續(xù)提升，實現(xiàn)了鄭莊區(qū)塊富集資源的高效動用， 區(qū)塊日產(chǎn)氣量由50×104 m3/d 上升至目前的160×104 m3/d，持續(xù)有力保障了區(qū)塊長期高效開發(fā)。同時，區(qū)塊西南部、中部、北部單井均取得了萬方產(chǎn)量突破，井均日產(chǎn)氣量達到8 000 m3/d 以上，綜合實現(xiàn)了研究區(qū)產(chǎn)能到位率提升至目前的90% 以上。

（1） 西南部增產(chǎn)效果分析。西南部Ⅰ類單元為主，構(gòu)造相對簡單，煤層含氣飽和度整體較高，在70% 以上，可驅(qū)動性較好，儲層內(nèi)生裂隙不發(fā)育，可流動性較差，外生裂隙相對較發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，整體具有可驅(qū)動性好、可流動性較差、可改造性強的特點。開發(fā)上表現(xiàn)為易高產(chǎn)難穩(wěn)產(chǎn)的特點，初期產(chǎn)量相對較高，但經(jīng)過1～2 年排采后，直井產(chǎn)量普遍下降至1 000 m3/d 以下，水平井下降至6 000 m3/d 以下。為提高單井產(chǎn)氣量，開發(fā)井型主要采用水平井，開發(fā)層系為山西組3 號煤剩余資源和太原組15 號煤有利資源，實現(xiàn)了井區(qū)的高效開發(fā)。西南部3 號煤水平井井均日產(chǎn)氣量由7 000 m3/d 提升至9 000 m3/d，15 號煤水平井井均日產(chǎn)達到1×104m3/d 以上。分析認為產(chǎn)量提高主因是通過水平井井型+壓裂改造的方式，人工構(gòu)建滲流通道，彌補儲層內(nèi)生裂隙不發(fā)育的特征，促使甲烷氣體有效產(chǎn)出。

（2） 中部增產(chǎn)效果分析。中部Ⅱ類單元構(gòu)造復(fù)雜，含氣飽和度相對較低，為40%～80%，構(gòu)造復(fù)雜導(dǎo)致可驅(qū)動性、可改造性差異大，開發(fā)關(guān)鍵是優(yōu)選可驅(qū)動性、可改造性好的井區(qū)。開發(fā)上表現(xiàn)為直井初期產(chǎn)量可達1 000 m3/d，后期產(chǎn)量快速下降至不足500m3/d，后期通過直井二次增產(chǎn)改造，較難達到效益開發(fā)產(chǎn)量。通過采用水平井開發(fā)方式，3 號煤水平井產(chǎn)氣量一般為6 000～10 000 m3/d，水平井井均日產(chǎn)由6 500 m3/d 提升至7 500 m3/d，15 號煤水平井日產(chǎn)最高達到1×104 m3/d。分析認為產(chǎn)量提高主因一是利用水平井井眼溝通更多的天然裂隙，增大疏導(dǎo)降壓范圍；二是采用套管完井實現(xiàn)有效支撐，建立穩(wěn)定的流體產(chǎn)出通道，改變近井筒滲流模式，利于中低飽和下氣體的產(chǎn)出；三是針對優(yōu)質(zhì)層鉆井和改造，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)層段資源的高效動用。

（3） 北部增產(chǎn)效果分析。北部Ⅲ類單元埋深大、應(yīng)力大，含氣飽和度較高，內(nèi)生孔裂隙可流動性好，關(guān)鍵是解決外生裂縫不發(fā)育、應(yīng)力大導(dǎo)致的產(chǎn)出通道缺乏且易閉合的問題。通過采用水平井開發(fā)方式，常規(guī)壓裂規(guī)模井均日產(chǎn)7 500 m3/d，試驗大規(guī)模、大排量壓裂改造工藝， 最高日產(chǎn)氣量突破1.8×104 m3/d。井區(qū)水平井井均日產(chǎn)氣量由7 500m3/d 提升至9 000 m3/d。試驗的15 號煤水平井最高日產(chǎn)氣量達到1×104 m3/d。分析認為產(chǎn)量提高主因是通過大排量、大規(guī)模、強支撐的改造方式，構(gòu)建人工復(fù)雜縫網(wǎng)，增大了井控資源面積，溝通更多的原始天然孔裂隙，同時強支撐構(gòu)建了有效的產(chǎn)出通道，促使流體高效產(chǎn)出。

3 結(jié)論

（1） 流體的產(chǎn)出動能、煤巖原始孔隙裂縫的發(fā)育程度及人工改造縫網(wǎng)綜合決定了流體的產(chǎn)出能力。煤儲層評價必須對煤儲層的可驅(qū)動性、可改造性、可流動性三類特征進行綜合評價。

（2） 研究區(qū)主要存在內(nèi)生裂隙發(fā)育、外生裂隙不發(fā)育，外生裂隙較發(fā)育、內(nèi)生裂隙不發(fā)育，內(nèi)生裂隙發(fā)育、外生裂隙過度發(fā)育 3 種儲層模型。由于研究區(qū)位于寺頭斷層下降盤，整體煤儲層物性差，需采用水平井開發(fā)井型，同時通過差異化的井位、鉆完井、壓裂改造設(shè)計，實現(xiàn)不同儲層模型下的最大控儲，從而提高單井產(chǎn)氣量。針對內(nèi)生裂隙發(fā)育、外生裂隙不發(fā)育區(qū)，重點是通過實施大排量大規(guī)模改造，彌補外生裂隙不發(fā)育的缺陷，構(gòu)建人工復(fù)雜縫網(wǎng)，促進孔裂隙中的甲烷氣體產(chǎn)出；針對外生裂隙較發(fā)育、內(nèi)生裂隙不發(fā)育區(qū)，重點是縮短水平井壓裂段間距，彌補內(nèi)生裂隙不發(fā)育的缺陷，構(gòu)建人工產(chǎn)出通道；針對內(nèi)生裂隙發(fā)育、外生裂隙過度發(fā)育區(qū)，重點是優(yōu)選優(yōu)質(zhì)可改造層，通過優(yōu)質(zhì)層鉆井、優(yōu)質(zhì)段改造，從而提高單井產(chǎn)氣量。

（3） 受多期構(gòu)造運動疊加影響，中國煤儲層非均質(zhì)性較強，不同區(qū)塊產(chǎn)量主控因素差異較大，在進行煤儲層綜合評價過程中，需要結(jié)合區(qū)塊三史研究、地質(zhì)條件、開發(fā)效果，綜合確定儲層評價關(guān)鍵參數(shù)及評價方法，采取匹配煤儲層特征的方案設(shè)計和開發(fā)對策，才能真正實現(xiàn)資源的高效開發(fā)和單井產(chǎn)量的大幅提升。

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（修改稿收到日期 2023-12-13）

〔編輯 朱 偉〕