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第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. National Energy Key Lab of Coal and CBM Simultaneous Extraction, Jincheng 048000, China; 3. Shaanxi Coalbed Methane Development Corp. Ltd., Xi’an 710065, China Abstract The group 4 coal seam in the Dafosi mine filed belongs to the low rank coal, and the coal reservoir has good physical properties and abundant CBM resources, however, the gas production of the vertical wells is rather different. Based on the characteristics of coal reservoir parameters and the practice of CBM ground development, fuzzy mathematics was used to set up the membership function of reservoir parameters of 4 vertical CBM wells with the same engineering parameters and a big difference in production. Reservoir has been uated and the re- sult was consistent with actual production. Specifically, reservoirs uncovered by wells DFS-133 and DFS-45 are conducive to development, reservoirs penetrated by wells DFS-69 and DFS-105 are not. After comprehensive as- sessment of reservoirs of seam group 4 in 4 vertical CBM wells, it can be concluded that resource, preservation and development factors are influence factors of productions of the vertical wells with same strengthening measures. The conclusion has significant meaning for CBM development and selection of favorable area of upper seam 4. Keywords Dafosi mine field; low-rank coal; membership function; reservoir uation 煤层气作为新型高效的清洁能源，是国家倡导 的能源开发利用方向[1]。我国煤层气资源丰富，但 勘探开发起步较晚，目前在沁水盆地南部、鄂尔多 斯盆地东缘中高阶煤地区实现了商业性开发[2-4]；在 广泛发育的低煤阶煤层气区，除部分地区处于小规 模的商业化阶段外，煤层气的勘探开发没有得到长 足发展。尽管以低煤阶煤为主的沉积盆地煤层含气 量较低，但其单层厚度大，渗透性较好，然而，多 数低煤阶煤的煤层气开采地质条件研究并非以其 “可采性”为核心，这也是低煤阶煤的煤层气勘探 ChaoXing 第 1 期 王传涛等 彬长大佛寺井田低煤阶煤层气直井产气差异性评价 87 未取得理想效果的重要原因[5]。 大佛寺井田低煤阶煤的煤层气资源较为丰富， 自实施地面开发以来，部分煤层气井已经获得了一 定的工业气流，但多数井不产气，见气井中多数产 气量不稳定，高产井不多。前人对井田内煤层气勘 探开发的研究多侧重于煤储层自身因素如储层物 性、煤层气赋存特征等、煤层气井排采制度及井型 的优化，而对于相同井型、工程参数一致的煤层气 井产气差异评价，尚未有学者进行相关研究。为此， 选择了研究区内工程参数一致、产气差异性较大的 DFS-45、DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 等 4 口煤层 气直井， 运用模糊数学建模方法对其 4 上及 4 号煤层 气储层进行综合评价，分析相同工程参数下产气差 异性原因， 并为本区煤层气地面开发选区提供依据。 1 大佛寺井田煤层气直井产气概况 自2009年大佛寺井田地面煤层气开发试验工作以 来，井田内低煤阶煤的煤层气逐步进行了较大的工程 投入，尤其是 2014 年所实施的“大佛寺地面煤层气井 开发‘261’项目”26 口直井及 1 组多分支水平井的 地面煤层气开发工程。然而井田内进行压裂施工的 24 口煤层气直井中，虽然部分井取得了较好的产气效果， 但多数压裂参数相同的井产气效果差别较大表 1。 表 1 大佛寺井田水力压裂直井产气情况 Table 1 Gas production of 24 vertical wells in Dafosi mine field 序号 井名 累计产气量/m3 序号井名 累计产气量/m3 1 DFS-C01 3 233 752.49 13DFS-120 61 687.40 2 DFS-45 463 556.84 14DFS-122 204 892.23 3 DFS-62 3 468.69 15DFS-128 636 225.46 4 DFS-67 35 713.70 16DFS-131 465 635.11 5 DFS-69 157 953.03 17DFS-132 539 127.94 6 DFS-71 169 115.2 18DFS-133 1 643 606.58 7 DFS-73 302 928.08 19DFS-134 1 300 276.17 8 DFS-74 184 512.43 20DFS-135 265 586.12 9 DFS-84 147 029.32 21DFS-148 796 871.34 10 DFS-86 79 525.89 22DFS-150 162 326.95 11 DFS-105 215 913.33 23DFS-151 393.20 12 DFS-117 257.56 24DFS-153 4573.20 注数据截至 2017 年 2 月 19 日。 2 评价方法及指标的选择 储层评价是煤层气勘探开发前的基础工作，也 是预测煤层气井产能的基本方法[6-7]。评价方法及评 价指标的合理选取， 是储层评价工作正确性的保证。 2.1 煤层气井产能的影响因素 煤层气井产气效果主要受两个方面控制煤储 层自身性质和煤层气井工程因素[8-9]。储层自身性质 主要包括煤层厚度、含气量、渗透率、储层压力、 灰分等[10-12]。煤层气井工程因素除井身、固井及完 井质量外，还包括所选择的煤储层强化施工参数， 大佛寺井田煤层气直井的储层增产措施主要是水力 压裂，因此，压裂施工参数是影响其产气效果的主 要工程因素。 2.2 评价方法 随着煤层气勘探开发理论与实践的不断推进， 储层评价方法也在不断跟进，但就低煤阶煤的煤层 气而言， 尚没有相对成熟的评价方法及选区标准[13]。 文中运用模糊数学法对煤层气储层进行评价。模糊 数学法主要是通过隶属函数建立相应的数学体系模 型，能够体现所描述事物的渐变性，其优点为可以 克服储层评价过程中不确定因素所带来的不便，从 而更客观地评价储层[14-15]。模糊数学方法较适用于 地质资料丰富的地区，大佛寺井田基础地质资料丰 富，该方法较为适用。 2.3 评价指标 储层评价指标的选取，应基于以下原则[16]① 能够综合、全面地反应煤储层自身性质；②容易获 得且普遍使用；③能够反映储层性质多个方面的指 标，选其最具代表性的一个方面；④某一储层性质 的反映指标较多时，优先选取最具现实意义的一个 或多个指标。 为研究储层自身特征对产能差异性的影响，所 选取的 DFS-45、DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 的 4 口煤层气直井工程参数一致或相似，且 4 口井所揭 露的 4 号及 4 上煤的厚度基本一致。因此，选取储层 评价指标时，不考虑工程参数和煤厚的影响。大佛 寺井田煤层气处于勘探开发初期，基于上述原则， 其煤层气储层评价指标选取按影响因素分类如下 资源因素含气量、灰分、保存因素构造位置、顶板 岩性及厚度以及开发因素渗透率、储层压力梯度、 埋深。具体评价体系以及各指标权重值见表 2。由于 4 口煤层气井 4 上煤储层压力梯度未知， 开发因素中渗 透率与埋深权重较 4 号煤略有不同。 表 2 评价指标及各指标权重值 Table 2 uation parameters and their weight 评价指标权重具体参数 权重14 上煤 权重24号煤 含气量 0.50 0.50 资源因素0.4 灰分 0.50 0.50 构造位置 0.60 0.60 保存因素0.3 顶板岩性及厚度 0.40 0.40 渗透率 0.60 0.50 储层压力梯度 0.25 开发因素0.3 埋深 0.40 0.25 ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 46 卷 3 煤储层评价 3.1 各指标模糊数学建模 DFS-45、DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 这 4 口煤层气直井储层参数见表 3。 4 口井所揭露的煤层 顶板岩性均为泥岩，表中仅统计了其厚度。 3.1.1 资源因素指标U1 a. 含气量 含气量是煤层气储层优劣的基本判定指标，也是 煤储层应具备的基本条件。大佛寺井田 DFS-45、 DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 的 4 口煤层气直井中， 4 上煤的含气量均较 4 号煤高表 3，以低煤阶煤的煤 层气勘探开发标准为基础，同时考虑所评价储层的实 际情况，建立 4 上煤与 4 号煤的含气量Q，m3/t评价 隶属函数U11。 4 上煤 11 0.42 0.30.224 14 Q QQ Q U ■ ■ ■ ■ ＜＜ ■ ≤ - ≥ 1 4 号煤 11 0.62 1.62.622.25 12.25 Q Q QU Q - ■ ■ ＜＜ ■ ■ ■ ≤ ≥ 2 表 3 煤储层各评价参数特征 Table 3 Characteristics of coal reservoir uation parameters 煤层 井号 含气量/m3t-1灰分/ 构造位置 顶板厚度/m 渗透率/10-3 μm2储层压力梯度/kPam -1 埋深/m DFS-45 5.51 18.02 翼部 3.27 10.00 384.01 DFS-69 2.05 34.13 近向斜轴部1.13 0.25 605.48 DFS-105 5.00 25.70 翼部 2.35 12.50 396.57 4 上 DFS-133 4.25 9.04 背斜 4.92 8.00 492.71 DFS-45 2.45 16.11 翼部 3.18 9.35 4.78 417.99 DFS-69 1.90 25.77 近向斜轴部2.19 5.90 5.12 634.84 DFS-105 2.15 19.62 翼部 2.28 9.20 11.74 425.78 4 DFS-133 2.10 4.42 背斜 3.51 12.97 6.85 511.16 b. 灰 分 灰分增加，有机碳含量降低，使煤层生气能力 下降。此外矿物质相比煤本身，吸附煤层气的能力 很弱，不利于煤层气的吸附、储存，因而灰分产率 越高，含气量会越小。 大佛寺井田内灰分与含气量表现为很好的负相 关关系图 1，4 口煤层气直井中，4 上煤与 4 号煤的 灰分含量相当表 3，因此，4 上煤与 4 号煤所建立 的灰分A，评价隶属函数U12相同。 12 0.420 0.61020 110 A A A U＜＜ ■ ■ ■ ■ ■ ≥ ≤ 3 图 1 灰分与含气量的相关关系 Fig.1 Correlation between ash content and gas content 3.1.2 保存因素指标U2 a. 构造条件 大佛寺井田内构造发育较为简单，由北向南依 次发育有轴向近 NW 向的安化向斜、祁家背斜和师 家店向斜。构造部位不同，煤层气井初始产气时间 和累计产水量等也会有所不同[17-18]。研究表明，背 斜部位处于张性应力环境，煤储层物性较好，煤层 气更容易解吸，背斜轴部、向斜轴部和褶皱翼部的 高产井比例分别为 100、75和 59[19]。构建构造 条件的隶属函数U21时，将构造部位划分为 3 类 ①位于背斜或近背斜轴部，其隶属度为 1；②位于 向斜或近向斜轴部，其隶属度为 0.6；③位于褶皱翼 部，其隶属度为 0.4。即 21 0.4 0.6 1 U ■ ■ ■ ■ ■ 翼部 向斜轴部 背斜轴部 4 b. 顶板岩性及厚度 作为煤储层的盖层，煤层直接顶板的岩性及厚 度都会对煤层气的保存有一定的影响。如上所述，4 口煤层气井所揭露的4 上煤及4号煤的顶板岩性均为 泥岩或砂质泥岩、炭质泥岩，其厚度范围变化不 大表 3。 顶板厚度T， m的隶属函数U22采用陈晓智 等[7]的划分结果①顶板岩性为泥岩且厚度大于 3 m， 隶属度为 1；②顶板岩性为泥岩且厚度为 1.53 m， ChaoXing 第 1 期 王传涛等 彬长大佛寺井田低煤阶煤层气直井产气差异性评价 89 隶属度为 0.6； ③顶板岩性为泥岩且厚度小于 1.5 m， 隶属度为 0.4。即 22 0.41.5 0.61.53 13 T T T U＜＜ ■ ■ ■ ■ ■ ≤ ≥ 5 3.1.3 开发因素指标U3 a. 渗透率 渗透率是煤储层物性评价中最直接的评价指 标，是反映煤储层中气液等流体渗透性能的重要参 数，决定着煤层气的运移和产出[16]。大佛寺井田内 煤储层渗透率差异较大表 3，总体来讲 4 上煤与 4 号煤的渗透率均较大。 结合低煤阶煤层气开发实践， 将煤储层渗透率v，10-3 μm2的评价隶属函数U31 定义为 31 0.45 0.120.20510 110 U v vv v - ■ ■ ■ ＜＜ ■ ■ ， ≤ ≥ 6 b. 储层压力梯度 煤储层压力对煤层气含量和渗透率有一定的控 制作用，储层压力越高，对煤层气的储集和开发越 有利。 储层压力常以压力梯度来衡量。 员争荣等[20]、 姚艳斌等[16]在建立煤层气储层评价体系时，分别以 压力梯度9.8 kPa/m、 10 kPa/m作为储层优劣的分界， 认为大于分界点的高压储层更有利于煤层气的开 发。 井田内未测试到所研究的 4 口煤层气井 4 上煤的 储层压力值， 其4号煤储层压力梯度差异较大表3。 综合前人研究和本区勘探开发的实际情况，将 4 号 煤储层压力梯度p，kPa/m的评价隶属函数U32定 义为 32 0.46.5 0.180.806.59.8 19.8 p pp p U-＜＜ ■ ■ ■ ■ ■ ≤ ≥ 7 c. 埋 深 煤层埋深主要在两个方面影响着煤层气储层产 能。一方面，随着埋深的增加，地应力增高，围岩 透气性降低， 煤层气向地表运移的距离相应也增大， 煤层含气量及储层压力随之增加图 2， 这种变化有 利于煤层气的封存；另一方面，随着埋深的增加， 在开采过程中煤储层易发生压敏，使煤储层渗透率 降低，进而对煤储层的排水降压、解吸以及产出造 成一定的困难[21-22]。 大佛寺井田内 4 上煤层埋深一般为 250600 m， 4 号煤层埋深一般为 300650 m， 所研究的 4 口煤层 气井见煤深度差异较大表 3。 基于本区煤层气的开 发实际情况，定义 4 上与 4 号煤层的埋深H，m评 价隶属函数U33分别为 图 2 埋深与含气量的相关关系 Fig.2 Correlation between coalbed depth and gas content 4 上煤 33 0.6550 0.021.70350550 1350 H HH H U- ■ ■ ■ ＜ ■ ■ ＜ ≥ ≤ 8 4 号煤33 0.6550 0.021.70350550 1350 H HHU H -＜ ■ ＜ ■ ■ ■ ■ ≥ ≤ 9 3.2 4 号煤储层评价结果 根据上述煤层气储层资源、保存以及开采条件 评价隶属函数的建立，结合各指标的权重值表 2， 对大佛寺井田内 DFS-45、DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 这 4 口煤层气直井的 4 号煤层进行了评价 值的计算。 ① 4 上煤储层评价值S （）（） （） 123 11122122 3133 0.40.30.3 0.40.50.50.30.60.4 0.30.60.4 SUUU UUUU UU 10 ② 4 号煤储层评价值S′ （）（） （） 123 11122122 313233 0.40.30.3 0.40.50.50.30.60.4 0.30.50.250.25 SU U U U UUU UUU 11 各煤层气井计算结果见表 4。由表 4 可知，虽 然 4 上煤和 4 号煤所选用的评价隶属函数不尽相同， 但储层评价结果显示出较好的一致性，即以评价 值 0.7 作为有利开发储层的分界，4 口煤层气直井 中，DFS-133 井最利于地面煤层气开发，DFS-45 井 次之， DFS-69 和 DFS-105 井则不利于地面煤层气的 开发。 4 煤层气直井产气差异性分析 大佛寺井田内多数压裂参数相同的煤层气直井 产气效果差别较大，研究区 4 口井压裂参数及产气 情况见表 5。 由表 5 可知，DFS-45、DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 这 4 口煤层气直井的施工排量、 加砂强度、 ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第 46 卷 表 4 煤储层综合评价得分 Table 4 Comprehensive uation score of coal reservoir 资源因素 保存因素 开发因素 煤层 井号 含气量 灰分U1 构造位置顶板厚度U2渗透率储层压力梯度 埋深 U3 评价值 DFS-45 1.00 0.440.72 0.40 1.00 0.641.00 0.93 0.97 0.77 DFS-69 0.42 0.300.36 0.60 0.40 0.520.40 0.60 0.48 0.44 DFS-105 1.00 0.300.65 0.40 0.60 0.481.00 0.91 0.96 0.69 4 上 DFS-133 1.00 1.001.00 1.00 1.00 1.000.76 0.71 0.74 0.92 DFS-45 1.00 0.570.79 0.40 1.00 0.640.92 0.40 0.96 0.80 0.75 DFS-69 0.60 0.300.45 0.60 0.60 0.600.51 0.40 0.60 0.50 0.51 DFS-105 0.84 0.330.58 0.40 0.60 0.480.90 1.00 0.95 0.94 0.66 4号 DFS-133 0.76 1.000.88 1.00 1.00 1.001.00 0.43 0.78 0.80 0.89 表 5 煤层气直井施工参数及产气情况 Table 5 Construction parameters and gas production of vertical CBM wells 井号 施工排液量/m 3min-1 加砂强度/m3m-1 用液量/m3砂比/ 支撑剂比例 平均产气量/m 3d–1 稳定期平均产气量/m3d–1 DFS-45 8.55 6.98 1 117.8813.0 3.06 658 1 000 DFS-69 8.5 6.79 1 077.4412.8 3.45 300 380 DFS-105 8.5 6.86 1 193.2512.4 3.38 298 380 DFS-133 8.5 6.87 1 184.4010.2 3.01 2 177 2 640 用液量、砂比和支撑剂比例等压裂施工参数大体一 致，但 4 口井的平均日产气量和产气稳定期日均产 气量差别较大，DFS-133 和 DFS-45 井为高产井， DFS-69 和 DFS-105 井则产气效果较差， 这与上述储 层评价结果一致。结合 4 上煤和 4 号煤的储层特征， 认为造成 4 口煤层气直井产气差异性的原因主要是 储层自身性质的差异，主要受含气量、灰分、构造 位置、顶板岩性及厚度、渗透率、储层压力梯度和 埋深等储层参数控制。 值得注意的是，大佛寺井田内煤层气直井地面 开发多数是针对 4 号煤层，由上述分析可知，4 上煤 储层自身性质也较有利于煤层气地面开发。建议在 井田内煤厚大于 4 m 的区域运用上述方法进行煤层 气储层综合评价，为下一步地面开发奠定基础。 5 结 论 a. 大佛寺井田低煤阶煤的煤层气地面开发尚 处于初期阶段， 井田内 24 口进行压裂施工的煤层气 直井产气差异性大，多数气井产气不稳定，未达到 预期产能。 b. 从资源因素、保存因素和开发因素 3 个方面 探讨了 4 口煤层气直井储层参数的差异，构建影响 产能的各指标的隶属函数，对 4 号煤组进行储层评 价，DFS-45、DFS-69、DFS-105 和 DFS-133 这 4 口 井的 4 上煤综合评价值分别为0.77、0.44、0.69、 0.92；4 号煤综合评价值分别为0.75、0.51、0.66、 0.89。 结果认为 DFS-133 和 DFS-45 井储层有利于地 面煤层气开发， DFS-69 和 DFS-105 井储层不利于地 面煤层气开发。 c. 结合煤层气开发实际情况，讨论了储层评价 结果的适用性。经对比分析，4 口煤层气直井产气 差异性主要受含气量、灰分、构造位置、顶板岩性 及厚度、渗透率、储层压力梯度和埋深等储层参数 控制。 参考文献 [1] 赵国浩. 煤炭资源综合开发利用对策研究[J]. 能源技术与管 理，2007553–56. 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