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1、 103 第九章 煤层气资源与选区评价 煤层气的开发建立在资源储备的基础上,科学客观地评价煤层气资源及其地域和层域分布特征,查明控气地质因素和开采地质条件,正确地预测未知区的含气量,采用合理的计算方法测算煤层气资源量,是进行煤层气勘探开发前景评价的重要内容。应用于煤层气资源量的计算方法有多种,主要包括体积法、递减分析法、物质平衡法、数值模拟法。后三种方法均需要有已生产若干年的生产井所测得煤层气产出的动态变化数据。第一节 煤层气资源储量的分级 一、资源量储量的定义 煤层气资源量:根据一定的地质和工程依据估算的赋存于煤层中的,具有现实经济意义和潜在经济意义的煤层气数量。煤层气地质储量:在原始状态下
2、,赋存于已发现的具有明确计算边界的煤层气藏中的煤层气总量。原始可采储量(简称可采储量):地质储量的可采部分。是指在现行的经济条件和政府法规允许的条件下,采用现有的技术,预期从某一具有明确计算边界的已知煤层气藏中可最终采出的煤层气数量。二、煤层气资源储量的分级 从资源的勘查程度和地质认识程度将煤层气资源储量分为待发现的煤层气资源量和已发现煤层气资源量两级。待发现煤层气的资源量:地质勘探工程控制程度较低,目前尚不能提交地质储量的煤层气资源量部分。根据地质可靠程度分为推定的、推断的和预测的 3 级。推定资源量:煤炭资源控制程度高,一般达到精查和详查程度,有大量的煤芯解吸资料、煤层气试井资料、矿井瓦斯
3、涌出量或抽放资料以及煤样等温吸附资料,煤层含气性和分布规律基本查明,对控气地质因素、煤储层参数已有一定认识。推断资源量:煤炭资源控制程度中等,一般达到普查或找煤阶段,有少量的煤芯解吸资料和等温吸附资料,煤层含气性和分布规律仅靠少量控制点和控气地质因素分析推断并取得初步认识,对煤储层参数有初步了解。预测资源量:煤炭资源勘探程度低,一般在找煤阶段以下,煤系和煤层的分布主要靠物探资料控制,无煤层含气性资料,煤层含气性和分布特点采用类比法推测。已发现煤层气资源量:有足够地质勘探工程控制、能够提交地质储量的煤层气地质资源量部分。已发现的煤层气资源量,又称煤层气地质储量,根据地质可靠程度分为预测的、控 1
4、04 制的和探明的 3 级(表 9-1)。可采储量可根据所在的地质储量确定相应的级别。表9-1 各级煤层气储量勘查程度和认识程度要求 储量分级 探明的 控制的 预测的 勘查程度 煤炭钻孔/或煤层气井关于储层的基本控制井距达到附录 B 的要求;在有物探工程的情况下,附录 B 中的井孔要求可以适当放宽 煤炭钻孔和/或煤层气井关于储层的基本控制井距不超过附录规定距离的 2 倍;在有物探工程控制的情况下,附录中的井控要求可以适当放宽 有一定的井 和/或物探控制 煤层气参数井井距一般不超过附录 B 规定距离的 2 倍:参数井煤层全部取心,采取率为 7590,进行了地球物理测井,井通过实验和测试获得了气藏
5、煤质、含气量、气水性质、储层物性、压力等资料 已钻煤层气参数井,根据需要进行了煤层取心和测井,并获得了关于媒质、含气量、气水性质、储层物性、压力等资料,有一定的井控制程度 关键部位有参数井控制,煤层已有取心资料,钻井煤层进行了煤质、含气量、气水性质、健层物性、压力等分析,获得了相关资料 气藏已进行了小型井网开发试验和或单井试采,在气藏地质条件一致的条件下,可以借用邻区试采或生产成果:通过试采已经取得丁关于气井压力、产气量、产水量及随时间变化规律等可靠资料:试采井井距不超过附录规定距离的 2 倍。在有代表性部位进行了单井试采,取得了关于气井压力、产气量、产水量及随时间变化规律等的相关资料。认识程
6、度 煤层构造形态清楚,煤层厚度、变质程度、含气量等分布变化情况清楚,提交储量计算图件比例尺不小于 1:25000,储量参数研究深入,选值可靠;经过试采,取得了生产曲线,获得了气井产能认识;进行了开发概念设计和数值模拟、经济评价。开发是经济的 煤层构造形态、厚度、变质程度、含气量等情况基本清楚,提交储量计算图件比例尺不小于 1:50 000;进行了储量参数研究,选值基本可靠;经过试采取得了生产曲线,基本了解了气井产能;进行了初步经济评价或开发评价,开发是经济的或次经济的 初步了解丁煤层构造形态、厚度、变质程度、含气量等分布变化,提交储量计算图件比例尺不小于 1;100000:由煤田钻孔合理推少数
7、参数井初步确定了储量参数:未进行试采,通过类比求得气井产能:只进行了地质评价和初步经济评价,开发是有经济价值的 预测的地质储量:初步认识了煤层气资源的分布规律,获得了煤层气藏中典型构造环境下的储层参数。因没有进行排采试验,仅有一些含煤性、含气性参数井工程,大部分储层参数条件是推测得到的,煤层气资源的可靠程度很低,储量的可信系数为 0.1-0.2。控制的地质储量:基本查明了煤层气藏的地质特征和储层及其含气性的展布规律,开采技术条件基本得到了控制,并通过单井试验和储层数值模拟了解了典型地质背景下煤层气地面钻井的单井产能情况。但由于参数井和生产试验井数量有限,不足以完全了解整个气藏计算范围内的气体赋
8、存条件和产气潜能,因此煤层气资源可靠程度不高,储量的可信系数为 105 0.5 左右。探明的地质储量:查明了煤层气藏的地质特征、储层及其含气性的展布规律和开采技术条件(包括储层物性、压力系统和气体流动能力等);通过实施小井网和或单井煤层气试验或开发井网证实了勘探范围内的煤层气资源及可采性。煤层气资源的可靠程度很高,储量的可信系数为 0.7-0.9。第二节 资源量计算方法 应用于煤层气资源量的计算方法有多种,主要包括体积法、类比法、递减分析法、物质平衡法、数值模拟法。后四种方法均需要有已生产若干年的生产井所测得煤层气产出的动态变化数据。体积法又称为容积法、块段法,是煤层气地质资源量/储量计算的基
9、本方法,适用于各个级别煤层气资源量的计算,其精度取决于对煤层气地质条件和储层条件的认识,也取决于有关参数的精度和数量。体积法划分的块段要求同一区块应基本具有相同的或相似的构造条件、储气条件。纵向上一般以单一煤层为计算单元,煤层相对集中的煤层组可以合并计算单元,煤层风化带以浅的煤层中不计算煤层气资源量。体积法计算煤层气资源/储量采用的计算公式为:Gi=0.01AhDCad 式中:Cad=100Cdaf(100-Mad-Aad);Gi某块段煤层气地质资源量/储量,108m3;A煤层含气面积,km2;h煤层净厚度,m;D煤的空气干燥基质量密度(煤的容重),tm3;Cad煤的空气干燥基含气量,m3/t
10、;Cdaf煤的干燥无灰基含气量,m3/t;Mad煤中空气干燥煤基水分,%;Aad煤的干燥基灰分,%。1、煤层含气面积 计算单元的边界,最好由查明的各类地质边界,如断层、地层变化(变薄、尖灭、剥蚀、变质等)、埋深、含气量下限、煤层净厚下限(0.5m0.8m)等边界确定(对煤层组的情况可根据实际条件做适当调整)。由于各种原因也可由矿权区边界、自然地理边界或人为资源量/储量计算线等圈定。煤层含气量下限值如表 9-2,表 9-2 也可根据具体条件进行调整,如煤层厚度不同时应适当调整。含气面积在钻井控制和地震解释综合编制的煤层顶、底扳构造图上圈定,储层的井(孔)控程度应达到附录 B 和表 9-1 所相应
11、规定的要求。2、煤层有效(净)厚度 煤层有效厚度是指扣除夹矸层的煤层厚度,又称为净厚度。单井有效厚度下限值一般为0.5m0.8m(视含气量大小可作调整),夹矸层起扣厚度为 0.05m0.10m。3、煤质量密度 煤质量密度分为纯煤质量密度和视煤质量密度,在资源量/储量计算中分别对应不同的 106 含气量基准。表9-2 煤层气量下限标准 煤层类型 变质程度 空气干燥基含气量 m3/t 褐煤 长烟煤 气煤瘦煤 贫煤无烟煤 0.5 2.0 0.5 1 2 4 4、含气量 采用空气干燥基(air-dry basis)含气量近似计算煤层气资源量/储量,其换算关系可根据下式计算;Cad100Cdaf(100
12、-Mad-Aad)式中符号同前。为了保证计算结果的准确性,最好采用原煤基(insitku basis)含气量计算煤层气储量。煤基含气量需要在空气干燥基含气量的基础上进行平衡水分和平均灰分校正,校正公式为:Cc=100Cad100-(Aad-Aav)+(Mad-Meq)式中:Cc煤的原煤基含气量,m3/t;Aav煤的平均灰分,%;Meq煤的平衡水分,%。第三节 煤层气选区评价 煤层气勘探目标区应是蕴藏有一定资源量、并具有煤层气富集高产潜势的地区。因此,煤储层含气量和渗透率是应优先考虑的两个关键控气因素,面积和资源丰度(两者之积为煤层气资源量)对目标区的经济价值也具有决定性意义。同时,更为广泛的风
13、险地质要素也是目标区优选的重要依据。先前,煤层气有利区带优选多是采用定性研究方法,极大地影响到选区结果的准确性和科学性,在参评单元较多的情况下尤为如此。为此,有必要采用定性与定量相结合的评价思路,引入或发展适合于煤层气地质条件的定量评价方法,这也是煤层气地质选区从定性向定量方向发展的必由之路。控气因素的复杂性,使煤层气勘探开发充满了地质风险。要增强勘探的主动性、降低风险性和盲目性,就必须对种种可能的地质风险因素进行分析。其中,关键要素的筛选和各种要素之间相互作用程度的定量评价,乃是地质风险分析和有利区带优选的重点。一、方法体系 迄今为止,国内外煤层气有利区带优选评价多是采用传统的方法体系,即以
14、半定量性质的“综合评价标准”为核心,根据标准将评价单元对号入座,筛选出具有开发前景的评价单 107 元。例如:美国同行认为,具有前景的目标区应具备下列关键条件,即煤层原位气体含量250 立方英尺(约 7 m3),煤储层渗透率1 md,煤层割理较为发育,煤层单层厚度大于3-9 英尺(约 0.9-1.8 m),煤级为镜质组最大反射率 0.7-1.6,构造上处于稳定地块内的相对活动地带,有区域异常古地热场的影响,煤储层封盖条件良好;我国石油地质工作者 1994年提出包括基础参数、储集参数、物性参数三种类型和 12 个要素的煤储层评价标准(表 9-3);中国矿业大学 1996 年通过对山西南部地区煤层
15、气地质的研究提出了综合评价标准,包括含气性、煤储层、盖层、其它 4 类因素共 25 个要素。表 9-3 华北石油地质局(1995)煤储层综合评价标准 参数类型 参 数 评价标准 好 中 差 基础 参数 煤层厚度(m)单层 4 24 6 43 3 Ro,%0.71.6 0.50.7 或 1.62.0 2 煤岩类型 光亮煤 过渡类型 暗煤 密度,g/cm3 1.4 1.41.6 1.6 灰分产率,%低 中低 高 地层压力 超压 正常 负压 储量 参数 甲烷浓度,%95 8090 80 含气量,m3/t 10 510 5 吸附时间 短 中 长 郎格缪尔体积,m3/t 0.8 0.40.8 10 11
16、0 1 可以看出,传统方法体系中评价参数有向复杂化方向发展的趋势。这种趋势,一方面固然显示出对控气地质因素认识的不断深入,但另一方面却使实际操作的难度加大,评价的不确定性更为明显。同时,选区定量化这一必然发展趋势以及不同级别评价单元应采用不同评价标准这一根本问题,在实质上仍未得到解决。近年来,传统方法体系中的选区参数有向复杂化方向发展的趋势。这一方面固然显示出对控气地质因素认识的不断深入,但另一方面却使实际操作的难度加大,选区的不确定性更为明显,从而导致选区的科学性变差。与此同时,选区定量化这一必然发展趋势和不同级别评价单元应采用不同评价标准这一根本问题,在实质上仍未得到充分重视。如何在高度地
17、质研究的基础上实现“定性定量”的区带优选呢?控气的关键在哪些地质因素或要素呢?哪些要素可能量化而有望应用于定量评价,哪些要素在现有研究水平上尚难以量化而仅适用于定性的地质分析呢?通过什么样的线索将“定性与定量”和“较高层次单元与较低层次单元”的优选有机地结合起来呢?本项研究基于上述考虑,在对全国煤层气地质条件和前人经验教训进行系统分析的基础上,建立了新的评价体系,并成功地运用于我国煤层气资源评价的实践。在新的评价体系中,充分考虑了煤层气地质条件的模糊性和确定性双重特征,遵循地质研究(定性)定量排序(定量)地质分析(再定性)的辩证思路,平行采用两类基本方法进行区带优选(图 9-1)。第一类方法的
18、基本思想是关键地质风险因素的递阶优选,通过地质风险分析,筛选出对不同层次评价单元煤层气前景具有关键性控制作用的风险要素,进而按聚气带目标区靶区的递阶层次进行选区评价和优选,本项研究称之为“关键要素递 108 阶优选法”。第二类方法为“定量排序方法”,基于对关键风险要素和主要风险要素的考察,科学地确定各要素的相对重要性(权重),采用有关运算方法求算排序值,进而对评价单元的相对前景和类别进行分析研究。综合上述两类基本方法的研究成果,进一步对比分析各参评单元的煤层气地质特征,并最终优选出有利区带。图 9-1 中国煤层气有利区带优选方法体系框架思路 在评价体系的实施过程中,采用决策论中“层次分析”的科
19、学思想(王莲芬等,1990),围绕有利区带优选这一最终目标构建起递阶控制的层次结构模型(图 9-2)。模型由三个基本层次构成:目的层,即煤层气有利区带的优选;准则层,包括主要的地质风险因素和要素;方案层,为优选评价的对象。目的决定优选的准则,优选准则控制着区带的前景。正是依据这种递进控制原则,形成了我国煤层气资源评价的决策系统。对于目标区优选,由于关键要素较多且相对重要性各有不同,因此采用了进一步的递阶优选方法。二、关键要素递阶优选 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,某些因素是必须具备的充分条件,某些因素则仅是一种必要条件。换言之,地质风险因素中还存在
20、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;煤储层因素又可进一步区分为煤层几何因素和煤储层物性因素。其中,某些因素可以量化,具有可对比性和可操作性;某些因素则在目前的研究水平下难以量化,多用于进一步的地质分析。109 图 9-2 煤层气资源评价参数体系与层次结构模型 含气性因素由若干要素组成,如含气量、资源量、资源丰度、含气梯度、气体组成等。按换算关系,含气量和气体组成是基本要素或独立要素,其他要素均可根据基本要素和储层的几何要素和物性要素换算得出。然而,在煤层
21、气风化带之下,煤层气基本上均由烷烃气体组成,即气体组成要素在评价深度范围内已失去对比意义,在综合评价中多不予考虑。显然,含气量在目标区优选中起着“一票否决”的关键作用。应当指出,在总资源量中,一部分资源在现有开采工艺水平下或是不可采的,或开采成本极高而失去其经济价值,因此在今后的评价中应当对煤层气资源的可采性加以关注。煤储层因素煤储层因素的涵义极为广泛,既有几何要素又有物性要素,还有物质组成要素。几何要素和物质组成要素可被看做相互独立的要素,物性要素则是其综合作用的结果。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
22、括孔隙割理性、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、临储压力比等。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,应当高度重视。盖层因素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。迄今为止,国内对煤储层盖层的定义仍然不十分明了,当然更谈不上统一。有的人把煤层直接顶板看作盖层,有的人将煤层老顶作为盖层,有的人甚至把煤层上覆的所有煤系地层视为盖层,以致在实际工作中往往不具有可比性和可操作性。实际上,在整个盖层“系统
23、”中,煤储层的直接顶板对煤层气保存条件的影响最为显著,在常规天然气藏中往往数十厘米的低渗透性岩层(如泥岩、膏盐层)就可以形成有效盖层。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;构造煤层埋藏受热热演化历史控制着煤层气的生成保存 1
24、10 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。显而易见,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。五要素之间尽管互有联系,但却无法相互替代。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;渗透率受储层孔隙割理系统、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
25、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 9-4)。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 9-4 煤层气有利区带优选关键要素递进关系 评价单元 关 键 要 素 控气地质 级别 面 积 资源丰度 含气量 储层渗透率 临储压力比 背景 聚气带 目标区 靶 区 聚气带的前景评价,主要在于具有经济意义的“规模效应”,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
26、。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。此外,在一个聚气带范围内,含气量要素的变化显然远大于资源丰度,而且不能包括煤层厚度的概念,即资源丰度对于含气性更具有代表性。因此,相对于单要素“资源量”来说,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。但是,我国拥有试井渗透率资料的目标区仅有 30 余个,多数目标区目前尚无渗透率资料可资对比,
27、致使渗透率这一关键要素在全国性的目标区优选中难以应用。鉴于这种现状,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,从全国范围至局部范围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。对于拥 有试井渗透率的目标区,仍可行使渗透率的一票否决权。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,临界解吸压力与储层初始压力之比(临储压力比)对于煤层气
28、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,聚气带评价中被否决的评价单元在原则上不参加目标区优选,111 目标区评价中被否决的评价单元原则上在靶区优选中不予考虑。这一基本原则,同样也适用于评价单元的计算机定量排序。应当强调,在由聚气带至靶区的优选评价中,应该始终贯彻对不易量化的控气地质背景因素的分析,但是对于不同级别的评价单元应该有所侧重。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、
29、储盖组合、水文地质条件等给以更多的关注。然而,在经由关键风险因素逐级初选出的评价单元之间,某些单要素的实际值有交叉产出的现象。同时,某些非关键的要素及其组合同样对评价单元的前景具有一定的控制作用。在这种情况下,仅依据简单的或人为的判断,不仅操作难度较大,而且往往会得出失之偏颇的结论,故需要引入某些定量研究方法,如风险系数分析法、最大距离法、层次分析法等,以增强区带优选的可操作性及科学性。不言而喻,随着递进程序的推进,定量排序参数的种类相对趋于完善,参数的综合性越高,代表性越强,评价结果与实际情况越为接近。因此,在目标区前景的确定中,应以后面步骤的评价结果为准,但前面步骤的结果也是确定目标区前景的重要依据。