基于等溫吸附曲線的煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣潛力定量評(píng)價(jià)
——以黔北地區(qū)長(zhǎng)崗礦區(qū)為例

秦 勇 鄭長(zhǎng)東 王博洋 孫昌花 張敏劍 薛帥康

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.貴州天然氣能源投資股份有限公司 4.貴州省非常規(guī)天然氣勘探開(kāi)發(fā)利用工程研究中心

煤層吸附氣占含氣總量的80%以上[1-2]，煤巖儲(chǔ)層的吸附特征和吸附量是進(jìn)行煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[3-4]，大量學(xué)者[5-8]對(duì)煤巖的等溫吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。一般認(rèn)為，煤層氣吸附與解吸過(guò)程相互可逆，等溫吸附曲線可以清晰反映煤層氣解吸產(chǎn)出的全過(guò)程[7-8]。前人基于等溫吸附曲線、儲(chǔ)層壓力以及實(shí)測(cè)含氣量，將含氣飽和度、臨儲(chǔ)比等指標(biāo)運(yùn)用于煤層氣選區(qū)選層評(píng)價(jià)[9-11]。然而，含氣飽和度和臨儲(chǔ)比等參數(shù)只能定性地反映煤層氣井排采初期的生產(chǎn)特點(diǎn)，沒(méi)有考慮煤層氣解吸能力以及解吸過(guò)程中儲(chǔ)層壓力對(duì)氣體解吸的影響，難以全面反映煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣潛力。為此，借鑒前人提出的臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量、不同解吸階段煤層氣解吸效率等指標(biāo)[12-13]，以黔北地區(qū)長(zhǎng)崗礦區(qū)為例開(kāi)展煤層氣產(chǎn)氣潛力研究，為該區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 煤層氣地質(zhì)條件與開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

長(zhǎng)崗礦區(qū)位于貴州省北部（圖1-a），面積212 km2。該區(qū)為一向斜構(gòu)造，次級(jí)褶皺和斷裂較發(fā)育，斷裂以近東西、北北東和北東向?yàn)橹鳎▓D1-b）。

含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，厚度介于68.0～105.5 m。與上覆上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組呈整合接觸、與下伏下二疊統(tǒng)茅口組呈假整合接觸。龍?zhí)督M含煤7～12層，煤層總厚度介于4.7～14.5 m，平均厚度為7.4 m，其中大部分可采和局部可采煤層5層，主采煤層為3號(hào)、7號(hào)和10號(hào)煤層，單層厚度一般介于0.5～5.2 m[14]（圖1-c）。7號(hào)煤層全區(qū)可采，厚度介于0.2～5.2 m，平均厚度為1.6 m，變異系數(shù)為0.49。

長(zhǎng)崗礦區(qū)主要發(fā)育貧煤和無(wú)煙煤，鏡質(zhì)組油浸最大反射率介于2.38%～2.59%，平均值為2.48%。宏觀煤巖類(lèi)型以半亮—半暗煤為主。顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量介于47.42%～72.88%，惰質(zhì)組含量介于27.12%～52.58%，殼質(zhì)組在常規(guī)顯微鏡下無(wú)法辨認(rèn)。據(jù)煤心解吸資料，研究區(qū)7號(hào)煤層空氣干燥基含氣量介于7.37～31.36 m3/t，平均16.29 m3/t。試井資料顯示，該區(qū)各煤層的滲透率介于0.014～0.300 mD，屬于中低滲透性煤儲(chǔ)層。

研究區(qū)前期曾施工兩口煤層氣井（FX1和FX2井）。FX1井以7號(hào)煤為主力產(chǎn)層，向上、下煤層擴(kuò)展，射孔壓裂5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)煤層，各壓裂煤層間距均小于20 m；FX2井以4號(hào)、7號(hào)和10號(hào)煤層為壓裂對(duì)象，上下跨度約為50 m。兩口井的開(kāi)采煤層厚度為0.9～2.4 m，平均1.4 m；孔隙度為3.6%～5.5%，平均值為4.9%；滲透率介于0.014～0.300 mD，平均值為0.084 mD；含氣量介于11.3～23.3 m3/t，平均值為14.7 m3/t（表1）。兩口井前期日產(chǎn)氣量均超過(guò)1 000 m3，并持續(xù)生產(chǎn)6個(gè)月，目前日產(chǎn)氣量只有200 m3。為了查明后期產(chǎn)氣量衰減較快的地質(zhì)原因，以FX2井7號(hào)煤層為例定量評(píng)價(jià)長(zhǎng)崗礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)氣潛力。

2 量化指標(biāo)及其意義

2.1 臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差和有效解吸量

臨儲(chǔ)壓差為臨界解吸壓力與儲(chǔ)層壓力的差值，反映煤層氣井產(chǎn)氣之前需要降壓的幅度，指導(dǎo)煤層氣開(kāi)發(fā)排采制度的建立；臨廢壓差是指臨界解吸壓力與廢棄壓力的差值，反映煤層氣從臨界解吸壓力到廢棄壓力釋放的空間，臨廢壓差越大，地層能量越強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，解吸量越大，煤層氣井產(chǎn)氣潛力越高；有效解吸量為煤層氣井見(jiàn)氣后到枯竭前能夠從單井控制范圍內(nèi)單位重量煤巖中產(chǎn)出的氣量，在等溫吸附曲線上表現(xiàn)為臨界解吸壓力對(duì)應(yīng)的吸附量與廢棄壓力對(duì)應(yīng)的吸附量之差，據(jù)此可以快速算出單井最終累計(jì)產(chǎn)氣量，具有一定的工程意義[12]。

上述各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)等溫吸附曲線上的意義如圖2所示。計(jì)算公式如下：

式中p1表示臨儲(chǔ)壓差，MPa；p表示原始煤儲(chǔ)層壓力，MPa；pcd表示臨界解吸壓力，MPa；p2表示臨廢壓差，MPa；pad表示廢棄壓力，MPa；Ve表示有效解吸量，m3/t；Vcd表示臨界解吸壓力對(duì)應(yīng)的吸附量，m3/t；Vad表示廢棄壓力對(duì)應(yīng)的吸附量，m3/t。

2.2 不同解吸階段及其解吸效率

依據(jù)等溫吸附曲線曲率的特點(diǎn)，將煤儲(chǔ)層解吸過(guò)程定量劃分為低效解吸、緩慢解吸、快速解吸與敏感解吸4個(gè)階段（圖3）[13]，劃分節(jié)點(diǎn)依次為啟動(dòng)壓力（pst）、轉(zhuǎn)折壓力（ptu）及敏感壓力（pse）[7,13]，不同解吸階段煤層氣解吸效率不同。

2.2.1 解吸效率

解吸效率是指單位壓降下每噸煤的煤層氣解吸量，用來(lái)定量表征不同煤儲(chǔ)層壓力下的煤層氣解吸量及其對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的貢獻(xiàn)?；谔m格繆爾等溫吸附方程，對(duì)壓力進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到解吸效率[7,13]，即

圖1 長(zhǎng)崗礦區(qū)地理位置及地質(zhì)綜合柱狀圖（FX2井）

表1 FX1和FX2井主力開(kāi)采層儲(chǔ)層物性參數(shù)表

圖2 等溫吸附曲線上量化指標(biāo)提取示意圖[12]

圖3 等溫吸附曲線階段劃分示意圖[9]

式中η表示解吸效率，m3/(t·MPa)；V'表示吸附量對(duì)壓力的一階導(dǎo)數(shù)；VL表示蘭格繆爾體積，m3/t；pL表示蘭格繆爾壓力，MPa。

2.2.2 解吸階段及對(duì)應(yīng)壓力

根據(jù)等溫吸附曲線的彎曲程度劃分煤層氣解吸階段，彎曲程度可用等溫吸附曲線的曲率定量表征。

轉(zhuǎn)折壓力為等溫吸附曲線曲率最大處對(duì)應(yīng)的壓力值[3]，即對(duì)曲率方程求一階導(dǎo)數(shù)，曲率一階導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，方程的解（駐點(diǎn)）為轉(zhuǎn)折壓力[13]。即

式中ptu表示轉(zhuǎn)折壓力，MPa。其指示意義為，煤層氣排水降壓過(guò)程中，隨著儲(chǔ)層壓力下降，解吸效率逐漸增大，降低至轉(zhuǎn)折壓力后，煤層氣解吸效率顯著增大。

等溫吸附曲線曲率的二階導(dǎo)數(shù)為0的兩點(diǎn)為等溫吸附曲線曲率曲線的拐點(diǎn)，分別表示解吸效率由基本不變到緩慢增大、由快速增大到急速增大的分界點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的壓力分別定義為啟動(dòng)壓力和敏感壓力[7]，具體表達(dá)式[13]為：

式中pse表示敏感壓力，MPa；pst表示啟動(dòng)壓力，MPa。

以啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力為界，等溫吸附曲線從右至左依次顯示出低效解吸、緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸4個(gè)階段（圖3）。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于原始儲(chǔ)層壓力及含氣飽和度的影響，多數(shù)煤儲(chǔ)層不會(huì)經(jīng)歷全部4個(gè)解吸階段，可以根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)塊煤儲(chǔ)層具體特征判斷煤層氣解吸歷程，進(jìn)而定量評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣潛力。

3 單井煤層氣開(kāi)發(fā)潛力分析

3.1 臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差以及有效解吸量

煤心解吸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自FX2井7號(hào)煤層（表2），等溫吸附實(shí)測(cè)資料來(lái)自鄰近的FX1井7號(hào)煤層（圖4），數(shù)據(jù)測(cè)試采用空氣干燥基，煤儲(chǔ)層原始?jí)毫?lái)源于測(cè)井解釋數(shù)據(jù)。計(jì)算得到7號(hào)煤層臨界解吸壓力為3.06 MPa，臨儲(chǔ)壓差2.35 MPa。

表2 長(zhǎng)崗礦區(qū)FX2井7號(hào)煤層等溫吸附及測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖4 長(zhǎng)崗礦區(qū)FX1井7號(hào)煤層等溫吸附曲線圖

我國(guó)早期煤層氣開(kāi)發(fā)廢棄壓力依據(jù)美國(guó)經(jīng)驗(yàn)取0.7 MPa[15]。隨著開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，考慮多種因素的影響，我國(guó)對(duì)中—高階煤儲(chǔ)層廢棄壓力取值介于0.2 ～ 1.0 MPa[16-20]。以此為基礎(chǔ)，依據(jù)公式（1）～（3），計(jì)算了吸附時(shí)間為5.92 d、臨儲(chǔ)壓差為2.35 MPa、廢棄壓力介于0.2～1.0 MPa遞增變化過(guò)程中對(duì)應(yīng)的臨廢壓差和有效解吸量（表3）。

表3 長(zhǎng)崗礦區(qū)7號(hào)煤層有效解吸量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

如表3所示，隨著廢棄壓力的增大，長(zhǎng)崗礦區(qū)7號(hào)煤層的臨廢壓差從2.86 MPa降低至2.06 MPa，有效解吸量從18.9 m3/t降至9.32 m3/t。取廢棄壓力為0.7 MPa，煤層氣有效解吸量高達(dá)12.16 m3/t；即使廢棄壓力增至1.0 MPa，有效解吸量也高達(dá)9.32 m3/t，具備很高的產(chǎn)氣潛力。

臨儲(chǔ)壓差計(jì)算結(jié)果顯示，7號(hào)煤層產(chǎn)氣之前需要降壓2.35 MPa，大致對(duì)應(yīng)235 m的液面降幅，相對(duì)易于見(jiàn)氣。臨廢壓差表明，該煤層釋放產(chǎn)能的壓降空間介于2.06～2.86 MPa，產(chǎn)氣階段的壓降空間相對(duì)較大，煤層氣理論采收率較高。但是，煤層氣吸附時(shí)間較短（5.92 d），易早期出現(xiàn)兩相流，不利于排水降壓漏斗擴(kuò)展。因此，排采初期需要控制壓降速度或液面降速，以實(shí)現(xiàn)壓降漏斗的穩(wěn)定擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)最大化產(chǎn)氣潛力釋放。

3.2 解吸階段及解吸效率

依據(jù)公式（5）～（7），分別計(jì)算長(zhǎng)崗礦區(qū)7號(hào)煤儲(chǔ)層解吸過(guò)程的啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力及敏感壓力分別為8.31 MPa、5.96 MPa、3.10 MPa，并劃分解吸階段（圖5）。7號(hào)煤層原始儲(chǔ)層壓力（5.41 MPa）大于敏感壓力（3.10 MPa），煤層氣解吸會(huì)經(jīng)歷快速解吸和敏感解吸兩個(gè)階段。但是，該煤層實(shí)測(cè)含氣飽和度僅為85.03%，相對(duì)較低，使得煤層氣臨界解吸壓力（3.06 MPa）小于敏感壓力（3.10 MPa）（圖5）。因此，該煤層實(shí)際排采產(chǎn)氣過(guò)程中只會(huì)經(jīng)歷敏感解吸階段，表明解吸效率很高。

圖5 長(zhǎng)崗礦區(qū)7號(hào)煤層解吸階段劃分圖

解吸效率的工程意義為噸煤壓力降低1.0 MPa時(shí)的產(chǎn)氣量。取廢棄壓力為0.2～1.0 MPa，依據(jù)公式（4）求取不同廢棄壓力下解吸階段的解吸效率（表4）。從表4可以看出，該廢棄壓力范圍內(nèi)的最大解吸效率介于8.41～17.48 m3/(t·MPa)，即使廢棄壓力取0.7 MPa，7號(hào)煤層解吸效率仍然介于2.63～10.73 m3/(t·MPa)，具有形成工業(yè)氣流煤層氣井的潛力。

表4 不同廢棄壓力下的7號(hào)煤儲(chǔ)層解吸效率表

3.3 排采實(shí)例分析

貴州天然氣能源投資公司曾在長(zhǎng)崗礦區(qū)南部施工煤層氣開(kāi)發(fā)井（FX2井），壓裂和排采4號(hào)、7號(hào)和10號(hào)煤層。

FX2井見(jiàn)氣之前經(jīng)歷了約160 d的排水降壓，見(jiàn)氣后很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量升至800 m3/d（圖6-a）。顯然，該井見(jiàn)氣后只經(jīng)歷了敏感解吸階段，解吸效率高，有效解吸量高，表現(xiàn)出短時(shí)間產(chǎn)氣量劇增的特點(diǎn)。產(chǎn)氣量達(dá)到第一次高峰后，出現(xiàn)卡泵和修井作業(yè)，恢復(fù)排采后短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量陡升至1 000 m3/d，達(dá)到了工業(yè)性氣流的下限標(biāo)準(zhǔn)。

該井在排采180 d時(shí)，由于煤層吸附時(shí)間較短，產(chǎn)氣量急劇上升，產(chǎn)水量和井底流壓降低到較低水平，井底流壓降為0.6 MPa，日產(chǎn)水量0.06 m3（圖6-a）；無(wú)論產(chǎn)氣高峰階段還是產(chǎn)氣衰減階段，產(chǎn)水量一直平穩(wěn)保持在較低水平。煤儲(chǔ)層見(jiàn)氣時(shí)的井底流壓與開(kāi)始衰減的井底壓力之差為2.60 MPa，與表3中0.5 MPa廢棄壓力時(shí)的臨廢壓差（2.56 MPa）基本一致。由此判斷，該井煤儲(chǔ)層廢棄壓力低于0.5 MPa；對(duì)應(yīng)的有效解吸量與實(shí)測(cè)含氣量相比，產(chǎn)氣量衰減時(shí)近井地帶煤層氣采收率已達(dá)62%。

有效解吸量決定了煤層氣采收率，臨儲(chǔ)壓差反映見(jiàn)氣難易程度，臨廢壓差則指示地層能量強(qiáng)度。理論上，上述3個(gè)量化指標(biāo)可以反映煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣潛力，但是，煤層氣解吸對(duì)儲(chǔ)層壓力變化較為敏感，具體表現(xiàn)為不同解吸階段的解吸效率。一方面，較高的解吸效率可使煤層在較短時(shí)間內(nèi)解吸大量氣體；另一方面，較高的解吸效率能增大解吸體積，增強(qiáng)煤基質(zhì)收縮效應(yīng)[21-22]，進(jìn)而提高煤層氣產(chǎn)出動(dòng)態(tài)滲透率和氣井產(chǎn)能。因此，有效解吸量、臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差和解吸效率四者共同控制著煤層氣井產(chǎn)氣潛力，且當(dāng)臨廢壓差區(qū)間對(duì)應(yīng)較高解吸效率時(shí)，煤層氣井才能獲得較高產(chǎn)能。FX2井排采歷史證實(shí)了上述結(jié)論。

圖6 FX2井排采歷史曲線圖

FX2井煤層含氣量、有效解吸量及解吸效率高，但最大產(chǎn)氣量?jī)H在1 000 m3/d左右，產(chǎn)氣高峰維持了110 d后快速衰減，此過(guò)程中井底流壓基本穩(wěn)定，即生產(chǎn)壓差（是指煤層氣開(kāi)采過(guò)程中降壓漏斗邊界儲(chǔ)層壓力與井底壓力之差）并未改變（圖6-b）。顯然，在中低滲儲(chǔ)層的前提下，井筒附近的煤層壓裂效果較好，煤層氣解吸時(shí)間短，解吸效率高，大量的解吸氣體運(yùn)移至井筒產(chǎn)生較大的連續(xù)氣流；遠(yuǎn)離井筒的煤儲(chǔ)層，壓裂改造效果不明顯，煤層氣滲流通道不暢，壓降漏斗難以擴(kuò)展，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層未能充分解吸，難以形成較高氣流。因此，煤儲(chǔ)層滲透性是制約該井煤層氣產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

長(zhǎng)崗礦區(qū)煤層具有較高的產(chǎn)氣潛力，具備形成高產(chǎn)煤層氣井的儲(chǔ)層屬性基礎(chǔ)。但是，煤層吸附時(shí)間較短，排采初期需要控制壓降速度或液面降速，盡可能減小降壓速度，擴(kuò)大降壓漏斗波及范圍和有效解吸半徑；此外，需優(yōu)選相對(duì)高滲區(qū)和開(kāi)展高質(zhì)量的壓裂改造，增強(qiáng)煤儲(chǔ)層導(dǎo)流能力，形成高產(chǎn)氣流通道。

4 結(jié)論

1）長(zhǎng)崗礦區(qū)7號(hào)煤層的臨儲(chǔ)壓差為2.35 MPa，廢棄壓力取值為0.2～1.0 MPa時(shí)，臨廢壓差介于2.06～2.86 MPa，有效解吸量介于9.32～18.9 m3/t，顯示出較高的產(chǎn)氣潛力。

2）區(qū)內(nèi)煤層氣實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中只經(jīng)歷敏感解吸階段，廢棄壓力取值為0.2～1.0 MPa時(shí)的最大解吸效率介于8.41～17.48 m3/(t·MPa)，煤層氣井見(jiàn)氣后短時(shí)間可獲得較高的氣流，達(dá)到了工業(yè)性氣流下限標(biāo)準(zhǔn)，具有開(kāi)采價(jià)值。

3）FX2井排采歷史驗(yàn)證了該區(qū)煤層氣具有開(kāi)發(fā)產(chǎn)氣潛力。但是，建議后續(xù)煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需優(yōu)選相對(duì)高滲區(qū)及開(kāi)展高質(zhì)量的壓裂改造，制定緩慢的排采制度，以充分釋放煤層氣產(chǎn)能。