康永尚，姜杉鈺，張 兵，王 金，葉建平，張守仁

(1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249; 2.油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3.中海石油(中國)有限公司 非常規(guī)油氣分公司,北京 100011; 4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011; 5.中海石油(中國)有限公司 非常規(guī)油氣管理處,北京 100010)

煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法研究

康永尚1,2，姜杉鈺1，張 兵3,4，王 金1，葉建平5，張守仁3,4

(1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249; 2.油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3.中海石油(中國)有限公司 非常規(guī)油氣分公司,北京 100011; 4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011; 5.中海石油(中國)有限公司 非常規(guī)油氣管理處,北京 100010)

煤層氣資源可動用性是指由煤層水文地質(zhì)條件和煤層壓裂改造條件共同決定的煤層氣資源開發(fā)動用的難易程度,煤層氣資源可動用性評價與煤層氣儲集條件評價構(gòu)成煤層氣資源可采性評價的兩個重要方面。通過沁水盆地柿莊區(qū)塊和壽陽區(qū)塊排采效果差異的分析對比，從煤系地層含水性、斷裂構(gòu)造、地應(yīng)力狀態(tài)和煤層與圍巖的巖性組合4個方面深入討論煤層氣資源可動用性的評價問題，進而提出煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法。研究表明:煤系地層的含水性對區(qū)塊整體的煤層氣資源可動用性影響很大;斷裂的天然水力連通作用降低了井筒-壓裂煤層系統(tǒng)的封閉性，導(dǎo)致斷裂附近的煤層氣資源可動用性弱，且煤系地層含水性越強，斷裂附近煤層氣井高產(chǎn)水的風(fēng)險就越大，煤層氣資源的可動用性就越弱;煤層所處的地應(yīng)力狀態(tài)和圍巖的巖性組合共同構(gòu)成井層煤層氣資源可動用性的客觀條件，地應(yīng)力狀態(tài)影響人工壓裂縫的方位，對可動用性產(chǎn)生重要影響，而煤層與圍巖的巖性組合客觀上決定煤層氣的可動用性，但結(jié)合應(yīng)力狀態(tài)、水平應(yīng)力強度和壓裂規(guī)模的綜合分析，才能做出更科學(xué)的判斷。煤層氣資源的可動用性評價方法基于層次分析的思想，綜合考慮了煤系地層含水性、斷裂、地應(yīng)力狀態(tài)和煤層與圍巖巖性組合4個方面，可應(yīng)用于煤層氣選區(qū)評價和井層優(yōu)選。

煤層氣;煤層水文地質(zhì)條件;煤層壓裂改造條件;可動用性;評價方法

據(jù)國土資源部2015年全國油氣資源動態(tài)評價成果顯示，我國煤層氣地質(zhì)資源量高達36.8×108m3，且分布廣泛[1]。煤層氣資源的可采性是選區(qū)評價需要考慮的關(guān)鍵因素。可采性是指在目前的經(jīng)濟技術(shù)條件下，一個地區(qū)煤層氣可采出的程度，它受多種因素如地質(zhì)條件、煤層氣開發(fā)方式、開發(fā)工藝、市場條件和國家政策法規(guī)等多種因素的影響[2]，其中地質(zhì)條件、煤層氣開發(fā)方式和開發(fā)工藝是影響技術(shù)可采性的主要因素，而地質(zhì)條件是技術(shù)可采性的決定性因素，下文提到的可采性，即特指技術(shù)可采性。

地質(zhì)因素對可采性的影響可系統(tǒng)地歸結(jié)為煤層氣資源量及資源豐度、煤儲層壓力、煤層滲透性、煤的解吸及吸附性能、煤層埋藏深度和水文地質(zhì)條件等方面[3]。在地質(zhì)因素中，煤層氣資源量及資源豐度、煤儲層壓力、煤層滲透性、煤的解吸及吸附性能和煤層埋藏深度可統(tǒng)稱為煤層氣儲集地質(zhì)條件。優(yōu)越的煤層氣儲集地質(zhì)條件是煤層氣開發(fā)的內(nèi)在基礎(chǔ)，因而，煤層氣儲集地質(zhì)條件評價成為了大量前人研究工作的重要內(nèi)容[4-11]，也形成了較為系統(tǒng)的定量/半定量評價方法。另一方面，前人也充分認識到水文地質(zhì)條件對煤層氣資源可采性的影響，從水文地質(zhì)條件分類(復(fù)雜、簡單、中等)[3]、煤系巖性組合特點[12]等方面探討了水文地質(zhì)條件對煤層氣開發(fā)的影響，但受限于資料條件，當(dāng)時的分析方法和認識尚比較籠統(tǒng)。

我國煤層氣生產(chǎn)實踐表明，柳林、壽陽、延川南等儲集地質(zhì)條件優(yōu)越的煤層氣區(qū)塊均不同程度地存在高產(chǎn)水低產(chǎn)氣的問題。一個區(qū)塊內(nèi)過高的高產(chǎn)水低產(chǎn)氣井比例，嚴(yán)重制約了區(qū)塊整體的煤層氣開發(fā)效果，國內(nèi)學(xué)者從煤系含水層劃分、斷裂構(gòu)造發(fā)育狀況以及壓裂施工條件等多個方面對高產(chǎn)水低產(chǎn)氣井的成因進行過探討[13-18]。

綜合前人研究可知，除煤層氣儲集地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件外，開發(fā)方式和開發(fā)工藝也影響煤層氣的可采性和煤層氣井排采效果。水力壓裂是煤層氣開發(fā)尤其是直井開發(fā)中煤儲層增透的關(guān)鍵技術(shù)，在壓裂后投入排采，形成井筒-排采煤層系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要目的功能是降低煤儲層壓力、促使煤層氣解吸產(chǎn)出。按照系統(tǒng)與外界是否存在流體交換，井筒-排采煤層可分為封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)，若為封閉系統(tǒng)，則有利于煤層的排水降壓，實現(xiàn)煤層氣的有效解吸和產(chǎn)出;若為開放系統(tǒng)，則外源水的進入將抑制煤層的排水降壓，致使煤層氣井高產(chǎn)水、難產(chǎn)氣[19]。在一定的煤層氣儲集地質(zhì)條件下，培育井筒-排采煤層封閉系統(tǒng)是培育高產(chǎn)井的關(guān)鍵，而井筒-排采煤層封閉系統(tǒng)培育的可行性，既取決于排采煤層的水文地質(zhì)條件，又取決于現(xiàn)今技術(shù)條件下煤儲層壓裂改造的效果。由煤層水文地質(zhì)條件和現(xiàn)今技術(shù)條件下的煤層壓裂改造效果共同決定的煤層氣資源開發(fā)動用的難易程度，筆者將其統(tǒng)稱為煤層氣資源可動用性，簡稱可動用性，可動用性是筆者提出的一個新概念。煤層氣儲集地質(zhì)條件是煤層氣可采性的必要條件，可動用性是煤層氣可采性的充分條件，可動用性評價與煤層氣儲集地質(zhì)條件評價構(gòu)成煤層氣資源可采性評價的兩個重要方面。

筆者以沁水盆地柿莊區(qū)塊和壽陽區(qū)塊作為研究實例，在兩個區(qū)塊儲集地質(zhì)條件和排采效果分析對比的基礎(chǔ)上，參考其他地區(qū)/區(qū)塊的煤層氣排采動態(tài)特點，以煤層氣資源可動用性分析對比為主線，探討了兩個區(qū)塊之間排采動態(tài)差異的原因，進而歸納提煉出煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法，該方法整合了多種因素，提供了一個資源可動用性分析的思路和流程，可應(yīng)用到煤層氣區(qū)塊優(yōu)選中，也可用于到其他煤層氣區(qū)塊的井層優(yōu)選生產(chǎn)實踐中。

1 區(qū)域地質(zhì)條件和排采效果分析

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省東南部，為南北翹起端東西兩翼基本對稱的復(fù)式向斜，主要煤系地層為上石炭統(tǒng)太原組和和下二疊統(tǒng)山西組。其中，壽陽區(qū)塊位于沁水盆地北部(圖1(a))，構(gòu)造簡單，地層平緩，呈東西走向且向南傾斜的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育不同方向的次一級褶曲和斷裂，山西組3號煤層和太原組15號煤層分布穩(wěn)定，為煤層氣排采的主要煤層，局部地區(qū)太原組9號煤層可作為排采的次要煤層(圖1(b))，大部分煤層氣井合采3號、9號、15號煤層，少數(shù)煤層氣井單層排采15號煤層。柿莊區(qū)塊位于沁水盆地東南緣斜坡帶上(圖1(a))，發(fā)育較多的褶皺和小型斷裂，山西組3號煤層為煤層氣開發(fā)的主要目的煤層，太原組15號煤層為次要目的煤層，區(qū)塊內(nèi)多數(shù)煤層氣井單采3號煤層，少數(shù)合采3號、15號煤層或單采15號煤層。

圖1 沁水盆地壽陽和柿莊區(qū)塊地理位置和山西—太原組煤系地層柱狀Fig.1 Location map and stratigraphy of carboniferous-permian coal measures in Shouyang and Shizhuang CBM Blocks,Qinshui Basin

1.2 儲集地質(zhì)條件和排采效果對比分析

壽陽和柿莊區(qū)塊煤層氣的儲集地質(zhì)條件見表1，壽陽與柿莊區(qū)塊位于同一盆地內(nèi)部，單煤層的含氣量、含氣飽和度以及臨界解吸壓力均相差不大(柿莊區(qū)塊15號煤層含氣飽和度略高)。盡管壽陽區(qū)塊主力煤層厚度較薄，單層資源豐度有限，但合采3套煤層的累計資源豐度也可達到1.5×108m3/km2，略低于柿莊區(qū)塊單采3號煤層所動用的原地資源豐度。從煤層氣產(chǎn)出條件來看，壽陽和柿莊區(qū)塊的吸附時間相近，氣體擴散能力相差不大，但壽陽區(qū)塊煤層滲透率明顯高于柿莊區(qū)塊1～2個數(shù)量級，煤儲層的滲流能力較強，更有利于煤層氣產(chǎn)出。因此，從煤層氣排采過程中各主控因素的耦合作用來看，柿莊區(qū)塊雖然資源條件略占優(yōu)勢，但壽陽區(qū)塊因滲透率較高，更有利于煤層氣排采，相對容易獲得較好的產(chǎn)氣效果，尤其是排采早期，更易見到較高的產(chǎn)氣量(滲透率是產(chǎn)量的主要因素)。然而兩個區(qū)塊的實際排采效果卻與煤層氣的儲集地質(zhì)條件不相對應(yīng):根據(jù)煤層氣井排采動態(tài)典型指標(biāo)方法[20]，分別對壽陽區(qū)塊64口煤層氣井和柿莊區(qū)塊59口煤層氣井進行的典型日產(chǎn)水量(煤層氣井動液面較穩(wěn)定期間的平均日產(chǎn)水量)和典型日產(chǎn)氣量(煤層氣井產(chǎn)氣量較穩(wěn)定期間的平均日產(chǎn)氣量)的分析可知(表2)，壽陽區(qū)塊最高單井典型日產(chǎn)氣量不足1 000 m3/d，超過60%的煤層氣井典型產(chǎn)氣量不足100 m3/d，最高單井典型產(chǎn)水量約為146.5 m3/d，平均單井典型產(chǎn)水量則高達28.7 m3/d，總體具有見氣井比例低、單井產(chǎn)氣量低和產(chǎn)水量高的特點;相比之下，柿莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣效果相對較好，見氣井比例較高，單井典型日產(chǎn)氣量最高可達3 000 m3/d，區(qū)塊內(nèi)雖然存在個別典型日產(chǎn)水量為大于20 m3/d的未見氣井，但平均典型產(chǎn)水量在10 m3/d以下。總體而言，與柿莊區(qū)塊相比，壽陽區(qū)塊煤層氣井具有較低的產(chǎn)氣量、較高的產(chǎn)水量和更大的中、高產(chǎn)水井比例。

表1壽陽區(qū)塊和柿莊區(qū)塊煤層氣儲集地質(zhì)條件對比
Table1ComparisonofCBMreservoirconditionsbetweenShouyangandShizhuangCBMblocks

區(qū)塊煤層埋深/m厚度/m含氣量/m3含氣飽和度/%資源豐度/(108m3·km-2)臨界解吸壓力/MPa滲透率/10-15m2吸附時間/d3號626.82.2311.3050.060.401.9912.7壽陽區(qū)塊9號644.92.5412.0155.670.502.057.5720.615號683.83.5712.1150.290.672.0918.8柿莊區(qū)塊3號890.56.2113.6952.861.342.160.3323.015號998.24.9313.3875.781.061.9216.7

注：表中數(shù)據(jù)為壽陽區(qū)塊64口和柿莊區(qū)塊59口煤層氣井所測煤儲層各參數(shù)的平均值。

表2壽陽區(qū)塊和柿莊區(qū)塊煤層氣排采效果對比
Table2ComparisonofresultofCBMdevelopmentbetweenShouyangandShizhuangCBMblocks

區(qū)塊典型日產(chǎn)氣量(m3/d)和對應(yīng)井?dāng)?shù)占比/%0～100100～500500～1000>1000典型日產(chǎn)水量(m3/d)和對應(yīng)井?dāng)?shù)占比/%0～22～1010～20>20壽陽區(qū)塊65.631.23.2030.544.16.818.6柿莊區(qū)塊52.540.73.43.44.717.234.443.7

注：表中數(shù)據(jù)為壽陽區(qū)塊64口和柿莊區(qū)塊59口煤層氣井排采動態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計所得。

兩個區(qū)塊之間排采效果的顯著差異，無法從煤層氣儲集地質(zhì)條件的角度給出合理的解釋，下面筆者將從煤層氣資源可動用性分析對比的角度，揭示壽陽和柿莊兩個區(qū)塊之間排采效果顯著差異的原因。

2 煤層氣資源可動用性分析對比

如前所言，由煤層水文地質(zhì)條件和現(xiàn)今技術(shù)條件下煤層壓裂改造效果共同決定的煤層氣資源開發(fā)動用的難易程度統(tǒng)稱為煤層氣資源可動用性。筆者將煤層的水文地質(zhì)條件具體化為煤系地層的含水性和煤層與圍巖的天然水力連通性兩個方面，煤系地層的含水性主要指煤系砂巖(粉砂巖及其以上的粗粒碎屑巖)、裂縫性或孔洞型灰?guī)r的厚度、分布特點，決定了煤層外源水的供給強度;煤層與圍巖的天然水力連通性指斷裂溝通作用或煤層與圍巖含水層直接接觸連通作用?，F(xiàn)今技術(shù)條件下煤儲層壓裂改造效果，指人工壓裂縫是否切穿了煤層頂?shù)装甯羲畬舆M而與圍巖含水層溝通的情況，煤儲層壓裂改造的效果既取決于煤層地應(yīng)力狀態(tài)、煤層與圍巖的巖性組合以及人工壓裂的施工強度，煤層地應(yīng)力狀態(tài)和煤層與圍巖的巖性組合是壓裂改造效果的客觀條件，本文統(tǒng)稱煤層壓裂改造條件，而施工強度受人為控制。下文將圍繞資源可動用性分析，從煤系地層含水性、斷裂構(gòu)造、地應(yīng)力狀態(tài)和煤層與圍巖的巖性組合4個方面，開展討論和對比。

2.1 煤系地層含水性分析對比

沁水盆地石炭—二疊系煤系地層包含砂巖(粉砂巖及其以上的粗粒碎屑巖)、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰?guī)r和煤層，煤系砂巖具有低滲透特點[21]，無論煤炭開采或煤層氣開發(fā)，致密砂巖不是關(guān)注的重點，缺少孔隙度和含水性方面分析的資料，鉆孔涌水量反映短時間內(nèi)的出水量，僅說明鉆孔孔眼附近地層滲透率的高低，不能反映含水性信息。國內(nèi)外致密砂巖氣開發(fā)獲得的相關(guān)認識，有重要的借鑒意義。根據(jù)我國低滲透砂巖油氣開發(fā)經(jīng)驗，低滲透砂巖孔隙度在10%左右并含有可動水[22]，低滲透砂巖氣藏開發(fā)時產(chǎn)水的現(xiàn)象說明其中含有可動水[23]，據(jù)此，可推斷沁水盆地煤系砂巖的孔隙度也在10%左右，含有可動水并具有給水能力，但因巖性變化，其含水性和給水能力存在平面上的非均一性。從機理上來看，飽水帶地下巖層的孔隙中皆充滿水分，包括不可動的束縛水和可動的自由水，煤系致密砂巖含有可動水的事實已被致密砂巖氣開發(fā)實踐證明，可作為煤系地層的含水層，煤系地層中的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖不含或含有極少量可動水，一般被視為隔水層。沁水盆地煤系灰?guī)r即指太原組灰?guī)r，太原組灰?guī)r在沉積后并未遭受暴露和風(fēng)化淋濾，經(jīng)成巖作用后，表現(xiàn)為致密灰?guī)r特點，壽陽和柿莊區(qū)塊巖芯觀察也表明，太原組灰?guī)r巖溶不發(fā)育，裂隙不發(fā)育-較發(fā)育，且多被方解石充填，含水性較弱，即便在局部裂縫發(fā)育帶含有可動水，裂隙系統(tǒng)中含有的可動水量也可以忽略，因此，太原組灰?guī)r整體上亦可作為隔水層考慮[14]。

綜上所述，沁水盆地煤系地層的含水性問題，實質(zhì)上可歸結(jié)為煤系地層中砂巖(粉砂巖及其以上的粗粒碎屑巖)的厚度和分布問題，煤系地層有厚層和廣泛分布的砂巖，就意味著煤系地層有較大的可動水儲存量和較強的供水能力，即煤系地層含水性強;反之亦然。因此，通過分析對比壽陽和柿莊區(qū)塊煤系地層中的砂質(zhì)含量，即可判斷2者含水性的相對強弱。

前人研究表明[24-25]，沁水盆地北部壽陽區(qū)塊在太原組沉積期發(fā)育下三角洲平原相，在山西組沉積期以下三角洲平原分流河道相為主，而南部柿莊區(qū)塊在太原組沉積期發(fā)育瀉湖相和濱外碳酸鹽陸棚相，在山西組沉積期以分流間灣相為主。煤系地層沉積相決定了壽陽區(qū)塊煤系地層中分支河道砂體發(fā)育(太原組和山西組的砂泥比分別為0.69和0.60)，而柿莊區(qū)塊煤系地層中砂體發(fā)育則相對較少(太原組和山西組的砂泥比分別約為0.35和0.45)。此外，壽陽和柿莊區(qū)塊煤系連井剖面(圖2)中不同巖性的分布特征進一步表明，壽陽區(qū)塊煤系地層中尤其是3號和9號煤層圍巖中，砂巖含水層發(fā)育更為廣泛，由此可見，壽陽區(qū)塊煤系地層的含水性高于柿莊區(qū)塊，合理解釋了壽陽區(qū)塊單井平均產(chǎn)水量高和高產(chǎn)水比例高的現(xiàn)實情況。

2.2 斷裂影響作用分析對比

局部斷裂構(gòu)造尤其是張性斷裂構(gòu)造，構(gòu)成了煤儲層與煤系含水層的天然通道。在斷裂構(gòu)造附近，排采中的煤層氣井，因井周煤儲層壓力下降，致使斷裂連通的含水層與煤儲層產(chǎn)生動態(tài)壓差，煤系含水層(可能是多套含水層)中的自由水進入煤儲層，導(dǎo)致煤層氣井出現(xiàn)高產(chǎn)水，對排采極其不利。結(jié)合壽陽和柿莊區(qū)塊排采動態(tài)和區(qū)域構(gòu)造平面展布來看，斷裂附近的煤層氣井多出現(xiàn)高產(chǎn)水、低產(chǎn)氣或不產(chǎn)氣的情況[26-27]。柿莊區(qū)塊典型日產(chǎn)水量和煤層氣井距斷裂距離呈現(xiàn)的負向包絡(luò)關(guān)系(圖3)進一步表明，煤層氣井距離斷裂越近，典型日產(chǎn)水量越高，而且從統(tǒng)計規(guī)律上來看，壽陽和柿莊區(qū)塊的煤層氣井在遠離斷裂約300 m以上才可能不受斷裂影響，具有較低的高產(chǎn)水風(fēng)險。斷裂附近井筒-壓裂煤層系統(tǒng)的封閉性弱，煤層氣的可動用性差，以致煤層氣井高產(chǎn)水風(fēng)險大，這是一個普遍規(guī)律，在沁水盆地其他煤層氣區(qū)塊、鄂爾多斯盆地以及蜀南等地的煤層氣區(qū)塊也皆有類似現(xiàn)象[14-16,18,28]。

從壽陽和柿莊區(qū)塊各自內(nèi)部煤層氣井間排采動態(tài)差異的研究結(jié)果來看，壽陽和柿莊區(qū)塊內(nèi)部均有部分煤層氣井因斷裂和壓裂縫溝通含水層導(dǎo)致了井筒-排采煤層系統(tǒng)封閉性變?nèi)?，最終在排采過程中出現(xiàn)了高產(chǎn)水(相對各自區(qū)塊的平均產(chǎn)水背景值而言)、難產(chǎn)氣的現(xiàn)象[26-27]。進一步對比兩個區(qū)塊斷裂附近煤層氣井的產(chǎn)水量(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，壽陽區(qū)塊斷裂附近煤層氣井的典型日產(chǎn)水量一般都超過30 m3/d，最高達到113.1 m3/d，而柿莊區(qū)塊斷裂附近煤層氣井的典型日產(chǎn)水量則多為20～30 m3/d，這說明:① 對于不同的煤層氣區(qū)塊，斷裂存在溝通含水層的風(fēng)險，這是一個普遍現(xiàn)象;② 斷裂構(gòu)造對煤層氣井排采效果的影響也存在一定的差異，煤系地層含水性越強，斷裂構(gòu)造溝通含水層的風(fēng)險更大，尤其是在壽陽區(qū)塊多層合采的情況下，斷裂構(gòu)造溝通含水層的風(fēng)險增大，這就可以合理地解釋壽陽區(qū)塊斷裂帶附近煤層氣井產(chǎn)水量明顯高于柿莊區(qū)塊的現(xiàn)象。

2.3 地應(yīng)力狀態(tài)和壓裂縫類型分析對比

人工壓裂縫主要為張裂縫，其延伸方向總是垂直于最小阻力方向，即壓裂縫總是垂直于最小主應(yīng)力方向發(fā)育[29]，因此壓裂縫的方位可通過應(yīng)力狀態(tài)進行判斷，而不同的壓裂縫方位會影響壓裂縫切穿煤層頂?shù)装迥鄮r隔水層的風(fēng)險。地下應(yīng)力狀態(tài)按Anderson模式可劃分為正常應(yīng)力狀態(tài)(σh<σH<σv)、走滑應(yīng)力狀態(tài)(σh<σv<σH)和反轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)(σv<σh<σH)[30]，其中σh，σH和σv分別代表最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力。

在正常應(yīng)力狀態(tài)(σh<σH<σv)和走滑應(yīng)力狀態(tài)(σh<σv<σH)下，發(fā)育垂直或高角度壓裂縫，在反轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)(σv<σh<σH)下，發(fā)育水平壓裂縫[31]。研究表明，壽陽區(qū)塊和柿莊區(qū)塊雖然同處沁水盆地，但應(yīng)力狀態(tài)存在明顯差異[32]。壽陽區(qū)塊位于盆地北端，受來自西南方向的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用相對較弱，三向主應(yīng)力中垂向主應(yīng)力σv始終最大，處于正常應(yīng)力狀態(tài)(σh<σH<σv)，該區(qū)塊不同深度的煤層均發(fā)育垂直或高角度人工壓裂縫;相比之下，柿莊區(qū)塊位于盆地南部，受構(gòu)造應(yīng)力作用較強，地應(yīng)力類型在垂向上發(fā)生兩次轉(zhuǎn)換，當(dāng)煤層埋深小于320 m時，應(yīng)力狀態(tài)為反轉(zhuǎn)狀態(tài)(σv<σh<σH)，一般發(fā)育水平或低角度壓裂縫，當(dāng)煤層埋深大于320 m時和850 m時，分別出現(xiàn)走滑應(yīng)力狀態(tài)(σh<σv<σH)和正常應(yīng)力狀態(tài)(σh<σH<σv)，以發(fā)育垂直或高角度壓裂縫為主。

圖2 壽陽和柿莊區(qū)塊煤系地層連井巖性對比剖面Fig.2 Cross-well lithological correlation surrounding coal seams in Shouyang and Shizhuang Blocks

圖3 壽陽和柿莊區(qū)塊煤層氣井距斷裂距離和典型日產(chǎn)水量的關(guān)系Fig.3 Relationship between distance from CBM wells to the fault and typical daily water production of wells in Shizhuang block and Shouyang block

水平和低角度壓裂縫一般僅在煤層中延伸，溝通含水層的風(fēng)險較小，而垂直或高角度壓裂縫在延伸至煤層與頂?shù)装宓慕缑嫣巹t可能出現(xiàn)兩種情況，一是在沿界面形成“T”型縫或“工”型縫，二是延伸至頂?shù)装逯??！癟”型縫或“工”型縫屬于特殊縫型，多在三向主應(yīng)力差異不大時或異常高壓帶發(fā)生[33],溝通含水層的風(fēng)險較小;而延伸至頂?shù)装逯写怪被蚋呓嵌葔毫芽p則較為普遍，很容易溝通圍巖含水層造成煤層氣井高產(chǎn)水。從前人的壓裂數(shù)值模擬和壓裂監(jiān)測結(jié)果來看，沁水盆地煤儲層在水力壓裂后形成的壓裂縫很容易擴展到頂?shù)装逯衃34-35]。綜上可知，壽陽區(qū)塊因煤層均發(fā)育垂直或高角度壓裂縫，整體存在較高溝通含水層的風(fēng)險，柿莊區(qū)塊淺部煤層發(fā)育水平或低角度壓裂縫，溝通含水層風(fēng)險低，而深部煤層發(fā)育垂直或高角度壓裂縫，也存在溝通含水層的風(fēng)險。

單從地應(yīng)力狀態(tài)對可動用性的影響來看，柿莊區(qū)塊淺層壓裂縫不易溝通圍巖含水層，中深層存在壓裂縫溝通圍巖含水層的風(fēng)險，壽陽區(qū)塊整體上存在壓裂縫溝通圍巖含水層的風(fēng)險，這可從另一方面解釋壽陽區(qū)塊單井平均產(chǎn)水量遠比柿莊區(qū)塊高的現(xiàn)實。

2.4 煤層與圍巖巖性組合關(guān)系分析對比

前述研究表明，煤系地層含水性可作為某個區(qū)塊整體可動用性的評價途徑，但因煤系地層的非均質(zhì)性，可動用性評價則需要從煤層與圍巖巖性組合角度開展深入分析。煤層與圍巖巖性組合主要指煤層與直接頂?shù)装搴烷g接頂?shù)装宓膸r性組合，當(dāng)煤層頂?shù)装逵泻穸容^大的可視為隔水層的細粒巖性(泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或致密灰?guī)r)組成而間接頂?shù)装搴畬?粉砂巖及其以上的粗粒碎屑巖)厚度較小時，壓裂縫導(dǎo)致高產(chǎn)水的風(fēng)險較低，煤層氣資源可動用性較強;反之，煤層氣資源的可動用性較弱。

從壽陽區(qū)塊和柿莊區(qū)塊排采煤層圍巖隔水層和含水層厚度分布(表3)來看，壽陽區(qū)塊煤層圍巖隔水層厚度變化幅度較大，隔水層均厚在10 m以上，最大不超過20 m，圍巖含水層(指距離煤層最近的含水層)變化也相對明顯，均厚在7～8 m;柿莊區(qū)塊煤層圍巖隔水層厚度變化相對較小，隔水層均厚除15號煤層頂板灰?guī)r超過10 m外，其他都在5 m左右，圍巖含水層均厚多在3 m左右。單從煤層直接頂?shù)装甯羲畬雍穸榷ㄐ缘貋砜?，壽陽區(qū)塊相對柿莊區(qū)塊更有利于煤層氣資源的動用，但這一定性分析沒有考慮垂直或高角度壓裂縫在煤層頂?shù)装逯锌赡苎由斓母叨?，定性分析得到的認識存在不足，因此，需要把煤層與圍巖巖性組合與壓裂縫高度的定量或半定量分析結(jié)合起來，才能合理地判斷煤層與圍巖巖性組合對煤層氣資源可動用性的影響。

柿莊區(qū)塊大多數(shù)煤層氣井單采3號煤層，單井產(chǎn)水量與3號煤層頂?shù)装甯羲畬雍穸汝P(guān)系易于識別，在柿莊區(qū)塊實際采用的壓裂規(guī)模下，壓裂縫所能延伸至頂?shù)装宓淖畲蟾叨燃s為6 m[36]，總體略高于頂?shù)装甯羲畬拥钠骄穸?，這意味著柿莊區(qū)塊存在一部分壓裂縫溝通含水層的煤層氣井，但因柿莊區(qū)塊間接頂?shù)装搴畬拥暮穸炔淮?，因此，整體表現(xiàn)為低產(chǎn)水背景，總體看，在當(dāng)前壓裂技術(shù)條件下，煤層氣資源的可動用性比較強。

不同地區(qū)/區(qū)塊由于壓裂施工條件不同，水平應(yīng)力強度也不同，發(fā)育的垂直或高角度壓裂縫切穿頂?shù)装宓母叨却嬖诓町悾缭谇咚璧刂袞|部的潞安礦區(qū)，壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，3號煤層中壓裂縫的延伸高度為17～20 m，延伸至頂?shù)装宓母叨裙烙嫗?～8 m[37]，再如鄂爾多盆地東緣的柳林區(qū)塊8號煤層中壓裂縫切穿頂?shù)装宓母叨仍? m左右[38]。

表3壽陽和柿莊區(qū)塊各煤層圍巖隔水層厚度和含水層厚度分布區(qū)間和均值統(tǒng)計
Table3ThicknessofroofandflooraquicludesandaquiferssurroundingthemaintargetcoalsinShouyangandShizhuangCBMBlocks

地區(qū)煤層頂板隔水層厚度/m范圍均值底板隔水層厚度/m范圍均值頂板含水層厚度/m范圍均值底板含水層厚度/m范圍均值3號0～67.210.20～30.512.61.3～26.07.60.7～26.17.4壽陽9號1.9～36.111.91.7～88.510.61.0～22.07.81.1～17.07.515號0～88.519.80～36.114.30.8～22.07.61.0～40.07.8柿莊3號0.7～27.15.21.1～12.54.60.4～17.15.60.4～11.63.015號0.5～35.510.80.8～16.05.31.0～6.42.90.4～10.03.6

壽陽區(qū)塊多為合層排采井，單層排采井的數(shù)量極少，因而無法根據(jù)合層產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)和單煤層頂?shù)装甯羲畬雍穸刃畔?，判斷壓裂縫在煤層頂?shù)装逯械难由旄叨?。但研究表明[19]，壽陽區(qū)塊實際實施的壓裂規(guī)模(單位厚度煤層壓入砂量和壓入凈液量)比柿莊區(qū)塊更大，而壽陽區(qū)塊與柿莊區(qū)塊的破裂壓力和閉合壓力隨深度變化規(guī)律(圖4)則顯示，壽陽區(qū)塊比柿莊區(qū)塊煤儲層更易壓開，綜合2者可以判斷壽陽區(qū)塊壓裂縫在煤層頂?shù)装逯醒由旄叨纫哂谑燎f區(qū)塊的6 m，因此，在壽陽區(qū)塊也應(yīng)存在部分壓裂縫溝通含水層的煤層氣井，再加上壽陽區(qū)塊間接頂?shù)装搴畬悠骄穸缺仁燎f區(qū)塊大，導(dǎo)致壽陽區(qū)塊單井平均產(chǎn)水比柿莊區(qū)塊要高，區(qū)塊排采效果不理想。降低壽陽區(qū)塊的壓裂規(guī)模，應(yīng)為下一步在壓裂中要充分考慮的問題。

圖4 煤儲層破裂壓力和閉合壓力隨埋深變化Fig.4 Scatter diagram of the fracture pressure-depth and closure pressure-depth

3 可動用性定性/半定量評價方法

綜合上述可動用性分析對比可知:對于某一煤層氣區(qū)塊，沉積環(huán)境決定煤系砂巖的厚度和分布，也決定煤系地層的含水性，間接決定了區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)水量大小的背景值，煤系地層砂泥比在一定程度上可作為判斷可動用性的一個間接指標(biāo);斷裂是煤層與煤系含水層溝通的天然通道，在斷裂帶附近的煤層氣井，一般產(chǎn)水量明顯高出區(qū)塊的產(chǎn)水量背景值，煤層氣資源可動用性較差;地應(yīng)力狀態(tài)決定人工壓裂縫的方位，也影響到煤層氣資源的可動用性;煤層與圍巖的巖性組合客觀上決定井層煤層氣的可動用性，但結(jié)合應(yīng)力狀態(tài)、水平應(yīng)力強度和壓裂規(guī)模的綜合分析，才能做出更科學(xué)的判斷。

按照以上分析思路，歸納提煉前文中壽陽和柿莊區(qū)塊的分析對比實例，可形成一套煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法(圖5)。該方法體現(xiàn)了煤層氣勘探開發(fā)一體化層次分析的思想:可根據(jù)沉積環(huán)境(砂泥比是一個重要指標(biāo))對煤系地層的含水性做出總體判斷，若煤系地層含水層發(fā)育(砂泥比高)，則區(qū)塊整體高產(chǎn)水風(fēng)險大，煤層氣資源可動用性弱，在勘探選區(qū)時，尤其要注意研究斷裂的發(fā)育情況，選擇斷裂構(gòu)造相對簡單的區(qū)域;在勘探評價階段和開發(fā)階段井位優(yōu)選時，需注意遠離斷裂帶(250～300 m)，以降低因斷裂的天然水力連通作用導(dǎo)致高產(chǎn)水狀況的出現(xiàn);在勘探評價階段和開發(fā)階段壓裂層位優(yōu)選時，需考慮地應(yīng)力類型和煤層與圍巖的巖性組合，優(yōu)化壓裂規(guī)模，將壓裂縫高度控制在煤層和隔水層內(nèi)，或者放棄因直接頂?shù)装甯羲畬雍穸刃　㈤g接頂?shù)装搴畬雍穸却蠖簩託赓Y源難以動用的煤層，實現(xiàn)同井其他可動用煤層有效排水和降壓采氣的目的。

圖5 煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法體系Fig.5 Flow chart of the qualitative/semi-quantitative evaluation method of the of CBM exploitation feasibility

該方法整合了多種因素，提供了一個資源可動用性分析的思路和流程，既考慮了由沉積作用決定的區(qū)塊尺度上煤系地層砂泥比和巖性組合特點和區(qū)塊尺度上現(xiàn)今應(yīng)力場決定的應(yīng)力類型，可用于煤層氣選區(qū)評價;又關(guān)注局部斷裂和具體井層的巖性組合，可用于井層優(yōu)選。在該方法應(yīng)用過程中，有兩個方面的問題需要注意:一是斷裂影響范圍的定量化問題，斷裂對煤層氣資源可動用性的影響范圍與斷裂的性質(zhì)、規(guī)模、斷距等多方面因素有關(guān)，如前人[28,39]在蜀南地區(qū)和樊莊區(qū)塊利用斷裂距煤層氣井距離與產(chǎn)氣或產(chǎn)水的關(guān)系估計出斷裂對煤層氣井的影響范圍大致為250 m，而本文中壽陽和柿莊區(qū)塊斷裂影響范圍為300 m，因此，在不同地區(qū)，需結(jié)合動態(tài)和靜態(tài)資料做出具體的分析。二是人工壓裂縫切穿頂?shù)装甯叨鹊亩炕瘑栴}，如前文所述，不同地區(qū)因應(yīng)力狀態(tài)、水平應(yīng)力強度和實際采用的壓裂規(guī)模不同，人工壓裂縫切穿頂?shù)装宓母叨仁谴嬖诓町惖?，因此，也需要根?jù)不同地區(qū)/區(qū)塊的具體情況做作出判斷，而無以采用一個統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)。

圖5的定性/半定量評價方法體系中，未包含儲集地質(zhì)評價的內(nèi)容，強調(diào)的是除儲集地質(zhì)條件(煤層氣資源量及資源豐度、煤儲層壓力、煤層滲透性、煤的解吸及吸附性能和煤層埋藏深度等)外，煤儲層所處的構(gòu)造(斷裂)、沉積(煤層與圍巖的巖性組合)和應(yīng)力背景條件，對煤層氣資源的可動用性具有決定性作用，儲集地質(zhì)條件是煤層氣開發(fā)的必要條件，而可動用性是煤層氣開發(fā)的充分條件，2者結(jié)合，共同決定煤層氣資源的技術(shù)可采性。煤層構(gòu)造圖、煤系地層沉積相圖、煤層圍巖巖性連井對比分析圖、地應(yīng)力分析圖以及排采動態(tài)分析圖件，是圖5所示煤層氣資源可動用性定性/半定量分析的依據(jù)，該方法強調(diào)多種地質(zhì)信息的綜合應(yīng)用。

該方法體系從排采效果差別大的壽陽區(qū)塊和柿莊區(qū)塊的煤層氣靜態(tài)地質(zhì)條件和排采動態(tài)效果對比分析中提煉出來，抓住了構(gòu)造(斷裂)、沉積(煤層與圍巖的巖性組合)和應(yīng)力背景條件等對煤層氣開發(fā)具有普適性影響規(guī)律的因素，因此，該方法也可用于其他煤層氣區(qū)塊煤層氣資源的可動用性評價中。

4 結(jié)論和建議

(1)一個區(qū)塊煤系地層的含水性，對區(qū)塊整體煤層氣資源的可動用性影響很大，含水性越強，則煤層氣資源的可動用性越弱;反之亦然。煤系地層中砂巖的厚度和分布在一定程度上反映了其含水性，一個區(qū)塊內(nèi)煤系地層的砂泥比可作為煤系地層含水性乃至煤層氣資源可動用性評判的間接指標(biāo)。

(2)斷裂尤其是張性斷裂的天然水力連通作用，降低了井筒-壓裂煤層系統(tǒng)的封閉性，以致斷裂附近煤層氣井高產(chǎn)水風(fēng)險大，煤層氣資源可動用性弱。斷裂對煤層氣資源可動用性的影響程度與煤系地層含水性密切相關(guān)，煤系地層含水性越強，斷裂附近煤層氣井高產(chǎn)水的風(fēng)險就越大，煤層氣資源的可動用性就越弱。

(3)煤層所處的地應(yīng)力狀態(tài)和圍巖的巖性組合共同影響了煤層氣資源的可動用性。地應(yīng)力狀態(tài)影響人工壓裂縫的方位，當(dāng)產(chǎn)生水平或低角度壓裂縫時，煤層氣資源可動用性強，當(dāng)產(chǎn)生垂直或高角度壓裂縫時，則需進一步分析煤層與圍巖的巖性組合，若圍巖隔水層厚度大，則壓裂縫溝通含水層的風(fēng)險低，可動用性強，反之則可動用性弱。

(4)煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法基于層次分析的思想，綜合考慮了煤系地層含水性、斷裂、地應(yīng)力狀態(tài)和壓裂縫類型以及煤層與圍巖巖性組合4個方面。該方法整合了多種因素，提供了一個資源可動用性分析的思路和流程，既關(guān)注由沉積作用決定的區(qū)塊尺度上煤系地層砂泥比和巖性組合特點和區(qū)塊尺度上現(xiàn)今應(yīng)力場決定的應(yīng)力類型，可用于煤層氣選區(qū)評價;又關(guān)注局部斷裂和具體井層的巖性組合，可用于井層優(yōu)選。

建議今后在區(qū)塊優(yōu)選時，在儲集地質(zhì)條件評價的基礎(chǔ)上，重視從煤系砂巖厚度及分布的角度對煤系地層的含水性的分析，在井位優(yōu)選時，考慮避開斷層，在壓裂層位優(yōu)選時，在考慮儲集地質(zhì)條件的同時，重視以煤層應(yīng)力狀態(tài)分析和煤層與圍巖巖性組合分析為基礎(chǔ)的煤層氣資源可動用性評價，只有將儲集地質(zhì)條件和煤層氣資源可動用性評價有機地結(jié)合起來，才能選出優(yōu)質(zhì)區(qū)塊、有利井位和資源可動用或易動用層位，以提高選區(qū)和煤層氣井單井成功的概率。

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Qualitative/semi-quantitativeevaluationmethodofcoalbedmethaneexploitationfeasibility

KANG Yongshang1,2，JIANG Shanyu1，ZHANG Bing3,4，WANG Jin1，YE Jianping5，ZHANG Shouren3,4

(1.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,Beijing102249,China; 3.UnconventionalOil&GasBranch,CNOOCChinaLimited,Beijing100011,China; 4.ChinaUnitedCoalbedMethaneCorporation,Ltd.,Beijing100011,China; 5.UnconventionalOil&GasAdministration,CNOOCChinaLimited,Beijing100011,China)

Coalbed methane (CBM) exploitation feasibility is determined by both hydrogeological conditions and hydraulic fracturing conditions of coal seams.Exploitation feasibility evaluation and reservoir evaluation constitute two important aspects of coalbed methane recoverability.In this paper,through the drainage efficiency comparison between Shouyang and Shizhuang CBM blocks in Qinshui Basin,CBM exploitation feasibility evaluation was discussed from four aspects,including coal measures aquosity,faulting,in-situ-stress state and the lithology combination of coalbed with adjacent rocks.An evaluation flow chart for CBM exploitation feasibility evaluation was finally proposed.The study shows that coal measures aquosity plays an important role in the CBM exploitation feasibility of whole CBM Block.The hydraulic communication between coal seams and surrounding aquifers through faults weakens the closeness of wellbore-fracturing coal system,leading to lower exploitation feasibility of CBM resources near the faults.The stronger the coal measures aquosity is,the greater risk of high water production in wells near faults will take place and the lower exploitation feasibility will be.The in-situ stress state of coalbed and lithology combination of coal seams with adjacent rocks constitute the objective conditions of CBM exploitation feasibility,and a comprehensive evaluation of exploitation feasibility should be done through combining in-situ stress state,the strength of horizontal stress and fracturing volumes.The qualitative/semi-quantitative evaluation method of CBM exploitation feasibility,based on hierarchy analysis considering coal measures aquosity,faults,the in-situ stress state and the lithology combination of coal seams with adjacent rocks,can be applied to CBM block selection and well/coalbeds selection through the whole process of CBM exploration and development.

coalbed methane;coalbed hydrogeological conditions;coalbed fracturing condition;CBM exploitation feasibility;evaluation method

康永尚，姜杉鈺，張兵,等.煤層氣資源可動用性定性/半定量評價方法研究[J].煤炭學(xué)報,2017,42(11):2914-2924.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0334

KANG Yongshang，JIANG Shanyu，ZHANG Bing,et al.Qualitative/semi-quantitative evaluation method of coalbed methane exploitation feasibility[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2914-2924.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0334

P618.11

A

0253-9993(2017)11-2914-11

2017-03-15

2017-08-15責(zé)任編輯韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05042)

康永尚(1964—)，男，河南登封人，教授。Tel:010-89734608，E-mail:kangysh@sina.com