致密氣和煤層氣聯合開發選區量化評價新方法

白 玉 湖

中海油研究總院有限責任公司

0 引言

近年來，我國致密氣和煤層氣資源勘探開發規模不斷擴大[1]。致密氣儲量在整個天然氣儲量中占有相當的比例，具有廣闊開發前景。但致密氣藏開發表現出單井產量低，不壓裂無經濟產量；產量下降快，穩產能力差；開采速度和采收率都比較低等特點[2]。煤層氣開發表現出排采周期較長，需要壓裂才能見產能，除個別效益較好的區塊之外，部分煤層氣井產量低[3-4]。因此，致密氣和煤層氣單獨開發都或多或少地存在效益差的問題。為提高低品位非常規氣的開發效益，近幾年，一些學者提出“兩氣”甚至“三氣”共采的想法[5-7]，并在一些區域付諸實施，取得一定效果[8]。

致密氣和煤層氣兩氣聯采面臨的首要問題就是開發選區問題，只有在特定的兩氣疊置賦存條件下，在合適的地質參數匹配條件下，才有可能在地質上具備兩氣聯采基礎。圍繞鄂爾多斯盆地、沁水盆地、黔西等煤儲層發育地區，針對兩氣聯采地質選區開展了大量的研究工作[9-16]，建立了相應的兩氣聯采地質評價方法，并針對兩氣的壓裂裂縫擴展[17]、開發策略[18]、產量影響因素等開展研究工作[19]，取得一定成果。在兩氣聯采開發選區評價方法方面，多數學者針對特定區塊以兩氣儲量豐度、儲層物性等為主要參數，利用模糊評價或者多參數疊合建立兩氣聯采有利區優選方法，一方面存在方法通用不強、推廣受限的問題；另一方面，儲量、儲層物性等參數無法直接表明兩氣聯采的產量差異。為此，本文以兩氣聯采產量為目標，建立兩氣聯采開發選區通用的量化評價指標體系。

1 兩氣聯采開發選區量化評價新方法

以建立兩氣聯采通用量化評價指標體系為目的，以兩氣聯采產量為評價目標，采用正交設計結合數值模擬手段，確定影響兩氣聯采產量的關鍵參數及其影響程度，定義建立兩氣聯采有利區綜合評價系數，從而建立兩氣聯采開發選區量化評價新方法。新方法主要包括：建立兩氣地質賦存模式、關鍵評價參數及正交試驗方案設計、評價參數對產量影響程度、兩氣聯采有利區綜合評價系數的建立等。

1.1 兩氣地質賦存模式

致密氣和煤層氣空間疊置模式非常復雜。在平面上，有的區域發育致密氣，有的區域發育煤層氣，兩氣聯采開發選區重點關注是致密氣和煤層氣同時發育的區域。在垂向疊置模式上，存在著煤層氣下伏在數層或者單層致密氣之下的模式，也存在著煤層氣上覆在數層或者單層致密氣之上的模式，或者是煤層氣和致密氣均為多層分布且交互的賦存模式。如，在鄂爾多斯KNW礦區，4＋5號煤層、7號煤層，8＋9號煤層為主要的煤層氣賦存層位，而主要致密氣層，如中二疊統下石盒子組8段、上石炭統太原組2段，下二疊統山西組2段、上石炭統本溪組1段等則存在于這些煤層之上、之下或者在這些煤層之間，兩氣賦存模式極其復雜。但在實際開發過程中，應確定要開發的主力致密氣和煤層氣層位，而后建立兩氣賦存模式，按照致密氣和煤層氣的空間疊置模式，對兩氣地質賦存模式進行歸類總結，如圖1所示，致密氣和煤層氣在垂向上的賦存模式可以簡化為典型3種模式：模式A為致密氣下伏在煤層氣之下，模式B為致密氣上覆在煤層氣之上，模式C為致密氣和煤層氣交互分布。

1.2 關鍵評價參數優選及正交試驗設計

圖1 致密氣和煤層氣在垂向上的賦存模式圖

在以產量為目標進行兩氣聯采開發選區量化評價時，需要優選出對產量具有較大影響的參數。評價參數的優選原則是：首先要能夠實現量化備選參數和產量之間的關系，即備選參數應該在油藏數值模擬程序中有所體現，比如孔隙度，滲透率等，但礦物成分等則無法在油藏數值模擬程序中實現其對產量的影響分析；其次，這些備選參數在地質上是可獲取的，并能夠實現其在平面或者縱向的分布規律。

影響兩氣聯采產量因素眾多。氣藏因素為：如滲透率（絕對滲透率、氣相有效滲透率）、氣層厚度、孔隙度、含氣飽和度、地層壓力、蘭氏壓力、蘭氏體積、煤層含氣量等。流體因素為：如溫度、壓力、Z因子，流體黏度、流體組分等。工程因素為：壓裂裂縫半長、裂縫寬度、裂縫導流能力、裂縫間距等。生產因素為：工作制度、開發層系組合等。在聯合開發選區階段，依據所能獲得的參數及對產量影響程度，綜合確定關鍵評價參數。

在確定關鍵評價參數之后，結合擬評價區塊的參數分布范圍，采用正交設計方法，實現以最少的模擬次數獲得能夠覆蓋該區塊可能的地質參數組合模式下的產量情況，從而可對正交試驗結果進行分析，量化各關鍵參數對產量的影響程度。

1.3 兩氣聯采有利區綜合評價系數定義

在地質選區量化評價方法中，常常采用灰色關聯法、層次分析方法、專家打分法等，但這些方法在應用中存在一些尚待改進之處，灰色關聯法考慮目標函數和其他因素之間的關聯關系是基于統計方法，難以注重各因素和目標函數的內在關系分析；層次分析法則更加側重從數學角度出發進行主次因素的判斷，其在描述物理機制方面有所欠缺；專家打分法則更多依賴于專家經驗，主觀性較強。此外，在地質選區評價階段，先前研究更加側重從儲量和儲層物性角度進行選區評價，而無法系統從產量角度進行評價。本文則考慮各關鍵因素對產量的影響程度，并把影響程度進行量化，提出了兩氣聯采有利區綜合評價系數的概念，通過比較該系數大小，進行開發選區的量化評價。

兩氣聯采有利區綜合評價系數的定義如下：

式中I表示兩氣聯采有利區綜合評價系數，無量綱；N表示所選取的關鍵參數的個數；wi表示第i個關鍵參數對產量的影響權重，來源于正交試驗結果，無量綱，若第i個關鍵參數和產量是正相關的關系，則取正值，否則取負值；Fi表示第i個關鍵參數，比如滲透率、孔隙度、厚度、壓力、蘭氏壓力等，具體單位依賴于所選取的關鍵參數；Fimin表示研究區域第i個關鍵參數的最小值；Fimax表示研究區域第i個關鍵參數的最大值。

2 兩氣聯采開發選區量化評價新方法及其應用

以鄂爾多斯東緣KNW礦區為例，根據所提出的基于產量為目標的致密氣和煤層氣聯合開發選區量化評價新方法，開展兩氣聯采開發選區評價工作。

2.1 KNW礦區兩氣賦存模式

KNW礦區位于鄂爾多斯盆地東北部伊陜斜坡東北段、晉西撓褶帶西北緣，整體呈向西傾斜的平緩單斜。本區致密氣主要產氣層段為太2段和盒8段，其次為盒1段、盒2段、盒4段、盒6段及盒7段等；本區山西組和本溪組是區內的主要含煤地層，山西組4＋5號煤層和本溪組8＋9號煤層為區內主煤層。鑒于本區8＋9號煤層物性好于4＋5號煤層，且兩氣聯采尚處于初步探索階段，考慮到兩氣聯采探索試驗由簡入繁，本次評價主要考慮8＋9號煤層和致密氣層的聯合開采。因此，KNW礦區致密氣和煤層氣在垂向上的賦存模式則為圖1中的模式B，致密氣上覆在煤層氣之上。礦區內不同位置，上覆在煤層氣之上的致密氣層數有所差異，下文的數值試驗分析中，不考慮致密氣各層之間、致密氣層和煤層氣之間竄流。

2.2 關鍵參數正交試驗設計及權重分析

KNW礦區目前處于勘探評價階段，考慮地質、化驗資料的可獲取程度，結合影響產量的主要因素分析，優選出12個關鍵參數，針對致密氣儲層，主要考慮孔隙度、滲透率、含氣飽和度、儲層厚度、致密氣層壓力等5個關鍵參數；針對煤層氣儲層，主要考慮孔隙度、滲透率、厚度、含氣量、蘭氏體積、蘭氏壓力、煤層壓力等7個參數。在該礦區內，對這些關鍵參數值的分布范圍進行統計（表1），并建立12因素3水平的正交設計表，共計27個試驗案例。

表1 KNW礦區兩氣聯采開發選區量化評價關鍵參數及正交試驗設計表

在上述參數基礎上，以圖1模式B為依據，建立典型油藏數值模擬模型，下部為煤層氣，上部為致密氣層。針對27個試驗案例進行計算，以兩氣聯采的累計產量作為目標函數，對正交試驗結果采用極差分析方法，計算出每個關鍵參數對產量影響的權重如下：①致密氣的孔隙度為8.74%、滲透率為10.28%、含氣飽和度為9.63%、厚度為23.50%、氣層壓力為10.70%；②煤層氣的孔隙度為1.67%、滲透率為6.74%、厚度為3.49%、含氣量為6.31%、蘭氏體積為4.91%、蘭氏壓力為7.02%、煤層壓力為7.01%。

2.3 兩氣聯采有利區綜合評價系數

在確定了每個關鍵參數對產量影響的權重基礎上，利用式（1）即可得到適用KNW礦區的兩氣聯采有利區綜合評價系數，即

式中φtg表示致密氣層孔隙度；Ktg表示致密氣層滲透率，mD；Stg表示致密氣層含氣飽和度；htg表示致密氣層厚度，m；pitg表示致密氣層初始地層壓力，MPa；φc表示煤層孔隙度；Kc表示煤層滲透率，mD；hc表示煤層厚度，m；Vg表示煤層含氣量，m3/t；VL表示蘭氏體積，m3；pL表示蘭氏壓力，MPa；pic表示煤層原始地層壓力，MPa；下標max和min分別表示相應參數在研究區內的最大值和最小值。

在式（2）中，由于兩氣聯采的產量隨著煤層孔隙度的增加而減少，因此煤層孔隙度參數所對應的權重為負值。式（2）的前5項之和代表致密氣層的綜合評價系數，其和越大的區域，表示越有利于致密氣開發；后7項之和代表煤層氣的綜合評價系數，其和越大的區域，表示越有利于煤層氣開發；兩氣聯采有利區綜合評價系數越大的區域，則表示兩氣聯采越有利。

2.4 KNW礦區兩氣聯采開發區量化評價

對KNW礦區主力致密氣層的5個關鍵參數進行分別成圖再疊合，可得到累計厚度、加權平均含氣飽和度、加權平均孔隙度、加權平均滲透率、加權平均儲層壓力等分布；同樣，對8＋9號煤層的7個關鍵參數也分別進行成圖再疊合。圖2以致密氣層及煤層累計厚度分布等值線為例，其他參數不再累贅。在此基礎上，利用公式（2）進行兩氣聯采有利區綜合評價系數的計算。圖3給出了綜合評價系數中前5項之和，即致密氣關鍵參數部分的綜合評價系數，可見，單從致密氣開發角度而言，KNW-10井、KNW-33井所在的中部區域，KNW-9井所在的西南部分為有利區域。圖4給出了綜合評價系數后7項之和，即煤層氣關鍵參數部分的綜合評價系數，可見單從煤層氣開發角度而言，本礦區的南部區域，北部KNW-37井所在區域為有利的煤層氣開發區域。圖5給出了該礦區兩氣聯采有利區綜合評價系數，可見，從兩氣聯采的角度出發，礦區的中部和西南部為兩氣聯采的有利區。采用本文提出的兩氣聯采有利區綜合評價系數，不僅能在平面上定量刻畫出兩氣聯采的有利區，而且還可以對兩氣聯采的推薦井位按照優劣性進行排序，達到量化評價的目的。

圖3 KNW礦區致密氣綜合評價系數圖

圖4 KNW礦區8＋9號煤層綜合評價系數圖

圖5 KNW礦區致密氣和煤層氣兩氣聯采綜合評價系數圖

3 結論

1）以建立致密氣和煤層氣兩氣聯采開發區優選通用量化評價指標體系為目的，以兩氣聯采產量為評價目標，提出了兩氣聯采開發選區量化評價新方法。

2）定義了兩氣聯采有利區綜合評價系數，通過對關鍵參數采用正交試驗設計，結合數值模擬手段，確定關鍵參數及其對產量的定量影響程度，從而通過評價兩氣聯采有利區綜合評價系數，即可進行開發區優選及對兩氣聯采的推薦井位按照優劣性進行排序。

3）以鄂爾多斯盆地東緣KNW礦區為例，優選出該礦區單采致密氣的有利區，單采煤層氣的有利區，以及進行兩氣聯采的有利區，可指導該礦區的兩氣聯采開發試驗。

（修改回稿日期 2018-07-08 編 輯 韓曉渝）

低滲透—致密油氣田勘探開發技術國際研討會在西安召開

2018年8月21—23日，由低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室與中國石油學會非常規油氣專業委員會聯合主辦，中國石油長慶油田公司和中國石油川慶鉆探工程公司承辦的低滲透—致密油氣田勘探開發技術國際研討會在西安召開。本次會議的目的是：進一步總結低滲透—致密油氣田勘探開發理論與技術創新成果，推動油氣勘探開發實現新發展。

本次會議得到了業界各級領導和專家的高度重視，有8位兩院院士到會，參會代表逾500人。到會的嘉賓包括：中國石油天然氣股份有限公司副總裁、中國工程院孫龍德院士，中國石油大學（華東）校長、中國科學院郝芳院士，中國石油大學（北京）副校長、中國工程院李根生院士，中國科學院戴金星院士、張國偉院士、賈承造院士、王鐵冠院士，中國工程院蘇義腦院士，西安石油大學校長李天太教授、中國石油咨詢中心吳奇教授級高級工程師、中國石油集團工程技術研究院石林教授級高級工程師等。斯倫貝謝公司的Phillipe Enkababian先生，DNV GL USA，Inc.的Gerry Koch先生，殼牌中國勘探與生產有限公司的Curtis Lynn先生，美國Welldog公司的James Robert Walker先生等作了大會主題報告。

孫龍德院士做了題為《中國致密油氣的階段和地位》的報告，介紹了致密油氣的發展歷史、新進展、中美對比和發展方向，進而指出，致密油氣是支撐全球油氣革命的重要力量。賈承造院士做了題為《我國石油工業上游面臨的挑戰與未來技術發展方向》的報告，他指出：非常規油氣的成功開發使得油氣資源大幅度增加，對全球能源經濟和石油工業產生了深遠影響，包括從資源競爭轉向技術競爭、從產能競爭轉向成本競爭、從勞動力成本競爭轉向勞動生產率競爭；同時也產生了新的長期技術需求，將促進勘探開發技術、工程技術裝備等的持續創新和發展，下一步要重點加強對低滲—致密油氣藏提高采收率技術的攻關，最后他強調：要加強國內油氣生產，保障國家能源安全的“底線”。

會議現場

（上海神開石油科技有限公司王敏 供稿）