第一篇 煤層氣地質(zhì)與儲層工程

煤儲層氣水儲量評估方法研究進展

孫晗森1 汪志明2 曾泉樹2

1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

摘要：我國煤層氣資源豐富，經(jīng)過三十多年的技術積累和工程示范，已初步實現(xiàn)煤層氣的規(guī)模化開發(fā)利用。但目前儲量動態(tài)評估技術相對滯后，導致“甜點區(qū)”判別不準，排采制度不合理。不同煤層的氣水賦存狀態(tài)可能存在較大差異，且煤層氣體解吸速度受排水速度影響顯著。因此，準確預測煤儲層氣水儲量及其動態(tài)變化特征對于確定開發(fā)甜點、制定合理排采制度具有重要意義。

目前煤層氣儲量評估方法包括容積法、物質(zhì)平衡法、數(shù)值模擬法和產(chǎn)量遞減法等。容積法計算過程中各參數(shù)的不確定性較強。物質(zhì)平衡法未能考慮煤層氣開發(fā)過程中的壓力滯后效應。數(shù)值模擬法過程復雜，對地質(zhì)資料與動態(tài)數(shù)據(jù)的要求高。產(chǎn)量遞減法適用于開發(fā)程度較高的煤層氣田。現(xiàn)有研究對煤層水的賦存狀態(tài)認識不清，上述儲量評估方法未能估算煤層水的地質(zhì)儲量，且無法準確描述其對煤層氣不同賦存狀態(tài)和產(chǎn)量的影響規(guī)律。

針對上述問題，研究提出將煤層水劃分為吸附態(tài)和游離態(tài)，建立了超臨界甲烷—液態(tài)水競爭吸附模型，提出了煤儲層氣水儲量動態(tài)預測方法。所提出的儲量估算方法能夠有效預測甲烷和水原始儲量及其在開發(fā)過程中的變化，豐富和發(fā)展了煤儲層地質(zhì)儲量預測方法，且對煤層氣井排采制度優(yōu)化設計具有重要指導意義。

關鍵詞：煤層甲烷；煤層水；競爭吸附；儲量預測

據(jù)《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》核算[1]，2016年我國能源消費總量為43.6億噸標準煤，對石油、天然氣等清潔能源的需求大幅增長，其中，原油消費量增長5.5%，天然氣消費量增長8.0%。然而，據(jù)國家發(fā)展改革委統(tǒng)計[2]，2016年上半年我國原油、天然氣對外依存度分別達64%和35%，油氣供應安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。隨著勘探的不斷深入，常規(guī)石油天然氣資源增儲、增產(chǎn)難度逐步加大，而煤層氣、頁巖氣、致密氣等非常規(guī)天然氣資源潛力巨大，勘探開發(fā)技術日趨成熟，是我國的戰(zhàn)略性接替能源[3]。

我國煤層氣資源豐富，是繼俄羅斯、加拿大之后的第三大儲量國，約占世界煤層氣總資源量的19.3%[4，5]。根據(jù)最新一輪的全國油氣資源評價結果[6]，我國2000米以淺的煤層氣資源量為30萬億立方米，技術可采儲量為12.5萬億立方米。經(jīng)過近30年的技術積累和工程示范，我國已初步實現(xiàn)了煤層氣的規(guī)模化開發(fā)利用[7]：2019年地面開發(fā)的煤層氣產(chǎn)量達54.63億立方米。但目前煤層氣水儲量動態(tài)評估技術相對滯后，導致“甜點區(qū)”判斷不準，排采制度不合理。

一、煤儲層孔隙分布與氣水賦存特征

（一）煤儲層孔隙分布特征

煤的孔隙結構與煤層流體的賦存和流動特征密切相關，為了研究煤儲層氣水賦存特征和運移機理，首先需正確認識其孔隙分布的特征。國內(nèi)外許多學者[8-13]基于甲烷在孔隙中的吸附、滲流特征，對其進行分類（如圖1所示）。其中，Xouor[8]和國際理論與應用化學聯(lián)合會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）[9]提出的分類方法應用最為廣泛。盡管不同學者提出的分類方法略有區(qū)別，但不同孔隙界限基本處于同一數(shù)量級。為了便于建模，本研究將煤巖的孔隙結構簡化為基質(zhì)孔隙和裂隙。雖然這種方法做了一定程度的簡化，但其在煤層氣開發(fā)模擬過程中仍具有很強的實用性。

圖1 煤巖孔隙尺寸劃分

1.基質(zhì)孔隙

基質(zhì)孔隙指的是有機質(zhì)中形狀不規(guī)則的孔隙（如圖2所示）[14]。基質(zhì)孔隙約占煤巖孔隙空間的97%，是煤層流體的主要儲集場所[15]。根據(jù)上述孔隙劃分結果，基質(zhì)孔隙可細分為微孔、介孔和小孔。小孔源自植物遺骸的原始細胞結構或礦物碎屑孔隙[16]；介孔的來源與小孔十分類似[17]；在煤化過程中，大量分子質(zhì)量不同、結構相似但不完全相同的大分子化合物相互連接形成煤巖有機質(zhì)，并產(chǎn)生不規(guī)則的微孔[17，18]。另外，平均孔隙尺寸越小，壁面與流體分子的相互作用越強，吸附作用越顯著[19]。因此，煤層甲烷和水的吸附量通常隨煤巖熱成熟度的增大而增加[10，20-22]。

圖2 煤巖中基質(zhì)孔隙的電鏡掃描圖

2.裂隙

裂隙是指煤層中發(fā)育的兩組相互正交且垂直于層理面的天然裂隙（如圖3所示）[23]。面割理是主裂隙組，由基本平行的、連續(xù)的發(fā)育裂隙組成；端割理為次級裂隙組，也是基本平行的，連通性弱于面割理，通常在與面割理相交后停止延伸。盡管裂隙孔隙僅占煤巖孔隙空間的3%甚至更少，但裂隙網(wǎng)絡具有良好的連通性，是煤層流體的主要流動通道[15]。裂隙主要通過裂隙朝向、裂隙間距、裂隙長度、裂隙高度、裂隙寬度等參數(shù)進行描述[24]。由于原位煤層條件下的裂隙寬度僅為0.0001～0.1mm[25]，若煤巖所受應力或溫度發(fā)生變化，都將導致裂隙網(wǎng)絡變形，顯著影響流體在其中的流動性。

圖3 煤巖中裂隙的電鏡掃描圖

（二）煤儲層氣水賦存特征

1.水賦存方式

煤層通常含有大量的水，這些水能夠以多種形式存在[26-31]：

（1）自由水。自由水主要存在于煤巖的裂隙網(wǎng)絡和大孔隙中，起承壓作用，其性質(zhì)與常規(guī)水相同，排水降壓采氣主要就是將這一部分水從煤層中排出。

（2）毛細管水。毛細管水是指在毛細作用下凝聚在煤巖孔隙中的水，能在孔隙中流動，其性質(zhì)與常規(guī)水相似，排采后期會將這一部分水從煤層中排出。

（3）束縛水。束縛水是指在孔隙結構或其表面性質(zhì)作用下，束縛在孔隙中的不能自由移動的水，主要存在于煤巖孔隙系統(tǒng)中，其性質(zhì)與常規(guī)水差別很大。

（4）吸附水。吸附水也叫氫鍵水，是指通過氫鍵附著在煤巖表面的水，主要存在于煤巖的孔隙系統(tǒng)中，其性質(zhì)與常規(guī)水差別很大。

當前主要通過三種方法對煤樣上的水進行區(qū)分：核磁共振[30-33]、差示掃描量熱法和X射線衍射技術[35-37]。但是受技術限制，這些方法并不能很好地區(qū)分自由水和毛細管水、束縛水和吸附水。本研究中將自由水和毛細管水歸為游離水，占41%～68%；將束縛水和吸附水歸為吸附水，占32%～59%。

2.氣體賦存方式

煤層氣體以甲烷為主（約占97%），除非特別說明，本研究所述的煤層氣體指的都是甲烷。在原位煤層條件下，煤層氣體主要有三種賦存形式[38-41]：吸附氣、游離氣和溶解氣。

（1）吸附氣。吸附氣指的是在色散作用下，附著在煤巖基質(zhì)表面的氣體。由于煤巖的微孔隙發(fā)育，吸附氣是氣體在煤層中最主要的賦存方式，占80%～90%。

（2）游離氣。游離氣指的是煤層中的體相氣體，其性質(zhì)與常規(guī)氣體相同，主要聚集在煤巖的裂隙網(wǎng)絡和大孔隙中，占8%～18%。

（3）溶解氣。溶解氣指的是溶解在煤層水中的氣體。實際上，甲烷在煤層水中的溶解度很低[42]，僅占1%。

二、煤層氣儲量評估方法

目前煤層氣儲量評估方法包括容積法、動態(tài)評估法、物質(zhì)平衡法和產(chǎn)量遞減法等[43]。

（一）容積法

容積法是評估氣藏初始儲量的方法之一[44]。該方法依據(jù)平均化思想對煤層氣儲量進行計算，原理簡單，計算所需要的參數(shù)較少，但由于受部分假設參數(shù)影響，例如儲層體積等，誤差可能較大[45]。采用容積法估算煤層氣儲量如式（1）所示。

其中，為甲烷的地質(zhì)儲量，mol（單位，下同）；為吸附態(tài)甲烷的地質(zhì)儲量，mol；為游離態(tài)甲烷的地質(zhì)儲量，mol；A_c為煤層面積，m2；t_c為煤層厚度，m；ρ_c為煤巖密度，kg/m3；M_A為灰份含量，%；為裂隙中甲烷的飽和度，無量綱；為裂隙中甲烷的壓縮因子，無量綱。

（二）動態(tài)評估法

動態(tài)評估法是根據(jù)氣、水生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)來計算原始氣體含量的方法，動態(tài)評估法包括產(chǎn)量遞減法和物質(zhì)平衡法兩種，這些方法都是基于產(chǎn)水量遞減導致儲層壓力降低，使得基質(zhì)中的氣體解吸的原理進行預測，產(chǎn)氣量隨壓力降低而不斷增加，直至達到峰值[46]。

（三）物質(zhì)平衡法

物質(zhì)平衡法是儲量評估最常用的方法之一，由于物質(zhì)平衡方程依賴于p/Z和Gp之間的關系來預測初始含氣量，該方法最初被用于計算常規(guī)儲層中的天然氣儲量，見下式[47]：

煤層氣儲量可由P/Z與G_P的關系圖得出，但該模型未考慮儲層中的吸附氣，忽略吸附氣的影響會導致煤層氣儲量評估結果不準確。因此，一些學者對物質(zhì)平衡方程作了一些修正，下面將介紹一些基于物質(zhì)平衡方程的煤層氣修正模型[48]。

煤巖孔隙包括天然裂隙和基質(zhì)孔隙兩部分，煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙表面，其余氣體以游離態(tài)儲存在天然裂隙中。King[49]假設煤儲層為雙重孔隙結構，利用物質(zhì)平衡方程預測煤層氣的原始儲量，其方程如下：

物質(zhì)平衡法依據(jù)物質(zhì)守恒原理計算煤層氣儲量及其動態(tài)變化特征，彌補了容積法的不足，但計算過程中涉及的主要參數(shù)仍具有較強的不確定性，且未能考慮煤層氣開發(fā)過程中的壓力滯后效應。

（四）產(chǎn)量遞減法

部分學者在常規(guī)產(chǎn)量遞減曲線分析方法的基礎上，建立了幾種產(chǎn)量遞減曲線分析模型，用于計算煤層氣原始儲量。其中，部分模型基于Arps的指數(shù)、雙曲和調(diào)和經(jīng)驗模型建立[50]，但Arps經(jīng)驗模型與非常規(guī)儲層的流動周期不匹配，Seshadri等人[51]采用修正的雙曲模型解決了這一問題，該模型是利用指數(shù)曲線擬合歷史生產(chǎn)曲線[52]。

修正的雙曲模型如下所示：

當D＞D_i：

當D≤D_i：

產(chǎn)量遞減法基于氣井的生產(chǎn)特征，配合體積法和數(shù)值模擬法進行煤層氣儲量預測，適用于開發(fā)程度較高的煤層氣田。

三、煤儲層氣水儲量動態(tài)預測方法

盡管國內(nèi)外學者針對煤層氣儲量開展了大量研究，但當前研究主要針對煤層氣體，且忽略了溶解氣的存在。同時，現(xiàn)有儲量評估方法不能估算煤層水的地質(zhì)儲量，且無法準確描述其對煤層氣不同賦存狀態(tài)和產(chǎn)量的影響規(guī)律。

針對上述問題，汪志明等人[53]將煤層水劃分為吸附態(tài)和游離態(tài)，煤層甲烷以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)存在，建立了超臨界甲烷—液態(tài)水競爭吸附模型，并對容積法和物質(zhì)平衡法進行了改進，提出了煤儲層氣水儲量動態(tài)預測方法，如式（6）、式（7）所示。

其中，G_water為煤層水的地質(zhì)儲量，mol；為吸附態(tài)水的地質(zhì)儲量，mol；為游離態(tài)水的地質(zhì)儲量，mol；ρ_water為水的密度，kg/m3；為溶解態(tài)甲烷的地質(zhì)儲量，mol；為甲烷的溶解度，無量綱。

其中，甲烷和水的吉布斯過量吸附可通過下式得出：

其中，為甲烷吸附的表面積，m2/kg；為水相組分的吸附量，mol/kg。

為了驗證該儲量計算方法的可靠性，汪志明等人還選取Law等人[54]的實例進行驗證，并與各種油藏模擬器和Seidle[55]的計算結果進行比較（如表1所示）。汪志明等人預測的甲烷地質(zhì)儲量與各煤儲層模擬器的預測結果基本一致，煤層水地質(zhì)儲量與Seidle的預測結果處于同一數(shù)量級，這驗證了該儲量計算方法的可靠性。另外，汪志明等人提出的方法對不同賦存狀態(tài)的甲烷和水進行了區(qū)分，豐富和發(fā)展了煤儲層地質(zhì)儲量預測方法，能夠有效指導煤層氣排采設計。

表1 煤層甲烷和水的原始地質(zhì)儲量

四、結論

（1）基質(zhì)孔隙構成了煤巖孔隙空間的主體，甲烷主要以吸附態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙中，也有部分煤層水附著在基質(zhì)孔隙中，與甲烷爭奪吸附位點，二者存在競爭關系。

（2）容積法認為甲烷以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于煤層中，依據(jù)平均化思想進行煤層氣儲量計算，但計算過程中各參數(shù)的不確定性較強，儲量預測結果存在較大誤差。

（3）物質(zhì)平衡法將煤層甲烷劃分為吸附態(tài)和游離態(tài)，依據(jù)物質(zhì)守恒原理計算煤層氣儲量及其動態(tài)變化特征，彌補了容積法的不足，但計算過程中涉及的主要參數(shù)仍具有較強的不確定性，且未能考慮煤層氣開發(fā)過程中的壓力滯后效應。

（4）產(chǎn)量遞減法基于氣井的生產(chǎn)特征，配合體積法和數(shù)值模擬法進行煤層氣儲量預測，適用于開發(fā)程度較高的煤層氣田。

（5）汪志明等人在容積法和物質(zhì)平衡法的基礎上，結合超臨界甲烷—液態(tài)水競爭吸附模型，提出了煤儲層氣水儲量動態(tài)預測方法，能夠有效預測甲烷和水的原始儲量及其在開發(fā)過程中的變化。

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作者簡介：孫晗森（1973—），男，浙江義烏人，教授級高級工程師，主要從事非常規(guī)氣的勘探開發(fā)等技術研究。E-mail：sunhs@cnooc.com.cn。