近年来，天然气在我国能源使用中占据的比例越来越大，市场的需求也在不断加大，促使相关部门和学者进一步加大了对煤层气勘探技术的研究^[1]。煤层气在成藏、赋存、运移方面不同于常规天然气^[2]，其储集机制要复杂得多^[3]。煤层气是一种典型的解吸气，在煤层气开采过程中，主要通过排水使煤层气储层压力逐渐降低，当其达到临界解吸压力以下时，才会使吸附在煤储层中的煤层气解吸出来^[4]。在一定程度上，采出水量决定了压降波及范围及甲烷解吸面积大小，从而决定了单井产量高低和稳产期长短^[5]。因此，煤层气井产水量直接关系煤层气体的产出。故而准确地预测产水量就显得至关重要。

目前，煤层气井预测和分析产水量方法主要采用数值模拟，该方法在实际应用过程中相对复杂。笔者基于测井资料，分析煤层的产水测井响应特征，在此基础上开展煤层产水量预测方法研究。通过对煤层的产水特征以及产水来源的分析研究，总结单峰衰减型、稳定型、多峰型煤层产水测井曲线（即电阻率、泥质含量）的特征。基于反映产水类型的关键测井参数以及顶底板封隔性的泥质含量，利用Fisher判别法确定产水类型，然后利用不同产水类型的产水规律估计产水量。在后期实际生产应用中，该方法在煤层预测产水量方面取得良好应用效果。

1.   研究区基本概况

研究区构造位置处于鄂尔多斯盆地东缘的伊陕斜坡和晋西挠褶带上^[6]（图1）。研究区煤层具有“埋深大，高温、高压条件，煤阶范围广”的特点^[7]，主力煤层8号和9号位于本溪组，煤层整体厚度较大，且区域稳定分布，埋藏深度在2 000 m左右，吨煤含气量在10～35 m³/t，整体煤层品质较好。通过近几年的勘探，该区致密砂岩气取得了很好的勘探成果，但是对煤层气相关研究相对较少^[8]。随着勘探程度的增加，亟需对煤层进行精细研究，特别是对煤储层产气量关键影响因素产水量的研究。

图  1  研究区构造位置图

Figure  1.  Structural location map of the study area

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2.   煤层产水评价方法

煤层产水地质因素复杂。测井资料能够反映煤系地层的岩性，提供煤层及顶底板层的厚度、泥质含量等资料，评价顶底板砂岩层的含水性和封盖性，形成了煤层产水预测的基础^[9]。通过研究产水来源以及产水类型，来确定不同产水类型的测井响应特征以及顶底板的封闭性影响参数，从而对煤层产水量进行综合评价。

2.1   煤储层产水来源

煤层气主要以吸附气形式存在于煤储层孔隙、割理和外生裂隙中^[10]。在煤层气开采过程中，通过对煤层排水降压，促使甲烷等吸附性气体大量解吸并形成连续的气体渗流通道。排水降压过程的有效性主要受到煤储层及顶底板的含水性、密封性和是否有远端供给水源的影响。含水层与煤储层水动力联系较强时，煤储层的供液能力增强，排采难度增大^[11]。长期排水，难以获得高产。煤层出水量关系到煤层气井的产能大小，而查明煤层气井产水源则是预测出水量的关键。煤储层产水主要有煤储层水、煤层顶底板含水以及远端水三个来源，并且都有各自典型的产水特征。

煤储层水是填充在煤储层割理中的可流动的水，是煤储层产水的最直接原因。其特征为煤储层保存完整且有一定厚度，其顶底板无较厚的含水层且密封性较好。这种情况下排采过程中产水曲线特征主要表现为具有明显的排水期，排水期后产水量明显减小且趋于稳定，部分井日产水量甚至能达到1 m³/d以下。煤层顶底板含水性对煤层气井产水有较大的影响^[12]，是煤储层排采重要水源之一，也是造成煤储层排水过程困难的主要原因之一。当煤储层顶底板存在较厚的含水砂岩层，且中间无泥岩封隔或泥岩存在裂缝或者压裂过程压穿了封隔层时，顶底板中的水就会窜到煤储层中。这种情况下排水期往往呈现出极高的日产水量且持续时间很长，以致无法达到降压排采的目的，煤储层的产气量往往较低。而远端水特征为煤储层顶底板砂岩不发育且密封性较好，但是压裂后产水异常高。远端水属于外源动水，具有较好的补给条件，是造成产水量异常大的原因之一^[13]。

2.2   煤储层产水类型

煤层气井的产水曲线形态是煤储层资源潜力高低、围岩补给水多少、排采工作制度合理与否的综合反映^[14]。根据排采过程中日产水量变化情况，从曲线形态上分析，将研究区日产水量曲线分为单峰衰减型、稳产型和多峰型。其中单峰衰减型从曲线形态可较明显地划分为两个阶段，即排水期和稳产期（图2a）。排水期日产水量曲线呈现明显的单峰态，峰值较高可达12 m³/d，持续时间多为1年，有的较长为2年；之后日产水量逐渐减小，进入稳产期，此时日产水量平均值多在2 m³/d以内，多贯穿整个煤储层排采过程。稳产型产水量曲线呈现稳定峰的形态，也具有排水期与稳产期，排水期产水曲线稳定，峰值持续时间较长；排水期后日产水量突然下降，稳产期时曲线形态整体较平稳（图2b）。稳产型一般是由施工原因造成（数十天仅记录一次测量结果），非自然产生。多峰型产水量曲线呈现多峰形态，或者稳产期出现日产水量突变式的增大，没有明显的排水期与稳产水期，产水量在一定范围内波动，整体表现为水排不尽的特征（图2c）。

图  2  研究区典型产水曲线形态特征

Figure  2.  Morphological characteristics of typical water production curves in the study area

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稳产型产水量受到人为因素干扰较大，因此仅研究单峰衰减型和多峰型。结合测井资料以及储层参数确定不同产水类型的水来源，为后期的估算产水量打下基础。首先单峰衰减型井产水量与储层电阻率RD呈负相关关系，随着储层电阻率的增大，产水量减小（图3）。由于煤储层含水性影响到储层RD值，电阻率与产水量的负相关关系，为单峰衰减型井产水来源为储层水提供了有利的证据。

图  3  单峰衰减型井的产水量与储层RD的关系

Figure  3.  The relationship between the water production of a single-peak attenuated well and the RD of the reservoirs

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其次多峰型井产水量与储层电阻率RD具有负相关的变化趋势，然而相关度并不好，个别高电阻率RD和高产水量的井分布在整体趋势线之外（图4）。这说明多峰型井产水量可能受到顶底板水或远端水的影响。

图  4  多峰型井的产水量与储层RD的关系

Figure  4.  The relationship between the water production of a multi-peak wells and the RD of the reservoirs

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同时考虑到煤层顶底板封隔性对煤储层产水可能存在的影响，基于老顶板、老底板泥质含量与产水量绘制了交会图。单峰衰减型井产水量和顶底板泥质含量相关性很差或没有相关性，受泥质含量影响较小，产水主要来自煤层内部水（图5）。

图  5  单峰衰减型井的产水量与老顶、底板泥质含量的关系

Figure  5.  The relationship between the water production of single-peak attenuation wells and the shale content of old roof and floor

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而多峰型井产水量随老顶板泥质含量的增加而减少（图6）。当老顶板泥质含量低时，煤层产水量增大，说明煤层顶板的封隔性变差，导致远端水通过顶板通道而来或者煤层老顶板含水，导致顶板水供给煤层。而底板泥质含量与产水量相关性较差，说明研究区多峰型产水底板整体封隔性较好，受泥质含量影响较小，产水量主要受顶板封隔性的影响，水源来自于顶板或者远端水通过顶板通道而来（图6）。

图  6  多峰型井的产水量与老顶、底板泥质含量的关系

Figure  6.  The relationship between the water production of multi-peak wells and the shale content of old roof and floor

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2.3   煤储层产水评价方法

不同产水类型的煤层存在不同的测井响应特征和封隔性。基于反映产水类型的关键测井参数以及顶底板封隔性的泥质含量等数据进行建模，建立了产水量评价模型。由于稳产型井的产水数据受人为因素影响大，因此下面的建模不使用稳产型的井，仅对单峰衰减型和多峰型的井进行建模分析。

Fisher判别分析法是根据观测到的样本的若干数量特征，对新获得的样本进行归类、识别，判断其所属类型的一种多元统计分析方法^[15]。利用Fisher判别法确定产水类型，然后利用不同产水类型的产水规律估计产水量。Fisher判别法选取的参数包括地质背景（海拔、埋深、储层压力）、煤储层参数（储层RD）和顶板参数（顶板密封性指数）。计算的Fisher分类函数系数见表1。

表  1  产水类型的分类函数系数

Table  1.  Classification function coefficient of water production types

系数项	分类系数
	单峰衰减型	多峰型
a	0.157 010 165	0.166 436 954
b	0.083 142 095	0.090 304 068
c	4.729 695 022	3.242 494 751
d	0.000 315 517	0.000 303 540
e	0.755 541 338	0.688 756 613
f	−67.463 086 6	−70.127 772 71

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基于表1可以建立两个分类函数，公式见式（1）。实际分类时把每口井带入这两个函数，不同的产水类型对应不同的系数，因此能够计算出代表单峰衰减型的Q₁和代表多峰型的Q₂，若Q₁大于Q₂，代表该井为单峰衰减型，反之则为多峰型。

式中：Q为分类函数计算结果；H为煤储层海拔，m；D为煤储层垂深，m；P_储层为储层压力，MPa；RD_煤层为煤储层深侧向电阻率，Ω·m；I_顶板为顶板密封性指数；a、b、c、d、e、f值见表1。

其中，顶板密封性指数（I_顶板）的计算公式如下：

式中：T_老顶代表老顶板厚度，m；$V_{{\mathrm{SH}}老顶}$代表老顶板泥质含量，%；$V_{{\mathrm{SH}}直顶}$代表直接顶板泥质含量，%。

利用Fisher分类后，利用测井曲线RD与老顶板泥质含量分别对单峰衰减型与多峰型井的产水量进行估计，单峰衰减型井产水量预测公式如下：

多峰型井产水量预测公式如下：

式中：W_m为日最大产水量，m³/d；W_a为日平均产水量，m³/d；RD_煤层为煤储层深侧向电阻率，Ω·m；$V_{{\mathrm{SH}}老顶板}$为老顶板泥质含量，%。

2.4   应用效果评价

根据上述预测煤层产水量公式对A井进行产水量的预估。首先将A井相关参数带入式（1）中，计算出来Q₁<Q₂，产水类型为多峰型，与后期排采曲线形态相一致（图7）。

图  7  A井排采数据曲线图

Figure  7.  Well A drainage and production data curve

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根据多峰型井产水量预测公式计算A井产水量。产水预测公式计算的平均日产水量为7.2 m³，最大日产水量为20.39 m³。根据A井2016年12月25日至2017年7月6日的排采数据，平均日产水量8.60 m³，最大日产水量19.36 m³，其中预测平均日产水量与实际平均日产水量的误差在11.7%左右，预测最大日产水量与实际最大日产水量的误差在4.9%左右。从A井产水量的预测误差来看，该方法计算的煤层产水量与实际产水量的吻合率基本在80%以上，验证了该方法的有效性（图8）。

图  8  A井产水预测处理成果

Figure  8.  Well A water prediction processing results

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3.   结论与认识

（1）测井资料能够反映煤系地层的岩性，提供煤层及顶底板层的厚度、泥质含量以及顶底板封隔性等情况，形成了煤层产水预测的基础。

（2）通过不同产水类型的不同测井响应特征分析，单峰衰减型主要受到储层电阻率影响，与顶底板的泥质含量关系不大，水主要来源于煤层内部。多峰型产水量与电阻率相关性较差，与顶板泥质含量相关性好，产水量随着顶板泥质含量的增高而降低，水源来自顶板或者远端水通过顶板通道而来。

（3）不同产水类型的煤层存在不同的测井响应特征。基于影响煤层产水类型的电阻率以及泥质含量，建立Fisher判别方程来确定产水类型，然后利用不同产水类型的产水规律估计产水量，为今后煤层的勘探开发奠定了技术基础。