新疆阜康地區多煤層組合條件下開發層段評價優選

蒲一帆，湯達禎，陶 樹，唐淑玲，張奧博，張泰源

(1.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083; 2.煤層氣開發利用國家工程中心煤儲層實驗室，北京 100083; 3.非常規天然氣地質評價與開發工程北京市重點實驗室，北京 100083)

準噶爾盆地南緣是我國中低煤階煤層氣勘探開發的重點攻堅地區，其侏羅系煤層具有厚度大、層數多、高傾角、煤變質程度低等特征[1]。目前我國煤層氣產能建設主要集中在鄂東、沁南地區[2-3]，大多為單煤層開發，其選區評價工作也主要圍繞著整個含煤地層進行，少有涉及到單層優選以及多層合采的工作。我國西南地區普遍發育多、薄煤層，吳財芳等[4]針對滇東黔西多煤層特征提出了垂向有利層段優選的方案，為多煤層地區有利層段優選提供了新思路;楊兆彪等[5-7]提出多煤層產層優化組合“三步法”以及對多層合采開發評價的研究，為合采評價指標參數的優選提供了有效支撐，同時基于聚類分析這一數學方法對優勢產層組合的判別，實現了對多煤層組合關系的間接描述。目前眾多學者從不同層次、不同技術手段對準噶爾盆地南緣煤層氣資源進行了選區評價[8-12]，普遍認同阜康地區、烏魯木齊河地區、硫磺溝地區以及呼圖壁地區為勘探開發有利區，但受制于煤層高傾角影響，煤層穩定性差，大多評價工作局限于對區域含煤地層整體特征的把控，缺乏對不同產層的系統性評價。準噶爾盆地南緣地區煤層數量多，不同煤層物性、可改造性和排采穩定性不同，如何選擇最佳層段或最佳層段組合進行排采，對提高煤層氣井開發的商業價值具有重要意義。阜康地區白楊河、四工河礦區相繼建成煤層氣規模性開發示范工程[13-14]，多年來大量的測試分析、測井解釋、試井資料儲備，已具備對開發產層評價優選的條件。

筆者基于早期生產實踐認識，優選評價指標，科學建立評價模型及評價標準，優選優勢層段及優勢層段組合;最后結合排采資料進行產能驗證和高產層段的地質特征總結，為示范區煤層氣高效開發提供建議。

1 研究區概況

新疆阜康地區煤層氣勘探已取得重大突破，其白楊河礦區已建成新疆第1個煤層氣示范工程，四工河礦區煤層氣定向井產量最高日產氣量達2.39×104m3。阜康地區隸屬于封閉性滯留水體環境[15]，有利于煤層氣藏保存。四工河礦區煤層氣井主要分布在阜康向斜，礦區可采層段為八道灣組A1～A8煤層，主力煤層為A2,A5煤層，總厚度最大79 m;白楊河礦區煤層氣井大多分布在大黃山—二工河倒轉向斜北翼，礦區可采煤層主要為八道灣組煤層，其中39,41,42和44煤層為主力煤層，基本全區分布，40和43煤層局部可采，總煤層厚度最大85.5 m。阜康地區煤變質程度低，Ro值平均0.66%，整體含氣量較高，平均10.83 m3/t，不同煤層滲透率差異較大，分布在0.009×10-15～16.640×10-15m2，儲層壓力梯度平均為0.78 MPa/hm，為欠壓儲層。

2 開發區優勢產層評價

2.1 評價方法與技術手段

“甜點”層段的優選關鍵在于解決評價參數優選問題、參數標準劃分問題以及參數之間權重賦值問題，以便于對開發主控因素的精準把握，突出不同煤層物性之間的差異，最終綜合分析得到單煤層開發潛力值，實現精準把控，有效選段。多煤層優勢開發組合優選關鍵在于避免層間干擾，減少經濟成本，提高排采效率，最終實現煤層氣井穩產、高產，提高商業化開發經濟效益。

層次分析法(AHP)作為一種定性與定量相結合的數學方法，已被廣泛運用于煤層氣選區評價，逐漸成為選區評價工作的關鍵技術[8,16-17]。單煤層優勢層段評價技術方法與常規選區評價工作相似，AHP能夠實現對評價區域、層段勘探開發潛力的定量描述。模糊聚類分析(Fuzzy Cluster Analysis)是采用模糊數學語言，以樣本距離為判斷依據，科學、準確的將事物按照相似性歸類的一種數理統計方法，現今多被用于事物相似性描述[5,18]。無論是對于單變量聚類劃分評價標準，還是多變量聚類探尋相似性最大的多煤層組合，均能夠實現將差異性小的數據歸為一類(簇)。

2.2 單煤層優勢層段評價

基于前人對煤層氣甜點段評價成果積累以及研究區基礎地質特征[4,19-20]，從煤儲層可改造性(Q1)和排采關鍵參數(Q2)出發，優選煤巖力學性質(S11)、有效壓裂厚度(S12)、煤體破碎程度(S13)、滲透率(S21)和臨儲比(S22)5個評價指標。

(1)煤巖力學性質。煤層與頂底板巖石力學性質之間的差異控制著壓裂過程中裂縫的延展特征和分布規律[21]。當煤巖力學性質與頂底板力學性質相似或強于頂底板時，壓裂時易造成裂縫穿層，存在氣體逸散和溝通含水層風險，導致壓裂失敗[22]。阜康地區發育多套煤層，據現有的巖石力學參數可知四工河礦區煤層抗壓強度分布在1.63～12.26 MPa，頂底板抗壓強度為9.60～78.25 MPa;白楊河礦區煤層抗壓強度為2.10～24.04 MPa，頂底板抗壓強度為23.60～61.66 MPa。整體來看，白楊河礦區煤層巖石力學匹配關系優于四工河(圖1)，單煤層可改造性以A2,A4,A5,39,41,42,44為優。

圖1 煤層及其頂底板坑壓強度Fig.1 Compressive strength of coal seam and its roof and floor

(2)有效壓裂厚度。煤層厚度不僅影響著煤層氣保存效果和資源豐度，同時也影響著壓裂改造效果以及井型選擇。對于厚度大的急傾斜煤層而言，既可以為壓裂改造方案提供更多選擇，也可以提供更多的井型選擇，如水平井、順煤層井等。同時，強烈的構造擠壓作用使得研究區地應力條件復雜，壓裂改造裂縫延展特征難以預測，因此對厚煤層進行壓裂施工，更易獲取其裂縫發育特征，為其他相對薄的煤層壓裂改造提供經驗。

(3)煤體破壞程度。煤體結構是決定儲層可改造性的關鍵參數。礦區鉆井取芯數量有限，部分煤層煤體結構未能有效控制，采用測井曲線反演的方式[23]，提取GR,DEN,LLD和CAL測井數據，利用主成分分析法反演出研究區部分煤層煤體結構(圖2)。同時為提出煤體破碎程度這一評價指標，定量表征煤體結構，其對應關系為:原生結構=0，碎裂結構=0.33，碎粒結構=0.67，糜棱結構=1。

圖2 阜康地區煤體結構特征Fig.2 Coal structure characteristics in Fukang area

(4)煤層滲透率。煤層滲透性是反應煤層對流體傳導能力的度量，影響著排采階段煤層甲烷氣體的運移和產出作用，是生產開發階段最重要的評價參數，一定程度上決定著開發的成敗。阜康向斜轉折端部位的擠壓碎裂導致這一構造部位煤層發生有效破碎，滲透率得到極大的改善[24]。例如C井組位于向斜轉折端位置，原生結構煤受應力作用發生破碎，滲透率急劇增大，試井數據顯示最高滲透率可達16.64×10-15m2。

(5)臨儲壓力比。儲層壓力在一定程度上表征著地層能量的高低，相同情況下，煤儲層壓力越大，煤巖吸附能力就越強，但儲層高壓也導致了排水周期的加長，同時，過高的壓降會導致煤儲層滲透率應力敏感傷害;臨界解吸壓力則是甲烷氣體由吸附態轉變到游離態所需的最大壓力。臨界解吸壓力與儲層壓力比值越大，則煤層中甲烷氣體壓力降至臨界點所需時間越短，煤層氣井進入產氣高峰越快。

單煤層優勢層段評價基本步驟為優選參數—劃分標準—建立模型—評價打分。模糊聚類分析作為一種挖掘數據相似性的數理統計方法[5,18]，對單一評價指標所對應的參數值集合(如不同煤層的臨儲比數據集合)進行系統聚類，根據所需劃分評價標準區間數(I類,II類,III類,……)，從聚類譜系圖中即可讀取區間范圍(圖3)，同時結合前人煤層氣選段的經驗性認識，針對性建立適合于本區的選段評價標準(表1)。最后，利用模糊數學層次分析法[8-11,17]，建立評價模型，由專家對不同評價參數之間重要性進行比較打分，并建立判別矩陣，計算子指標對于上層指標的相對權重，再利用MATLAB進行一致性檢驗，最終得到指標權重值(表1,2)。

表1 甜點段優選評價標準Table 1 Evaluation criteria of dessert layer selection

表2 多層次分析模型判別矩陣Table 2 Discriminant matrix of multi-level analysis model

圖3 評價指標聚類譜系圖Fig.3 Clustering pedigree of evaluation index

綜合阜康地區煤層可改造性指標以及排采關鍵參數進行模糊數學綜合評判可得到不同煤層開發潛力值U(表3):以潛力值U>0.75為甜點層段優選節點可優選出A2,A5,39,41,42共5套煤層，其中四工河礦區以A2煤層最優(U=0.94)，具有良好的資源條件，孔滲條件以及相對較高的臨儲比，具有高產、穩產的開發潛力。白楊河礦區則以42號煤層為優(U=0.91)，煤層可改造性強，資源豐度大，區域上煤層發育連續穩定，相比于礦區其他煤層，具有優先開發的基礎條件。

表3 阜康四工河和白楊河礦區甜點段優選基礎數據Table 3 Basic data of dessert layer optimization in Fukang

續 表

2.3 多煤層組合開發優選

多煤層地區優勢層段評價，不僅僅要對單煤層開發潛力進行評估，也應考慮多煤層組合開發的可能性。單煤層優勢層段評價結果顯示，開發區存在多套優勢煤層，同時開發潛力較低的層段也具備一定的資源量，因此可充分利用開發區多煤層發育的特征，考慮以合采的方式，縮短投資回收期，提高整體資源動用率。

多煤層組合排采的關鍵在于層間干擾，疊置含氣系統的構成影響著排采穩定性與可靠性[25-28]。若不同煤層段處于相對獨立的含氣系統，排采過程中煤層之間儲層特征差異過大，會導致層間干擾加劇，不利于合層開發。因此，合層排采產層的優選即選擇差異性盡可能小的煤層組合[5,19,25-26]。而影響煤層合采效果的因素是多方面的，若僅僅考慮單一指標的匹配性，往往會造成合采效果不理想、甚至產氣能力弱于單煤層的現象發生[29]，因此，多煤層合采兼容性問題應結合生產開發實踐，同時考慮多個參數指標之間的匹配性。考慮到資源適配性、層間兼容性和排采穩定性以及生產過程中排水降壓制度，優選出相對埋深、煤層含氣量、儲層壓力梯度、滲透率以及臨儲比5個關鍵參數(表4)，利用聚類分析對優勢合采層段進行預測。

表4 多煤層合采性評價基礎數據Table 4 Basic data of multi-coal seam coal mining evaluation

阜康地區皺褶構造廣泛發育，煤層在區域上非均質性強，不同構造部位優勢產層組合不同，因此在產層組合優選過程中，基于目前基礎數據，四工河礦區主要以阜康向斜近轉折端南翼煤層為主，白楊河地區則主要以黃山—二工河倒轉向斜北翼煤層為主。

從第1級別聚類結果來看(圖4):四工河礦區煤層組合中A3～A4和A7～A8儲層條件相似，單煤層開發潛力較低，適合合層開采，而A2煤層滲透率高(試井滲透率最大至16.64×10-15m2)，與其他煤層相差較大，容易“屏蔽”其他煤層，適合單層開發;白楊河礦區:41～42煤層適合組合開發，單煤層開發潛力高，具有相似的滲透率、壓力梯度和臨儲比，合層排采易達到生產“同步”，提高排采穩定性。

圖4 多煤層合采評價聚類譜系圖Fig.4 Clustering pedigree of multi-coal seam mining evaluation

3 開發地質特征與產能驗證

3.1 四工河礦區

四工河礦區產能特征整體表現為相同埋深范圍內向斜核部及轉折端高于翼部，同一構造部位淺部氣井產量高于深部氣井，煤層含氣量、滲透性、埋深、構造、水動力等多因素的耦合作用是四工河礦區高產的主要影響因素:煤層含氣量受構造控制顯著，不同構造部位煤層含氣量明顯不同，水動力作用下，向斜近核部區域處于滯留水體環境，有利于煤層氣賦存;煤層氣井產量與儲層滲透性表現出良好匹配關系，一方面相同構造部位氣井平均日產氣量整體上表現出隨埋深增大而降低的特征，另一方面相同埋深范圍內，向斜核部及轉折端附近煤層早期受構造擠壓作用影響，改善了原始儲層滲透性(最高達16.42×10-15m2)，此構造部位的井組產量明顯高于兩翼井組;同時，淺部C井組附近煤層受煤礦采動區影響，煤儲層局部壓力釋放，壓力梯度降至0.53 MPa/hm，導致吸附氣大量解吸并賦存于煤層中，提供了氣井高產潛力。

礦區單煤層排采效果中，整體來看A5煤層最優(圖5(a)，(b))，平均日產氣量8 033 m3(C-X1)，整個生產過程中修井、停井次數少，產能穩定;A2煤層則次之，平均日產氣量6 973 m3(C-01)，據排采日報，早期受工程施工等因素影響，多次停井、修井，因此早期產能效果相對較差。若排除工程因素干擾,A2穩產期間日產氣量達12 000 m3以上，最高日產氣量達17 125 m3，明顯優于A5煤層，與預測結果基本一致;多煤層組合排采中，四工河礦區排采井多為A1～A4組合排采，由于C井組A2煤層滲透性較好，與其余煤層物性差異性較大，多煤層組合排采優劣性不明顯。對比C井組定向井之間單煤層、多煤層產氣效果(表5)，可以發現氣井產量主要由A2,A5優勢煤層貢獻，2套煤層共同開發時，產氣量達到最高值(C-X2)。

圖5 阜康地區部分煤層氣井排采特征曲線Fig.5 Characteristic curves of drainage and production of some coalbed methane wells in Fukang area

3.2 白楊河礦區

白楊河礦區煤層氣井產能整體上受煤體結構控制作用顯著，煤體破碎程度與產能相關性較好，破碎程度越高，氣井產氣量越低(圖6，表5):Z-77排采煤層以原生結構為主，后期壓裂改造效果良好，氣井平均日產氣量2 137 m3，基本實現日穩產4 200 m3，Z-19排采煤層破碎程度40%以上，碎粒結構為主，日產氣量47 m3，明顯低于其他排采井。此外，基于研究區高傾角、厚煤層的主要特征，白楊河地區Z-77,Z-79采用了5段3點2控制排采法[30]，減少了儲層應力敏感性傷害，目前氣井產能曲線特征穩定，排采效果良好;ZL-2采用順煤層鉆進，提高了煤層氣資源動用率，產氣效果明顯優于其他氣井(表5)。

圖6 白楊河礦區煤體破碎程度等值線Fig.6 Contour of coal fragmentation in Baiyanghe

表5 阜康地區部分煤層氣井產能特征Table 5 Productivity characteristics of some coalbed methane wells in Fukang area

單煤層排采效果中與預測結果一致，以42號煤層為優(表5)，主要排采氣井為J-17和ZL-2井，J-17平均日產氣量555 m3，最高日產氣量達1 442 m3;43號煤層排采效果最差，J-19平均日產氣量47 m3，排采162 d，最高日產氣量為317 m3;44號煤層盡管其資源條件較好，但局部地區煤體結構破壞嚴重，且埋深大，煤層滲透性差，產氣效果不理想。多煤層組合排采中，多數以39-41-42和41-42煤層組合排采(表5):其中Z-77井41-42煤層組合最優(圖6(c))，產氣量峰值可達4 964 m3/d，遠高于其他煤層組合，目前處于穩定產氣階段;其次則為39-41-42煤層組合(圖6(d))，若不考慮僅局部發育的40號煤層，則產能特征與合采預測結果基本匹配，整體上優勢煤層組合排采效果優于單煤層排采和其他煤層組合排采(39-41組合、42-44組合)。

3.3 可靠性分析及應用

整體而言，排除后期工程因素影響，2個礦區單煤層開發潛力與產能之間匹配性較好，高潛力煤層(如A2,A5,42煤)對應高產氣量(表5)。白楊河礦區多煤層組合開發優選預測結果與生產實際基本匹配，Z77井41-42煤層組合排采實現產能突破，若不考慮連續性較差的40煤，第3級別優勢煤層組合(39-41-42煤)亦取得較高產能。四工河礦區多煤層開發規律不明顯，現有生產數據未能直接體現多煤層開發的優勢，排采層位組合大多包含優勢煤層(A2或A5煤)，不排除氣井產能主要來源于該優勢煤層的可能性，同時缺少單獨對A3-A4,A7-A8煤層組合的排采，預測結果有待進一步驗證。

因此，對于四工河礦區，地質構造因素對煤層氣井產量影響較大，生產部署應著重考慮構造部位、埋深特征，首當考慮優勢單煤層開發(A2,A5煤)，多煤層優勢組合多為低潛力煤層(A3-A4,A7-A8煤)，可于開發后期進行部署;白楊河礦區則應充分考慮煤體結構的非均質性以及煤層發育的不連續性，規避碎粒、糜棱煤發育區，對優勢單煤層開發(42煤等)的同時可兼顧優勢煤層組(41-42,39-41-42煤)合層排采，提高煤層氣資源動用率。

4 結 論

(1)優選煤層抗壓強度、有效壓裂厚度、煤體破碎程度、試井滲透率和臨儲比5個關鍵參數，基于AHP模型進行評價優選，示范區優勢開發層段(U>0.75)為:四工河A2,A5煤層，白楊河39,41,42煤層，均具有高產、穩產的開發潛力。

(2)優選相對埋深、煤層含氣量、儲層壓力梯度、滲透率以及臨儲比5個關鍵參數，利用聚類分析對優勢合采層段進行預測。四工河地區A3-A4和A7-A8煤層組合，白楊河地區41-42煤層組合，適合合層開發，具有相似的滲透率、壓力梯度以及臨儲比，排采過程中易達到生產“同步”。

(3)產能特征與預測結果基本一致，對于四工河而言，多因素的耦合作用是四工河礦區高產的主要影響因素，開發部署早期可考慮以優勢單煤層排采為主;對于白楊河礦區而言，礦區煤層氣井產能整體上受煤體結構、多煤層排采組合以及井型設計的影響，開發部署應規避碎粒、糜棱煤區域，單煤層開發的同時兼顧多煤層組合排采。