致密气和煤层气联合开发选区量化评价新方法
白玉湖
中海油研究总院有限责任公司

作者简介:白玉湖,1976年生,高级工程师,博士;主要从事页岩油气、致密气、天然气水合物等非常规油气资源开发方面的研究工作。地址:(100028)北京市朝阳区太阳宫南街6号院中海油大厦B座304。电话:(010)84523729。ORCID: 0000-0002-0588-033X。E-mail: byh_2002@163.com

摘要

现有的致密气和煤层气联合开发选区评价方法存在着方法通用性不强、储量与储层物性等参数不能反映两气联采产量差异等问题。为此,以建立致密气和煤层气两气联采通用量化评价指标体系为目的,定义了两气联采有利区综合评价系数,以两气联采产量为评价目标,采用正交设计结合数值模拟手段,确定影响联采产量的关键参数及其对产量的影响程度,建立了两气联采开发选区量化评价新方法,并将新方法应用于鄂尔多斯盆地东缘KNW矿区的两气联采开发选区评价实践中。结果表明:①新方法建立和确定了两气地质赋存模式、关键评价参数及正交试验方案设计、评价参数对产量的影响程度、两气联采有利区综合评价系数等;②采用优选出的12个关键参数对KNW矿区两气联采开发选区的量化评价结果显示,该矿区南部、北部KNW-37井区为单采煤层气有利区,矿区内的KNW-10、KNW-33、KNW-9井区为单采致密气有利区,矿区中部和西南部为两气联采有利区。结论认为,所提出的致密气和煤层气联合开发选区量化评价新方法具有通用性,对两气联采开发选区具有参考意义。

关键词: 致密气; 煤层气; 联合开发; 选区; 量化评价; 有利区; 正交设计; 通用性; 产量差异; 鄂尔多斯盆地
A new quantitative evaluation method for development area selection of tight gas and CBM commingled production
Bai Yuhu
CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China
Abstract

Existing evaluation methods used for the development area selection of commingled production of tight gas and coalbed methane (CBM) are poorly universal and their parameters (e.g. reserves and reservoir physical properties) cannot reflect the production rate difference during commingled production of tight gas and CBM. In this paper, an integrated evaluation coefficient used for evaluating favorable commingled production areas of tight gas and CBM was defined so as to establish a universal quantitative evaluation index system. Then, by means of orthogonal design together with numerical simulation, the key parameters influencing the commingled production rate and their effect degree on the production rate were determined by taking the commingled production rate as the evaluation target. Finally, a new quantitative evaluation method for the development area selection of commingled production of tight gas and CBM was established. And the following research results were obtained. First, by virtue of the new quantitative evaluation method, the geological occurrence model of tight gas and CBM, the key evaluation parameter and the orthogonal experiment design are established, and the effect degree of evaluation parameters on production rate and the integrated evaluation coefficient of favorable commingled production area of tight gas and CBM are determined. Second, the quantitative evaluation results on the development areas of commingled production of tight gas and CBM in KNW Block based on 12 selected key parameters show that the southern KNW Block and the Well block KNW-37 in the north of KNW Block are the favorable areas for single production of tight gas, Well blocks KNW-10, KNW-33 and KNW-9 are the favorable areas for single production of CBM, and the central and southwestern areas are the favorable areas for the commingled production of tight gas and CBM. In conclusion, this new quantitative evaluation method is universal and can be used as reference for the development area selection of commingled production of tight gas and CBM.

Keyword: Tight gas; Coalbed methane; Commingled production; Area selection; Quantitative evaluation; Favorite area; Orthogonal design; Universal; Production rate difference; Ordos Basin
0 引言

近年来, 我国致密气和煤层气资源勘探开发规模不断扩大[1]。致密气储量在整个天然气储量中占有相当的比例, 具有广阔开发前景。但致密气藏开发表现出单井产量低, 不压裂无经济产量; 产量下降快, 稳产能力差; 开采速度和采收率都比较低等特点[2]。煤层气开发表现出排采周期较长, 需要压裂才能见产能, 除个别效益较好的区块之外, 部分煤层气井产量低[3, 4]

因此, 致密气和煤层气单独开发都或多或少地存在效益差的问题。为提高低品位非常规气的开发效益, 近几年, 一些学者提出“ 两气” 甚至“ 三气” 共采的想法[5, 6, 7], 并在一些区域付诸实施, 取得一定效果[8]

致密气和煤层气两气联采面临的首要问题就是开发选区问题, 只有在特定的两气叠置赋存条件下, 在合适的地质参数匹配条件下, 才有可能在地质上具备两气联采基础。围绕鄂尔多斯盆地、沁水盆地、黔西等煤储层发育地区, 针对两气联采地质选区开展了大量的研究工作[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16], 建立了相应的两气联采地质评价方法, 并针对两气的压裂裂缝扩展[17]、开发策略[18]、产量影响因素等开展研究工作[19], 取得一定成果。在两气联采开发选区评价方法方面, 多数学者针对特定区块以两气储量丰度、储层物性等为主要参数, 利用模糊评价或者多参数叠合建立两气联采有利区优选方法, 一方面存在方法通用不强、推广受限的问题; 另一方面, 储量、储层物性等参数无法直接表明两气联采的产量差异。为此, 本文以两气联采产量为目标, 建立两气联采开发选区通用的量化评价指标体系。

1 两气联采开发选区量化评价新方法

以建立两气联采通用量化评价指标体系为目的, 以两气联采产量为评价目标, 采用正交设计结合数值模拟手段, 确定影响两气联采产量的关键参数及其影响程度, 定义建立两气联采有利区综合评价系数, 从而建立两气联采开发选区量化评价新方法。新方法主要包括:建立两气地质赋存模式、关键评价参数及正交试验方案设计、评价参数对产量影响程度、两气联采有利区综合评价系数的建立等。

1.1 两气地质赋存模式

致密气和煤层气空间叠置模式非常复杂。在平面上, 有的区域发育致密气, 有的区域发育煤层气, 两气联采开发选区重点关注是致密气和煤层气同时发育的区域。在垂向叠置模式上, 存在着煤层气下伏在数层或者单层致密气之下的模式, 也存在着煤层气上覆在数层或者单层致密气之上的模式, 或者是煤层气和致密气均为多层分布且交互的赋存模式。如, 在鄂尔多斯KNW矿区, 4+5号煤层、7号煤层, 8+9号煤层为主要的煤层气赋存层位, 而主要致密气层, 如中二叠统下石盒子组8段、上石炭统太原组2段, 下二叠统山西组2段、上石炭统本溪组1段等则存在于这些煤层之上、之下或者在这些煤层之间, 两气赋存模式极其复杂。但在实际开发过程中, 应确定要开发的主力致密气和煤层气层位, 而后建立两气赋存模式, 按照致密气和煤层气的空间叠置模式, 对两气地质赋存模式进行归类总结, 如图1所示, 致密气和煤层气在垂向上的赋存模式可以简化为典型3种模式:模式A为致密气下伏在煤层气之下, 模式B为致密气上覆在煤层气之上, 模式C为致密气和煤层气交互分布。

图1 致密气和煤层气在垂向上的赋存模式图

1.2 关键评价参数优选及正交试验设计

在以产量为目标进行两气联采开发选区量化评价时, 需要优选出对产量具有较大影响的参数。评价参数的优选原则是:首先要能够实现量化备选参数和产量之间的关系, 即备选参数应该在油藏数值模拟程序中有所体现, 比如孔隙度, 渗透率等, 但矿物成分等则无法在油藏数值模拟程序中实现其对产量的影响分析; 其次, 这些备选参数在地质上是可获取的, 并能够实现其在平面或者纵向的分布规律。

影响两气联采产量因素众多。气藏因素为:如渗透率(绝对渗透率、气相有效渗透率)、气层厚度、孔隙度、含气饱和度、地层压力、兰氏压力、兰氏体积、煤层含气量等。流体因素为:如温度、压力、Z因子, 流体黏度、流体组分等。工程因素为:压裂裂缝半长、裂缝宽度、裂缝导流能力、裂缝间距等。生产因素为:工作制度、开发层系组合等。在联合开发选区阶段, 依据所能获得的参数及对产量影响程度, 综合确定关键评价参数。

在确定关键评价参数之后, 结合拟评价区块的参数分布范围, 采用正交设计方法, 实现以最少的模拟次数获得能够覆盖该区块可能的地质参数组合模式下的产量情况, 从而可对正交试验结果进行分析, 量化各关键参数对产量的影响程度。

1.3 两气联采有利区综合评价系数定义

在地质选区量化评价方法中, 常常采用灰色关联法、层次分析方法、专家打分法等, 但这些方法在应用中存在一些尚待改进之处, 灰色关联法考虑目标函数和其他因素之间的关联关系是基于统计方法, 难以注重各因素和目标函数的内在关系分析; 层次分析法则更加侧重从数学角度出发进行主次因素的判断, 其在描述物理机制方面有所欠缺; 专家打分法则更多依赖于专家经验, 主观性较强。此外, 在地质选区评价阶段, 先前研究更加侧重从储量和储层物性角度进行选区评价, 而无法系统从产量角度进行评价。本文则考虑各关键因素对产量的影响程度, 并把影响程度进行量化, 提出了两气联采有利区综合评价系数的概念, 通过比较该系数大小, 进行开发选区的量化评价。

两气联采有利区综合评价系数的定义如下:

式中I表示两气联采有利区综合评价系数, 无量纲; N表示所选取的关键参数的个数; wi表示第i个关键参数对产量的影响权重, 来源于正交试验结果, 无量纲, 若第i个关键参数和产量是正相关的关系, 则取正值, 否则取负值; Fi表示第i个关键参数, 比如渗透率、孔隙度、厚度、压力、兰氏压力等, 具体单位依赖于所选取的关键参数; Fimin表示研究区域第i个关键参数的最小值; Fimax表示研究区域第i个关键参数的最大值。

可见$\frac{F_{i}-F_{imin}}{F_{imax}-F_{imin}}$是对关键参数在所研究区域内进行归一化, 即可消除不同关键参数单位及量级上的差别, 平衡考虑每个参数的影响。I值越大, 表示越有利于两气联采, 利用两气联采有利区综合评价系数就能很方便地量化优选开发区。

2 两气联采开发选区量化评价新方法及其应用

以鄂尔多斯东缘KNW矿区为例, 根据所提出的基于产量为目标的致密气和煤层气联合开发选区量化评价新方法, 开展两气联采开发选区评价工作。

2.1 KNW矿区两气赋存模式

KNW矿区位于鄂尔多斯盆地东北部伊陕斜坡东北段、晋西挠褶带西北缘, 整体呈向西倾斜的平缓单斜。本区致密气主要产气层段为太2段和盒8段, 其次为盒1段、盒2段、盒4段、盒6段及盒7段等; 本区山西组和本溪组是区内的主要含煤地层, 山西组4+5号煤层和本溪组8+9号煤层为区内主煤层。鉴于本区8+9号煤层物性好于4+5号煤层, 且两气联采尚处于初步探索阶段, 考虑到两气联采探索试验由简入繁, 本次评价主要考虑8+9号煤层和致密气层的联合开采。因此, KNW矿区致密气和煤层气在垂向上的赋存模式则为图1中的模式B, 致密气上覆在煤层气之上。矿区内不同位置, 上覆在煤层气之上的致密气层数有所差异, 下文的数值试验分析中, 不考虑致密气各层之间、致密气层和煤层气之间窜流。

2.2 关键参数正交试验设计及权重分析

KNW矿区目前处于勘探评价阶段, 考虑地质、化验资料的可获取程度, 结合影响产量的主要因素分析, 优选出12个关键参数, 针对致密气储层, 主要考虑孔隙度、渗透率、含气饱和度、储层厚度、致密气层压力等5个关键参数; 针对煤层气储层, 主要考虑孔隙度、渗透率、厚度、含气量、兰氏体积、兰氏压力、煤层压力等7个参数。在该矿区内, 对这些关键参数值的分布范围进行统计(表1), 并建立12因素3水平的正交设计表, 共计27个试验案例。

表1 KNW矿区两气联采开发选区量化评价关键参数及正交试验设计表

在上述参数基础上, 以图1模式B为依据, 建立典型油藏数值模拟模型, 下部为煤层气, 上部为致密气层。针对27个试验案例进行计算, 以两气联采的累计产量作为目标函数, 对正交试验结果采用极差分析方法, 计算出每个关键参数对产量影响的权重如下:①致密气的孔隙度为8.74%、渗透率为10.28%、含气饱和度为9.63%、厚度为23.50%、气层压力为10.70%; ②煤层气的孔隙度为1.67%、渗透率为6.74%、厚度为3.49%、含气量为6.31%、兰氏体积为4.91%、兰氏压力为7.02%、煤层压力为7.01%。

2.3 两气联采有利区综合评价系数

在确定了每个关键参数对产量影响的权重基础上, 利用式(1)即可得到适用KNW矿区的两气联采有利区综合评价系数, 即

式中φ tg表示致密气层孔隙度; Ktg表示致密气层渗透率, mD; Stg表示致密气层含气饱和度; htg表示致密气层厚度, m; pitg表示致密气层初始地层压力, MPa; φ c表示煤层孔隙度; Kc表示煤层渗透率, mD; hc表示煤层厚度, m; Vg表示煤层含气量, m3/t; VL表示兰氏体积, m3; pL表示兰氏压力, MPa; pic表示煤层原始地层压力, MPa; 下标max和min分别表示相应参数在研究区内的最大值和最小值。

在式(2)中, 由于两气联采的产量随着煤层孔隙度的增加而减少, 因此煤层孔隙度参数所对应的权重为负值。式(2)的前5项之和代表致密气层的综合评价系数, 其和越大的区域, 表示越有利于致密气开发; 后7项之和代表煤层气的综合评价系数, 其和越大的区域, 表示越有利于煤层气开发; 两气联采有利区综合评价系数越大的区域, 则表示两气联采越有利。

2.4 KNW矿区两气联采开发区量化评价

对KNW矿区主力致密气层的5个关键参数进行分别成图再叠合, 可得到累计厚度、加权平均含气饱和度、加权平均孔隙度、加权平均渗透率、加权平均储层压力等分布; 同样, 对8+9号煤层的7个关键参数也分别进行成图再叠合。图2以致密气层及煤层累计厚度分布等值线为例, 其他参数不再累赘。在此基础上, 利用公式(2)进行两气联采有利区综合评价系数的计算。图3给出了综合评价系数中前5项之和, 即致密气关键参数部分的综合评价系数, 可见, 单从致密气开发角度而言, KNW-10井、KNW-33井所在的中部区域, KNW-9井所在的西南部分为有利区域。图4给出了综合评价系数后7项之和, 即煤层气关键参数部分的综合评价系数, 可见单从煤层气开发角度而言, 本矿区的南部区域, 北部KNW-37井所在区域为有利的煤层气开发区域。图5给出了该矿区两气联采有利区综合评价系数, 可见, 从两气联采的角度出发, 矿区的中部和西南部为两气联采的有利区。采用本文提出的两气联采有利区综合评价系数, 不仅能在平面上定量刻画出两气联采的有利区, 而且还可以对两气联采的推荐井位按照优劣性进行排序, 达到量化评价的目的。

图2 KNW矿区致密气层和煤层累计厚度等值线图

图3 KNW矿区致密气综合评价系数图

图4 KNW矿区8+9号煤层综合评价系数图

图5 KNW矿区致密气和煤层气两气联采综合评价系数图

3 结论

1)以建立致密气和煤层气两气联采开发区优选通用量化评价指标体系为目的, 以两气联采产量为评价目标, 提出了两气联采开发选区量化评价新方法。

2)定义了两气联采有利区综合评价系数, 通过对关键参数采用正交试验设计, 结合数值模拟手段, 确定关键参数及其对产量的定量影响程度, 从而通过评价两气联采有利区综合评价系数, 即可进行开发区优选及对两气联采的推荐井位按照优劣性进行排序。

3)以鄂尔多斯盆地东缘KNW矿区为例, 优选出该矿区单采致密气的有利区, 单采煤层气的有利区, 以及进行两气联采的有利区, 可指导该矿区的两气联采开发试验。

The authors have declared that no competing interests exist.

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