新疆庫(kù)拜煤田A5煤層含氣量建模方法

王月江+楊明明+張娜

摘要： 煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的潔凈能源，煤層含氣量是評(píng)價(jià)煤層氣區(qū)塊優(yōu)劣的重要指標(biāo)，也是煤層氣資源儲(chǔ)量計(jì)算的重要參數(shù)。本文采用地質(zhì)多元統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)新疆庫(kù)拜煤田A5煤層的埋深、灰分、水分、鏡質(zhì)組反射率等含氣量因素進(jìn)行篩選，并對(duì)主要因素進(jìn)行多元回歸，建立煤層含氣量模型，通過(guò)驗(yàn)證，誤差平均為-1.52%，效果較好，有利于在庫(kù)拜煤田進(jìn)行含氣量預(yù)測(cè)，對(duì)煤層氣選區(qū)具有指導(dǎo)意義。

Abstract： Coalbed methane is a kind of high quality， high efficiency and environmentally friendly clean energy. Methane content is an important index to evaluate the quality of coalbed methane block， and it is also an important parameter of coalbed methane reserve. In this paper， the geology and multivariate statistical analysis was used to screen the gas content of the buried seam， ash， moisture and vitrinite reflectance of the A3 coalbed in Xinjiang， and the main factors were analyzed by multiple factors. The coalbed gas content model is established. Through verification， the average error is -1.52% and the effect is good， which is conducive to the gas prediction in Kubai coalfield. It is of guiding significance for coalbed methane region selection.

關(guān)鍵詞： 庫(kù)拜煤田；A5煤層；含氣量預(yù)測(cè)；多元統(tǒng)計(jì)

Key words： Kubai coalfield；A5 coalbed；methane content prediction；multivariate statistics

中圖分類號(hào)：P641.4+61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0157-03

0 引言

煤層含氣量是指噸煤中含甲烷、二氧化碳、氮?dú)饧吧倭恳谎趸己拖∮袣怏w所占的體積[1]。其主要成分以甲烷含量最高，是煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的基本指標(biāo)，是煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是煤層氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算的重要參數(shù)。

目前獲取含氣量的方法主要為實(shí)測(cè)法、推測(cè)法和類比法。實(shí)測(cè)法：通常采用參數(shù)井進(jìn)行鉆孔取芯進(jìn)行含氣量測(cè)試確定其實(shí)測(cè)數(shù)值，但參數(shù)井?dāng)?shù)量有限，無(wú)法對(duì)全區(qū)進(jìn)行含氣量的全面分析。推測(cè)法：還可根據(jù)已獲得的淺部計(jì)算單元內(nèi)含氣量與深度關(guān)系為前提，推算地質(zhì)條件相似的深部計(jì)算單元內(nèi)的含氣量值；類比法：在缺乏煤層含氣量實(shí)測(cè)值的計(jì)算單元，可以類比相鄰或地質(zhì)條件相似、具有相同埋深范圍的區(qū)塊的含氣量值。其共同的缺點(diǎn)就是只能表達(dá)空間上一個(gè)變量和含氣量之間的關(guān)系，不夠貼切實(shí)際，無(wú)法滿足空間上儲(chǔ)層各個(gè)因素的精細(xì)描述[3]。

在分析了目前含氣量獲取方法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文以新疆庫(kù)拜煤田主要的目標(biāo)開(kāi)發(fā)煤層A5煤層為研究對(duì)象，結(jié)合獲取的煤層氣相關(guān)參數(shù)和實(shí)際測(cè)試的含氣量數(shù)據(jù)，采用多元統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)庫(kù)拜煤田A5煤層建立含氣量預(yù)測(cè)模型。

1 庫(kù)拜煤田煤層氣地質(zhì)特征

庫(kù)拜煤田總體為構(gòu)造形態(tài)為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，地層總體為近東西走向，向南傾斜，傾角一般30°～80°，局部地段地層直立倒轉(zhuǎn)，具有東陡、西緩、中部直立倒轉(zhuǎn)的變化規(guī)律，斷層不發(fā)育。

庫(kù)拜煤田主要發(fā)育的地層由老至新依次為二迭系（P）、三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（E）、古近系（E）、新近系（N）及第四系（Q）。其中侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組（J1t）、下統(tǒng)陽(yáng)霞組（J1y）、中統(tǒng)克孜努爾組（J2K）為主要的含煤地層。

庫(kù)拜煤田煤層氣開(kāi)發(fā)的目的層系為侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組（J1t）的A10、A5煤層。其中A5煤層平均厚度3.20米，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于較穩(wěn)定煤層。煤層底板為深灰色的粉砂巖、細(xì)砂巖，頂板為粗砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖。煤變質(zhì)程度較高，變質(zhì)階段多為Ⅲ階，主要為焦煤；煤層含氣量為1.68～10.42 m3/t，平均6.89m3/t[4]。本文主要研究庫(kù)拜煤田A5煤層含氣量與埋深、水分、灰分的關(guān)系模型。

2 庫(kù)拜煤田A5 煤層含氣量模型的建立

2.1 方法的選擇

地質(zhì)多元統(tǒng)計(jì)法是數(shù)學(xué)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法在地質(zhì)問(wèn)題上研究的統(tǒng)稱，一般采用的地質(zhì)多元統(tǒng)計(jì)法有回歸分析法、地質(zhì)因子分析法、相關(guān)分析法、模糊統(tǒng)計(jì)法等。

通常，地質(zhì)因子之間的關(guān)系是十分復(fù)雜相互關(guān)聯(lián)的，有些關(guān)聯(lián)的緊密有些不緊密，有些呈現(xiàn)正相關(guān)有些相反，往往一個(gè)變量不僅受某個(gè)主要因素的約束，而是隨多個(gè)地質(zhì)變量的變化而變化，并且不可能用某一個(gè)確定的函數(shù)關(guān)系式來(lái)表示。因此，通常會(huì)選用回歸分析法來(lái)反映一個(gè)變量和其他變量之間的函數(shù)關(guān)系。

本文主要采用回歸分析中的一元回歸和多元回歸方法分析氣含量和主要影響因素之間的關(guān)系，進(jìn)一步確立含氣量預(yù)測(cè)模型。首先，通過(guò)煤層氣含量與相關(guān)影響因素的一元回歸散點(diǎn)圖來(lái)判斷影響氣含量的主要因素，進(jìn)而通過(guò)多元回歸來(lái)建立氣含量的預(yù)測(cè)模型。采用相關(guān)性檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。R2為自變量和因變量的相關(guān)系數(shù)，檢驗(yàn)自變量和因變量的相關(guān)關(guān)系是否密切，F(xiàn)值檢驗(yàn)，是用統(tǒng)計(jì)的方法檢驗(yàn)兩者之間的密切關(guān)系，只有方程顯著的情況下，才認(rèn)為方程有意義[5]。endprint

2.2 煤層含氣量影響因素分析

影響煤層含氣量高低的因素很多，因?yàn)槊簩邮敲簩託獾纳鷼鈱右嗍莾?chǔ)集層。其生氣能力與成煤物質(zhì)、煤變質(zhì)程度等有關(guān)；儲(chǔ)氣能力與煤的變質(zhì)程度、煤巖成分、氣體壓力等有關(guān)，而壓力又與煤儲(chǔ)層的埋深、區(qū)域水文地質(zhì)條件等有關(guān)；煤中礦物質(zhì)種類、含量、賦存形式等直接關(guān)系煤儲(chǔ)層含氣量的高低；除煤層自身的條件外，煤儲(chǔ)層的保存條件、構(gòu)造等對(duì)煤層含氣量也有重要的影響[6]。

本次工作收集庫(kù)拜煤田A5煤層甲烷含量測(cè)試數(shù)據(jù)，煤巖煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，篩選數(shù)據(jù)，并依次進(jìn)行影響因素和含氣量的一元線性回歸，進(jìn)行相關(guān)性分析。發(fā)現(xiàn)埋深、灰分、水分、孔隙度分別與含氣量相關(guān)性較好。

2.2.1 總含氣量與埋深的關(guān)系

建立總含氣量與深度的一元回歸方程為：Y=8E-05e0.013x，經(jīng)過(guò)計(jì)算，相關(guān)性系數(shù)R2為 0.8031，相關(guān)性很高，F(xiàn)值為59.30，若取顯著性水平為0.1，查得F0.1（1，18）=3.007

2.2.2 總含氣量與水分的關(guān)系

建立水分與含氣量的一元回歸方程為：Y=-7.9016X+12.246，經(jīng)過(guò)計(jì)算，相關(guān)性系數(shù)R2為 0.7031，相關(guān)性很高，F(xiàn)值為65.80，若取顯著性水平為0.1，查得F0.1（1，22）=2.949

2.2.3 總含氣量與灰分的關(guān)系

建立含氣量與灰分的一元回歸方程為：Y=-0.0939X+9.9361，經(jīng)過(guò)計(jì)算，相關(guān)性系數(shù)R2為0.5106，相關(guān)性很高，F(xiàn)值為18.78，若取顯著性水平為0.1，查得F0.1（1，18）=3.007

2.2.4 總含氣量與孔隙度的關(guān)系

建立總含氣量與孔隙度一元回歸方程為：Y=108.39X-0.5747，經(jīng)過(guò)計(jì)算，相關(guān)性系數(shù)R2為0.8292，相關(guān)性很高，F(xiàn)值為92.24，若取顯著性水平為0.1，查得F0.1（1，18）=2.990

2.3 多元回歸模型的建立

本文將煤層含氣量作為因變量，將埋深、水分、灰分、孔隙度作為自變量，建立因變量與多個(gè)自變量的回歸關(guān)系，可以得到一個(gè)多元的回歸模型。下式是總含氣量（Y）隨埋深（X1）、水分（X2）、灰分（X3）、孔隙度（X4）變化而變化的回歸多元預(yù)測(cè)方程：Y=-16.32000712+0.017357175X1+1.074387X2-0.02764X3+127.0078X4

回歸方程的相關(guān)性系數(shù)r2為 0.987 ，說(shuō)明自變量與因變量的線性關(guān)系較密切。對(duì)方程進(jìn)行進(jìn)一步的 F檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出 F=96.27，若取顯著性水平為 0.10，查得 F0.10（4，27）=3.520

為了對(duì)比分析一元回歸模型和多元回歸模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算每種預(yù)測(cè)方法與實(shí)際氣含量的誤差，對(duì)比結(jié)果：多元回歸法計(jì)算的誤差平均為 -1.52%；利用埋深計(jì)算氣含量的誤差為 -8.49%；利用水分含量計(jì)算氣含量的誤差為-7.62%；利用灰分計(jì)算氣含量的誤差為-1.87%。由此可以看出，利用多元回歸的方法進(jìn)行氣含量預(yù)測(cè)比一元回歸的方法稍好。

3 結(jié)論

目前，煤層氣儲(chǔ)層的地質(zhì)建模發(fā)展迅速，利用數(shù)學(xué)地質(zhì)的方法更加精確、精細(xì)的描述地質(zhì)變量的相互關(guān)系越來(lái)越廣泛，特別是地質(zhì)多元統(tǒng)計(jì)法利用多個(gè)相互影響的地質(zhì)因子預(yù)測(cè)更為精確的煤層氣含量的方法，勢(shì)必在今后煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中得到進(jìn)一步應(yīng)用。一元回歸是多元回歸的基礎(chǔ)，含氣量由多因素相互影響，庫(kù)拜煤田A5煤層，在現(xiàn)有參數(shù)分析的情況下，建立多元回歸預(yù)測(cè)模型，對(duì)庫(kù)拜煤田煤層氣選區(qū)具有指導(dǎo)意義。隨著庫(kù)拜煤田煤層氣參數(shù)井的增多和參數(shù)的影響因素分析，需要對(duì)對(duì)已獲取的參數(shù)進(jìn)行不斷的修正，預(yù)測(cè)模型進(jìn)一步細(xì)化。

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