煤层气井评价指标体系及评价方法_崔连训.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.3 Jun.2014 COAL GEOLOGY 2.燕山大学石油工程系，河北秦皇岛066004 摘要煤层气井产量受控因素较多，经济上存在着较大的风险性．通过分析煤层气井产量的影响 因素，优化出13项评价指标，把定性和定量指标进行标准化处理，建立了指标体系。合理设计递 阶结构模型，采用层次分析法进行定量坪价，形成了一套完善的煤层气并评价方法和体系。通过 晋城、韩城矿区实际资料的应用，效果良好，为煤层气高产井的部署和实施提供了依据． 关键词煤层气；指标体系；层次分析；评价方法；测井响应 中图分类号P6l8.l3文献标识码ADOI I 0.3969/j. issn.l001-1986.2014.03 .006 uation index system and of coalbed methane wells CUI Lianxun1, SHAO Xianjie2, DONG Xinxiu2, WU Ze2, LI Shicai2, WANG Haiyang2, XU Hao2 1. No.2 Oil Production Factory of Henan Oilfield, SINOPEC, Nanyang 473400, China; 2. Department of Petroleum Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China Abstract There are many factors controlling CBM well production and relatively high economic risk. Through the analysis of the influencing factors on production of coalbed methane wells, 13 inds are optimized. By standardi- zing the qualitative and quantitative inds, the index system is established. With the reasonable designation of hierarchical structure model and usage of analytic hierarchy process for quantitative uation, a set of perfect uation and system of coalbed methane wells is ed. The application of practical data in Jincheng mining area has produced good results. The research results provide a basis for the improvement of success rate of highly productive coalbed methane wells and optimizing production measure. Key words coalbed methane; index system; analytical hierarchy process; uation ; logging response 经过十多年的探索，我国煤层气开发取得了突 破性的进展［I）嘈但是由于煤层气井的产量受控因素 多，在经济上存在着比较大的风险性。如何建立高 产井的预测指标，提高高产井的部署成功率，是提高 煤层气开发经济效益的一项重要技术。本文通过对煤 层气高产井生产特征及影响因素的分析，采用层次分 析法建立了高产煤层气井的指标体系，实际应用中取 得了比较好的效果。 1 煤层气井产量影晌因素 1.1 煤层厚度的影晌 通常情况下，煤层厚度越大，气源越丰富，供 在言能力越强，产量越高［2-3）。根据韩城试验区的资料 统计，煤层厚度小于Sm的7口井中，有4口井为 低产井，3n为中产井，没有高产井；煤层厚度5～8m 的8口井中，高产井4口，中产井3口，低产井l 收稿日期2013-02- 15 口；煤层厚度三8m的14口井中，高产井8口，中 产井5口，低产井2口。由此可见，随着煤层厚度 的增大，日产气量呈升高趋势。 1.2 煤储层物性的影晌 煤储层物性对产量影响比较大，特别是渗透率 对煤层气井产量起着至关重要的作用［3）。Tyler等［4 根据国外资料研究认为，煤层气高产井区一般位于 渗透率（0.5～IOOx10-3 旷的地区，渗透率过低或者 过高都不利于煤层气井生产。 我国煤储层渗透率一般为（0.010～16.100） 10-3m2，比国外的低很多。根据收集到的生产资料， 表现出孔隙度、渗透率高，产量高的特点。 1.3 含气量的影晌 含气量越高，气井投产后的产能越高［5）。根据 对韩城矿区资料的统计，含气量大于10m3/t的井 区，高产气井占50，中产气井占40；含气量低 基金项目同家科技重大专项课题（201IZX05038-001）；同家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2009CB219604 作者简介崔连训（1968一），男，山东荷泽人，高级「－程师，从事油气田开发与管理工作． ChaoXing 第3期崔连训等煤层气井评价指标体系及评价方法 27 于8m3/t的井区，80属低产气井；含气量为8～10 m3/t的井区主要以中产气井为主。含气量高的井区 不仅表现出稳产期平均日产气量高，而且稳定，稳 产时间也长。 1.4 煤岩类型的影晌 不同的煤岩类型固定碳含量不同，孔隙度、渗 透率不同，吸附量不同，从而影响到单井产量。 光亮煤，内生裂隙发育，密度小，灰分含量低， 含气量高。半亮煤，内生裂隙较发育，密度较小， 灰分含量低，相对于光亮煤其结构不均一，含气量 较高。半暗煤，密度较大，内生裂隙不发育，灰分 含量较高，含气量较低。暗淡煤，密度大，内生裂 隙不发育，矿物质含量高，含气量低。 根据此、水盆地的实验资料，晋城成庄矿3号煤 层中光亮煤的渗透率为0.0310-3 m2，暗淡煤的渗 透率仅为0.005 410-3 m2，二者相差5.6倍。 1.5 煤岩工业组分的影晌 煤岩工业组分中的固定碳微孔隙发育 ，比表面 积大，吸附能力强［6］，随着固定碳含量的增加，含 气量增大，基质的渗透率也相对高 ，投产后的产量 一般也较高。根据韩城矿区的实验结果，含气量与 煤岩中的固定碳含量呈正相关（图1），与灰分含量呈 负相关（图2）。 18 . 16 Q 0.021 v,.rn＇协＂. 14 R 0.773 7 . [12 法 JO .E 忘8 . . ,,.. ... . 6 唱’ . . ’ 4 . . - 2 . 。。 20 40 60 80 JOO V,c,J 图l含气量与固定碳含量的关系图 Fig. I Relationship between gas content and fixed car也oncontent 18 . 16 . Q J 3.97e斗＇02ψ＂＂ 14 .. R 0.793 5 [12 .. 气a’‘公I；司.’ - -JO I o . ... ’ . 6 . .. . . .. .. .. 4 2 . 。 。20 40 60 80 V,.,,l“A‘ 图2含气量与灰分含量的关系因 Fig.2 Relationship between gas content and ash content 1.6 微裂隙和割理的影晌 煤储层属双孔隙介质结构，煤层气是吸附在煤 基质颗粒的微孔内［5］＇其生产需要经过排水降压一 解吸一扩散一渗流等过程［3］，该过程是一个压力不 断降低，煤层气连续解吸和排出的过程。割理和微 裂隙在渗流过程中起着主导作用，没有割理和微裂 隙，煤层气几平不可能读流至井底。根据沁水盆地 的实验资料［71,71路安王庄矿样品的割理密度为760 条Im，实验渗透率为0.37410-Jm2；霍州白龙矿样 品的割理密度为156条Im，实验渗透率为 0.158xl0-3m2，介休两渡矿样品的割理密度104条Im, 实验渗透率0.0058410-Jm2。从上述实验结果看， 随着割理密度的增加，渗透率增大。 1.7 水文地质条件的影晌 水文地质条件不仅是煤层气保存及形成超ffi储 层的主要因素，而且对煤层气的产量影响很大。根 据地下水的流动状态，煤层气井的水文地质条件可 分为4种类型［SJa.补给边界类型。煤层气井若通 过断层与地表水或其它相邻地下水层相沟通，这些 压力系统中的水就会通过断层补给给煤储层，影响 排水降压。这类井多为低产井。b.越流补给类型。 煤层的顶板或底板为弱透水层，且其相邻的地层为 含水层，煤储层存在越流补给。这类井多为低产井 或不产气井。c.阻隔边界类型。排水降压过程中， 当压降漏斗扩展至阻隔边界时，不再向远处发展， 产量开始进入递减期。这类井的稳产期往往比较短。 d.无限边界类型。这类煤层气井单井控制面积近似 无限大。随着抽水时间的延续，降落漏斗在三维空 间上不断扩展，甲烧连续不断地解吸、排出。这类 井往往有比较长的稳产期，多为高产井。 由上述分析可以看出，水文地质条件为越流补 给型和补给边界型的煤层气井产量较差，无限边界 型最优，阻隔边界型中等［9］。 1.8 测井晌应关系 根据取心井资料统计了固定碳含量与补偿密度 测井和补偿声波时差视rJ井参数之间的响应关系，随 着固定碳含量的增加，补偿密度测井值降低（图3）、 补偿声波时差测井值升高（图的。 补偿密度（DEN测井与固定碳含量（Vrco）之间 的统计关系式为 DEN＝一0.6361 Jn Vrco 4.143 R 0.748 l 补偿声波时差（AC测井与同定碳含量之间的统 计关系式为 AC 244.69eo.001 svco R 0.641 9 ChaoXing 28 煤田地质与勘探第42卷 2.4 2.2 2.0 t口1.8 也J 辛1.6 主 这1.4 1.2 1.0 0.8 DEN -0.636 I Ln f,rn 4 143 R O 748 I ；；＂－工 . ．、 ．、 ... .. ..- 、．． 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 lrci,1 罔3同定碳含量与补偿密度测井的响应关系 Fig.3 Relationship between fixed carbo口contentand compensated density logging response 550 500 450 的400 “ u 350 T吃 300 250 200 JO AC244.69巳0007“,, ’3 R 0.641 9 . . 30 . . .. . . 50 V,-rnlo/o . . . .. 、 70 90 图4固定碳含量与补偿声波测井的响应关系 Fig.4 Relationship between fixed carbon content and compensated sonic logging response 井径测井反映了煤岩的扩径率（扩径率等于井 径与钻头直径的差与钻头直径比值的百分数），根据 矿场资料统计，扩径率与煤岩性质有关，光亮煤和 半亮煤扩径率高，半暗煤和暗淡煤的扩径率低，害。 理发育的煤层扩径率高。 根据矿场资料统计，随着煤层含气量的增加大， 补偿中子测井值升高［OJ，反之则降低。 煤岩性质、工业组分、含气量与测井曲线之间 的良好响应关系为视Ij井评价煤储层奠定了基础［］。 2 煤层气井评价指标体系建立 通过前面的分析可知，影响煤层气井产量的因 素很多。首先列出尽可能多、尽可能全的指标，然 后逐一分析，相互比较，排除那些有交叉、有重复、 意义不明确、参数录取困难的指标，从中确定出最 优化指标。本次共确定评价指标13项（表I）煤岩 类型、煤层厚度、割理密度、孔隙度、渗透率、含 气量、固定碳含量、灰分含量、水文地质条件、井径 扩径率、密度测井、声波时差测井、中子伽马测井。 这些指标中，有些是越大越好，有些是越小越好， 有些是定量的，有些是定性描述的参数。为了实现定 量评价，给每一项指标定量赋值，统一标准。依据对 韩城、晋城矿区大量生产井资料的统计，按照各参数 的大小和特征将煤储层分为4个类另iJ（表I）一类、 二类、三类、四类。为了能够定量计算，把一类赋值 l ，二类赋值0.7，三类赋值0.5，四类赋值0.3。 3 评价方法 煤层气井评价系统实际上是一个定性与定量相交 织的体系。完全定量化处理，实现起来比较困难［12］。 比如每项指标参数的重要程度，即权重系数的确定。 就需要定性评价后确定。评价系统是一个多目标、 多层次的评价系统，考虑因素多，目标多，各因素 表1煤层气井评价指标体系 Table I uation index system of coalbed methane well 评价指标 煤储层级另lj ’一类 一类 三类四类 煤岩类型光亮煤和半亮煤大于60 光亮煤和半亮煤大于 光亮煤和半亮煤小于 暗淡煤大于70 6030 30，以半暗煤为主 煤层厚度Im;;, 8 85 53 3 害lj理／（条m ;;,500 500300 300100 100 孔隙皮／ ;;,g 85 52 2 渗透率/I0-3m2 ;;,o.s 0.5O I 。.I～0.05 0.05 总含气量（干燥基）／;;, 12 1210 106 6 固定碳／;;, 75 7565 6550 50 灰分／ 30 水文地质条件无限边界类型阻隔边界类型补给边界类型越流补给类型 全｜二径扩径率／;;, 50 5020 2010 1.75 声彼时差／（sm-1;;,420 420400 400375 370 中子伽马／PU;;,39 3937 3735 35 ChaoXing 29 之间的重要程度差别大，它是一个复杂的层次评价 体系。因此，本次研究选择层次分析法作为基本评 价方法。 3.1 递阶层次结构设计 层次分析法是一种能将定性分析与定量分析相 结合的系统分析方法［13］，紧密联系决策者的主观判 断和推理分析，对决策者的推理过程进行量化描述。 基本思想是，把影响决策目标的复杂问题分解为若干 组成因素，将这些因素按支配关系分组，以形成有序 的递阶层次结构；然后，在递阶层次结构内进行诸因 素对比，确定各自的权重；再逐级逐层评价，最后得 出对目标层的 评价结果根据煤层气井的评价目的，设 计了目标层、准则层和方案层共3个层次（图5）。目 标层是某口井的某一煤层；准则层由煤岩类型、厚度、 物性、割理、工业组分、含气量、电性和水文地质条 件8项组成；方案层由孔隙度、渗透率、罔定碳含量、 灰分含量、井径测井（CAL）、密度测井（DEN、声波 时差测井（AC和中子测井（CNL）构成。 崔连训等煤层气井评价指标体系及评价方法第3期 t监层 画L 附 二 十 EE 图5煤层气井层次评价递阶结构阁 Hierarchy uation structure diagram of coal bed methane well 先权重系数，或者叫权重。 可利用线性代数方法求取比较判断矩阵的特征 根和特征向量，一般采用近似计算的方法［I匀，主要 有方根法与和积法。 a.方根法 第l步，计算判断矩阵Ai,j）的各行各个元素 乘积Mkn a;k; 第2步，计算各行的n次方根;; ＝币； 1 第3步，对矢量W；进行规范化W；＝子＿＿＿＿； 2司， 。 αυ αυ＝一 LakJ b.和和、法 按列将矩阵规范化，有 3.2 权重确定 根据各元素之间的关系，划分了3个层次，每个层 次就是一个完整的指标体系，逐级比较后给出权重。 参数权重的确定关系到最终的评价结果。通常 情况下，权重的确定由专家评议给出，这种方法简 单明确，但存在人为因素，不同人会得出不同的结 果，有时差别会很大［14］。为了使各参数的权重更加 客观，本次采用两两比较判断方法给出每一层次各 元素之间的判断尺度值，构造判断矩阵Ai,j）。 首先，设定任何一个元素与其自身重要性的标度 值αii为基准值I,aiJ为每层次元素t与元素j之间的 相对重要比例尺度值。例如，比较元素l与元素2 的重要性，如果元素l比元素2稍微重要，那么a,22, 向11/2,aυ与aji互为倒数，依此类推，就可以分别 得到各元素之间的重要比例尺度值，得到比较矩阵 Ai, j）。对于一个有n个元素构成的方案层，我们需 要对nn-1/2个矩阵元素给出数值。 Fig.5 ,I, 2，，n。 将W；规范化，得重川＝丁严一。 LW ; 矢量wiw1电吨，，w＂）为所求的排序矢量，矩阵 的最大特征向量，即权重。 根据计算结果，物性、含气量、厚度、水文地质 条件最重要，权重均为0.15；煤岩类型、割理、工业 计算叫＝艺句，式中 α12a,n a22α2n αnl a112α 式中i I, 2,,n ; jI, 2，，n。 比较判断矩阵的最大特征值所对应的特征向量， 就是该层次各元素对于上层某元素 的相对重要性向 量，即该层次每一元素基于上一层次某评价标准的优 。lI Ai,j I与l ChaoXing 30 煤田地质与勘探第42卷 组分、电性的权重均为O.lOu 准则层各单元下面的方案层独立比较，独立构造 比较矩阵。方案层中，物性有两个因素，渗透率的权 重为0.60，孔隙度的权重0.40。t业组分包括固定碳 和灰分两个元素，二者具有相互消长的关系，且固定 碳对基质的孔隙、渗透率以及含气量的影响更直观，因 此同定碳的极重确定为0.60，灰分含量的权重确定为 0.40。电性中包括4个因素，其中密度、声波时差和井 径测井更直观，对煤层的特性反映更敏感，权重均为 0.30，中子泪。井的权重确定为O10。 3.3 评价方法 采用从低级到高级，逐级评价，每一级都是一个 完整的结果。考虑到有些因素取不到参数或取不全， 遇到这样的情况时，把该因素的权重按权重比例分到 其他因素上。 准则层坪价模型 乓＝Yk1qk1 Ykiqki Yk11q1 式叶二Ipk为准则层某一囚子的评价结果；J饵，为第i个 指标赋值；qk，为第i个指标权血。 目标层坪价模型 PP I q 1 P2q2P3q3P 4q4P sqsP 6q6 P1q1Psqs 式中P为煤层的评价结果；Pi为煤岩类型赋值；P2 为厚度赋值；3为物性评价结果值；凡为割理赋值； Ps为工业组分评价结果；凡为含气量赋值；P1为电 性赋值；凡为水文地质赋值；qi为煤岩类型权重值； 们为厚度权重值；们为物性权重值；们为割理权重值； 如为l业细分权重值；们为含气量权重值；q为电性 权主｛（［；qs为水文地质权重值。 每一级的评价结果都是0～l的数值。根据实际生 产数如统计，P二主0.75为一类，多为高、特高产气井； P0.6～0.75为二类．多为中产气井；P0.4-0.6为3 类．多为中、低产气井；p 0.4为四类，多为低产 或不产气井冈 4 应用实例 依据上述理论应法，选取青城某口井为例进行评 价。基本参数是煤层埋藏深度530m；煤层厚度为 6.0 m; 原始地层压力为4.2MPa；煤层以半亮煤为 ＼｜在｜定碳68.0；灰分16.0；介气量为16.0m3/t; 孔隙度5.8；渗透率为0.66l0-3 m2；扩径率43; 补偿声波时差测井值413s/m；补偿密度拍JJ井值1.48 g/cm3；补偿中子伽马测井值37.8PU ；水文地质条件 为无限边界类型。无割｝g资料。 评价结果显示，该井总得分0.774，为一类井，与实 际生产情况吻合，该井稳产期平均产气茧为2200 m3/d, 峰值产量3800 m训，属高产井。 5结论 通过对实际生产资料的分析，归纳出煤层气井评 价的13项指标，即煤岩类型、厚度、害。理密度、 孔隙度、渗透率、含气量、固定碳含量、灰分含量、 水文地质条件、井径扩径率、密度测井、声波时差视Jj 井、中子伽马测井，这些指标覆盖面广，代表性强， 基本能够反映我国煤层的特点。通过对高产井生产特 征及影响因素的分析，建立了煤层气井的指标体系。 由于指标体系类别多，具有层次性，因此通过归类， 合理设计递阶结构模型，采用层次分析法进行定量 预测，取得了比较好的效果，为高产井的部署提供 了依据。 参考文献 川赵庆i皮．中同煤层气勘探成果放认识（M］.北京石油工业出版 丰十，2007 4- 9. 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