臨汾區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能地質(zhì)影響因素分析

王 丹，趙峰華，姚曉莉，索 航，孫 偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 海淀 100083；2.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000)

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臨汾區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能地質(zhì)影響因素分析

王 丹1，2，趙峰華1，姚曉莉2，索 航2，孫 偉2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 海淀 100083；2.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000)

臨汾區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶南端，依據(jù)區(qū)塊內(nèi)76口煤層氣探井的測(cè)井、錄井、分析化驗(yàn)和地震等資料，運(yùn)用單因素一票否決法和灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法，對(duì)煤層氣有利勘探區(qū)帶進(jìn)行優(yōu)選。研究認(rèn)為，對(duì)利用無量綱化處理單因素否決法評(píng)價(jià)后剩余的探井進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，并編制成平面圖件，優(yōu)選出地質(zhì)條件最有利的煤層氣開發(fā)區(qū)帶，分別是三多—小回宮—車城區(qū)帶和天嘉莊—石頭山區(qū)帶。煤層氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)各地質(zhì)要素的量化處理，是從定量的角度進(jìn)行煤層氣有利勘探區(qū)帶優(yōu)選，對(duì)煤層氣有利勘探區(qū)帶的優(yōu)選具有指導(dǎo)意義。

煤層氣；地質(zhì)影響因素；灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法；產(chǎn)能；臨汾區(qū)塊

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

臨汾區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶南端，煤層氣資源豐富，是目前中國(guó)煤層氣開發(fā)的主要區(qū)域之一[1-3]。區(qū)塊內(nèi)主要為一由東向西傾伏的巨大單斜構(gòu)造[4]，發(fā)育系列北東向展布的斷層，將斜坡復(fù)雜化，形成了坳隆相間的構(gòu)造格局(圖1)。貫穿全區(qū)北東—南西向展布的古驛—窯渠逆沖斷層將區(qū)塊由西向東劃分為東西2個(gè)大構(gòu)造單元，其附近發(fā)育多條規(guī)模相對(duì)較小、產(chǎn)狀大致相同的逆沖斷層，斷層傾角多在20～30 °，并在古驛—窯渠逆沖斷層的牽引作用下，在上盤形成了一個(gè)北東—南西向展布的長(zhǎng)軸背斜構(gòu)造，構(gòu)造幅度達(dá)80～120 m。該背斜為區(qū)塊內(nèi)的主要構(gòu)造，總體走向沿30 °方向展布，全長(zhǎng)40 km。由于背斜上拱，使煤系地層埋深變淺，其軸部多出露下三疊統(tǒng)劉家溝組地層和上二疊統(tǒng)石千峰組地層。背斜構(gòu)造的西北翼地層傾角相對(duì)較緩，約為2～4 °，東南翼較陡，傾角為3～6 °。

1.2 地層特征

研究區(qū)主要含煤地層為二疊系太原組和山西組。太原組連續(xù)沉積于本溪組之上，為一套濱海沼澤相和淺海相的交替沉積，厚度為40～60 m。太原組一般發(fā)育煤層2～3層，即6～8號(hào)煤層，6、7號(hào)煤層局部可見，而主要可采煤層——8號(hào)煤層在全區(qū)均有分布，且厚度較大，以亮煤為主，割理、裂隙較為發(fā)育。

圖1 臨汾區(qū)塊5號(hào)煤層構(gòu)造

山西組為陸相沉積，頂界為下石盒子組駱駝脖子砂巖，底界為北岔溝砂巖，厚度為80～160 m。山西組煤層一般為1～5號(hào)煤層，以3、4、5號(hào)可采煤層為特征，其中，5號(hào)煤層分布穩(wěn)定、厚度大，以半亮—半暗色煤為主，割理、裂隙發(fā)育，性脆。

1.3 主力煤層發(fā)育特征

臨汾區(qū)塊主要的煤層氣產(chǎn)層包括山西組5號(hào)煤層和太原組8號(hào)煤層。

山西組5號(hào)煤層厚度較大，普遍含1～3層夾矸，平均凈煤厚度為4.3 m。厚煤區(qū)主要分布在小回宮—山口一帶，厚度一般大于6.0 m；薄煤區(qū)主要分布在區(qū)塊北部的大寧—午城—薛關(guān)一帶，厚度一般小于1.0 m。

太原組8號(hào)煤層含夾矸較少，平均凈煤厚度為5.4 m。厚煤區(qū)主要有3個(gè)，分別為區(qū)塊北部的午城—小回宮，東部的刁口—馬家窯和南部的窯渠—曹井，厚度一般大于6.0 m；薄煤區(qū)主要有2個(gè)，分別為區(qū)塊北部的桑壁鎮(zhèn)—石家莊—黃土鎮(zhèn)和南部的明珠—武莊，厚度一般小于1.0 m。區(qū)塊西部由于缺少鉆井資料，主要為預(yù)測(cè)煤層厚度。

根據(jù)區(qū)內(nèi)的地震和鉆井資料，煤層埋深主要受控于區(qū)域構(gòu)造背景，即整體上受西傾單斜構(gòu)造控制，由東向西煤層埋深逐漸增大。區(qū)塊內(nèi)煤層埋藏整體較深，山西組5號(hào)煤層埋深為700～1 600 m，中部發(fā)育薛關(guān)逆斷層，引起地層抬升，煤層埋深減小至900 m左右，向西煤層埋深又繼續(xù)加大；太原組8號(hào)煤層埋深為750～1 650 m，其分布特征與5號(hào)煤層相似，同一地區(qū)或同一井點(diǎn)，縱向上8號(hào)煤層比5號(hào)煤層埋藏深40～80 m。

1.4 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)指煤層在地質(zhì)歷史演化過程中經(jīng)受各種地質(zhì)作用后表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征。煤體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷變形和變質(zhì)作用后，可分為原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤[5-6]。原生結(jié)構(gòu)煤是指保留了煤層原生沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，煤巖的成分、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)生裂隙清晰可辨。構(gòu)造煤的宏觀結(jié)構(gòu)依破壞程度可分為碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)、糜棱結(jié)構(gòu)等，對(duì)應(yīng)的構(gòu)造煤分別稱為碎裂煤(碎塊煤)、碎粒煤和糜棱煤(又稱粉煤)[5-8]。區(qū)塊煤層以塊煤、碎塊煤為主，斷裂帶附近主要為碎粒煤和粉煤。

1.5 煤層含氣性

一般情況下，煤層埋藏越深，對(duì)于煤層氣的保存越有利。因此，煤層的含氣量整體與煤層埋深變化的趨勢(shì)基本相同。

5號(hào)煤層含氣量為5～20 m3/t。平面上5號(hào)煤層存在2個(gè)含氣中心，一個(gè)位于區(qū)塊中北部石家莊—大寧—窯渠一帶，呈北東—南西向分布，含氣量均大于14 m3/t，最高超過20 m3/t；另一個(gè)含氣中心位于該帶東部的蒲縣—桑娥一帶，與前一個(gè)基本平行，并呈現(xiàn)向東西兩側(cè)逐漸降低的趨勢(shì)。

8號(hào)煤層含氣量明顯低于5號(hào)煤層，平面分布趨勢(shì)總體上與5號(hào)煤層相似，顯示出中間高，向兩側(cè)降低的態(tài)勢(shì)，含氣量變化為2～20 m3/t。含氣中心位于午城—大寧—窯渠一帶和東部的蒲縣—桑娥一帶，含氣量一般高于14 m3/t，最大含氣量超過20 m3/t。從中心向東西兩側(cè)，含氣量逐漸下降。

1.6 煤層物性

煤層為孔隙-裂隙型儲(chǔ)層，具有2種特性，一方面在壓力的作用下，煤層具有容納氣體的能力；另一方面，具有允許氣體流動(dòng)的能力[9]。煤層的孔隙度分為基質(zhì)孔隙度和裂隙孔隙度[7]。

測(cè)井解釋成果表明，區(qū)塊內(nèi)主力煤層的孔隙度不高，一般小于6.00%，屬于低孔隙度儲(chǔ)層。32口井的煤樣密度測(cè)試資料表明，5號(hào)煤層的孔隙度為2.84%～12.96%，平均為4.97%；8號(hào)煤的孔隙度為2.08%～12.96%，平均為5.21%。

注入(壓降)測(cè)試結(jié)果表明，5號(hào)煤層的滲透率為0.006 5×10-3～3.170 0×10-3μm2，平均為0.350 0×10-3μm2；8號(hào)煤層的滲透率為0.005 0×10-3～3.010 0×10-3μm2，平均為0.400 0×10-3μm2。

1.7 水文地質(zhì)特征

區(qū)塊內(nèi)存在著2個(gè)完全不同的水文地質(zhì)單元。呈北東向展布、橫穿區(qū)塊的薛關(guān)斷層不僅是構(gòu)造單元的分界線，同時(shí)也是水文地質(zhì)單元的分水嶺。斷裂以東的水文地質(zhì)單元包含一個(gè)完整的供水區(qū)—徑流區(qū)—泄水區(qū)，而斷裂西部的供水區(qū)特征則不明顯，可能是東部泄水區(qū)同時(shí)又起著西部供水區(qū)的作用[10]。

2 評(píng)價(jià)方法介紹

首先，根據(jù)地震和各探井資料，先對(duì)各井區(qū)進(jìn)行“一票否決制”(單因素否決)，剔除煤層氣開發(fā)潛力最差的井區(qū)；其次，對(duì)剩余井區(qū)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到區(qū)塊內(nèi)煤層氣有利區(qū)帶優(yōu)選結(jié)果。灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分?；疑P(guān)聯(lián)分析是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似程度，來定量分析和確定系統(tǒng)之中各個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)性的分析方法[11]。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)步驟

(1) 確定參考序列和比較序列。參考序列為反映系統(tǒng)整體變化特征的數(shù)據(jù)序列，比較序列為影響系統(tǒng)整體變化的各個(gè)因素組成的數(shù)據(jù)序列。

(2) 對(duì)系統(tǒng)各個(gè)因素進(jìn)行無量綱化處理。因?yàn)橄到y(tǒng)中各個(gè)評(píng)價(jià)因素均具有不同的物理意義，若其量綱在統(tǒng)一時(shí)的數(shù)量級(jí)相差較大，直接對(duì)比會(huì)存在較大誤差，因此，需要進(jìn)行無量綱化的數(shù)據(jù)處理后，才能進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

(3) 找出比較序列和參考序列之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ε0i(k)。關(guān)于2個(gè)不同系統(tǒng)之間的各個(gè)因素，一般會(huì)隨時(shí)間或所取樣本不同而發(fā)生關(guān)聯(lián)性的變化量度，稱之為關(guān)聯(lián)度，究其實(shí)質(zhì)是關(guān)于曲線間幾何形狀對(duì)比的差別程度。針對(duì)某個(gè)參考序列{x0(n)}存在多個(gè)比較序列{xi(n)}，而各參考序列與比較序列在曲線各點(diǎn)(n=k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)ε0i(k)可由以下公式計(jì)算：

(1)

ε0i(k)=|x0(k)-xi(k)|

(2)

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ>0，通常取0.5；Δmax，Δmin分別為參考序列和比較序列中最大與最小差的絕對(duì)值，Δmin一般取0。Δ0i(k)是各比較序列{xi(n)}在曲線上的任一點(diǎn)k與參考序列{x0(n)}中曲線上的相應(yīng)點(diǎn)k的絕對(duì)差值。

關(guān)聯(lián)系數(shù)ε0i(k)的公式可簡(jiǎn)化為：

(3)

(4) 求取關(guān)聯(lián)度ri。因?yàn)殛P(guān)聯(lián)系數(shù)是參考序列與比較序列在不同點(diǎn)的關(guān)聯(lián)程度值，一般會(huì)出現(xiàn)多個(gè)數(shù)值，需要將不同點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)具有代表性的值，即通過求其算數(shù)平均值，作為其關(guān)聯(lián)程度的表征參數(shù)，公式為：

(4)

式中：r0i為參考序列與各個(gè)比較序列之間的關(guān)聯(lián)度；N是序列長(zhǎng)度。

(5) 排序。關(guān)聯(lián)度的大小決定了各個(gè)比較序列與參考序列之間的相關(guān)程度。將N個(gè)關(guān)聯(lián)度按數(shù)值大小進(jìn)行排序，便構(gòu)成了一個(gè)關(guān)聯(lián)序列，記為{x}。其值的大小反映了各個(gè)比較序列與參考序列之間的“優(yōu)劣”關(guān)系。若r0i>r0j，則稱{x0}對(duì)于同一參考序列{xi}優(yōu)于{xj}，記為{xi}>{xj}。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)

灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)的目的就是定量表征系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)程度，找出影響系統(tǒng)整體發(fā)展態(tài)勢(shì)的各主要因素，以此來掌握事物變化的主要特征?；疑P(guān)聯(lián)分析不需要考慮樣本是否有典型的分布規(guī)律和樣本的數(shù)量，只需要根據(jù)序列曲線的形狀相似程度來判斷各個(gè)因素之間的聯(lián)系是否緊密。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 單因素否決評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)地震和鉆井資料，剔除煤層埋藏深度大于1 400 m、煤層厚度小于1 m、位于徑流區(qū)或供水區(qū)、含氣量低于4 m3/t的井區(qū)或區(qū)帶。

根據(jù)以上原則，從76口探井中剔除了14口探井(其中煤層埋深超過1 400 m的井2口，煤層厚度小于1 m的井2口，位于徑流區(qū)和供水區(qū)的井10口，其中1口井含氣量低于4 m3/t)，余下62口探井參加了灰色關(guān)聯(lián)排序。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)于研究區(qū)而言，首先需要建立參考序列{x0(n)}與比較序列{xi(n)}，參考序列是煤層氣井的，比較序列是影響日產(chǎn)氣量的各個(gè)因素，如煤層埋藏深度、儲(chǔ)層壓力、解析壓力等；其次，將參考序列{x0(n)}、比較序列{xi(n)}均進(jìn)行無量綱化處理，利用式(1)計(jì)算出各比較序列在n=k時(shí)與參考序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，再利用式(4)計(jì)算出各比較序列對(duì)于參考序列的平均關(guān)聯(lián)度；最后，對(duì)所比較探井進(jìn)行排序比較。

通過灰色關(guān)聯(lián)理論計(jì)算區(qū)塊內(nèi)煤層氣探井的產(chǎn)能影響因素對(duì)產(chǎn)氣量的關(guān)聯(lián)結(jié)果見表1。

表1 臨汾區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)能灰色關(guān)聯(lián)分析參數(shù)

由表1可以看出，影響產(chǎn)氣量的因素按關(guān)聯(lián)度從大到小排序依次為煤層煤巖結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、煤層厚度、煤巖解析壓力梯度、煤巖含氣量、煤層埋深和煤層儲(chǔ)層壓力梯度。表明煤層煤體結(jié)構(gòu)對(duì)該區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣效果影響最為明顯，而煤層埋深和煤層儲(chǔ)層壓力梯度的影響相對(duì)最弱。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究結(jié)果可知，研究區(qū)在平面上主要分為2個(gè)有利區(qū)帶，分別是三多—小回宮—車城區(qū)帶和天嘉莊—石頭山區(qū)帶(圖2中粉色部分，關(guān)聯(lián)度值大于0.5)，較有利區(qū)帶主要分布在有利區(qū)帶兩側(cè)區(qū)域(圖2中黃色部分，關(guān)聯(lián)度值為0.4～0.5)，其余為煤層氣開發(fā)較不利區(qū)。三多—小回宮—車城有利區(qū)帶位于古驛—窯渠逆沖斷層西側(cè)，煤層厚度大，平均為10.58 m；噸煤含氣量高，平均為12.83 m3/t；以塊煤—碎塊煤為主，水文條件為弱徑流區(qū)—承壓區(qū)；解析壓力梯度相對(duì)較高，平均為0.005 8 MPa/m；儲(chǔ)層壓力梯度相對(duì)較高，平均為0.007 7 MPa/m。天嘉莊—石頭山有利區(qū)帶位于區(qū)塊東部，煤層厚度大，平均為8.25 m；噸煤含氣量相對(duì)較高，平均為12.01 m3/t；塊煤—碎塊煤為主，水文地質(zhì)條件為弱徑流區(qū)；解析梯度壓力相對(duì)較高，平均0.004 4 MPa/m；儲(chǔ)層壓力梯度相對(duì)較高，平均為0.007 2 MPa/m。

圖2 臨汾區(qū)塊煤層氣井灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)成果

4 結(jié) 論

(1) 臨汾區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能地質(zhì)影響主要受煤層煤巖結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、煤層厚度、煤巖解析壓力梯度、煤巖含氣量、煤層埋深和煤層儲(chǔ)層壓力梯度影響，影響程度依次降低。

(2) 利用灰色關(guān)聯(lián)法，將地質(zhì)因素量化處理，將各數(shù)據(jù)均無量綱化，減少了人為因素對(duì)地質(zhì)條件的影響，與定性評(píng)價(jià)相比較，又向前推進(jìn)了一步。

(3) 臨汾區(qū)塊內(nèi)煤層氣的有利區(qū)主要分布在三多—小回宮—車城區(qū)帶和天嘉莊—石頭山區(qū)帶，西部埋藏較深地區(qū)有利于煤系地層砂巖氣勘探。

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編輯 林樹龍

20151026；改回日期：20160104

國(guó)家“十二五”重大專項(xiàng)“煤層氣排采工藝與數(shù)值模擬技術(shù)”專題“煤層氣藏產(chǎn)氣潛能分析與產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法研究”(2011ZX05038-001)

王丹(1982-)，男，工程師，2004年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀博士研究生，主要從事煤層氣勘探與開發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.001

TE122.2；TE132

A

1006-6535(2016)02-0001-04