煤層氣開發(fā)風險評價模型及實證研究

張勇昌，楊永國

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

?

煤層氣開發(fā)風險評價模型及實證研究

張勇昌1，2，楊永國1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤層氣開發(fā)項目的高風險制約著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為此，通過對煤層氣開發(fā)風險因素的分析，構(gòu)建由7個一級指標和36個二級指標構(gòu)成的風險評價體系。提出基于期望值的三角模糊數(shù)互補判斷矩陣的方法，對煤層氣開發(fā)風險關(guān)鍵因素進行數(shù)量上的表述，估計其權(quán)重的相對大小，并確定各風險因素的隸屬度，建立煤層氣開發(fā)風險綜合評價模型。最后，以沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣井為例驗證模型的可行性和可靠性。結(jié)果表明，影響煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵因素風險由高到底依次為：地質(zhì)資源、工程技術(shù)、經(jīng)濟運營、政策法規(guī)、安全保障、組織管理和社會環(huán)境；煤儲層的非均質(zhì)性及開發(fā)地質(zhì)條件的不確定性是造成地質(zhì)資源風險偏高的主要原因，但此類風險無法直接控制，建議通過提高排采技術(shù)來盡量減弱其造成的風險。

煤層氣；三角模糊數(shù)；互補判斷矩陣；風險因素；評價模型

煤層氣開發(fā)是一項多工種的系統(tǒng)工程，其高投入，高風險，周期長的特點，使得對煤層氣項目開發(fā)進行風險評價顯得非常重要[1]。分析國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前有關(guān)煤層氣風險綜合評價方面的問題比較突出。首先，影響煤層氣開發(fā)風險因素定性指標較多，而且評價指標在項目開發(fā)過程中的實時變化情況無法具體量化。其次，同一層次的評價指標之間由于不易判斷其重要程度，很難給出相對權(quán)重。再次，估計評價指標各自的真正原始值很困難，一般都是定性的評價研究。為避免傳統(tǒng)評價方法對不確定因素定量分析誤差過大的不足，結(jié)合模糊數(shù)方法，提出基于期望值的三角模糊數(shù)互補判斷矩陣的方法，對煤層氣開發(fā)風險進行全面、定量化地分析。

三角模糊數(shù)能更好地反映主觀判斷的模糊性，克服層次分析法的局限性[2]。荷蘭學(xué)者Van Laargoven于1983年首次提出用三角模糊數(shù)確定指標權(quán)重排序的計算方法[3]。運用三角模糊數(shù)的綜合評價方法分析影響煤層氣開發(fā)風險的眾多因素，將專家用自然語言對煤層氣開發(fā)風險做出的模糊評價數(shù)字化，并對其評價因素的權(quán)重做出估計，很好地解決了模糊信息的處理和計算問題[4]。

1　煤層氣開發(fā)風險評價指標體系

煤層氣開發(fā)風險評價的首要問題是建立合適的評價指標體系。理論上講與煤層氣生產(chǎn)運營有關(guān)的任何因素都可能引起煤層氣開發(fā)風險的發(fā)生，但不是所有風險因素都會造成顯著影響。指標體系的選擇原則是：單個指標的代表性、指標體系整體構(gòu)造的合理性和指標的可驗證性[5]。根據(jù)此原則，從項目風險源的角度按照外部風險和內(nèi)部風險初步歸納出五類主要風險因素。外部風險主要包括地質(zhì)資源、政策法規(guī)，這些風險因素屬于不可控因素[6]，內(nèi)部風險包括工程技術(shù)、組織管理、安全保障、經(jīng)濟運營，這類風險因素所包含的變量屬于可控變量。

地質(zhì)資源風險，地質(zhì)資源因素對煤層氣開發(fā)起著決定作用。儲層構(gòu)造、孔隙度、煤層厚度、煤層深度及水文地質(zhì)條件決定了煤層氣的含氣量、采收率及滲透率，直接影響煤層氣開發(fā)項目的經(jīng)濟效益[7]。

工程技術(shù)因素，煤層氣排采工程技術(shù)因素是影響煤層氣井產(chǎn)能最直接的因素。煤層氣井采用的鉆井、完井技術(shù)，壓裂工藝直接影響煤層氣的產(chǎn)量[8]。排采制度的不合理常造成儲層應(yīng)力敏感性傷害，導(dǎo)致作用在煤儲層上的有效應(yīng)力增大，使割理、微裂隙和孔隙壓縮，滲透率降低[9]。排采技術(shù)落后，開采設(shè)備陳舊，都將導(dǎo)致煤層氣生產(chǎn)效率低下，安全事故頻發(fā)。另外，煤層氣價格過低、經(jīng)銷商選擇不當都可能使得煤層氣開發(fā)投資收益低于預(yù)期。

組織管理風險，組織管理是企業(yè)組織經(jīng)營的核心。組織方式?jīng)Q定企業(yè)發(fā)展命運，組織管理結(jié)構(gòu)性不足可能給煤層氣開發(fā)企業(yè)帶來風險[10]。

安全保障因素，煤層氣開發(fā)過程涉及內(nèi)容廣，環(huán)節(jié)多，作業(yè)程序復(fù)雜，安全監(jiān)管跨度大，安全保障是貫穿煤層氣開發(fā)全過程的關(guān)鍵因素，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能造成煤層氣開發(fā)的風險[11]。

政策法規(guī)風險，國家對資源稅征收的調(diào)整將直接影響煤層氣開發(fā)企業(yè)的利潤，并且隨著我國環(huán)保力度的加大，以及對風能、太陽能等新能源開發(fā)的扶持，勢必會影響煤層氣的供需關(guān)系，另外宏觀經(jīng)濟不景氣也會給煤層氣企業(yè)帶來風險[12]。

綜合上述分析，借鑒天然氣開發(fā)風險評價體系[13-14]，結(jié)合煤層氣開發(fā)風險特征，在企業(yè)問卷調(diào)查結(jié)果的分析基礎(chǔ)上，建立包含7個一級指標和36個二級指標的煤層氣開發(fā)風險評價指標體系，如表1所示。

表1　煤層氣開發(fā)風險評價指標體系

2　煤層氣開發(fā)風險三角模糊數(shù)評價

在煤層氣開發(fā)風險因素專家調(diào)查分析中，采用帶語言變量的評價值來度量指標性能，如：使用“一般”，“好”，“很好”等詞語，而這些語言評價值取值于事先定義的語言值評價集合，沒有明顯的界限劃分，僅限于定性分析。本文運用三角模糊數(shù)互補判斷矩陣排序法將模糊不確定的語言變量轉(zhuǎn)化為確定數(shù)值的定量評價。

2.1三角模糊數(shù)互補判斷矩陣

確定評語等級論域，建立評價集。

2.2三角模糊數(shù)互補評判及定權(quán)

(1)

(2)

第三步，求歸一化的指標排序權(quán)重向量Wi，見式(3)。

(3)

2.3煤層氣開發(fā)風險評價模型

模糊綜合評判的結(jié)果是獲得表示評價體系中各級模糊子集隸屬程度的模糊向量。為進一步量化風險評價結(jié)果，便于劃分風險等級，用標準化的不同數(shù)值區(qū)間來表示評價集中的風險等級，用區(qū)間中位數(shù)表征其所代表的風險大小，從而得到風險評價的具體數(shù)值。煤層氣開發(fā)風險評價模型，見式(4)。

(4)

式(4)中C為風險評價等級中位數(shù)向量，由風險評價等級量化表獲得，風險評價等級量化表如表2所示。B′為模糊綜合評價向量，見式(5)。

(5)

B′是B由(5)式歸一化的結(jié)果。

3　煤層氣開發(fā)項目風險評價實例

以沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊8口煤層氣井為例，對其進行開發(fā)風險的模糊綜合評價，以驗證模型的可行性和可靠性。沁水盆地南部地區(qū)自2004年起開始大規(guī)模開發(fā)以來，該氣田積累了大量的煤層氣井早期生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料。柿莊南區(qū)塊位于山西省東南部，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層底板起伏幅度小，煤層傾角小，割理較發(fā)育，對應(yīng)力較敏感。水文地質(zhì)條件簡單，含水層層間水力聯(lián)系不強，富水性弱。具體數(shù)據(jù)見表3。

表2　風險評價等級量化表

表3　柿莊南區(qū)塊煤層氣井測試數(shù)據(jù)

3.1模糊綜合評價基本步驟

根據(jù)煤層氣開發(fā)風險評價要求，對表1所示的各因素指標由煤層氣風險評價專家組進行權(quán)重分析。據(jù)專家對影響煤層氣開發(fā)的各風險因素重要性進行判斷，得到其判斷矩陣。

建立評價指標在專家評語集中的得分比重向量。設(shè)U為風險評價指標集，Ui為一級指標，Uij為二級指標，m為專家有效問卷數(shù)，yijn為對二級指標Uij作出第n級評語的專家人數(shù)，rijn為二級指標在專家評語集5集評語中的得分比重。則

(6)

據(jù)此構(gòu)造包含k個二級指標的單因素評判矩陣Ri，見式(7)。

(7)

式中，Ri的第j行是二級指標Uij對于評價集中各等級的隸屬程度，第n列是Ui中Uij分別取評價集中第n個等級的程度。

向量Bi，見式(8)。

(8)

Wi為二級指標的權(quán)重集。

同理得到一級指標模糊綜合評價向量B。

返回(5)式求出B′，再代入(4)式求得E。

3.2三角模糊綜合評價計算

表4　判斷矩陣標度量表及含義

利用式(6)、式(7)構(gòu)建一級指標地質(zhì)資源的單因素專家評判矩陣R1。

代入(8)式得

同理可得其他各一級指標中二級指標的模糊評價結(jié)果。

運用式(5)對二級指標模糊評價結(jié)果進行歸一化處理，再代入式(4)，即可得到二級指標對應(yīng)的一級指標地質(zhì)資源的風險評價值為0.61。同理可得其它各一級指標所屬二級指標的風險評價值。

根據(jù)多級模糊綜合評價規(guī)則，一級指標的權(quán)重系數(shù)可由二級指標的模糊綜合評價結(jié)果計算獲得，一級指標的風險隸屬度即為二級指標的模糊綜合評價結(jié)果。據(jù)此綜合得到一級指標的系數(shù)評價矩陣：w=(0.158，0.165，0.135，0.139，0.126，0.159，0.116)。

對一級指標進行模糊綜合評價運算：B=w*R=(0.113，0.251，0.361，0.286，0.069)。將B標準后，引入本文中位數(shù)向量得到最終評價風險值：E=CB′=0.521。

對照風險評價等級量化表，可以判斷E值介于0.4～0.6之間，該煤層氣開發(fā)項目評價等級屬于一般風險。同理分析得其它煤層氣井風險評價等級，對應(yīng)本文設(shè)定的風險等級量化表，可得評價結(jié)果如圖1所示。

圖1　柿莊南區(qū)塊8口煤層氣井風險評價等級

3.3結(jié)果分析

利用本文所建立的煤層氣開發(fā)風險評價模型對沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊8口煤層氣井進行風險評價，結(jié)果顯示，研究區(qū)塊煤層氣開發(fā)風險等級基本為一般，只有SJ3號井開發(fā)風險較高，分析其原因主要是由于水文地質(zhì)條件影響的結(jié)果。SJ3井處于徑流水區(qū)，水流引起的煤層壓力變化較大，煤層氣解吸量大，使得大部分煤層氣甲烷逸散，造成此煤層氣井不能達到經(jīng)濟量產(chǎn)。

再對評價的各一級指標計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在煤層氣開發(fā)過程中，其風險影響關(guān)鍵因素是地質(zhì)資源因素。由于我國煤儲層的非均質(zhì)性強，且存在低壓、低滲、低飽和度的問題[15]，開發(fā)地質(zhì)條件復(fù)雜、開發(fā)過程易遭受高溫和高壓等不穩(wěn)定因素影響，造成煤層氣開發(fā)過程中地質(zhì)資源風險因素的影響最大。其次為工程技術(shù)因素，如煤層氣項目開采過程中壓裂效果不佳、排采制度不合理、排采技術(shù)落后、設(shè)備不足等。其它各風險因素的影響基本相當，依次為經(jīng)濟運營、政策法規(guī)、安全保障、組織管理和社會環(huán)境。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，單個因素的影響在某一煤層氣開發(fā)項目中所起的作用可能是至關(guān)重要的，但對多數(shù)煤層氣項目而言，煤層氣開發(fā)風險取決于各類主要控制因素的綜合影響。在對煤層氣開發(fā)進行風險評價時應(yīng)綜合考慮各風險影響因素的作用，才能得出科學(xué)有效的結(jié)論。同樣在風險防控時，要在抓住關(guān)鍵影響因素的基礎(chǔ)上，綜合分析各個風險影響因素的相互作用，制定切實有效的防控策略。

4　結(jié)　論

1)對影響煤層氣開發(fā)的風險因素進行分析，構(gòu)建由7個一級指標，36個二級指標組成的煤層氣開發(fā)風險評價體系。

2)運用基于三角模糊數(shù)互補矩陣的權(quán)重計算

方法，得出具有全面性和可驗證性的權(quán)重值，有效解決了AHP主觀隨意性和一致性驗證的問題，使得評價計算結(jié)果更為合理可靠。

3)對煤層氣開發(fā)風險因素進行定性和定量的分析，據(jù)評價指標計算結(jié)果得到關(guān)鍵因素影響權(quán)重大小。構(gòu)建風險評價模型，形成風險評價等級劃分標準，為煤層氣開發(fā)風險評價和防控提供科學(xué)依據(jù)。

4)通過選取煤層氣開發(fā)井對評價模型進行實證研究，驗證模型的可行性及可靠性。模型能綜合的對煤層氣開發(fā)項目風險進行評價，對煤層氣開發(fā)項目的科學(xué)實施具有一定的實際價值。

[1]秦勇，袁亮，胡千庭，等.我國煤層氣勘探與開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(10)：1-6.

[2]楊永國，秦勇，姜波.煤層氣項目經(jīng)濟評估理論與方法研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[3]Luo D K，Xia L Y.Economic evaluation method for CBM prospect resource[J].Journal of DaQing Petroleum Institute，2009，33(4)：115-119.

[4]Li G Z，Bai J M，Xi T H.Fuzzy comprehensive evaluation model of coalbed methane target area based on GIS[J].Geoscience，2008，22(1)：103-106.

[5]Thomas L S.Making and validating complex decisions with the AHP/ANP[J].Journal of Systems Science and Systems Engineering，2005(1)：625-630.

[6]Guo X Q，Liu D M，Li J Q，et al.Influence of pressure on applica-tion of mercury injection capillary pressure for determiningcoal compressibility[J].Applied Mechanics and Materials，2013，295：2726-2731.

[7]邵先杰，王彩鳳，湯達禎，等.煤層氣井產(chǎn)能模式及控制因素——以韓城地區(qū)為例[J].煤炭學(xué)報，2013(2)：271-276.

[8]劉大錳，李俊乾.我國煤層氣分布賦存主控地質(zhì)因素與富集模式[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(6)：19-24.

[9]吳曉東，師俊峰，席長豐.煤層滲透率敏感性及其對煤層氣開發(fā)效果的影響[J].天然氣工業(yè)，2008，28(7)：27-29.

[10]賈承造，鄭民，張永峰.中國非常規(guī)油氣資源與勘探開發(fā)前景[J].石油勘探與開發(fā)，2012，39(2)：129-136.

[11]鞏艷芬，張愛芬.深層天然氣開發(fā)風險評價與控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009，11(3)：243-246.

[12]孫茂遠.煤層氣發(fā)展需“加油清障”[J].中國投資，2014(12)：60-62.

[13]李五忠，陳剛，孫斌，等.大寧-吉縣地區(qū)煤層氣成藏條件及富集規(guī)律[J].天然氣地球科學(xué)，2011，22(2)：352-360.

[14]姜德強.海外油氣田開發(fā)項目風險管理研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[15]宋巖，柳少波，琚宜文，等.含氣量和滲透率耦合作用對高豐度煤層氣富集區(qū)的控制[J].石油學(xué)報，2013，34(3)：417-426.

Risk evaluation model and empirical research for CBM development

ZHANG Yong-chang1，2，YANG Yong-guo1

(1.Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process of Ministry of Education，School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China)

The high risk of CBM development project restricts the development of CBM industry in China.Therefore，based on the analysis of main risk factor for the CBM development，we established the index system for CBM development risk evaluation.The index system consists of 7 level indicators and 36 secondary indicators.Considering to the disadvantages of determining factor weight by traditional analytic hierarchy process，the method of determining risk factors weight based on triangular fuzzy numbers is proposed by fuzzy mathematics.The memberships of qualitative and quantitative risk factors are determined.The risk evaluation model for CBM development project is established.A case study using the CBM well data observed from Qinshui basin verifies the applicability of the proposed model.The results indicate that the value for the risk factors of CBM project ranked in descending order：geological resource；technical；economic；political and legal；security；organizational and managerial；social environment.The main reason of the high risk of geological resources is caused by the heterogeneity of coal reservoir and the uncertainty of geological conditions，but such risks can not directly control，it is recommended by improving the drainage technology to try to reduce the risk caused by the geological resources.

coalbed methane(CBM)；triangular fuzzy number；reciprocal judgment matrix；risk factor；evaluation model

2015-12-09

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：41202236;41402291);國家科技重大專項項目資助(編號：2011ZX05034-005);江蘇省高級訪問學(xué)者項目資助(編號：201414)

張勇昌(1980-),男,甘肅天水人,副教授,博士研究生, 主要從事煤層氣方面的研究工作。E-mail:yczhang2008@163.com。

楊永國(1962-),男,浙江新昌人,教授,博士生導(dǎo)師, 主要從事煤層氣方面的研究工作。E-mail:ygyang88@cumt.edu.cn。

TE27

A

1004-4051(2016)08-064-05