韩明辉 杨 雪 胡海洋

（1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550008；
2.贵州省煤田地质局水源队，贵州 贵阳 550008；
3.贵州省煤田地质局一一三队，贵州 贵阳 550008；
4.贵州省煤田地质局地质勘察研究院，贵州 贵阳 550008）

贵州省黔西地区煤层气资源丰富，据统计，黔西地区六盘水煤田的煤层气资源量为1.42×1012m3，占全省煤层气资源量的45%［1］。黔西地区地质构造复杂、煤层层数多而单层厚度薄、煤层间距近、纵向非均质性强、横向变化大，煤层气储层复杂，在分布规律和储层物性方面同华北煤层气藏存在较大的差异［2-5］，煤层气勘查开发仍处于开发试验阶段［6-8］。通过建立煤层气藏地质模型可以更准确地描述储层空间分布和属性变化，为煤层气的储量计算、高效开发提供地质依据。地质建模已在常规油气藏的勘探开发过程中得到广泛应用，而煤层气作为一种生储一体的非常规天然气，在储层属性方面同常规天然气差异较大，常规油气藏的建模方法难以直接应用。近年来，一些学者已经尝试开展煤层气储层地质建模技术研究，淮银超［9］等通过相控的三维地质建模方法建立了煤层气构造模型和属性模型；
马平华［10］等提出了煤储层模型建立的4个步骤，利用煤岩相模型和应力数据建立了渗透率模型；
陈博［11］等根据煤体结构的测井反演实现了煤体结构的三维空间可视化；
卢晨刚［12］等通过灰色关联分析建立了煤层气三维含气量模型，改进了三维含气量建模方法的流程；
吕杰堂［13］等利用测井的精细识别和岩相定量解释技术建立了气田规模级地质模型。尽管已经有许多学者提出了煤层气藏的三维地质建模方法，但这些方法多是在煤层气资料相对丰富的华北地区得到应用，尚未在贵州黔西地区开展过相关研究和应用，主要存在以下难点：测井资料年代跨度大、测井仪器多、刻度标准多样、测井曲线少，精细解释储层属性难度大；
黔西地区煤层多而薄，纵向间距小、跨度大，且无地震资料，多薄煤层的空间展布和岩相变化追踪难度大。基于此，笔者以黔西地区攀枝花煤矿上二叠统龙潭组上段为研究对象，针对多薄煤层群煤层气藏三维地质建模的实际问题，对测井资料进行标准化处理，解释并追踪主要可采煤层，分析储层属性和测井曲线的相关性，建立构造模型、岩相模型和属性模型，计算煤层气藏的地质储量，以期为煤层气的勘探开发提供地质依据。

攀枝花煤矿位于贵州省六盘水市杨梅树向斜南部，区内构造较简单，整体呈单斜构造，仅发育少量断层。主要含煤地层为上二叠统龙潭组，为一套海陆交互相含煤沉积［14-16］，分为三段，上段含煤25～31层，主要可采煤层自上而下分别为1、3、5-1、5-2、7、10、12、13号煤层，单层煤厚度介于0.22～6.60 m，平均厚度为1.78 m，横向上存在尖灭、分叉和合并的情况。煤层镜质组反射率介于1.455%～1.974%，平均为1.714%，煤类以瘦煤为主，原煤空气干燥基水分介于0.58%～3.29%，平均为1.25%，原煤空气干燥基灰分介于6.47%～46.14%，平均为24.98%，干燥无灰基含气量最高可达32.04 m3／t，属于低渗透率的中煤阶煤层气藏。

笔者主要利用区内已有的煤炭勘查资料进行基础数据的准备与整理。

2.1 地质构造特征分析

区内煤炭勘查程度已达到勘探，平均钻孔间距为500 m，可利用钻井的录井资料，结合以往勘查工作形成的地质剖面图和煤层底板等高线图，建立了包含1组断层和8套煤层界面的构造模型。根据模型显示，区内煤层间距较稳定，煤层的空间展布表现为东南高、西北低。

2.2 煤层的测井解释

煤层岩相的定性划分和储层物性的定量识别需要对测井曲线进行精细解释。由于区内各井的测井条件、所用测试仪器、施工队伍、解释人员等不同，首先需要对测井曲线进行标准化，选取标准井、标准层，通过直方图法对测井曲线进行标准化，提高测井解释精度（图1）。此后，根据测井曲线进行单井的煤层岩相定性解释，根据贵州煤田的煤层测井解释经验，自然伽马曲线、人工伽马曲线和三侧向电阻率曲线的解释点分别为半幅值点、三分之一幅值点和根部拐点，各参数曲线按各自的解释点原则独立解释，然后取其解释深度的算术平均值作为解释成果，完成煤层的精准识别。

图1 标准化过程示意图

2.3 煤层的物性参数分析

煤层气藏主要的物性参数包括水分、灰分、密度、渗透率和含气量，其中密度是计算煤层气地质储量所必须的基础物性参数之一，可通过测井解释和岩心测试获取。岩心密度数据准确，但数据量有限，不能直接用于属性建模，测井密度数据连续且丰富，但存在一定的误差，因而需要对上述两者之间的相关性进行分析（图2a），通过线性关系利用测井密度表征岩心密度。灰分是定量评价煤质的一项重要指标，也是计算原煤基含气量的基础数据。通过区内数据分析发现，灰分与岩心分析密度相关性很高（图2b），因此，通过线性关系可以利用前述的岩心密度计算煤层灰分。渗透率是表征煤层气可采性的重要参数之一，直接影响煤层气采收率及可采资源量。研究区内渗透率介于0.004 3～0.103 5 mD，平均为0.062 3 mD。通过渗透率与其主要影响因素的相关性分析发现，渗透率与埋深具有很好的相关性，数据拟合结果显示，渗透率与埋深呈负指数相关关系，随着煤层埋藏深度的增加，渗透率降低（图3a）［17］。水分是计算煤层气原煤基含气量的基础参数之一，黔西地区龙潭组为弱含水地层，且区内水分变化不大，取平均值为1.25%。煤层含气量是煤层气藏的主要参数和评价指标，更是地质储量计算中不可或缺的重要数据［18-19］。根据含气量的表达基准，常用的为干燥无灰基含气量、空气干燥基含气量、原煤基含气量。通过含气量的分析发现，干燥无灰基含气量与煤层埋藏深度相关性很高（图3b），随着埋深的增加而上升。

图2 岩心分析密度与测井密度、灰分的关系图

图3 埋藏深度与渗透率、含气量关系图

三维地质模型可以更直观、全面地对储层物性参数在空间的展布和变化规律进行定量表征［20-21］。对于煤层气藏来说，煤层沉积纵向上存在不连续性和薄厚互层，可采用随机建模方法实现多薄煤层气藏的空间表征。

建立多薄煤层气藏三维地质模型的流程为首先建立构造模型，之后完成岩相建模，最后在相控基础上建立煤层气藏的物性参数属性模型。构造建模是储层模型的基础框架，岩相建模是储层模型的控制条件，物性参数属性模型是地质建模的结果。

3.1 构造建模

构造建模是储层建模的基础。利用单井分层数据作为控制点，以煤层底板等高线图作为地层趋势面，结合由断层点生成的断层模型，建立煤层的顶、底面构造模型。为了达到储层分布规律精确描述、储层属性定量表征的目的，同时适应多薄煤层的特点，结合研究区面积和区内各层的平均厚度，在构造模型网格化过程中，设计步长为10 m的平面网格，煤层垂向网格按平均厚度0.1 m进行划分，非煤层垂向网格按平均厚度0.5 m进行划分，建立模型网格（图4）。

图4 攀枝花煤矿龙潭组上段三维构造模型图

3.2 属性建模

在常规储层建模方面，相控的地质建模对于建模准确性的提高、地质约束的增强具有重要意义。同样地，岩相控制下的储层建模对于煤层气藏属性的精准表征同样有着非常重要的意义。煤层气储层物性参数建模主要分为两步：①在测井解释结果的基础上建立岩相模型；
②在岩相模型的约束下建立渗透率、密度、灰分和含气量模型。在随机建模中，以像元为基础进行模拟的序贯高斯方法对连续性数据和离散型数据均可进行模拟，同时确保井点数据的精确性，可匹配黔西地区煤层岩相分布复杂且非均质性强的地质特点。

3.2.1 岩相建模

煤层岩相建模是以测井解释为基准，通过随机建模的方法建立煤层空间展布模型。根据前述煤层测井解释方法，把单井的岩相划分为煤层和非煤层（图5）。通过单井曲线离散化功能将单井的岩相离散化，并将岩相数据完成正态化变换，采用序贯指示模拟方法，确定煤层与非煤层各自的主方向变程、次方向变程和垂直方向变程，完成岩相模型的建立（图6）。

图5 攀枝花煤矿龙潭组上段煤层岩相连井剖面图

图6 攀枝花煤矿龙潭组上段岩相模型图

3.2.2 物性参数建模

煤层的物性参数模型包含渗透率模型、密度模型、灰分模型和含气量模型，根据煤层气藏物性参数的特点，选用受到岩相约束的随机建模方法进行模型构建。渗透率模型是数值模拟的基础模型之一，根据埋深与渗透率的定量关系，预测单井的煤储层渗透率。对单井煤储层渗透率离散化后，通过数据分析和变差函数拟合，完成煤岩相控制下的渗透率模型建立（图7a）。

测井密度模型是建立灰分模型和岩心密度模型的前提条件，测井密度建模选用密度测井为基础数据，在岩相的约束下完成测井密度模型的建立。岩心密度模型可通过测井密度模型计算得到（图7b），岩心密度和测井密度的关系表达式为：

式中，ρ岩心为岩心密度，g／cm3；
ρ测井为测井密度，g／cm3。

灰分模型同岩心密度模型类似，通过岩心密度模型计算建立（图7c），岩心密度和煤层灰分的关系表达式为：

式中，A为煤层灰分。

煤层干燥无灰基含气量模型是通过含气量与煤层埋深的函数关系，以煤层埋深模型为基础数据计算得出。利用地形数据和地质构造模型计算得到每个网格的埋深数据。干燥无灰基含气量与煤层埋深的关系表达式为：

式中，GCdaf为煤层干燥无灰基含气量，m3／t；
D为煤层埋深，m。

原煤基含气量是计算煤层气地质储量的重要基础数据。原煤基含气量可根据煤层灰分、水分、干燥无灰基含气量计算得出，其模型通过已建立的灰分模型、干燥无灰基含气量模型和水分计算建立。原煤基含气量与干燥无灰基含气量、煤层灰分、煤层水分的关系式为：

式中，GC原为煤层原煤基含气量，m3／t；
M为煤层水分含量，取平均值为1.25%。

根据公式（4）建立原煤基含气量模型（图7d）。

煤层气藏的三维地质模型可用于煤层气地质储量的快速计算。以上述步骤建立的煤层气储层模型为基础，利用建模软件中的储量计算功能，将单个网格作为计算单元，以岩相、单层煤厚、煤层含气量为约束条件，计算每个网格中的煤层气储量，最后累加符合条件的单元格，得到区内的煤层气地质储量表达式为：

式中，GIIP为煤层气地质储量，m3；
Vi为第i个网格的体积，m3；
Ci为第i个网格的煤层原煤基含气量，m3／t；
ρi为第i个网格的岩心密度，g／cm3。共n个网格，i＝1，2，…，n。

根据公式（5）进行计算，区内龙潭组上段1号煤至13号煤之间，在单层煤厚大于0.7 m，煤层干燥无灰基含气量大于2 m3／t的条件下，煤层气地质储量为3.91×108m3。

同时，可根据煤层气储层评价的条件，综合考虑煤层灰分、单煤层厚度、煤层累计厚度、埋藏深度、原煤基含气量等参数划分有利区。根据区内煤层气储层条件及周边区块的研究结果，确定有利区划分标准为原煤基含气量大于8 m3／t，埋藏深度介于500～1 000 m，单煤层厚度均大于1 m，煤层累计厚度大于5 m。根据上述标准划分的煤层气开发有利区主要分布于矿区深部偏北区域，可有效指导后续煤层气开发井的部署。

1）通过岩相控制建立模型的方法，将单井岩相划分为煤层和非煤层，煤层物性参数的分布和变化受到岩相的约束。煤层作为生气层和储气层，建立多薄煤层条件下的岩相模型可有效提高物性参数模型的准确度和有效性，更加有利于实际应用。

2）与常规气藏不同，煤层气藏模型的属性参数以渗透率、密度、灰分和含气量为主，通过测井曲线资料和物性参数数据的相关性分析，以测井资料为基础建立物性参数的函数模型，为后续储层物性建模提供数据资料支撑。

3）在岩相模型的控制下，完成攀枝花煤矿龙潭组上段煤层气藏三维地质模型的建立，定量描述煤层赋存规律与物性参数特征，快速高效计算限定条件下的煤层气地质储量。

4）针对黔西地区煤层多而薄、纵向非均质性强的特点，通过相控建模理论和随机建模技术建立的煤层气藏三维地质模型具有很好的适应性，也能够确保煤层气藏建模的准确性与有效性，为多薄煤层地区的煤层气藏建模提供了可行的建模思路与流程，对于煤层气藏的高效开发可以起到重要指导作用。

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