王鏡惠，梅明華，梁正中，王華軍

（1.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林719000；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000）

目前，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，但仍存在單井產(chǎn)量偏低，井間產(chǎn)量差異大，開發(fā)效益差、儲層滲透率低等問題[1]。其根本原因是現(xiàn)有的工程技術(shù)與多樣的儲層地質(zhì)條件不適應(yīng)，在現(xiàn)有工程技術(shù)條件下，提高單井產(chǎn)量和開發(fā)效益的主要方法是通過有效的儲層評價方法精確定位高產(chǎn)區(qū)。王紅巖等[2]研究了我國煤層氣富集成藏規(guī)律，重點研究了水動力條件和區(qū)域構(gòu)造熱事件對煤層氣富集的影響。曹新款等[3]研究了沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊煤層氣富集主控因素，認為水文地質(zhì)條件、構(gòu)造及巖漿活動為該區(qū)塊煤層氣富集主控因素。后續(xù)的開發(fā)實踐表明，煤層富集主控因素與高產(chǎn)主控因素不同，逐漸提出了富集高產(chǎn)區(qū)的概念。趙慶波等[4]認為構(gòu)造高點、封閉較好的淺層儲層及次生裂隙發(fā)育區(qū)是煤層氣富集高產(chǎn)的主要區(qū)域。王勃等[5]研究了沁水盆地成莊區(qū)塊富集、高產(chǎn)主控因素，認為構(gòu)造熱事件提高生氣能力，封蓋與水動力條件利于煤層氣富集，張性水平應(yīng)力分布區(qū)及煤礦卸壓應(yīng)力釋放區(qū)的煤儲層滲透率高。DOU等[6]認為煤層滲透率、煤層厚度以及含氣量共同決定煤層氣產(chǎn)氣潛力。在上述研究基礎(chǔ)上，部分學者提出了用參數(shù)組合進行煤層氣高差區(qū)評價的方法，宋巖等[7]研究了沁水盆地南部煤層氣富集高產(chǎn)的主控因素，認為應(yīng)該用煤層含氣量和滲透率2個參數(shù)耦合來評價儲層高產(chǎn)區(qū)域。孫粉錦等[8]認為煤層氣儲層滲透率和煤層氣構(gòu)造控制煤層氣井高產(chǎn)，應(yīng)該利用構(gòu)造和滲透率參數(shù)組合來進行高產(chǎn)區(qū)評價。李喆等[9]認為吸附時間會直接影響到煤層氣儲層的開發(fā)潛力，儲層評價時應(yīng)該考慮該參數(shù)。婁劍青等[10]通過理論研究，認為應(yīng)該利用產(chǎn)氣潛能與產(chǎn)氣能力兩個指標定量的評價煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)。這些研究從參數(shù)選擇上偏重于對煤層氣儲層含氣性和氣體產(chǎn)出效率的評價而忽視了煤層氣解吸效率尤其是宏觀解吸效率對煤層氣井產(chǎn)量的影響；偏重于對于富集高產(chǎn)區(qū)的定性評價研究，忽視定量指標評價。煤層氣開發(fā)機理是通過持續(xù)排水，將儲層壓力降至解吸壓力以下，使煤層氣井通過解吸、擴散、滲流產(chǎn)出井筒。因此，煤層氣高產(chǎn)區(qū)主控因素包括含氣性、解吸擴散效率和滲流產(chǎn)出能力。為了實現(xiàn)對煤層氣儲層產(chǎn)氣能力定量評價，以沁水盆地南部煤層氣儲層及開發(fā)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過理論分析和相關(guān)性統(tǒng)計，定義了儲層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)、產(chǎn)出能力指數(shù)和產(chǎn)氣能力指數(shù)4個指標，并對煤層氣儲層產(chǎn)氣能力進行了評價，以期為高煤階煤層氣儲層高產(chǎn)區(qū)精確定位提供借鑒。

1 儲層含氣性評價

儲層含氣性主要受含氣量和煤層厚度影響，在一定程度上含氣量可以表征煤層某點即微觀的含氣性，而煤層厚度則從宏觀上表征煤層整體的含氣性，而在同一區(qū)域煤層厚度的變化較小，不作為主要的評價參數(shù)。遲煥鵬等[11]在研究煤層含氣性時考慮了含氣飽和度，認為較高的含氣飽和度可以保障生產(chǎn)過程中的煤層氣供應(yīng)，即認為含氣飽和度越高，煤層氣可采潛力越大。但正如康永尚等[12]指出的一樣，實測含氣量為19.9 m3/t的井含氣量飽和度僅為79.6%，而含氣量為8.8 m3/t的井含氣量飽和度卻可以高達88%，顯然不能將含氣飽和度混同于煤層氣含氣量。許多現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，煤層氣井日產(chǎn)氣量與含氣飽和度存在一定正相關(guān)關(guān)系，但這并不是由于含氣飽和度高的井的含氣量高，而是由于含氣飽和度高的井地解壓差小，儲層解吸效率高。故不采用含氣飽和度進行儲層含氣性評價，而采用地解壓差進行解吸效率評價，這是與前人重要區(qū)別所在。

儲層含氣量是煤層氣井產(chǎn)氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。左銀卿等[13]對樊莊東部進行研究，結(jié)果表明當樊莊東部含氣量介于5～17 m3/t時，含氣飽和度低于80%，直井平均產(chǎn)氣量小于500 m3/d，開發(fā)效果較差。對沁水盆地南部煤層氣井含氣量及產(chǎn)量進行統(tǒng)計（圖1）。由圖1可知，煤層氣井日產(chǎn)氣量隨含氣量增加而增加，當含氣量大于15 m3/t時，產(chǎn)氣量高于800 m3/d，當含氣量小于15 m3/t時，產(chǎn)氣量小于800 m3/d。因此，煤儲層含氣量是評價儲層產(chǎn)氣能力的關(guān)鍵指標。

圖1 含氣量對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of gas contents on daily gas production of CBM wells

2 解吸效率定量評價

煤層甲烷主要以吸附態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙表面，而儲層含氣性指數(shù)未考慮甲烷解吸效率的影響。解吸效率是指煤層氣開發(fā)過程中煤層甲烷由初始吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)的速度。吳見等[14]引入了吸附時間來表征煤層氣的解吸和擴散效率，認為吸附時間越短，煤層甲烷解吸擴散效率越高。但該參數(shù)基于鉆井取心測試獲得，煤心尺度較小，僅能反映煤層氣儲層某點處微觀的解吸擴散效率。前人研究表明，測試樣品尺度對煤巖吸附時間測定結(jié)果具有重要影響[15]，不能反映宏觀儲層中煤層氣從排水降壓到解吸的效率。萬玉金等[16]指出，在含氣量和吸附等溫線確定的條件下，煤層壓力越接近臨界解吸壓力，解吸越容易，產(chǎn)量越高。因此，將地解壓差作為反映儲層宏觀解吸效率的因素，提出了地解壓差和吸附時間作為解吸效率的評價指標。

2.1 地解壓差影響

煤層氣開發(fā)需要通過持續(xù)排水降壓，將儲層壓力降至解吸壓力以下，使甲烷解吸產(chǎn)出井筒[17]，因此，煤層氣井地解壓差直接影響煤層氣井解吸效率，地解壓差是從宏觀角度對煤層甲烷解吸效率的評價。地解壓差越大，煤層氣井解吸前需要降壓幅度就越大，排水期越長，解吸效率越低，煤層氣井解吸效率與地解壓差成反比。

圖2 地解壓差對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of differential pressure of formation pressure and desorption pressure on daily gas production of CBM wells

圖2為沁水盆地南部煤層氣井地解壓差與日產(chǎn)氣量關(guān)系，結(jié)果表明，隨著地解壓差增大，煤層氣單井日產(chǎn)氣量明顯降低，這主要是因為，地解壓差增大，煤層氣井解吸降壓效率降低，解吸面積減小，進而導致產(chǎn)量降低。這里需要指出，地解壓差大也反映了儲層保存條件較差，解吸壓力低，為了明確地解壓差是通過影響解吸效率影響產(chǎn)氣量，還是通過影響含氣量進而影響產(chǎn)氣量，統(tǒng)計了研究區(qū)域地解壓差與含氣量關(guān)系（圖3）。結(jié)果表明，地解壓差與含氣量相關(guān)性極差，這說明對于研究區(qū)域而言，地解壓差大含氣量不一定低。因此，地解壓差越大，日產(chǎn)氣量越低，是由于地解壓差越大，解吸效率越低，這進一步論證了將地解壓差作為解吸效率評價參數(shù)的正確性。

圖3 地解壓差與含氣量關(guān)系Fig.3 Relation between differential pressure of formation pressure and desorption pressure and gas content

2.2 吸附時間影響

吸附時間是指通過取心測試含氣量時，解吸氣體體積達到總吸附氣量63.2%時所用的時間[9]，是對煤層甲烷微觀解吸效率的評價。吸附時間越長，煤層氣井解吸效率越低。圖4為對沁水盆地南部煤層氣井吸附時間與日產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，煤層氣單井日產(chǎn)氣量隨吸附時間增加而降低，當吸附時間大于10 d時，產(chǎn)氣量均小于900 m3/d。

圖4 吸附時間對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of adsorption time on daily gas production of CBM wells

2.3 解吸效率指數(shù)

煤層甲烷解吸效率可以用地解壓差和吸附時間來綜合表征，定義煤層甲烷解吸效率指數(shù)為：

式中：Id為煤層氣解吸效率指數(shù)，（MPa·d）-1；pr為地層壓力，MPa；pd為解吸壓力，MPa；td為吸附時間，d。

式（1）表明，解吸效率指數(shù)越大，煤層甲烷解吸效率越高。根據(jù)式（1），利用沁水盆地南部煤層氣地層壓力、解吸壓力及吸附時間計算煤層甲烷解吸效率指數(shù)（圖5），結(jié)果表明，研究區(qū)域煤層甲烷解吸效率指數(shù)分布在0.01 ～ 2（MPa·d）-1，平均為0.16（MPa·d）-1。煤層氣井日產(chǎn)氣量隨著解吸效率指數(shù)增加而增加，但二者相關(guān)性較差，總體上，當解吸效率指數(shù)大于0.11（MPa·d）-1后單井日產(chǎn)氣量能達800 m3以上。

圖5 解吸效率指數(shù)對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of desorption efficiency index on daily gas production of CBM wells

3 產(chǎn)出能力定量評價

產(chǎn)出能力是從宏觀滲流角度對儲層滲流能力的評價，而甲烷解吸效率是從宏觀和微觀2個方面對甲烷解吸效率的綜合評價，根據(jù)上述分析，可以用儲層滲透率來表征煤層氣產(chǎn)出能力。煤層氣儲層滲透率對煤層氣井排水降壓及煤層甲烷解吸產(chǎn)出具有重要影響。滲透率越高排水降壓效率越高，煤層氣產(chǎn)出效率越高[10，18]，因此，滲透率是決定煤層氣產(chǎn)出效率的主要因素。圖6為沁水盆地南部煤層氣滲透率與日產(chǎn)氣量關(guān)系，表明，單井日產(chǎn)氣量隨著滲透率增加而增加。當滲透率低于0.03×10-3μm2時，日產(chǎn)氣量一般低于800 m3；當滲透率高于0.03×10-3μm2時，大部分井日產(chǎn)氣量能夠達到800 m3以上。這表明滲透率是煤層氣井產(chǎn)量的主控因素之一。

圖6 滲透率對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of permeability on daily gas production of CBM wells

4 儲層產(chǎn)氣能力定量評價

對煤層氣高產(chǎn)區(qū)域進行有效預(yù)測是目前煤層氣儲層評價的重點和難點，上述研究表明，煤層氣井產(chǎn)量與含氣性、解吸效率和產(chǎn)出能力密切相關(guān)，可以通過儲層含氣性指數(shù)、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和產(chǎn)出能力指數(shù)3個參數(shù)進行綜合定量表征。通過煤層氣儲層產(chǎn)氣能力指數(shù)來定量表征其產(chǎn)氣能力，其表達式為：

式中：Cp為產(chǎn)氣能力指數(shù)，10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1；Cg為含氣量，m3/t；k為儲層滲透率，10-3μm2。

式（2）表明，煤層氣儲層產(chǎn)氣能力指數(shù)越大，煤層氣井產(chǎn)量越高。

圖7 產(chǎn)氣能力指數(shù)對煤層氣井產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of gas-production capacity index on daily gas production of CBM wells

利用含氣量、煤層甲烷解吸效率指數(shù)和儲層滲透率計算研究區(qū)域儲層產(chǎn)氣能力指數(shù)，并繪制其與日產(chǎn)氣量關(guān)系散點圖（圖7）。結(jié)果表明，單井日產(chǎn)氣量隨產(chǎn)氣能力指數(shù)增加而增加，當產(chǎn)氣能力指數(shù)大于0.05×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1時，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3，產(chǎn)氣能力指數(shù)大于1×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1時，日產(chǎn)氣量大于1 500 m3。單井日產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣能力指數(shù)間的相關(guān)性高達0.87，遠高于各單一指標與日產(chǎn)氣量間的相關(guān)性，表明產(chǎn)氣能力指數(shù)能夠有效地表征儲層產(chǎn)氣能力強弱，是進行煤層氣儲層高產(chǎn)區(qū)預(yù)測的有效指標。

5 結(jié)論

1）基于煤層氣開發(fā)原理提出的儲層含氣性指數(shù)、解吸效率指數(shù)和產(chǎn)出能力指數(shù)3個指標能夠有效表征煤層氣的含氣性、解吸效率和產(chǎn)出能力，將3個指標乘積定義為煤層氣產(chǎn)氣能力指數(shù)，產(chǎn)氣能力指數(shù)與單井日產(chǎn)氣量的相關(guān)性高于各個單一指標且高達0.87，表明產(chǎn)氣能力指數(shù)能夠有效的表征煤層氣儲層的產(chǎn)氣能力。

2）儲層含氣性指數(shù)計算中采用含氣量和煤層厚度2個參數(shù)，而去除含氣飽和度，使含氣性指數(shù)與日產(chǎn)氣量相關(guān)性更好；在解吸效率指數(shù)中增加表征宏觀解吸效率的地解壓差，同時考率煤層氣儲層宏觀和微觀解吸效率，使解吸效率指數(shù)與日產(chǎn)氣量的相關(guān)性大幅提升。

3）煤層氣井日產(chǎn)氣量隨含氣量、解吸效率指數(shù)和滲透率的增加而增加。當含氣量大于15 m3/t時，解吸效率指數(shù)大于0.11（MPa·d）-1，滲透率大于0.03×10-3μm2時，日產(chǎn)氣量總體上大于800 m3。儲層產(chǎn)氣能力指數(shù)越大，煤層氣井產(chǎn)量越高。當產(chǎn)氣能力指數(shù)分別大于 0.05×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1和1×10-3μm2·m3·（t·d·MPa）-1時，單井日產(chǎn)氣量分別大于 800 m3和 1 500 m3。