基于三维地质建模的煤层气井产能特征分析_李勇.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 地质建模最早应用于常规油气储层，通过对储 层进行地质建模和模型数值模拟，进而对油藏进行 油藏评价和油藏管理， 而对于煤储层而言， 煤储层地 质建模方面明显滞后于矿场生产，甚至在这方面是 一项空白[1]。煤体结构的研究对煤层气富集和开采 具有重要的意义[2-3]， 特别是构造煤的含量对煤层气 井的产量有显著影响[4]。国内外很多学者对煤体结 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05067- 001） ； 中煤 科工集团西安研究院有限公司科技创新基金重点资助项目 （2018XAYZD05） 基于三维地质建模的煤层气井产能特征分析 李勇 1， 2， 姜在炳2， 刘钰辉2， 3 （1．煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2．中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077； 3．西安理工大学， 陕西 西安 710048） 摘要 借助三维地质建模软件， 基于寺河西区 138 口单采 3 号煤层的气井 20072017 年的产 量数据， 将研究区划分为 A、 B、 C 3 个区域， 对比分析煤体结构平剖面分布特征与产能时空变化 特征。结果表明 研究区发育原生结构为主， 含少量构造煤， 基本不含碎粒煤和糜棱煤； 碎裂煤含 量区域分布， 以 C 区为中心， 碎裂煤含量向 A 区和 B 区逐渐减少， C 区＞B 区＞A 区； 产能区域分 布， 平均日产气量 A 区＞B 区＞C 区， A 区和 B 区域大部分气井产能可持续性较好， C 区多分布产 能衰减型煤层气井； 发现碎裂煤含量虽然对煤层气井的早期产能有较大贡献但不利于产能的持 续性， 碎裂煤含量为 18左右的 C 区， 早期产气量较高， 衰减较快。 关键词 三维地质建模； 煤体结构； 煤层气； 日均产气量； 产能特征 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0190-05 Analysis of Productivity Characteristics of Coalbed Methane Based on 3D Geological Modeling LI Yong1,2, JIANG Zaibing2, LIU Yuhui2,3 （1．China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China;3.Xi’ an University of Technology, Xi’ an 710048, China） Abstract Using the geological modeling software, based on the production data of 138 CBM wells in No．3 coal seam of western Sihe minefield from 2007 to 2017, the production capacity of the study area can be divided into three zones A, B and C． The plane and profile characteristics of coal structure and the temporal and spatial variation characteristics of productivity were compared and analyzed． The results show that the study area is mainly composed of primary structure and contains a small amount of structure coal, It basically contains no broken grain structure coal and mylonite structure coal． Regional distribution of broken structure coal content is C＞B＞A． Take C as the center, the broken structure coal content gradually decreases to zone A and zone B． For the capacity distribution, the average daily CBM production is A＞B＞C． Most wells with good CBM production capacity are distributed in the A and B zones． The C-zone has a large distribution of production-attenuated CBM wells． Although the content of broken structure coal content has a great contribution to the early production capacity of CBM wells, it is bad to the sustainability of production capacity． In the C zone with broken structure coal content of about 18, the early gas production is higher and the decay is faster． Key words three-dimensional geological modeling; coal structure; CBM; daily gas production; productivity characteristics DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．041 李勇， 姜在炳， 刘钰辉．基于三维地质建模的煤层气井产能特征分析 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 190-194． LI Yong, JIANG Zaibing, LIU Yuhui． Analysis of Productivity Characteristics of Coalbed Methane Based on 3D Geological Modeling ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 190-194．移动扫码阅读 190 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 2煤层厚度模型 Fig.2Coal seam model 图 1断层模型 Fig.1Fault model 构和煤层气井产能研究，大多基于单井点的煤体结 构分布情况及其对产能的影响[4-12]。 对于井间和整体 不同煤体结构三维空间分布及不同煤体结构分布区 煤层气井产能特征的研究还有待深入。寺河井田自 20 世纪 90 年代开始地面煤层气排采，至今区内已 施工地面煤层气排采井千余口，是我国首个实现煤 层气地面规模性商业开发的地区。目前根据寺河西 区井田生产情况来看，发现地面煤层气井整体产气 效果突出，但井田内煤层气井产能分布区域差异性 大[13]。 因此基于三维地质建模软件， 借鉴油气储层三 维地质建模方法，建立煤层宏观模型和煤体结构分 布三维模型，开展寺河西区煤体结构三维空间分布 规律与单采 3 号煤层的气井产能分布特征的研究， 并 据此为本区煤层气井下一步增产改造提供参考。 1目标区地质特征 寺河井田位于沁水煤田东南部，处于沁水复式 向斜南段轴部附近，其中可采和局部可采煤层 3 层 （3 号， 9 号， 15 号） ；此次研究的目标区域为寺河井 田西区 3 号煤层， 3 号煤层具有煤层稳定、 埋藏深度 小、 含气量较高和渗透率高等特征， 总体构造为单斜 构造， 走向 NNE， 倾向 NWW， 倾角 3～15， 发育一系 列近 SN-NNE 向的次级缓波状褶曲，断层主要有一 些小型的层间断层以及陷落柱， 属地质构造简单类。 2煤体结构三维建模 三维地质建模是储层表征的最高层次，是建立 储层特征三维分布的数字化模型[14]。一般的油气藏 三维地质建模步骤可分为构造建模和属性建模 2 步，构造模型是属性建模的基础，在进行属性参数 建模前要进行相建模[15]（沉积相建模或岩相建模） 。 而相对于煤储层而言，考虑到煤储层属性参数诸如 渗透率、孔隙度的获取与砂岩油气藏有较大区别， 所以煤储层的相控建模思路不能完全照搬油气藏的 相控建模，马平华等提出了分宏观煤岩类型的煤储 层建模思路[1]， 为煤储层的三维地质建模提供了一 种可行的方法。但受制于研究区域范围内煤岩类型 变化不大，煤岩类型数据获取困难等问题，因此决 定采用分不同煤体结构煤进行属性参数建模的相控 建模思路，通过测井信息解释各单井纵向上煤体结 构的分布， 按照煤体结构煤的分类 完整结构煤 I、 块状结构煤 II， 碎裂结构煤 III， 碎粒结构煤 IV， 糜棱 结构煤 V 和夹矸 VI 设置 6 种类型，并建立煤储层 宏观空间分布模型和煤体结构三维分布模型。 2.1煤储层宏观空间分布模型 研究区 3 号煤储层宏观空间分布模型的建立可 分为断层模型、煤层模型 2 部分。寺河西区断层较 少， 且多为小断层， 利用剖面和构造图数据， 生成断 层 DF9、 F2302X -3、 FW2302X -2 和 FW23032 -2 模 型， 断层模型如图 1。 统计 218 口井 3 号煤层的顶底板深度数据， 寺 河西区 3 号煤储层煤层埋深呈现南部和东部浅， 西 北部深的趋势， 埋深范围 270～690 m， 煤厚 5.0～7.65 m， 平均煤厚 6.2 m， 煤厚空间变化不大， 因此采用光 滑插值法生成煤层三维模型， 煤层厚度模型如图 2； 在网格划分时，由于煤体结构垂向分层较多，有的 厚度最薄达到 0.15 m， 为了达到真实反映煤体结构 的情况，垂向上划分 40 个网格，平面上以 26 m 的 步长， 最后选用 25014540 共 1 450 000 的网格数 量剖分模型。 2.2煤体结构三维分布模型建立及分布规律 根据寺河井田煤体结构测井响应值分布范围， 定量解释了寺河西区 13 口煤层气井的煤体结构分 布情况。寺河矿区不同煤体结构类型的测井响应值 范围见表 1[8]。 煤体结构属于离散变量， 分布具有空间随机性， 191 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 图 5煤体结构垂向分布特征 Fig．5Vertical distribution characteristics of coal structure 图 4原生结构煤和构造煤分布特征 Fig．4Distribution characteristics of primary structure coal and structure coal 密度/ （g cm-3）井径/cm自然伽马/cps 完整结构1．30～1．6721．67～28．0220．8～111．4 块状结构1．23～1．7621．67～39．8626．8～96．5 碎裂结构1．12～1．3522．07～66．1244．3～141．2 煤体结构 序贯指示模拟既可用于离散的类型变量，又可用于 离散化的连续变量类别的随机模拟，它通过对每个 网格的累积条件概率分布函数的随机抽样，从而得 到研究区内离散类型变量的 1 个随机实现，因此选 用基于像元的序贯指示模拟方法，来实现煤体结构 的三维建模， 研究煤体结构分布规律。 煤体结构三维模型如图 3。 从全局含量来看， 研 究区内 3 号煤层主要发育原生结构煤（完整结构煤 占 47．90， 块状结构煤占 32．80） ， 含少量碎裂结 构煤 （18．20） ， 基本不含碎粒煤和糜棱煤， 局部发 育有夹矸， 而且单井碎裂煤最多含量不超过 30。 原生结构煤和构造煤分布特征如图 4。 从图 3、 图 4 可知， 平面上原生结构煤基本上全 局发育， 碎裂煤分布非均质性较强， 以 A、 B、 C 3 个 区域考察煤体结构分布，碎裂煤在 C 区含量最高普 遍大于16， 中心最高含量达到 28， 并以环状向 A 区和 B 区逐渐减少， B 区碎裂煤含量在 16～20之 间， A 区碎裂煤含量大部分＜16，较 B 区和 C 区最 少。碎裂煤在垂向上主要分布于煤层的上部，煤体 结构垂向分布特征如图 5，以剖面 A-A’为例， 井 YH082 与 YH086 之间碎裂煤较为发育， 并以此为中 心分别向东西两侧碎裂煤含量逐渐减少并有向浅 层发育的趋势。与本地区关于煤体结构的研究成果 对比[7-8]， 煤体结构的分布规律基本一致， 证明了模型 的可靠性。 3煤层气产能时空分布特征 寺河井田煤层气井产能分布区域差异性大[13]， 整体产气量东区好于西区。目前寺河井田内开发的 煤层气井已达千余口，根据开发的煤层可分为单采 3 号煤、 915 号合采和 3915 号煤层合采等， 统计 了西区西二西三盘区 138 口单采 3 号煤层的煤层气 井产量数据， 时间跨度为 2007 年至 2017 年。 为分析煤层气井生命周期内产量的时间变化， 以时间节点 1 年、 3 年、 3 年至 10 年，分别统计研究 区内煤层气井的日平均产气量，煤层气井产能变化 表 1寺河矿区不同煤体结构类型的测井响应值范围 Table 1Logging response range of different coal body structure types in Sihe mining area 图 3煤体结构三维模型 Fig．3Three-dimensional model of coal structure 192 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 趋势如图 6。 排采 1 年后 138 口井的平均日产气量为 4．6～ 5 821．8 m3/d， 平均 2 183．8 m3/d； 排采 3 年后 138 口 井的平均日产量 135．6～9 805．7 m3/d， 平均 3 023．8 m3/d；排采大于 3 年的平均日产气量 499．8～8 286．3 m3/d， 平均为 3 003．0 m3/d。可见研究区内总体产气 量较好，但不同区域，不仅产气量大小差异较大而 且随时间产气量变化趋势不同。 对比不同排采时间煤层气井产能空间分布图来 看，研究区煤层气产能可分为 3 个区域，西二盘区 A、 西三盘区 B 和西二西三盘区接触区域 C， 排采 3 年至 10 年时各区域平均日产气量为 A＞B＞C，产能 分区统计见表 2。 A 区 以 SHx190、 SHx142、 SHx116、 SHx129 和 SHx256 为中心连成的一个较大的高产区域， 区域中 心最大平均日产气量达到 8 286 m3/d，而且随着排 采时间延长可以发现高产区域内的煤层气井产气量 持续性较好； 而在 A 区南部， 东北部及高产区域的 周围产气量相对较低， 平均在 3 000 m3/d 以下。 B 区 以 YH026 和 YH023 为中心连成 1 个高产区域， 区 域中心最大平均日产气量为 5 500 m3/d， B 区的东 部和南部产气量相对较低。C 区煤层气井的产气量 排采早期上升较快，以 YH058 和 YH096 为中心排 采 1 年左右即达到产量峰值，中心平均日产气量达 5 002 m3/d， 但随着排采时间延长， 产量逐渐下降， 综 合分析本区产气井的排采曲线后发现本区域分布较 多产量衰减型[16]煤层气井。 4煤体结构对产能分布的影响 对比图 4 与图 6 可以发现，在 A、 B 和 C 区， 煤 体结构与煤层气井产能相关性较强，具体表现煤层 气井平均日产量和产气时间，与原生结构煤含量趋 势相同。例如从 C 区到 B 区到 A 区， 平均日产气量 为 1 802、 2 860、 3 311 m3，产量逐渐增大而原生结 构煤含量逐渐增加，构造煤含量减少。A 区和 B 区 的煤层气井产能的衰减的也较慢， 一些井排采 10 年 后依然可以达到日产 2 000 m3以上。而碎裂结构煤 较发育的 C 区，多分布一些产能衰减型煤层气井， 早期产气量较好，但衰减较快。说明寺河地区 3 号 煤层原生结构煤是煤层气产气量的主控煤体结构， 原生结构煤发育的地区产气量高，产能衰减慢； 碎 裂煤含量对煤层气井前期产气量有较大贡献，但随 着排采时间延长煤层气井的产量下降较快。 可能的原因是得益于寺河 3 号煤层得天独厚的 储层条件，所以整体寺河 3 号煤层产气量较好。一 般而言， 虽然碎裂结构煤其构造裂隙、 外生裂隙、 微 裂隙、 割理等都较为发育， 但是对应力较为敏感， 不 合理的排采制度很容易造成其储层破坏和煤粉产出 堵塞渗流通道， 影响其产能持续时间， 过早衰竭。而 区域井数 日均产气量/ （m3 d-1） 1 年3 年3～10 年 A721 9893 1643 311 B541 9982 9612 860 C123 2762 4601 802 图 6煤层气井产能变化趋势 Fig．6Trend chart of productivity change of coalbed methane wells 表 2产能分区统计 Table 2Statistical of gas production in different zones 193 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 原生结构煤主要发育内生裂隙，水力压裂后将沟通 人工裂缝和内生裂隙，从而提高煤层的渗透率， 但 是由于原生结构煤具有较大的机械强度，它的压敏 性较碎裂煤等构造煤不敏感。因此在进行降压过程 中，原生结构煤中的内生裂隙和人工裂缝会一直保 持打开状态。而在排水降压过程中煤层很容易形成 整体压降，进而提高压降漏斗的范围，促使井眼更 远处的储层煤层气解吸，为煤层气井的产量提供充 足的气源。 5结论 1） 通过油气储层地质建模方法建立的三维煤体 结构模型，与已有的地质认识一致，可以很好地显 示煤体结构的平剖面特征，进而分析不同煤体结构 区煤层气井的产能特征。研究区主要分布原生结构 煤 80．7， 含少量碎裂结构煤 18．2， 由中部 YH082 井和 YH086 井向东西两侧， 构造煤有向浅层发育的 趋势。 2） 通过分析煤层气井平均日产气量随时空变换 而变化的过程及产能特征，对研究区进行了分区， 发现寺河西区整体产气量较高，日均产气量普遍大 于 3 000 m3，其中区域日均产气量大小 A＞B＞C， A 和 C 区煤层气井产能保持时间较长， 区域 C 多分布 一些产能衰减型煤层气井。 3） 西区 3 号煤层煤体结构对煤层气井的产能和 维持时间有影响，原生结构煤发育的地区，煤层气 井产量高且其持续时间长， 碎裂煤含量 18左右的 地区， 初期产气量较高， 但衰减快。 参考文献 ［1］ 马平华， 邵先杰， 霍梦颖， 等．煤储层地质建模思路与 方法－以鄂尔多斯盆地东南缘韩城矿区为例 ［J］ ．石油 与天然气地质， 2018， 39 （3） 601－610． ［2］ 邓绪彪， 胡青峰， 魏思民．构造煤的成因－属性分类 ［J］ ．工程地质学报， 2014， 22 （5） 1008－1014． ［3］ 刘宇， 要惠芳， 姬新强．韩城矿区煤体结构对煤层气排 采效果分析 ［J］ ．煤炭技术， 2016， 35 （7） 120－122． ［4］ 陈刚， 胡宗全， 苏坤， 等．鄂东南延川南深煤层煤体结 构与产气量关系分析 ［J］ ．煤炭科学技术， 2016， 44 （12） 107－112． ［5］ 倪小明， 陈鹏， 李广生， 等．恩村井田煤体结构与煤层 气垂直井产能关系 ［J］ ．天然气地球科学， 2010， 21 （3） 508－512． ［6］ 赵家攀， 张永琪， 张帅， 等．煤体结构对煤层气井产能 的影响及其对策 ［J］ ．中国煤层气， 2017， 14 （2） 9－12． ［7］ 王保玉．晋城矿区煤体结构及其对煤层气井产能的影 响 ［D］ ．北京 中国矿业大学 （北京） ， 2015． ［8］ 孟召平， 刘珊珊， 王保玉， 等．晋城矿区煤体结构及其 测井响应特征研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2015， 43 （2） 58－63． ［9］ 熊波， 张遂安， 李晓友， 等．沁水盆地安泽区块 3 号煤 层煤体结构及其控气作用 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2016， 44 （3） 40－45． ［10］ 边利恒， 熊先钺， 王伟， 等．韩城区块煤体结构分布规 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