基于煤层气井生产数据的储层含气量校正新方法

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.026

摘要/Abstract

摘要：

勘探实践发现沁水盆地潘庄、潘河区块及鄂尔多斯盆地保德区块煤层气井累计产量远远大于原始计算的地质探明储量。该现象对体积法计算的煤层气资源储量提出了挑战,同时为全面“上储增效”提出了新的方向。在采用体积法计算煤层气储量时,含气面积、含气量的准确性以及煤岩密度与煤层厚度的非均质特征都会对储量参数的准确性产生影响。其中,由于取心测试过程的局限性,煤层含气量的数值常存在一定的误差。本次研究基于鄂尔多斯盆地和沁水盆地的煤层气井生产数据并结合等温吸附实验结果提出了计算储层临界最低含气量的方法(临界最低法)。将校正后的临界最低含气量与实测含气量(基于美国矿业局直接法(USBM)和史密斯-威廉姆斯法)进行对比,并剖析含气量测试损失量的地质控制机理。结果表明:在中低至中高煤阶(R_o=0.7%~2.1%)范围,临界最低法计算的含气量总体高于其它两种方法计算的含气量,临界最低法在中低煤阶至中高煤阶具有较强的适应性。在高煤阶(R_o=2.1%~2.8%)范围,临界最低法计算结果可以与取心测试结果相互验证。总体上,煤层含气量测试(USBM法)损失量受不同煤阶煤岩孔裂隙发育特征、煤体结构、含气饱和度及逸散时间的影响。含气量测试损失量与孔渗发育特征、构造煤发育程度、含气饱和度及逸散时间呈正相关。此外,针对未取心的煤层气井,可以采用钻井岩屑测试等温吸附参数进而利用临界最低法求取储层含气量,为煤层气进一步的勘探开发提供数据基础。

关键词: 含气量, 临界最低含气量, 校正方法, 生产数据, 煤层气

Abstract:

It is found that the cumulative production of coalbed methane wells in some coalbed methane (CBM) blocks (Qinshui basin: Panzhuang and Panhe CBM blocks; Ordos basin: Baode CBM block) is far greater than the original calculated geological proven reserve.This phenomenon has made a challenge on the calculated geological reserve by volume method, and put forward a new way for the overall increase of geological reserve.In the CBM reserve calculation by volume method, the accuracy of gas-bearing area and gas content, as well as the heterogeneity of coal density and thickness would all affect the accuracy of reserve parameters.Due to the limitation of coring and analysis, errors are common exist in the calculation of gas content.In this study, a minimum critical gas content calculation method (Critical Minimum Method) was proposed, based on the production data and coal isothermal adsorption experimental data from CBM wells in the Ordos and Qinshui basins.Then, the calculated critical minimum gas content was compared with the measured gas content, according to the direct measurement method proposed by the United States Bureau of Mines (USBM) and the Smith-Williams method.The geologic controlling mechanism of the D-value between the gas contents (based on USBM and Critical Minimum Method) was also analyzed.The results show that in the medium-low to medium-high coal ranks (R_o= 0.7%-2.1%), the gas content calculated by the Critical Minimum Method is generally higher than that by the USBM and Smith-Williams method.The Critical Minimum Method shows strong adaptability in this coal rank range.In the range of high coal ranks (R_o=2.1%-2.8%), the results by Critical Minimum Method can serve as mutual support with the coring sample measurement results.Generally, the D-value between these two gas contents (based on USBM and Critical Minimum Method) is affected by the pore/fracture development characteristics in different coal ranks, coal structure development, gas saturation, and escape time of the coring process.The D-value is positively correlated with the porosity and permeability, coal structure development, gas saturation and escape time.In addition, for the CBM wells with no cores collected, drilling cuttings can be used for isothermal adsorption parameters measurement.Gas content of coal reservoir can be obtained by the Critical Minimum Method, which can provide a data basis for further CBM exploration and development.

Key words: gas content, critical minimum gas content, correction method, production data, coalbed methane

中图分类号:

P618.1
TE155

闫涛滔, 郭怡琳, 孟艳军, 常锁亮, 金尚文, 康丽芳, 付鑫宇, 王青青, 赵媛, 张宇. 基于煤层气井生产数据的储层含气量校正新方法[J]. 现代地质, 2022, 36(05): 1360-1370.

YAN Taotao, GUO Yilin, MENG Yanjun, CHANG Suoliang, JIN Shangwen, KANG Lifang, FU Xinyu, WANG Qingqing, ZHAO Yuan, ZHANG Yu. Coal Reservoir Gas Content Correction Based on Coalbed Methane Well Production Data[J]. Geoscience, 2022, 36(05): 1360-1370.

图/表 10

图1 煤层气研究区块位置简图 (a)临兴区块、柳林区块、韩城区块;(b)安泽区块

Fig.1 Sketch location map of the CBM study block

表1 各煤层气区块样品基础参数

Table 1 Basic sample parameters from each CBM block

区块	样品号	埋深/m	煤体结构	含气量 /(cm³·g^-1)	R_o/%	孔隙度/%	渗透率 /10^-3μm²	镜质组/%	惰质组/%	壳质组/%
临兴	LX1-1	1 090.40	碎裂	6.63	0.71	4.67	0.30	72.32	8.59	19.09
	LX1-2	1 088.52	碎裂	4.43	0.70	4.67	0.30	—	—	—
	LX1-3	1 092.15	碎裂	5.92	0.73	4.67	0.30	—	—	—
	LX1-4	1 086.52	碎裂	4.48	0.72	4.67	0.30	—	—	—
	LX1-5	1 084.11	碎裂	3.15	0.72	4.67	0.30	47.47	15.86	36.67
	LX2-2	893.73	—	4.04	0.92	5.96	0.19	60.40	19.80	19.80
	LX2-3	899.83	—	3.94	0.90	5.96	0.19	50.82	18.81	30.37
	LX2-4	888.48	—	2.60	0.94	5.96	0.19	64.49	17.65	17.86
	LX2-5	896.15	—	4.55	0.95	5.96	0.19	76.97	13.88	9.15
	LX2-6	886.45	—	3.15	0.96	5.96	0.19	77.18	16.17	6.65
	LX3-4	977.18	碎裂	5.51	0.80	12.58	0.62	17.22	54.74	28.04
柳林	LL4-1	579.66	碎裂	6.62	1.25	0.52	0.64	75.60	24.40	0
	LL4-3	640.65	碎裂	10.25	1.50	0.74	0.06	76.80	23.20	0
	LL5-1	560.45	碎粒	6.63	1.69	—	0.16	—	—	—
	LL5-2	577.30	碎粒	6.71	1.65	—	0.06	—	—	—
	LL5-3	632.43	碎粒	7.59	1.66	—	0.10	—	—	—
	LL6-1	870.80	碎粒	6.49	1.66	5.65	1.39	55.20	11.20	33.60
	LL6-2	882.45	碎粒	7.07	1.65	4.76	0.14	12.70	8.30	79.00
	LL7-3	623.85	碎裂	9.35	—	7.5	0.42	56.80	30.30	12.90
	LL8-1	954.80	原生	9.40	1.45	4.95	—	73.70	12.40	13.90
	LL8-2	964.40	原生	8.75	1.54	4.81	0.07	61.50	26.30	12.20
	LL8-4	973.10	碎裂	8.63	1.56	4.86	0.21	83.80	8.50	7.70
韩城	HC1-2	504.86	碎粒	5.63	1.92	—	—	98.24	1.76	0
	HC1-4	534.29	碎粒	9.10	1.93	—	—	82.29	17.71	0
	HC1-6	534.59	碎粒	7.14	1.93	—	—	87.60	12.40	0
	HC2-3	1 051.67	碎裂	9.14	2.12	—	0.24	—	—	—
	HC2-5	1 066.58	碎裂	12.19	2.06	—	0.24	—	—	—
	HC2-8	1 068.38	碎裂	11.28	2.12	—	0.24	—	—	—
安泽	AZ1-3	1 047.18	原生	23.62	2.72	3.38	0.10	85.30	14.70	0
	AZ1-7	1 049.70	原生	22.69	2.87	1.32	0.10	81.60	18.40	0
	AZ2-1	1 419.05	碎裂	15.21	2.02	0.72	0.02	79.40	20.60	0
	AZ2-4	1 427.30	碎裂	16.11	2.06	2.10	0.02	70.00	30.00	0
	AZ5-2	970.70	碎裂	15.67	2.12	3.95	0.09	80.70	19.30	0
	AZ5-4	971.40	碎裂	15.16	2.10	4.76	0.09	79.60	20.40	0

表1 各煤层气区块样品基础参数

Table 1 Basic sample parameters from each CBM block

区块	样品号	埋深/m	煤体结构	含气量 /(cm³·g^-1)	R_o/%	孔隙度/%	渗透率 /10^-3μm²	镜质组/%	惰质组/%	壳质组/%
临兴	LX1-1	1 090.40	碎裂	6.63	0.71	4.67	0.30	72.32	8.59	19.09
	LX1-2	1 088.52	碎裂	4.43	0.70	4.67	0.30	—	—	—
	LX1-3	1 092.15	碎裂	5.92	0.73	4.67	0.30	—	—	—
	LX1-4	1 086.52	碎裂	4.48	0.72	4.67	0.30	—	—	—
	LX1-5	1 084.11	碎裂	3.15	0.72	4.67	0.30	47.47	15.86	36.67
	LX2-2	893.73	—	4.04	0.92	5.96	0.19	60.40	19.80	19.80
	LX2-3	899.83	—	3.94	0.90	5.96	0.19	50.82	18.81	30.37
	LX2-4	888.48	—	2.60	0.94	5.96	0.19	64.49	17.65	17.86
	LX2-5	896.15	—	4.55	0.95	5.96	0.19	76.97	13.88	9.15
	LX2-6	886.45	—	3.15	0.96	5.96	0.19	77.18	16.17	6.65
	LX3-4	977.18	碎裂	5.51	0.80	12.58	0.62	17.22	54.74	28.04
柳林	LL4-1	579.66	碎裂	6.62	1.25	0.52	0.64	75.60	24.40	0
	LL4-3	640.65	碎裂	10.25	1.50	0.74	0.06	76.80	23.20	0
	LL5-1	560.45	碎粒	6.63	1.69	—	0.16	—	—	—
	LL5-2	577.30	碎粒	6.71	1.65	—	0.06	—	—	—
	LL5-3	632.43	碎粒	7.59	1.66	—	0.10	—	—	—
	LL6-1	870.80	碎粒	6.49	1.66	5.65	1.39	55.20	11.20	33.60
	LL6-2	882.45	碎粒	7.07	1.65	4.76	0.14	12.70	8.30	79.00
	LL7-3	623.85	碎裂	9.35	—	7.5	0.42	56.80	30.30	12.90
	LL8-1	954.80	原生	9.40	1.45	4.95	—	73.70	12.40	13.90
	LL8-2	964.40	原生	8.75	1.54	4.81	0.07	61.50	26.30	12.20
	LL8-4	973.10	碎裂	8.63	1.56	4.86	0.21	83.80	8.50	7.70
韩城	HC1-2	504.86	碎粒	5.63	1.92	—	—	98.24	1.76	0
	HC1-4	534.29	碎粒	9.10	1.93	—	—	82.29	17.71	0
	HC1-6	534.59	碎粒	7.14	1.93	—	—	87.60	12.40	0
	HC2-3	1 051.67	碎裂	9.14	2.12	—	0.24	—	—	—
	HC2-5	1 066.58	碎裂	12.19	2.06	—	0.24	—	—	—
	HC2-8	1 068.38	碎裂	11.28	2.12	—	0.24	—	—	—
安泽	AZ1-3	1 047.18	原生	23.62	2.72	3.38	0.10	85.30	14.70	0
	AZ1-7	1 049.70	原生	22.69	2.87	1.32	0.10	81.60	18.40	0
	AZ2-1	1 419.05	碎裂	15.21	2.02	0.72	0.02	79.40	20.60	0
	AZ2-4	1 427.30	碎裂	16.11	2.06	2.10	0.02	70.00	30.00	0
	AZ5-2	970.70	碎裂	15.67	2.12	3.95	0.09	80.70	19.30	0
	AZ5-4	971.40	碎裂	15.16	2.10	4.76	0.09	79.60	20.40	0

图2 USBM法测煤层含气量原理图(据Kissel等[6]修改)

Fig.2 Principle diagram for coal sample gas content measurement of USBM method (modified after Kissel et al.[6])

图3 史密斯-威廉姆斯法VCF、STR和LTR关系图版 (据Smith和Williams[7]修改)

Fig.3 Diagram of the VCF, STR and LTR parameters in Smith-Williams method (modified after Smith and Williams[7])

图4 典型煤层气井排采曲线阶段划分

Fig.4 Phase division of typical CBM well production curve

图5 煤层气产出阶段压力传播动态特性(据Yan等[27]修改) (a)煤层气产出排水降压阶段;(b)煤层气产量缓慢上升阶段;(c)煤层气稳定产出阶段

Fig.5 Dynamic characteristics of pressure propagation in the different production stages (modified after Yan et al.[27])

表2 含气量计算参数

Table 2 Parameters for gas content calculation

区块	样品号	逸散时间/min	解吸25% 气量的时间 /min	兰氏压力/MPa	兰氏体积/ (cm³·g^-1)	初始见气流压/MPa
临兴	LX1-1	11.00	33.64	3.02	16.84	2.936
	LX1-2	12.50	110.00	2.81	14.26	2.936
	LX1-3	12.50	78.00	1.72	14.75	2.936
	LX1-4	16.00	51.00	2.59	17.35	2.936
	LX1-5	12.50	29.50	3.13	11.03	2.936
	LX2-2	—	—	2.55	12.50	1.682
	LX2-3	—	—	2.26	14.44	1.682
	LX2-4	—	—	2.06	11.55	1.682
	LX2-5	—	—	1.46	11.55	1.682
	LX2-6	—	—	2.31	12.67	1.682
	LX3-4	25.50		2.74	16.79	2.276
柳林	LL4-1	10.80	30.00	3.52	20.94	2.603
	LL4-3	8.13	81.00	1.67	25.53	2.603
	LL5-1	—	—	2.33	22.66	2.660
	LL5-2	—	—	1.40	20.48	2.660
	LL5-3	—	—	1.50	21.26	2.660
	LL6-1	12.60	42.00	2.33	22.81	1.960
	LL6-2	11.93	43.00	1.93	22.70	1.960
	LL7-3	—	—	1.84	17.08	4.700
	LL8-1	13.80	61.00	2.29	19.60	2.200
	LL8-2	11.51	43.00	2.55	19.48	2.200
	LL8-4	18.44	64.00	2.26	19.87	2.200
韩城	HC1-2	14.25	57.00	1.95	15.54	4.040
	HC1-4	10.40	170.00	2.49	25.81	4.040
	HC1-6	15.15	62.00	2.06	20.34	4.040
	HC2-3	13.00	18.00	2.04	25.89	2.650
	HC2-5	19.24	31.00	2.08	26.14	2.650
	HC2-8	10.82	18.00	2.17	29.40	2.650
安泽	AZ1-3	9.96	265.00	2.22	32.82	4.120
	AZ1-7	13.09	190.00	2.33	32.40	4.120
	AZ2-1	14.86	30.00	2.10	26.24	3.420
	AZ2-4	15.61	152.00	2.04	24.56	3.420
	AZ5-2	8.98	79.00	2.05	26.96	3.750
	AZ5-4	9.34	56.00	1.88	28.36	3.750

表3 不同方法计算含气量结果对比

Table 3 Gas content results calculated by different methods

样号	含气量/(cm³·g^-1)			相对含气量测试差异/%			绝对含气量测试差异/(cm³·g^-1)
样号	V_U	$V S W$	V_C	V_C与V_U	V_C与 $V S W$	$V S W$ 与V_U	V_C与V_U	V_C与 $V S W$	$V S W$ 与V_U
LX1-1	6.63	6.80	8.30	25.21	22.08	2.50	1.67	1.50	0.17
LX1-2	4.43	4.88	7.29	64.48	49.31	9.22	2.86	2.41	0.45
LX1-3	5.92	6.75	9.30	57.11	37.87	12.25	3.38	2.55	0.83
LX1-4	4.48	5.55	9.22	105.76	66.00	19.32	4.74	3.67	1.07
LX1-5	3.15	4.18	5.34	69.48	27.75	24.63	2.19	1.16	1.03
LL4-1	6.62	8.45	8.90	34.46	5.37	21.63	2.28	0.45	1.83
LL4-3	10.25	11.21	15.55	51.72	38.76	8.54	5.30	4.34	0.96
LL6-1	6.49	8.04	10.42	60.58	29.66	19.25	3.93	2.38	1.55
LL6-2	7.07	8.49	11.44	61.78	34.76	16.70	4.37	2.95	1.42
LL8-1	9.40	9.50	9.60	2.17	1.09	1.05	0.20	0.10	0.10
LL8-2	8.75	8.90	9.02	3.11	1.37	1.69	0.27	0.12	0.15
LL8-4	8.63	9.10	9.80	13.57	7.71	5.16	1.17	0.70	0.47
HC1-2	5.63	6.77	10.48	86.16	54.78	16.86	4.85	3.71	1.14
HC1-4	9.10	9.68	15.97	75.50	64.95	6.02	6.87	6.29	0.58
HC1-6	7.14	8.52	13.47	88.63	58.15	16.16	6.33	4.95	1.38
HC2-3	9.14	14.12	14.63	60.06	3.58	35.28	5.49	0.51	4.98
HC2-5	12.19	13.20	14.65	20.15	10.96	7.65	2.46	1.45	1.01
HC2-8	11.28	15.40	16.16	43.30	4.96	26.75	4.88	0.76	4.12
AZ1-3	23.62	24.32	21.33	-9.70	-12.32	2.89	-2.29	-3.00	0.70
AZ1-7	22.69	23.99	20.70	-8.79	-13.72	5.40	-1.99	-3.29	1.30
AZ2-1	15.21	20.72	16.26	6.89	-21.53	26.58	1.05	-4.46	5.51
AZ2-4	16.11	17.47	15.38	-4.51	-11.96	7.80	-0.73	-2.09	1.36
AZ5-2	15.67	17.24	17.43	11.24	1.12	9.10	1.76	0.19	1.57
AZ5-4	15.16	17.39	18.89	24.60	8.64	12.81	3.73	1.50	2.23

表3 不同方法计算含气量结果对比

Table 3 Gas content results calculated by different methods

样号	含气量/(cm³·g^-1)			相对含气量测试差异/%			绝对含气量测试差异/(cm³·g^-1)
样号	V_U	$V S W$	V_C	V_C与V_U	V_C与 $V S W$	$V S W$ 与V_U	V_C与V_U	V_C与 $V S W$	$V S W$ 与V_U
LX1-1	6.63	6.80	8.30	25.21	22.08	2.50	1.67	1.50	0.17
LX1-2	4.43	4.88	7.29	64.48	49.31	9.22	2.86	2.41	0.45
LX1-3	5.92	6.75	9.30	57.11	37.87	12.25	3.38	2.55	0.83
LX1-4	4.48	5.55	9.22	105.76	66.00	19.32	4.74	3.67	1.07
LX1-5	3.15	4.18	5.34	69.48	27.75	24.63	2.19	1.16	1.03
LL4-1	6.62	8.45	8.90	34.46	5.37	21.63	2.28	0.45	1.83
LL4-3	10.25	11.21	15.55	51.72	38.76	8.54	5.30	4.34	0.96
LL6-1	6.49	8.04	10.42	60.58	29.66	19.25	3.93	2.38	1.55
LL6-2	7.07	8.49	11.44	61.78	34.76	16.70	4.37	2.95	1.42
LL8-1	9.40	9.50	9.60	2.17	1.09	1.05	0.20	0.10	0.10
LL8-2	8.75	8.90	9.02	3.11	1.37	1.69	0.27	0.12	0.15
LL8-4	8.63	9.10	9.80	13.57	7.71	5.16	1.17	0.70	0.47
HC1-2	5.63	6.77	10.48	86.16	54.78	16.86	4.85	3.71	1.14
HC1-4	9.10	9.68	15.97	75.50	64.95	6.02	6.87	6.29	0.58
HC1-6	7.14	8.52	13.47	88.63	58.15	16.16	6.33	4.95	1.38
HC2-3	9.14	14.12	14.63	60.06	3.58	35.28	5.49	0.51	4.98
HC2-5	12.19	13.20	14.65	20.15	10.96	7.65	2.46	1.45	1.01
HC2-8	11.28	15.40	16.16	43.30	4.96	26.75	4.88	0.76	4.12
AZ1-3	23.62	24.32	21.33	-9.70	-12.32	2.89	-2.29	-3.00	0.70
AZ1-7	22.69	23.99	20.70	-8.79	-13.72	5.40	-1.99	-3.29	1.30
AZ2-1	15.21	20.72	16.26	6.89	-21.53	26.58	1.05	-4.46	5.51
AZ2-4	16.11	17.47	15.38	-4.51	-11.96	7.80	-0.73	-2.09	1.36
AZ5-2	15.67	17.24	17.43	11.24	1.12	9.10	1.76	0.19	1.57
AZ5-4	15.16	17.39	18.89	24.60	8.64	12.81	3.73	1.50	2.23

图6 各区块不同方法计算含气量结果对比

Fig.6 Comparison of gas content results calculated by different methods in each CBM block

图7 含气量测试损失的地质控制机理 (a)煤层含气量测试损失与反射率的关系;(b)煤层含气量测试损失与孔隙率的关系;(c)煤层含气量测试损失与渗透率的关系;(d)煤层含气量测试损失与煤体结构的关系;(e)煤层含气量测试损失与含气饱和度的关系;(f)煤层含气量测试损失与逸散时间的关系;(g)煤层含气量测试损失与镜质组含量的关系;(g)煤层含气量测试损失与惰质组含量的关系;(i)煤层含气量测试损失与壳质组含量的关系;(j)煤层含气量测试损失与埋深的关系

Fig.7 Geological controlling mechanism of D-value between two gas contents from USBM and Critical Minimum Method

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