论文柿庄北区块煤层气勘探开发靶区优选

6 柿庄北区块煤层气勘探开发靶区优选
6.1煤层气靶区评价原则
煤层气靶区评价是以提交可靠煤层气分级储量，确定煤层气开发有利与不利区块和高产稳产井位为目的，那么就必须以煤层气实现商业开发必备条件为原则，即：较大的资源量与资源丰度，较好的解吸能力和渗透性。

由此。

综合煤层气含量、解吸能力和渗透率的控制因素，结合前人成果。

提出下述煤层气选区评价原则[28,39,42,70, 103,104]：
1）煤阶以割理发育且生气量较大的气煤—无烟煤Ⅲ号为最佳（R o,max为0.7%—4.0%），具高渗、高吸附饱和度的低煤阶（R o,max为0.3%—0.7%）区也可作为有利勘探目标。

2）煤层埋深最佳在500—1200m左右，避开风氧化带和低渗区。

3）煤质有6项指标，即煤的密度低有利于孔隙的形成；煤的灰分低（<15%），割理多，渗透性提高；煤的热值高，生气强度大；煤的固定碳含量高，生气量大；煤的硫分含量越低，煤质越好，煤层夹研越少越好。

4）煤层分布广，煤层单层厚度不小于0.6m，总厚度大于10m。

中高煤阶煤层单层厚度大于２m、低煤阶煤层厚度大于８m的情况下煤层气开发具有较好效果。

5）为便于“先采气，后采煤”并与国家已有煤矿安全生产规程衔接，初步将煤层气有利目标区煤层含气量界限中高煤阶煤层含气量为6m3/t以上，低煤阶煤层含气量大于3m3/t。

6）勘探区煤层气远景资源量应大于100×108m3，煤层气资源丰度大于0.5×108m3/km2。

煤层含气量大于8m3/t，煤岩镜质组含量一般应大于70%。

7）吸附饱和度大于60%。

可解吸率大于70%，煤层可解吸气量大。

8）选择高地应力背景下的相对低地应力（一般小于10MPa）、较高储层压力区，地解比为高级别（大于0.6）接近1的地区。

9）承压区的水压封堵气藏和压力封闭的高压气藏最佳。

10）煤层天然裂隙发育，连通性好，煤层割理密度大于50条/m，煤层渗透率（注入/压降法）大于0.1×10-3um2。

11）煤层结构完整、构造简单，位于盆地斜坡、单斜或向斜翼部埋深适中部位。

12）煤层顶底板有大于10m的封闭性直接盖层，目标区内无剥蚀现象，纵向上主力煤层距古剥蚀面厚度大于200m，并具有厚度大，分布稳定的区域性盖层。

煤层段内无大水层。

13）区域性岩浆作用热变质区煤阶高、含气量大且割理发育，是有利勘探区。

14）不远离城市，有利于煤层资源的开发利用；煤层气探区地形相对平缓，交通相对方便，修路平场工作量较小，有利于井网的建设。

不仅现在勘探施工条件好，而且将来的开发和生产期也容易形成规模，节省成本。

6.2煤层气靶区评价体系和标准
6.2.1煤层气靶区评价体系
根据煤层气井排水降压至临界解吸压力后，煤层气解吸—扩散—渗流的连续产出过程，结合煤层气开发施工因素和市场条件，得到了煤层气靶区优选评价体系指标，并且包含了文献[3]和[40]中所有最后的优选指标。

图6-1.煤层气靶区优选技术指标体系
6.2.2煤层气靶区评价标准
1）含气强度 （1）资源丰度
假设煤层气产量下限值单井大于2000m 3/d （对照石油部天然气工业指标），采用反推法得知，要求区块的煤层气资源丰度要到达0.8×108—l.0×108m 3／km 2。

（2）含气量
统计我国煤层含气量与单井日产量之间的关系，中高煤阶单井日产气量超过1000m 3的煤层气井煤层含气量大于8m 3/t [70]，国内外已开发的煤层气气田主力区块的平均含气量均超过15m 3/t ，含气量小于8m 3/t 的低含气量地区，通常不具备商业性开采价值[106]。

低煤阶单井日产气量超过1000m 3的煤层气井煤层含气量大于2m 3/t [105]。

（3）煤层厚度
统计我国主要煤层气目标区煤层厚度与煤层含气量及单井日产量之间的关系初步得出，中高煤阶煤层单层厚度大于2m 、低煤阶煤层厚度大于8m 的情况下煤层气开发具有较好效果[70]。

沁水盆地含气量下限确定为15m 3／t ，单井煤层厚度下限为5m ，和国外有关资料对比来看，沁水盆地高煤阶煤层高产的厚度、含气量要求更高，在开采时煤层厚度越大、含气量越高越有利[35]。

煤层气开发潜力
含气强度解吸能力渗透性降压难度施工难度资源需求
资源丰度煤层厚度含气量吸附时间可解吸率
含气饱和度压力梯度临储压力比水文
地
质
条
件
顶底板岩性渗透率
构造复杂程度
地形地貌有
效地应力需
求紧迫度
供给城市距离
煤层埋深
煤体结构
2）解吸能力
（1）吸附时间
吸附时间是煤层气解吸速率的等价描述参数，吸附时间越长越不利于煤层气解吸，不利于煤层气井高产，而吸附时间短则能快速达到产气高峰值，但是稳产时间较短。

（2）可解吸率
煤层气的可解吸率表征煤层气采收率的上限，有学者研究发现通过我国煤层气解吸标准，以损失量、逸散量之和与总含气量的比值衡定可解吸率。

可解吸率在前人所建立的煤层气选区评价体系中还未出现过，针对我国煤层气采收率为20—50%和可解吸率可近似看做采收率上限值的事实，将可解吸率划分为>70，40—70，<40三级区间。

3）渗透性—储层渗透率
统计我国煤层渗透率与单井日产气量特征，中高煤阶煤储层单井日产气超过1000m3的煤层气井煤层原始渗透率要大于0.1mD，单井日产气量超过2000m3的煤层气井煤层原始渗透率要大于0.5mD[70]。

而对于低煤阶储层应大于0.5mD，大于1mD最有利[105]。

4）施工难度
（1）煤体结构
如3.3.3所述，原生结构煤易于改造，原生裂隙发育，连通性较好；碎裂煤中超微孔隙—裂隙系统的改造对煤储层渗透率提高有一定程度的贡献，碎粒煤和糜棱煤作为软煤裂隙发育但是连通性极差，尤其是糜棱煤，由于脆韧性变形和韧性变形作用对煤的割理系统破坏严重，渗透率极低。

（2）构造条件
在我国，煤层含气区大都经历了复杂的构造运动，煤层气保存条件尤为重要。

煤层气藏形成后得以保存至今，要求构造条件简单，断层稀少，煤体结构保存完整，同时简单的地质构造也有利于煤层气的开发[70]。

（3）有效地应力
有效地应力与区域地应力场和煤层埋深有关。

煤层气多富集于低地应力区；同时，煤层有效地应力低的地区，其煤层渗透率比相同条件下的高应力区的煤层渗透率要高。

煤层有效地应力愈大，其压裂难度愈大，煤层气储层渗透率越低，煤层气井排采有效应力负效应越敏感。

煤层地应力小于15Mpa最有利，超过25MPa时，一般压裂效果差[70,105]。

（4）煤层埋深
如前所述，在瓦斯风化带以浅的区域，煤层含气量由于逸散表现得较低，而在甲烷风化带以下至一个临界深度（不同地区有不同的临界深度值，大致在1200-2000m左右），煤层含气量与埋深具有较好的相关性。

在临界深度以下，煤层含气量变化不大，甚至出现下降的趋势[41,51]。

具有工业开采价值的煤层气藏埋深应在瓦斯风氧化带-1000m，大于1500m对于目前的工艺技术水平来说开采难
度较大[105]。

（5）地形地貌
煤层气靶区的地形地貌直接决定了水电设施通畅运行、设备搬运和管道建设的难易程度，初步判定平原地区最有利，丘陵地区较有利，山地和沟壑最不利。

5）降压难度
（1）水文地质条件
水文地质条件是影响煤层气赋存的一个重要因素。

煤层气以吸附态赋存于煤孔隙中，地层压力通过煤中水分对煤层气起封堵作用。

因此水文地质条件对煤层气保存、运移影响很大，且对煤层气的开采至关重要。

煤层气富集区要求水文地质条件简单，煤层气井排采过程中易降压，产水量适中，有利于煤层降压解吸[70]。

中高煤阶生气不是问题，关键是后期的保存，因此中高煤阶煤层气富集区要求水文地质条件简单，处于高矿化度、弱径流—滞留区，煤层气井排采过程中易降压解吸，产水量适中。

低煤阶如果煤层气成因以生物成因为主，则要求弱径流区，低矿化度有利于晚期生物气生成及水动力承压封堵有利于煤层气保存，如果以热成因为主则水文地质条件要求与高煤价一致[105]。

（2）临储压力比
据沁南盆地九口井分析表明：临界解吸压力的大小与煤层气井平均日产气量和含气饱和度具有较好的相关性[94]。

沁水盆地临界解吸压力大于1.8Mpa是该区煤层气获得高产的重要条件，小于该下限值时，其产气量通常小于1000m3／d[35]。

低地解比的地区反映煤层含气量低，吸附饱和度低，不具备煤层气商业化开采价值。

统计我国煤层气井产气量大于2000 m3／d的储层地解比一般大于0.5，而地解比小于0.2的煤层气井则大多为
低产井并衰减快[105]。

（3）含气饱和度
统计我国煤层吸附饱和度与单
井日产量之间的关系，单井日产气
超过1000m3的煤层气井煤层吸附
饱和度均大于60%；产气效果较好
的地区，煤层吸附饱和度大于80%
（图6-2）[70]。

而对于沁水盆地含气
饱和度在<60％时，煤层气井为低产
井，产量小于700m3／d；沁水盆地高煤阶储层含气饱和度在>70％时，煤层气井才为高产井，因此将沁水盆地煤层气高产的含气饱和度下限定为70％，其值越大煤层气高产的可能性就越大[35]。

（4）压力梯度
影响煤储层压力的主要因素是煤层的埋深，即受煤储层区域静水水位的影响，水位接近地表时，储层压力接近于正常储层压力梯度，水位越深，储层压力梯度越小。

同时煤储层压力还与原地应力及煤层所处的构造背景有关，不同地质时期，
应力的大小是有变化的[48]。

正常压力和超压梯度对煤层气井产能是有利的。

从已了解的勘探试验成果看，华北地区原始储层压力梯度小于1.0MPa/100m的矿区占一半以上，压力梯度大于1.21MPa／100m的仅在韩城矿区见到，因此将1.0MPa/100m作为压力梯度高值的底界。

（5）顶底板岩性
煤储层顶底板岩性的致密程度不仅影响煤层气的保存，而且对于煤层气井排采过程中压力能否有效传递起着重要作用，顶底板岩性越致密，煤层气井排采过程中越易有效排水，提高抽油机泵效，扩大泄流半径，增大煤层气解吸波及区域。

总体而言，泥岩最优，中粗砂岩最差，富水性弱的灰岩也是利于降压的有利盖层。

6）资源需求
（1）资源需求紧迫度
资源需求的紧迫程度直接影响到煤层气下游市场的开拓难度，需求越是紧迫，煤层气开发的目的性越强。

（2）与供给城市距离
煤层气靶区与供给城市的距离远近直接决定了管网的铺设长度和煤层气的销售市场，从而影响煤层气开发的成本和利润空间。

表6-1.煤层气靶区参数分级评价标准
注：低煤阶（R o,max<0.65%），中高煤阶（0.65%<R o,max<4.00%）。

6.3煤层气靶区评价工作程序
靶区评价是在煤层气参数井钻探之后，经评价选出最有利目标。

还可以通过部署参数井以获得更多，更可靠的地质参数，也可以通过单井试气，求出稳定产量，寻找高产富集区块，对煤层气开发潜力做出进一步评价。

靶区评价除了地质研究要求的任务之外，还要着重做好以下研究工作[30]：1）利用煤孔、地震资料及野外踏勘查明构造、断裂系统，确定参数井井位。

2）利用绳索取心工具取全目的煤层煤心、顶底板岩心、进行含气量、气组分、同位数、等温吸附线、镜煤反射率、煤工业指标，煤显微组分、封盖层突破压力、扩散系数、孔隙度、渗透率等项目分析工作。

3）利用组合测井资料精确地确定煤层厚度、深度、密度、孔隙度、灰分含量、吸附饱和度等项数据及实力、突破压力、孔隙压力、弹性模量、泊松比、坍塌压力、破裂压力等的处理解释。

4）采用微型压裂法求取煤层及其相邻的原地实力、煤层破裂压力、闭合压力等资料。

5）利用注入/压降试井求取可靠的渗透率、地层压力和地层温度数据。

6）利用大地电位法裂缝监测及CT-测试搞清煤层压裂裂缝方位及长度。

7）通过单井抽排，系统求出产气量、产水量随压力变化，取得稳定产能和流体性质，并通过地层水Cl—同位数分析确定煤层水质和进入煤层的时期。

8）利用试气产能及储层数值模拟预测产量变化，确定下步实验井组试采的合理井距、井网几何系统及试气方案，提交煤层气控制储量和预测储量，作出经济评价。

除对煤层进行上述作业、分析外，必要时还应对主要含水层进行取心和渗透率测试，以了解地下水的流动能力。

在上述工作的基础上，根据新获得的可靠资料，对探区煤层气的开发潜力和经济效益作出进一步的评价。

本阶段还可将各种评价参数输入计算机中，运用储层模拟技术进行煤层气产量预测，对煤层气开发潜力进行定量评价，还可对各种主要评价参数进行敏感性分析，以找出影响煤层气产量的因素，指导下一步的勘探和评价。

当靶区评价结果认为该区具有较好的开发潜力，并优选出区内最有利区块时，即可进入下一个评价阶段-区块评价阶段。

6.4煤层气选区评价理论与方法
6.4.1单因素评价法-“一票否决体系”[31]
在煤层气勘探开发的诸多地质风险因素中，并非所有因素均具有同等程度的重要作用。

地质风险因素中还存在着某些对煤层气勘探开发前景具有一票否决作用的“关键因素”或“关键要素”。

纵观煤层气控气地质特征，其地质风险因素包括四大类别，即含气性因素、煤储层因素、盖层因素和控气地质背景因素。

含气性因素包括含气量、资源量、资源丰度、含气梯度、气体组成等。

含气量在目标区优选中起着“一票否决”的关键作用。

煤储层因素包括几何要素、物性要素和物质组成要素。

几何要素，包括煤储层分布的面积、厚度、埋藏深度、形态和稳定性等，在煤层气的经济评价中具有“一票否决”的重要作用。

物性要素，包括孔隙—裂隙性、渗透性、吸附性、储层压力、临界解吸压力、排驱压力、含气饱和度、煤体结构等，并可组合成某些具有重要意义的衍生参数，如储层压力梯度、临界解吸压力与储层初始压力之比（临储比）等。

其中，渗透率与储层的其他物性之间具有因果关系，对于煤层气开发成功与否具有决定性作用。

盖层因素包括盖层岩性、厚度、渗透性、突破压力、稳定性等，关系到煤层气的保存条件，对含气性有重要控制作用。

国内对煤储层盖层的定义仍然不十分明了。

在整个盖层“系统”中，煤储层的直接顶板对煤层气保存条件的影响最为显著。

然而，如果含气性情况已经初步查明，则盖层因素在选区评价中的重要性便会降低。

控气地质背景因素对于上述诸因素起着制约的作用。

例如：构造因素通过对煤层气逸散通道、逸散窗与补给区的关系、煤体结构、煤储层埋深等的控制而限定了含气性、含气性区划、煤储层渗透性和储层压力系统；沉积因素通过对生储盖组合、煤储层几何因素、物质组成因素等的作用而在一定程度上控制着盖层、含气性、煤储层的吸附—解吸性、渗透性等因素或要素；构造—煤层埋藏—受热—生烃演化历史控制着煤层气的生成保存历史和煤的化学物理特征，进而对含气性和煤储层物性产生极大影响；水文地质因素中水头高度、含水层与煤储层关系、水化学性质、补给区与汇集区关系、地下水径流特征等作用于煤储层，从而对煤层气风化带深度、含气性等产生影响，特别是对煤储层压力系统往往有决定性作
用。

区带优选的关键主要在于煤储层面积、含气量、资源丰度、储层渗透率和临储压力比五个要素。

资源丰度隐含了煤储层厚度、含气量、储层吸附性、储层物质组成等要素；渗透率受储层孔隙–裂隙系统、储层压力系统、煤物质组成等要素的综合影响；临储压力比是煤储层吸附–解吸性、储层压力系统和含气量等要素综合作用的结果；而煤储层面积和含气量却分别是评价单元的规模和含气性的基本度量。

单个关键要素的相对重要性依据评价单元级别的不同而互有差异，进而构成了不同级别评价单元优选的关键要素组合（表6-2）。

根据关键风险要素组合，可对诸多评价单元中明显不具有前景的单元进行筛选剔除。

表6-2.一票否决体系煤层气有利区带关键参数递进关系[31]
聚气带的前景评价，一是含气面积要大，二是单位面积的资源量（资源丰度）要高，两者之积为煤层气资源量，后者则是煤储层平均厚度和平均含气量的综合体现。

在资源量充足的基础上，既要面积大又要丰度高，这样的聚气带才具有较好的勘探开发前景。

采用面积／平均资源丰度关键要素组合的优越性是显而易见的，可以更为客观地对聚气带的相对潜势或资源规模做出评价。

其中，聚气带平均资源丰度具有“一票否决”的关键作用。

目标区的前景评价，除了注重于资源规模和资源“密度”外，开采地质条件（尤其是渗透性）的关键性作用同样十分突出。

对于没有渗透率资料的目标区，可采用平均含气量→单元面积/资源丰度→煤储层渗透率→煤储层临储压力比的递阶优选原则，对各有利聚气带中的目标区逐次进行优选。

其中，含气量具有“一票否决”的重要作用。

就靶区优选而言，在进一步明确资源特征的同时，更应注重对开采地质条件的评价，其中煤储层渗透率拥有“一票否决”的权力。

由于靶区优选是区带优选系统中的最后一个环节，因而原则上对所有的控气地质因素均应加以考虑。

其中，含气量是决定煤层气资源特征的基本要素，临储压力比对于煤层气降压解吸难易程度起着关键性控制作用，在优选评价中应占更为重要的地位。

上述评价是逐级进行的，上一级否决的参数不参与下级评价。

对于聚气带，应当着重进行大地构造背景、区域含煤地层沉积背景与煤层气富集之间关系的分析；对于目标区，分析的重点应放在目标区构造格架研究、关键构造形成期与煤层气主要生气期的匹配状况等方面；对于靶区，则应当对次级构造、储盖组合、水文地质条件等给以更多的关注。

6.4.2多参数叠加法
多参数叠加法实际上就是根据研究区煤层气地质特征，结合煤层气勘探和煤田地质勘探资料，在确定该区煤层气选区评价体系标准的前提下，根据评价参数的各级界限，利用autoCAD 和GIS 或MapGis 等绘图软件，进行参数正确取值的叠加。

就方法和操作步骤而言，与一票否决体系具有较多相同之处，但就原理来说，对各影响层的权重考虑不够，仅仅以“平均权重”的形式叠加，但确实能得到最核心的等级划分，不足之处在于相应等级叠加可能不存在交集或很少。

6.4.3多层次模糊综合评判法[82,83,107]
当决策系统相当复杂时，需要考虑的因素往往很多。

如果权重的分配比较均衡，由于权重要满足∑a i =1，当因素数n>10，其中会有多数a i <0.1，在使用模糊变换等一类突出主因素方法时，在“取小”运算后，微小的权数会“淹没”多数评价因素值，这样就无法求出解答。

对这类问题，可以把因素按特点分成几层，先对每一层内进行综合评判，再对评判结果进行高层次的综合评判。

1）将因素集U={u l ，u 2，…，u m }按某些属性分成s 个子集以U i ={u il ，u i2，…，u im }（i=1，2，…，s ）
满足条件
2）对每一子因素集U i ，分别作出综合决策。

设v={v l ，v 2，…，v n }为决断集，U i 中的各因素的权数分配为A i =（a il ，a i2，…，a im ）
其中1
1
m
i
i a ==∑若R i 为单因素矩阵，则得一级的评判向量
3）将每个U i 视为一个因素，记U 0={U l ，U 2，…，U s }，于是U 0又是个因素集。

U 0的单因素决策矩阵为R
每个U i 作为U 的一部分，反映的某种属性，可以按他们的重要性给出权数分配
A=（a 1，a 2，…，a s ）
于是得到二级评判向量
11
(1)(2)
(3),s
i
i s
i i i
i n
n
U U U U i i
=====Φ≠∑12(,,,)(1,2,,)
i i i i i in B A R b b b i s =⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅⋅11112122122
212
n n s s s sn B b b b B b b b R B b b b ⋅⋅⋅⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⋅⋅⋅⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎢⎥⎢
⎥⋅⋅⋅⎣⎦⎣⎦
其中B=（b 1，b 2，…，b n ）就是最后的综合评判结果。

图6.2给出了二级决
策模型的直观解释。

如果每个子因素集U i ，i=1，2，…，s 仍含有较多的因素，可将U i 再行划分，于是有三级模型、四级模型及其以上的综合评判模型。

6.5柿庄北区块煤层气开发靶区优选
6.5.1煤层气靶区预测思路
本文采用多参数叠加法和模糊综合评判法对研究区进行煤层气靶区预测。

1）常规多参数叠加法的煤层气靶区优化思路 （1）利用两者所得有利区、较有利区和不利区进行进一步叠加、同级相交后仍得同性质该区，未交区域为下级性质区块。

即有利区与有利区相交所得为有利区，较有利区与较有利区相交所得为较有利区，不利区与不利区相交所得为不利区；有利区与较有利区相交为较有利区，其他交集都为不利区；
（2）邻级相交所得为下一级性质区块。

即有利区与较有利区相交所得为较有利区。

（3）在交集、差集运算中只要存在不利区，交集与差集一并归入不利区。

2）基于权重排序的多参数叠加法在煤层气靶区预测中的应用思路 通常情况下，多参数叠加法的等级对应叠加是不能体现煤层气开发潜力影响因素间的相对重要性的，也就是说其采用的“平均权重”叠加模式所得分区等级过于“狭窄”，并不能完全反映实际情况。

以本文所分4区：含气强度、解吸能力、渗透性和压降难易分区为例（开发难度中埋深、构造等前四区中已考虑，由此不再另设第5区），若上述4区中最有利区无交集，则不能实现靶区的预测，由此本文采取评价因素先排序，后按排序结果适当考虑降低等级叠加的模式。

具体说来，按对煤层气开发潜力的影响程度得到下述排序：1.含气强度，2.解吸能力，3.渗透性，4.开发难度， 5.降压难度。

由此，含气强度决定的极富气区与其余4区的前2级区间的交集即可视为有利区，以含气强度为准，其余四级区间由此降级类推叠加，也就是说排序越靠前，其对煤层气开发越重要，越要求高；但并不是说后续施工不重要，因为其人为性较大，随着技术水平的提高，可以得到改善。

3）常规多层次模糊评价法在煤层气靶区预测中的“短板” （1）选区结果具有不唯一性和不确定性。

选区评价中评价体系和指标的设定、模糊综合评判中权重和最终区块归级指标的确定都具有一定的人为性，而判断选区结果准确性还无明确指标。

在没有经过后期勘探开发验证的情况下，仅仅是定性的依照经验区块与选区结果对照，大
1112
22s s s B A R B A R B A R A A B A R ⋅⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⋅⎢⎥⎢⎥
=⋅=⋅=⋅⎢⎥⎢⎥⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎢⎥⎢⎥⋅⎣⎦⎣⎦。