韓明輝 楊 雪 胡海洋

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550008；2.貴州省煤田地質(zhì)局水源隊，貴州 貴陽 550008；3.貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊，貴州 貴陽 550008；4.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州 貴陽 550008）

0 引言

貴州省黔西地區(qū)煤層氣資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，黔西地區(qū)六盤水煤田的煤層氣資源量為1.42×1012m3，占全省煤層氣資源量的45%［1］。黔西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層層數(shù)多而單層厚度薄、煤層間距近、縱向非均質(zhì)性強(qiáng)、橫向變化大，煤層氣儲層復(fù)雜，在分布規(guī)律和儲層物性方面同華北煤層氣藏存在較大的差異［2-5］，煤層氣勘查開發(fā)仍處于開發(fā)試驗階段［6-8］。通過建立煤層氣藏地質(zhì)模型可以更準(zhǔn)確地描述儲層空間分布和屬性變化，為煤層氣的儲量計算、高效開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。地質(zhì)建模已在常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)過程中得到廣泛應(yīng)用，而煤層氣作為一種生儲一體的非常規(guī)天然氣，在儲層屬性方面同常規(guī)天然氣差異較大，常規(guī)油氣藏的建模方法難以直接應(yīng)用。近年來，一些學(xué)者已經(jīng)嘗試開展煤層氣儲層地質(zhì)建模技術(shù)研究，淮銀超［9］等通過相控的三維地質(zhì)建模方法建立了煤層氣構(gòu)造模型和屬性模型；馬平華［10］等提出了煤儲層模型建立的4個步驟，利用煤巖相模型和應(yīng)力數(shù)據(jù)建立了滲透率模型；陳博［11］等根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)的測井反演實現(xiàn)了煤體結(jié)構(gòu)的三維空間可視化；盧晨剛［12］等通過灰色關(guān)聯(lián)分析建立了煤層氣三維含氣量模型，改進(jìn)了三維含氣量建模方法的流程；呂杰堂［13］等利用測井的精細(xì)識別和巖相定量解釋技術(shù)建立了氣田規(guī)模級地質(zhì)模型。盡管已經(jīng)有許多學(xué)者提出了煤層氣藏的三維地質(zhì)建模方法，但這些方法多是在煤層氣資料相對豐富的華北地區(qū)得到應(yīng)用，尚未在貴州黔西地區(qū)開展過相關(guān)研究和應(yīng)用，主要存在以下難點：測井資料年代跨度大、測井儀器多、刻度標(biāo)準(zhǔn)多樣、測井曲線少，精細(xì)解釋儲層屬性難度大；黔西地區(qū)煤層多而薄，縱向間距小、跨度大，且無地震資料，多薄煤層的空間展布和巖相變化追蹤難度大?；诖耍P者以黔西地區(qū)攀枝花煤礦上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M上段為研究對象，針對多薄煤層群煤層氣藏三維地質(zhì)建模的實際問題，對測井資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，解釋并追蹤主要可采煤層，分析儲層屬性和測井曲線的相關(guān)性，建立構(gòu)造模型、巖相模型和屬性模型，計算煤層氣藏的地質(zhì)儲量，以期為煤層氣的勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

攀枝花煤礦位于貴州省六盤水市楊梅樹向斜南部，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較簡單，整體呈單斜構(gòu)造，僅發(fā)育少量斷層。主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，為一套海陸交互相含煤沉積［14-16］，分為三段，上段含煤25～31層，主要可采煤層自上而下分別為1、3、5-1、5-2、7、10、12、13號煤層，單層煤厚度介于0.22～6.60 m，平均厚度為1.78 m，橫向上存在尖滅、分叉和合并的情況。煤層鏡質(zhì)組反射率介于1.455%～1.974%，平均為1.714%，煤類以瘦煤為主，原煤空氣干燥基水分介于0.58%～3.29%，平均為1.25%，原煤空氣干燥基灰分介于6.47%～46.14%，平均為24.98%，干燥無灰基含氣量最高可達(dá)32.04 m3／t，屬于低滲透率的中煤階煤層氣藏。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與整理

筆者主要利用區(qū)內(nèi)已有的煤炭勘查資料進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備與整理。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造特征分析

區(qū)內(nèi)煤炭勘查程度已達(dá)到勘探，平均鉆孔間距為500 m，可利用鉆井的錄井資料，結(jié)合以往勘查工作形成的地質(zhì)剖面圖和煤層底板等高線圖，建立了包含1組斷層和8套煤層界面的構(gòu)造模型。根據(jù)模型顯示，區(qū)內(nèi)煤層間距較穩(wěn)定，煤層的空間展布表現(xiàn)為東南高、西北低。

2.2 煤層的測井解釋

煤層巖相的定性劃分和儲層物性的定量識別需要對測井曲線進(jìn)行精細(xì)解釋。由于區(qū)內(nèi)各井的測井條件、所用測試儀器、施工隊伍、解釋人員等不同，首先需要對測井曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，選取標(biāo)準(zhǔn)井、標(biāo)準(zhǔn)層，通過直方圖法對測井曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，提高測井解釋精度（圖1）。此后，根據(jù)測井曲線進(jìn)行單井的煤層巖相定性解釋，根據(jù)貴州煤田的煤層測井解釋經(jīng)驗，自然伽馬曲線、人工伽馬曲線和三側(cè)向電阻率曲線的解釋點分別為半幅值點、三分之一幅值點和根部拐點，各參數(shù)曲線按各自的解釋點原則獨立解釋，然后取其解釋深度的算術(shù)平均值作為解釋成果，完成煤層的精準(zhǔn)識別。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化過程示意圖

2.3 煤層的物性參數(shù)分析

煤層氣藏主要的物性參數(shù)包括水分、灰分、密度、滲透率和含氣量，其中密度是計算煤層氣地質(zhì)儲量所必須的基礎(chǔ)物性參數(shù)之一，可通過測井解釋和巖心測試獲取。巖心密度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但數(shù)據(jù)量有限，不能直接用于屬性建模，測井密度數(shù)據(jù)連續(xù)且豐富，但存在一定的誤差，因而需要對上述兩者之間的相關(guān)性進(jìn)行分析（圖2a），通過線性關(guān)系利用測井密度表征巖心密度?；曳质嵌吭u價煤質(zhì)的一項重要指標(biāo)，也是計算原煤基含氣量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，灰分與巖心分析密度相關(guān)性很高（圖2b），因此，通過線性關(guān)系可以利用前述的巖心密度計算煤層灰分。滲透率是表征煤層氣可采性的重要參數(shù)之一，直接影響煤層氣采收率及可采資源量。研究區(qū)內(nèi)滲透率介于0.004 3～0.103 5 mD，平均為0.062 3 mD。通過滲透率與其主要影響因素的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，滲透率與埋深具有很好的相關(guān)性，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示，滲透率與埋深呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著煤層埋藏深度的增加，滲透率降低（圖3a）［17］。水分是計算煤層氣原煤基含氣量的基礎(chǔ)參數(shù)之一，黔西地區(qū)龍?zhí)督M為弱含水地層，且區(qū)內(nèi)水分變化不大，取平均值為1.25%。煤層含氣量是煤層氣藏的主要參數(shù)和評價指標(biāo)，更是地質(zhì)儲量計算中不可或缺的重要數(shù)據(jù)［18-19］。根據(jù)含氣量的表達(dá)基準(zhǔn)，常用的為干燥無灰基含氣量、空氣干燥基含氣量、原煤基含氣量。通過含氣量的分析發(fā)現(xiàn)，干燥無灰基含氣量與煤層埋藏深度相關(guān)性很高（圖3b），隨著埋深的增加而上升。

圖2 巖心分析密度與測井密度、灰分的關(guān)系圖

圖3 埋藏深度與滲透率、含氣量關(guān)系圖

3 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)模型可以更直觀、全面地對儲層物性參數(shù)在空間的展布和變化規(guī)律進(jìn)行定量表征［20-21］。對于煤層氣藏來說，煤層沉積縱向上存在不連續(xù)性和薄厚互層，可采用隨機(jī)建模方法實現(xiàn)多薄煤層氣藏的空間表征。

建立多薄煤層氣藏三維地質(zhì)模型的流程為首先建立構(gòu)造模型，之后完成巖相建模，最后在相控基礎(chǔ)上建立煤層氣藏的物性參數(shù)屬性模型。構(gòu)造建模是儲層模型的基礎(chǔ)框架，巖相建模是儲層模型的控制條件，物性參數(shù)屬性模型是地質(zhì)建模的結(jié)果。

3.1 構(gòu)造建模

構(gòu)造建模是儲層建模的基礎(chǔ)。利用單井分層數(shù)據(jù)作為控制點，以煤層底板等高線圖作為地層趨勢面，結(jié)合由斷層點生成的斷層模型，建立煤層的頂、底面構(gòu)造模型。為了達(dá)到儲層分布規(guī)律精確描述、儲層屬性定量表征的目的，同時適應(yīng)多薄煤層的特點，結(jié)合研究區(qū)面積和區(qū)內(nèi)各層的平均厚度，在構(gòu)造模型網(wǎng)格化過程中，設(shè)計步長為10 m的平面網(wǎng)格，煤層垂向網(wǎng)格按平均厚度0.1 m進(jìn)行劃分，非煤層垂向網(wǎng)格按平均厚度0.5 m進(jìn)行劃分，建立模型網(wǎng)格（圖4）。

圖4 攀枝花煤礦龍?zhí)督M上段三維構(gòu)造模型圖

3.2 屬性建模

在常規(guī)儲層建模方面，相控的地質(zhì)建模對于建模準(zhǔn)確性的提高、地質(zhì)約束的增強(qiáng)具有重要意義。同樣地，巖相控制下的儲層建模對于煤層氣藏屬性的精準(zhǔn)表征同樣有著非常重要的意義。煤層氣儲層物性參數(shù)建模主要分為兩步：①在測井解釋結(jié)果的基礎(chǔ)上建立巖相模型；②在巖相模型的約束下建立滲透率、密度、灰分和含氣量模型。在隨機(jī)建模中，以像元為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬的序貫高斯方法對連續(xù)性數(shù)據(jù)和離散型數(shù)據(jù)均可進(jìn)行模擬，同時確保井點數(shù)據(jù)的精確性，可匹配黔西地區(qū)煤層巖相分布復(fù)雜且非均質(zhì)性強(qiáng)的地質(zhì)特點。

3.2.1 巖相建模

煤層巖相建模是以測井解釋為基準(zhǔn)，通過隨機(jī)建模的方法建立煤層空間展布模型。根據(jù)前述煤層測井解釋方法，把單井的巖相劃分為煤層和非煤層（圖5）。通過單井曲線離散化功能將單井的巖相離散化，并將巖相數(shù)據(jù)完成正態(tài)化變換，采用序貫指示模擬方法，確定煤層與非煤層各自的主方向變程、次方向變程和垂直方向變程，完成巖相模型的建立（圖6）。

圖5 攀枝花煤礦龍?zhí)督M上段煤層巖相連井剖面圖

圖6 攀枝花煤礦龍?zhí)督M上段巖相模型圖

3.2.2 物性參數(shù)建模

煤層的物性參數(shù)模型包含滲透率模型、密度模型、灰分模型和含氣量模型，根據(jù)煤層氣藏物性參數(shù)的特點，選用受到巖相約束的隨機(jī)建模方法進(jìn)行模型構(gòu)建。滲透率模型是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)模型之一，根據(jù)埋深與滲透率的定量關(guān)系，預(yù)測單井的煤儲層滲透率。對單井煤儲層滲透率離散化后，通過數(shù)據(jù)分析和變差函數(shù)擬合，完成煤巖相控制下的滲透率模型建立（圖7a）。

測井密度模型是建立灰分模型和巖心密度模型的前提條件，測井密度建模選用密度測井為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在巖相的約束下完成測井密度模型的建立。巖心密度模型可通過測井密度模型計算得到（圖7b），巖心密度和測井密度的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，ρ巖心為巖心密度，g／cm3；ρ測井為測井密度，g／cm3。

灰分模型同巖心密度模型類似，通過巖心密度模型計算建立（圖7c），巖心密度和煤層灰分的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，A為煤層灰分。

煤層干燥無灰基含氣量模型是通過含氣量與煤層埋深的函數(shù)關(guān)系，以煤層埋深模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算得出。利用地形數(shù)據(jù)和地質(zhì)構(gòu)造模型計算得到每個網(wǎng)格的埋深數(shù)據(jù)。干燥無灰基含氣量與煤層埋深的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，GCdaf為煤層干燥無灰基含氣量，m3／t；D為煤層埋深，m。

原煤基含氣量是計算煤層氣地質(zhì)儲量的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。原煤基含氣量可根據(jù)煤層灰分、水分、干燥無灰基含氣量計算得出，其模型通過已建立的灰分模型、干燥無灰基含氣量模型和水分計算建立。原煤基含氣量與干燥無灰基含氣量、煤層灰分、煤層水分的關(guān)系式為：

式中，GC原為煤層原煤基含氣量，m3／t；M為煤層水分含量，取平均值為1.25%。

根據(jù)公式（4）建立原煤基含氣量模型（圖7d）。

4 模型應(yīng)用

煤層氣藏的三維地質(zhì)模型可用于煤層氣地質(zhì)儲量的快速計算。以上述步驟建立的煤層氣儲層模型為基礎(chǔ)，利用建模軟件中的儲量計算功能，將單個網(wǎng)格作為計算單元，以巖相、單層煤厚、煤層含氣量為約束條件，計算每個網(wǎng)格中的煤層氣儲量，最后累加符合條件的單元格，得到區(qū)內(nèi)的煤層氣地質(zhì)儲量表達(dá)式為：

式中，GIIP為煤層氣地質(zhì)儲量，m3；Vi為第i個網(wǎng)格的體積，m3；Ci為第i個網(wǎng)格的煤層原煤基含氣量，m3／t；ρi為第i個網(wǎng)格的巖心密度，g／cm3。共n個網(wǎng)格，i＝1，2，…，n。

根據(jù)公式（5）進(jìn)行計算，區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M上段1號煤至13號煤之間，在單層煤厚大于0.7 m，煤層干燥無灰基含氣量大于2 m3／t的條件下，煤層氣地質(zhì)儲量為3.91×108m3。

同時，可根據(jù)煤層氣儲層評價的條件，綜合考慮煤層灰分、單煤層厚度、煤層累計厚度、埋藏深度、原煤基含氣量等參數(shù)劃分有利區(qū)。根據(jù)區(qū)內(nèi)煤層氣儲層條件及周邊區(qū)塊的研究結(jié)果，確定有利區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為原煤基含氣量大于8 m3／t，埋藏深度介于500～1 000 m，單煤層厚度均大于1 m，煤層累計厚度大于5 m。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)劃分的煤層氣開發(fā)有利區(qū)主要分布于礦區(qū)深部偏北區(qū)域，可有效指導(dǎo)后續(xù)煤層氣開發(fā)井的部署。

5 結(jié)論

1）通過巖相控制建立模型的方法，將單井巖相劃分為煤層和非煤層，煤層物性參數(shù)的分布和變化受到巖相的約束。煤層作為生氣層和儲氣層，建立多薄煤層條件下的巖相模型可有效提高物性參數(shù)模型的準(zhǔn)確度和有效性，更加有利于實際應(yīng)用。

2）與常規(guī)氣藏不同，煤層氣藏模型的屬性參數(shù)以滲透率、密度、灰分和含氣量為主，通過測井曲線資料和物性參數(shù)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，以測井資料為基礎(chǔ)建立物性參數(shù)的函數(shù)模型，為后續(xù)儲層物性建模提供數(shù)據(jù)資料支撐。

3）在巖相模型的控制下，完成攀枝花煤礦龍?zhí)督M上段煤層氣藏三維地質(zhì)模型的建立，定量描述煤層賦存規(guī)律與物性參數(shù)特征，快速高效計算限定條件下的煤層氣地質(zhì)儲量。

4）針對黔西地區(qū)煤層多而薄、縱向非均質(zhì)性強(qiáng)的特點，通過相控建模理論和隨機(jī)建模技術(shù)建立的煤層氣藏三維地質(zhì)模型具有很好的適應(yīng)性，也能夠確保煤層氣藏建模的準(zhǔn)確性與有效性，為多薄煤層地區(qū)的煤層氣藏建模提供了可行的建模思路與流程，對于煤層氣藏的高效開發(fā)可以起到重要指導(dǎo)作用。