煤层气勘探开发潜力评价方法研究及应用

煤层气勘探开发潜力评价方法研究及应用

樊爱彬 杨波 王涛 施瑞生 魏鹏 张迪

中海油服油田生产事业部，天津 300459

摘要：煤层气的渗流特征属于先解析，气体通过煤基质和微孔隙扩散，最后通过割理系统渗流到井筒，实际煤层中往往存在气水两种流体，早期产水，中期产气量逐渐上升产水量逐渐下降，后期产气量下降，产出少量或微量水。从煤层气的成因和渗流机理着手，对煤层气物性进行研究，分析出影响煤层潜力的九个主要因素。采用限值约束法对因素进行处理，采用主客观相结合的层次分析法确定权重，建立判断矩阵。基于各参数权重，建立神经网络，非线性回归等综合选段系数的模型，定量选段。经实践验证，该评价方法效果显示，为煤层气勘探开发潜力评价提供技术支撑。

关键词：煤层气；潜力评价；权重；层次分析

1.煤层气的成因

煤层气的主要成分是甲烷，吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，为典型的吸附成藏机理，不需要通常的圈闭存在。煤层气聚集主要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，无论在储层的构造高部位还是低部位，都可以形成煤层气藏。煤层气的成因主要分生物成因和热成因，热成因占主要。随着煤层埋深不断增加，地层温度逐渐升高，煤的变质程度逐渐增强，逐渐生成大量的甲烷和其他气体。

图1 煤化作用过程中水和甲烷的生成

低变质阶段（Ro＜0.8%）褐煤至长焰煤阶段，生气以二氧化碳为主，甲烷含量少。中等变质阶段（0.8%＜Ro＜1.5%）长焰煤到焦煤阶段，生气总量约为168-270m³/t，其中以烃类气体为主，可达70%-80%，烃类以甲烷为主，重烃浓度明显增高。高变质阶段（Ro＞1.5%）瘦煤到无烟煤阶段，生气总量为270-420m³/t，以烃类气体为主，可达到70%，其中绝大多数为甲烷，重烃浓度显著降低。

2.煤层气的物性研究

煤层气作为一种非常规天然气，由于煤既是气体的源岩又是储集岩，因此煤层气储层是涵盖煤层气储集和产出特征的复杂系统，它是反映煤层气储层从吸附、解吸、扩散、渗流，最后流入井筒产出的整个过程的复杂的系统工程。

图2 不同压力温度与气含量关系曲线

随着温度的升高，煤对甲烷的吸附量呈规律性降低。低压力（≤2MPa）与高压力（≥8MPa）时直线的斜率和截距存在较大的差别，高压力（≥8MPa）下的3条直线的斜率和截距较为接近。

3.煤层气潜力评价主要因素

根据调研和实例分析，影响煤层气开采潜力的主要因素有9项，分别是：厚度、孔隙度、渗透率、煤级、镜质组含量、吨煤含气量、含水量、灰分含量、温度和压力。

煤中镜质组的含量对煤层气的生气贡献最大，一般煤的镜质组含量越高，煤储层的含气量愈高。一般认为，镜质组含量高于70％为有利储层，低于30％为不利储层。

吨煤含气量是直接反映煤层气储层含气性的指标，它在煤层气资源评价中非常重要。含气量越高，煤储层的煤层气资源越丰富。含气量＞15ｍ³/ｔ的预测区具有高产条件，8-15m³/ｔ具有中产条件，＜8ｍ³/ｔ低产甚至无产能。

煤层气的吸附能力与灰分含量呈负相关关系，原因在于灰分的存在降低了煤对气体的吸附特性，理频度与煤中矿物质含量呈反比关系，矿物质含量越高，割理频度越低。

4.煤层气潜力评价方法

（1）因素处理方法

影响煤层气潜力的因素按性质可分为正因素、逆因素和中性因素。由于不同因素之间的量纲不一样，因而必须对因素数据进行无量纲化处理。考虑到资源评价中对因素的最低要求和优选目标，采用限值约束的方法优选目标区。方法一：直接根据门限值选择符合筛选要求的目标区。方法二：确定出因素的上限和下限，当某因素值大于上限值时视为等同于最高值（或最好值），当某因素值小于下限值时视为等同于最低值（或最差值）。此方法的特点主要是：最优值和最差值为一隶属区间，而非单一值，这样在应用上更为符合客观实际。

（2）权重确定方法

用于确定权重的数学方法很多，如加权求和法、模糊数学方法、灰色系统方法、层次分析方法等。基于评价体系及指标选定，采用主客观相结合的层次分析法进行权重的确定。权重确定的层次结构分为2层，一级因素和二级因素，通过相关性分析确定权重，建立判断矩阵。

（3）综合评价方法

煤层气潜力评价是根据地质情况和评价目的选取评价参数，并应用相应的数据处理方法对参数进行处理，依据相关性给出权重，采用矩阵式综合决策方法得到各目标区综合评价指标值。这一综合评价值即是该目标区的综合评价结果，综合评价值越大，表明其煤层气开发的资源与地质条件越好。基于各参数权重，建立神经网络，非线性回归等综合选段系数的模型，定量选段。

图3 综合评价方法

（4）现场应用

在鄂尔多斯盆地煤层气进行矿场实践，共筛选6口潜力井进行应用，压裂后增产效果明显，平常产量为周边邻井2倍左右。

5.小结

（1）随着温度升高，煤对甲烷的吸附量呈规律性降低；

（2）根据调研和实例分析，确定影响煤层气开采潜力的9项主要因素，采用主客观相结合的层次分析法确定权重；

（3）采用矩阵式综合决策方法得到各目标区综合评价指标值，经实践验证，该评价方法真实有效。

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