沁南西—马必东区块煤层气高效建产区优选技术

杨延辉1,2，王玉婷1,2，陈龙伟1,2，王小玄1,2，刘春黎1,2，张晨1,2，范红明3

(1.中国石油天然气集团有限公司煤层气开采先导试验基地,河北任丘 062552; 2.中国石油华北油田公司勘探开发研究院,河北任丘 062552;3.中国石油临汾煤层气勘探开发分公司,山西临汾 041000)

摘要:沁水盆地南部是我国目前规模最大的煤层气生产基地，浅部开发工程布置的逐渐完成，必然要将眼光转向深部，开采难度增大。为此，准确圈定高效建产区尤为重要，沁南西—马必东区块正是如此。面对这一新的技术挑战，分析深部煤储层特点，结合沁水盆地南部前期煤层气井生产实践，首先划分出资源基础、产气条件、储层可改造性3个优选层次，进而从含气性、渗透性、疏导性、可采性四个方面提出了高效建产区优选标准和流程，形成了“三层四性”高效建产区优选技术。研究认为，建产区开发潜力体现为关键地质条件指标的组合，包括高于经济极限的煤储层含气量，单位长度微裂隙总宽度≥50 μm，可疏导指数≥30 nm，地应力状态处于垂直应力≥最大水平主应力≥最小水平主应力或最大水平主应力≥垂直应力≥最小水平主应力状态，以原生—碎裂结构煤为主，局部构造相对简单，可动用面积≥30%等。基于这一标准，在沁南西—马必东区块优选出3个高效建产区，部署了5口试采井，获得单井日产气量2 000 m3以上的实施效果，验证了优选技术方法的可靠性，为沁水盆地深部煤层气区块高效建产区优选提供了技术示范。

杨延辉，王玉婷，陈龙伟，等.沁南西—马必东区块煤层气高效建产区优选技术[J].煤炭学报,2018,43(6):1620-1626.

YANG Yanhui,WANG Yuting,CHEN Longwei,et al.Optimization technology of efficient CBM productivity areas in Qinnanxi-Mabidong Block,Qinshui Basin,Shanxi,China [J].Journal of China Coal Society,2018,43(6):1620-1626.

基金项目:国家科技重大专项资助项目(2017ZX05064);中国石油天然气股份有限公司重大科技专项资助项目(2017E-1404)

作者简介:杨延辉(1968—)，男，吉林伊通人，高级工程师，博士研究生。Tel:0317-2751002，E-mail:yjy_yyh@petrochina.com.cn

Optimization technology of efficient CBM productivity areas in Qinnanxi-Mabidong Block,Qinshui Basin,Shanxi,China

YANG Yanhui1,2,WANG Yuting1,2,CHEN Longwei1,2,WANG Xiaoxuan1,2,LIU Chunli1,2,
ZHAGN Chen1,2,FAN Hongming3

(1.The CBM Exploration and Development Pilot Test Base of CNPC,Renqiu 062552,China; 2.Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu 062552,China; 3.Linfen CBM Exploration and Development Branch of PetroChina Company,Linfen 041000,China)

Abstract:The southern part of the Qinshui basin is currently the largest CBM production base in China.With the gradual depletion of the shallow CBM resources,it will inevitably need to turn its attention to the deep CBM and the difficulty of mining will increase.Thus,it is particularly important to accurately locate the efficient CBM productivity areas as it is the case in the Qinnanxi-Mabidong block.Faced with this new technical challenge,the characteristics of deep coal reservoirs were analyzed.In combination with the production practice of coalbed methane wells in the early stage of the southern Qinshui basin,the three priority levels of resource base,gas production conditions and reservoir reformability were first divided,and then in terms of four properties such as gas-bearing properties,permeability,methane-leading ability and recoverability,the preferred standard and processes of the efficient CBM productivity areas are proposed,which forms the “three-levels four-qualities” efficient CBM productivity areas optimization technology.The study indicates that the development potential of the productivity area is embodied as a combination of key geological conditions,including that coal reservoir gas content above the economic limit,microfracture width per unit length is greater than or equal to 50 μm,methane-leading index is greater than or equal to 30 nm,geo-stress is in the state of vertical stress≥the maximum horizontal principal stress≥the minimum horizontal principal stress or the maximum horizontal principal stress≥the vertical stress≥the minimum horizontal principal stress,the coal structure is dominated by intact coal-cataclastic coal and the local structure is relatively simple with the movable area is greater than or equal to 30%.Based on these criteria,three efficient production areas were selected in the Qinnanxi-Mabidong block.Five test production wells were deployed and more than 2 000 m3of gas production per well was verified.Therefore,the reliability of the preferred technical method was verified and the success of Qinnanxi-Mabidong has provided a successful demonstration of technology for the selection of efficient deep CBM productivity areas in the Qinshui Basin.

Key words:Qinshui Basin;coalbed methane;deep coal reservoir;efficient CBM productivity areas;optimization

煤层气高效建产区优选决定了开发井部署的成功率，直接影响到煤层气田的总体开发效益[1-2]。在沁水盆地南部，随着煤层气开发主战场由潘庄、樊庄扩大至郑庄、沁南西—马必东等区块，开发深度由浅变深，开采难度逐渐增大，高效建产区的准确定位尤为重要。笔者以沁南西—马必东区块为例，从煤储层的资源基础、产气条件、可改造性3个层次，以及含气性、渗透性、疏导性、可采性等4个方面，建立了针对深部煤层气的高效建产区优选技术，以期有效指导勘探开发生产实践，实现煤层气资源的高效开发。

1 区块概况

沁南西—马必东区块位于沁水盆地南部，横跨沁水复向斜两翼，整体呈NNE向的向斜形态;内部断裂发育，主要为NNE，NE和近SN向(图1)。主要含煤地层为石炭—二叠系太原组和山西组。山西组3号煤层埋深550～1 800 m，800 m以深地区占87.9%;煤层厚度稳定，平均为6 m，是勘探开发的主要目的层;镜质组最大反射率1.8%～3.4%，多在1.9%以上，为贫煤～无烟煤;煤层空气干燥基含气量为4.9～27.8 m3/t，平均14.2 m3/t。

图1 沁水盆地沁南西—马必东区块位置及构造纲要
Fig.1 Location and structure outline of Qinnanxi-Mabidong Block in the southern Qinshui basin

2 高效建产区优选方法

高效建产区是指现有工程技术条件下可实现高效益开发的区域，优选评价分资源基础、产气条件、储层可改造性3个层次。资源基础用含气性表征，产气条件用渗透性和疏导性表征，现有工程技术条件下的储层可改造性用可采性表征。本着“资源基础第1，产气条件第2，储层可改造性第3”的原则，从含气性、渗透性、疏导性、可采性4方面分步递进优选。

2.1 煤层含气性

高效建产区优选，第1步即是落实资源基础。基于煤层含气量评价，以经济极限含气量(基准收益率8%(税后))为下限值(中国石油天然气集团公司投资项目经济评价参数(2017)第4页)，优选高效益区块。根据樊庄、郑庄两个煤层气区块近两年的投资和作业成本，采用现金流量法，计算得到埋深为600,800,1 000,1 200,1 400,1 600,1 800 m时经济极限含气量为10.17,10.76,11.34,11.92,12.57,13.15,13.73 m3/t。

在研究区内，由西向东，3号煤层埋深由550 m增加到1 800 m，含气量在4.9～27.8 m3/t，呈西北低东南高的分布格局(图2)。结合煤层埋深与煤芯解吸实验成果，圈定效益有利建产区位于区块东部和南部。

图2 沁南西—马必东区块3号煤层含气性选区结果
Fig.2 Optimization results according to gas-bearing properties of No.3 coal seam in Qinnanxi-Mabidong Block

2.2 煤层渗透性

煤储层渗透性高低体现煤层气产出通道的畅通程度。微裂隙作为孔隙和宏观裂隙的连通通道，是影响煤层渗透性的关键因素。煤储层渗透率与裂隙壁距的3次方及裂隙密度呈正比[3]，因此，煤储层渗透性主要取决于微裂隙的宽度和密度。统计分析显示，沁水盆地南部3号煤层单位长度微裂隙平均总宽度越大，日产气量越高，大于50 μm时，更易获得高产(图3(a))。因此，以微裂隙总宽度50 μm为界，优选煤储层渗透性较好的区域。

沁南西—马必东区块3号煤层裂隙发育程度变化较大，单位长度微裂隙总宽度分布在11～190 μm，除沁南西东部局部地区外，其余地区均高于50 μm，为较高渗透性区(图4(a))。

2.3 煤层疏导性

煤储层疏导性反映流体在储层孔隙内的运移能力，影响到排水和气体解吸的难易程度。煤岩对地层水的润湿性越弱，越利于地层水疏导运移排出。煤层气临界解吸压力与储层压力越接近，煤层气越容易解吸。由此，可定义煤层流体可疏导指数，以体现煤岩润湿性和煤层气解吸能力的综合作用[4]。

(1)

其中,Fi为煤储层流体可疏导指数，nm;σ为水的表面张力，N/m;α为水对煤层的润湿角，(°);pr为原始储层压力，Pa;pg为临界解吸压力，Pa。指数越大，越有利于排水解吸形成高产。

统计分析沁水盆地南部3号煤数据，流体可疏导指数低于30 nm时，单井产气量较低，平均为838 m3/d;当可疏导指数介于30～130 nm时，单井产气量增上一个台阶，平均达到2 254 m3/d;当可疏导指数大于130 nm时，单井产量大幅增加，平均达到4 358 m3/d(图3(b))。分析认为，这是流体运动方式的不同造成流体运移能力变化所致。可疏导指数低于30 nm时，流体流动以表面扩散为主，运移能力较差;当可疏导指数为30～130 nm时，流体流动方式为混合扩散，运移能力显著提升;当可疏导指数大于130 nm时，流体流动方式以渗流为主，运移能力发生质的提高。

图3 沁水盆地南部3号煤层微裂隙总宽度、可疏导指数
与高峰产气量关系
Fig.3 Plots of total width of microfracture and methane-leading index to CBM production of single well from No.3 coal seam in southern Qinshui Basin

上述认识与前人关于孔隙分类和煤层气流动机理的研究结果一致[5-6]，但现场研究结果比室内实验结果偏大。因此，以可疏导指数30 nm为界，划分出高产量区(>30 nm)及低产量区(<30 nm)2种模式。其中，高产区是高效建产区优选的目标。

沁南西—马必东区块3号煤层可疏导指数整体水平较低，但除东南部与沁南西西部的局部地区外，其余地区均大于30 nm，属于高产量区模式(图4(b))。

2.4 煤层气可采性

可采性评价与产能建设直接相关。影响煤层气可采性的因素主要有地应力、煤体结构及局部构造。其中，地应力及煤体结构影响适用工程技术的选择，局部构造影响建产面积与井位部署。

2.4.1 地应力状态

地应力状态制约着压裂改造裂缝形态与延伸，是煤储层改造效果关键影响因素之一[7-9]。三向地应力(最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、垂直应力σv)具有3种状态:σv≥σH≥σh,σH≥σv≥σh以及σH≥σh≥σv[10-11]。处于前两种地应力状态下的煤层，压裂将产生沿垂直方向与最大水平主应力方向扩展的垂直裂缝。处于第3种地应力状态下的煤层，压裂产生沿2个水平主应力方向扩展的水平裂缝。相同压裂规模条件下，水平裂缝的改造范围较小。因此，当区块的三向地应力状态为σv≥σH≥σh或σH≥σv≥σh时，更利于高效建产。

图4 沁南西—马必东区块3号煤层微裂隙总宽度和可疏导指数分布
Fig.4 Distribution of total width and the methane-leading index of No.3 coal seam microfr-acture in Qinnanxi-Mabidong Block

根据沁南西—马必东区块11口井(井位如图1所示)注入/压降试井结果，计算出各向地应力参数(表1)。结果显示，三向主应力关系均呈σH≥σv≥σh，即研究区处于有利高效建产的地应力状态。

表1 沁南西—马必东区块3号煤层主应力计算结果
Table 1 Results of No.3 coal seam geo-stress in Qinnanxi-Mabidong block

2.4.2 煤体结构

煤体结构体现煤层各组成部分颗粒大小、形态特征及其组合关系，对煤储层改造效果有重要影响[12]。煤体按被破坏程度划分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构4类[13]。以原生—碎裂结构为主的煤层，压裂易形成单缝、长缝。以碎裂结构为主的煤层，由于天然裂缝相对发育，压裂易形成多条人工裂缝，且人工裂缝易发生转向，形成复杂缝网。碎粒—糜棱结构为主的煤层，压裂造缝困难，难获高产[14]。

沁水盆地南部开发井数据显示，日产气量高于1 000 m3/d的直井中，90%以上井原生结构煤分层厚度占煤层厚度的2/3以上。因此，原生—碎裂结构煤发育区是高效建产区首选的目标区。沁南西—马必东区块煤体结构变化大，南部以原生结构煤为主;北部以碎裂结构煤为主，局部地区发育原生结构煤;西部煤体结构破坏程度最严重，为碎粒结构煤(图5)。

2.4.3 局部构造

局部构造对产能建设的重要作用主要体现为局部断层或陷落柱对煤层气井产量的影响。断层和陷落柱形成过程中，煤层及顶底板中产生大量的裂隙，造成煤层气逸散，同时其作为主要通道沟通煤层与相邻富水层，抑制煤层气的解吸，从而影响产气量[15]。郑庄区块前期开发时，由于对局部断层和陷落柱关注不足，导致16%的井打在断层或者陷落柱附近而低产，严重影响了开发效益。因此，在高效建产区优选时，精细刻画局部断层和陷落柱十分必要。

图5 沁南西—马必东区块3号煤层煤体结构分布
Fig.5 Distribution of coal structure of No.3 coal seam in Qinnanxi-Mabidong Block

生产实践表明，断层属性不同，影响范围不同,断层和陷落柱影响范围内不宜部署煤层气井。同等规模条件下，正断层影响范围较大，对其高部位的影响范围为200 m，对其低部位的影响范围达500 m，沿断层走向，在断层末端处的影响范围也达到200 m;逆断层的影响范围一般小于100 m。陷落柱对煤层气井产量的影响范围为500 m[16]。因此，断层和陷落柱的密度越大，可动面积越小，越不利于集中建产。当区块可动用面积小于总面积的30%时，不利于高效建产。

沁南西—马必东区块构造较为复杂，受多期构造活动叠加影响，区内断裂较多。整体来看，发育两条NNE向的复杂断裂带。两条断裂带对东部地区影响较大，西部及中部的两断裂带中间夹持的区域断裂相对不发育，为高效建产区重点优选目标。

3 优选流程与实施效果

依据上述分析，建立了高效建产区优选标准和流程图(表2、图6)。结合沁南西—马必东区块的实际地质条件，优选出3个高效建产区，分布在区块的北部、中部及南部(图7)。在中部及南部高效建产区先期部署了5口试采井，投产后，日产气量均达到2 000 m3/d上，显示出了良好的产气效果，证实了本方法的准确性和可靠性，深化了深部煤层气可高效开发的地质认识。

表2 煤层气高效建产区优选标准
Table 2 Optimization standard of CBM efficient productivity construction target area

图6 煤层气高效建产区优选流程
Fig.6 Flow chart of CBM efficient productivity construction target area optimization

图7 沁南西—马必东3号煤层煤层气高效建产区优选结果
Fig.7 Results of CBM efficient productivity construction target area optimization of No.3 coal seam in Qinnanxi-Mabidong block

4 结论

(1)建立了煤层气高效建产区优选方法，包括资源基础优选、产气条件优选、储层可改造性优选3个层次，以及含气性、渗透性、疏导性、可采性等4方面要素。优选标准为:煤层含气量高于经济极限含气量，单位长度微裂隙总宽度大于等于50 μm，可疏导指数大于或等于30 nm，地应力状态处于垂直应力≥最大水平主应力≥最小水平主应力或最大水平主应力≥垂直应力≥最小水平主应力状态，以原生—碎裂结构煤为主，局部构造相对简单，可动用面积不低于30%。

(2)在沁南西—马必东区块优选出3个高效建产区。在中、南部高效建产区先期部署了5口试采井，日产气量均达到2 000 m3/d以上，显示出了良好的实施效果。

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