多煤層煤層氣有利區(qū)評價方法研究與應(yīng)用

趙文峰 尹中山 肖建新 李躍成 黃 繼 熊建龍,3

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，四川 610072；2.四川省煤田地質(zhì)局，四川 610072；3.四川省煤礦瓦斯(煤層氣)工程研究中心，四川 610072)

川南煤田位于四川省瀘州、宜賓兩市境內(nèi)，主要包括芙蓉、筠連和古敘三個礦區(qū)，為四川省煤炭、煤層氣最為富集的地區(qū)。據(jù)2011年《四川省瓦斯地質(zhì)圖》研究成果，川南煤田埋深2000m以淺二疊系煤層氣資源量合計為4451×108m3，儲量豐度1×108m3/km2以上。其中，芙蓉礦區(qū)為1210×108m3，筠連礦區(qū)為1316×108m3，古敘礦區(qū)為1925×108m3。

近年來，區(qū)內(nèi)大村區(qū)塊率先取得煤層氣地面抽采突破，沐愛區(qū)塊已建成2億m3煤層氣產(chǎn)能，芙蓉、震東、大寨、河壩、石寶亦部署了少量煤層氣參數(shù)井進行參數(shù)測試。如今，川南煤田煤層氣勘探開發(fā)方興未艾。雖已有選區(qū)成果為煤層氣勘探開發(fā)指明了大的方向，但由于參數(shù)有限且代表性不強，其指導(dǎo)意義差強人意。通過勘探試驗發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)或井間煤儲層的地質(zhì)條件及物性參數(shù)并不完全相同，單井產(chǎn)量差異較大，開發(fā)地點不甚明朗。以往的區(qū)域評價無法精確指導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)工程部署。再加之川南煤田煤層單層厚度不大，若僅以單層進行評價，控制資源量有限，投資風(fēng)險太大。為了積極推動我省煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加速川南煤田勘探開發(fā)進程，根據(jù)行業(yè)規(guī)范，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特征，選取符合本區(qū)煤層氣地質(zhì)特征的評價指標(biāo)參數(shù)，建立本區(qū)地質(zhì)選區(qū)評價體系，對于高效、有序開發(fā)具有非常重要的意義。

1 地質(zhì)特征與評價指標(biāo)選擇

1.1 地質(zhì)特征

綜合分析以往煤炭、煤層氣勘探資料，本區(qū)煤層氣地質(zhì)有如下主要特征：

(1)煤層層數(shù)多、厚度薄，累計厚度大

芙蓉礦區(qū)發(fā)育C5、B2、B3及B4四套主力煤層，可采煤層總厚度1.75～6.18m，可采系數(shù)1.19%～4.79%；筠連礦區(qū)發(fā)育C2、C3、C7及C8四套主力煤層，可采煤層總厚度3.30～7.10m，可采系數(shù)2.33%～5.21%；古敘礦區(qū)發(fā)育C13、C14、C16、C17、C23、C24及C25七套主力煤層，可采煤層總厚度7.44～9.95m，可采系數(shù)6.08%～7.12%。

(2)可采煤層含氣量高，資源量大，但單層資源豐度低

研究區(qū)煤層變質(zhì)程度高，煤類單一，為無煙煤三號，吸附量大，含氣量高，從目前勘探成果與認識來看，筠連、芙蓉礦區(qū)煤層含氣量5～28m3/t，平均含氣量約為14m3/t，含氣梯度及壓力梯度相近，具備典型的多層統(tǒng)一含氣系統(tǒng)特征；而古敘礦區(qū)煤層含氣量3～32m3/t，平均含氣量約為16m3/t，煤系底部C25煤層距離茅口組平均3m左右，其含氣量分布受茅口組水文地質(zhì)條件影響極其不均衡，除了該煤層，其他煤層具備多層統(tǒng)一含氣系統(tǒng)特征。

(3)構(gòu)造條件較復(fù)雜

川南煤田處于敘永～筠連疊加褶皺帶，為背、向斜疊加構(gòu)造，構(gòu)造應(yīng)力集中帶煤巖擠壓變形強烈，其余地段煤體結(jié)構(gòu)保存較完好。筠連、芙蓉礦區(qū)背向斜相對寬緩，構(gòu)造變形強度小，但與國內(nèi)外煤層氣勘探開發(fā)成功地區(qū)相比較，地層傾角仍然偏大。

(4)保存條件較好

目的層龍?zhí)督M/宣威組上覆下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組砂、泥巖互層，厚度390～530m，縱向上起到良好的封蓋作用；煤系地層巖性以砂、泥巖為主，煤層頂板多為砂質(zhì)泥巖和泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、膠結(jié)良好、裂隙不發(fā)育，煤層底板為灰黑色泥巖和粘土巖，膠結(jié)良好，裂隙不發(fā)育，地層本身封閉性能較好。除了古敘礦區(qū)C25煤層距離含水層較近外，芙蓉、筠連礦區(qū)的煤層距離強含水層較遠，在無大的斷層導(dǎo)通的情況下，保存條件良好。

(5)發(fā)育多種煤體結(jié)構(gòu)類型，滲透率普遍偏低

芙蓉、筠連礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)類型以原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤層為主，古敘礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)類型以碎裂、碎粒結(jié)構(gòu)煤層為主。整個川南煤田煤層滲透率普遍偏低，集中于0.001～0.1mD之間。

(6)在未受到其他地質(zhì)因素影響的條件下，儲層壓力正常，具有良好的儲層壓力條件。

1.2 評價參數(shù)選擇

在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)本區(qū)煤層氣富集主控關(guān)鍵因素，結(jié)合《煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價方法》(NB/T 10013—2014)附錄C中高煤階選區(qū)評價參數(shù)及分級，在遵循全面、獨立、簡單、實用、通用性5個原則的前提下，從區(qū)域地質(zhì)、資源地質(zhì)、技術(shù)可采性、經(jīng)濟可采性四個方面考慮，選擇的主要評價參數(shù)如下。

(1)區(qū)域地質(zhì)：包括煤層埋深、構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，為地質(zhì)因素中重要的控氣因素。根據(jù)煤田勘查鉆井、測井、巖心編錄和水文觀測等資料確定。

(2)資源地質(zhì)：包括煤層厚度和含氣量。一定厚度的煤層是煤層氣生成與賦存的物質(zhì)基礎(chǔ)，本區(qū)單煤層薄，資源豐度低，針對單層的煤層氣地面開采很難獲得經(jīng)濟產(chǎn)量，多層分壓合采為提高單井產(chǎn)量的必然途徑。煤層厚度根據(jù)煤田勘查鉆井、測井確定；含氣量根據(jù)現(xiàn)場與實驗室解吸測試數(shù)據(jù)確定，含氣量越高，煤層氣地質(zhì)條件越優(yōu)越，為評價指標(biāo)選擇首要參數(shù)。

(3)技術(shù)可采性：包括含氣飽和度、臨儲比、滲透率、煤體結(jié)構(gòu)和有效應(yīng)力。含氣飽和度越高，臨儲比越大，煤儲層用于解吸的氣體含量就越大，單井產(chǎn)量就越高。含氣飽和度、臨儲比依據(jù)實測含氣量與儲層壓力、等溫吸附曲線求出；滲透率、有效應(yīng)力根據(jù)注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)確定；煤體結(jié)構(gòu)根據(jù)煤田勘查鉆井取心巖性描述、煤心照片和測井曲線解釋確定，它決定著滲透率和可改造性，為評價指標(biāo)選擇首要參數(shù)。

(4)經(jīng)濟可采性：川南地區(qū)地勢陡而山體高差較大，交通條件整體較差，在選區(qū)時應(yīng)考慮地理環(huán)境相對較好的區(qū)域。

與國內(nèi)煤層氣開發(fā)成功的地區(qū)相比，本區(qū)單一煤層厚度薄客觀存在，而多層、高含氣量可以在一定程度上彌補這一缺陷，這與新疆低煤階煤層厚度大含氣低同樣可以獲得工業(yè)氣流具有相似之處，針對本區(qū)而言，在煤層展布穩(wěn)定區(qū)域?qū)ふ液瑲饬枯^高、煤體結(jié)構(gòu)完整的區(qū)域，對煤層氣的勘探開發(fā)作用重大。

2 有利區(qū)評價方法

2.1 首要參數(shù)一票否決

煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊優(yōu)選的目的是確定含氣富集區(qū)和高滲透區(qū)，據(jù)此確定的評價首要參數(shù)有含氣量和煤體結(jié)構(gòu)，屬于眾多因素中決定因素，具有一票否決的作用。根據(jù)目前開發(fā)成果及煤層氣資源量起算標(biāo)準(zhǔn)，針對高階無煙煤，含氣量起算下限為8m3/t，單煤層綜合評價之前首先對含氣量小于8m3/t和碎粒/糜棱煤結(jié)構(gòu)區(qū)進行一票否決。

2.2 多層次模糊綜合評價體系

對沒有被一票否決的區(qū)域，再采用多層模糊綜合評價體系進行評價。

2.2.1 評價模型建立

通過前述評價指標(biāo)的選擇分析，認為區(qū)域地質(zhì)、資源地質(zhì)、技術(shù)可采性、經(jīng)濟可采性構(gòu)成有利區(qū)評價的一級控制指標(biāo)，每個一級控制指標(biāo)下細化多個二級控制指標(biāo)，以此對評價系統(tǒng)劃分層次，建立多層次結(jié)構(gòu)模型(圖1)。

圖1 有利區(qū)評價模型

2.2.2 權(quán)重系數(shù)的確定

為了能定量確定各指標(biāo)的權(quán)重，需要建立同層次指標(biāo)間的判別矩陣。對于同層次指標(biāo)的兩兩比較，重要性標(biāo)度按照表1取值，用Xij表示兩指標(biāo)重要性比值，其中Xij與Xji互為倒數(shù)。利用Matlab軟件，計算出判別矩陣的最大特征根(λmax)及其對應(yīng)的特征向量(W)，得到各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)(表2)。

表1 判斷矩陣的標(biāo)度及其含義

為保證計算結(jié)果的可信度和相對準(zhǔn)確性，必須對判別矩陣作一致性檢驗。采用T.L.Saaty提出的用一致性指標(biāo)C.I.與同階平均隨機一致性指標(biāo)R.I.的比值，即隨機一致性比率C.R.來判別矩陣的一致性。其中：C.I.=(λmax-n)/n-1，C.R.=C.I./R.I.，n為矩陣的階數(shù)，R.I.的值為0.52(3階矩陣)、0.89(4階矩陣)和1.12(5階矩陣)。如果C.R.<10%，則認為判別矩陣具有可接受的不一致性，如果C.R.>10%，則需要重新賦值和修正計算，直至一致性通過為止。

表2 各層次評價指標(biāo)判斷矩陣及特征向量

表3 各層次評價指標(biāo)權(quán)重排序表

按上述方法求得研究區(qū)綜合評價各個參數(shù)權(quán)重(表3)。

2.2.3 隸屬度函數(shù)的確定

各項指標(biāo)的相對重要性系數(shù)采用模糊數(shù)學(xué)方法進行處理，通過建立各項指標(biāo)的隸屬函數(shù)，確定各項指標(biāo)的隸屬度。由于不同的參數(shù)其單位不同，值域大小不同。為提高指標(biāo)值的量化水平，采用中性指標(biāo)處理函數(shù)、分段線性函數(shù)、定義函數(shù)把原始指標(biāo)值轉(zhuǎn)換成(0～1)型數(shù)據(jù)。本次評價對能夠定量的指標(biāo)采用中性指標(biāo)函數(shù)和分段線性函數(shù)的方法，如煤層埋深采用中性指標(biāo)函數(shù)賦值，含氣量、煤厚、滲透率、含氣飽和度等采用分段線性函數(shù)進行賦值。

(1)中性指標(biāo)函數(shù)

即中間指標(biāo)值對于評價目標(biāo)層的貢獻最大，深度以H表示，埋藏深度的理想值取500～800m。

(2)分段線性函數(shù)

如含氣量用G表示，建立如下隸屬度：

對難于定量而只能定性的指標(biāo)采用定義函數(shù)，如構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)等，進行定性評判和賦值(表4)。

表4 定性評判及賦值表

2.2.4 有利區(qū)等級的確定

評價等級采用對指標(biāo)定性、分段定級，將評價結(jié)果劃分為4類。第一類為有利地區(qū)(Ⅰ類區(qū))，單井綜合評價系數(shù)大于0.75；第二類為較有利地區(qū)(Ⅱ類區(qū))，單井綜合評價系數(shù)在0.60～0.75之間；第三類為中等地區(qū)(Ⅲ類區(qū))，單井綜合評價系數(shù)在0.50～0.60之間；第四類為不利地區(qū)(Ⅳ類區(qū))，單井綜合評價系數(shù)<0.50。

根據(jù)計算的單井綜合評價系數(shù)，編繪綜合評價系數(shù)等值線。根據(jù)所取得的綜合評價系數(shù)值及分區(qū)范圍，按其大小和分類，劃分單煤層有利區(qū)類型及范圍。

2.3 多層空間疊加

由于研究區(qū)煤層多，各煤層參數(shù)有差異，以各煤層為評價單元，應(yīng)用前述方法，根據(jù)所取得的綜合評價系數(shù)值及分區(qū)等級，按其大小和分類，則可得出單煤層勘探開發(fā)條件差異及類型。單煤層綜合評價分區(qū)空間疊加則可以得到區(qū)塊綜合疊加分區(qū)圖，可作為煤層氣勘探開發(fā)部署及選層的依據(jù)。

3 實例應(yīng)用與效果探討

3.1 大村區(qū)塊實例

大村區(qū)塊/井田位于川南煤田古敘礦區(qū)東部，煤炭資源/儲量大，勘探程度高，煤層氣資源豐富，是川南煤炭、煤層氣富集的主要地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)出露地層由老至新依次為志留系、二疊系、三疊系及侏羅系，其中二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)賦存煤炭、硫鐵礦、煤層氣等礦產(chǎn)，乃區(qū)內(nèi)的主要含礦地層。區(qū)塊總體為一向北東傾伏，向南西揚起的不對稱向斜。地表斷層較發(fā)育，但對煤層影響很小?？刹擅簩?層，其中全區(qū)可采2層(C17、C25)，大部可采4層(C13、C14、C23、C24)，局部可采1層(C16)，可采煤層平均總厚9.29m，可采含煤系數(shù)7.12%，煤層多厚度薄。煤層變質(zhì)程度高，為無煙煤三號，平均含氣量18m3/t以上。

運用前面所述的評價方法，可以得到各煤層有利區(qū)分布范圍，疊合各煤層有利區(qū)分布范圍可知，1000m以淺，大村區(qū)塊西翼：Ⅰ類區(qū)主要分在DCMT-3井區(qū)附近，可動用C14、C17、C23、C24和C25煤層資源，Ⅱ類區(qū)主要分布在16～28號勘探線之間區(qū)域，可動用C14、C17、C23和C24煤層資源，Ⅲ類區(qū)主要分布在6～34號勘探之間區(qū)域，可動用C14、C17、C23和C24煤層資源，合計各類有利區(qū)面積20km2，煤層氣資源量60×108m3；大村區(qū)塊東翼無Ⅰ類區(qū)，Ⅱ類區(qū)主要分布在53～62號勘探線之間區(qū)域，可動用C14、C17、C23和C24煤層資源，Ⅲ類區(qū)主要分布在53～67號勘探之間區(qū)域，可動用C14、C17、C23和C24煤層資源，合計各類有利區(qū)面積10km2，煤層氣資源量25×108m3(圖2)。

圖2 有利區(qū)疊合示意圖

Ⅰ類有利區(qū)是近期可以進行煤層氣勘探試驗和開發(fā)的目標(biāo)區(qū)，Ⅱ、Ⅲ類區(qū)可作為中遠期煤層氣勘探開發(fā)的優(yōu)選目標(biāo)對象。

3.2 評價效果探討

經(jīng)過野外工作驗證發(fā)現(xiàn)，選區(qū)結(jié)果與實際地質(zhì)條件及取得的勘探試驗成果吻合度較高，說明該評價方法能夠較好地指導(dǎo)實際區(qū)塊優(yōu)選工作。

原2007年完成的石屏—大村井田煤層氣儲層研究與評價工作，從含氣豐度、封蓋性能、開采價值和產(chǎn)氣性能四個方面建立了選區(qū)評價模型，將大村區(qū)塊按埋藏深度劃分為三個評價單元，評價單元內(nèi)的評價指標(biāo)參數(shù)采用平均值或預(yù)測值統(tǒng)一給定，綜合評價得出埋深600～1000m為Ⅰ類區(qū)，埋深1000～1500m為Ⅱ類區(qū)，埋深160～600m為Ⅲ類區(qū)；本次評價結(jié)果Ⅰ類區(qū)在區(qū)塊西翼與原評價結(jié)果大致重疊，但在區(qū)塊東翼無Ⅰ類區(qū)。Ⅱ、Ⅲ類區(qū)評價結(jié)果差別較大。究其原因，一是本次評價層級更多，評價對象更小，評價參數(shù)更全，代表性更強。本次評價對象從單井→單煤層→區(qū)塊，采用了大量單井鉆井、錄井、測井和化實驗數(shù)據(jù)；二是評價方法差異。兩次都采用了多層次模糊數(shù)學(xué)法，但本次在采用該方法之前運用了一票否決及之后的多層空間疊加?？傮w來看，本次評價結(jié)果更具有現(xiàn)實指導(dǎo)作用。

4 主要結(jié)論與探討

(1)根據(jù)川南煤田煤層氣賦存特征，選擇了11個指標(biāo)作為有利區(qū)評價參數(shù)，提出了“首要參數(shù)一票否決+多層次模糊評價體系+多層空間疊加”作為有利區(qū)的評價方法。評價方法經(jīng)過實例應(yīng)用，可以方便地對多煤層進行系統(tǒng)、全面地評價和優(yōu)選，現(xiàn)場驗證效果較好?？梢酝茝V運用到諸如川南多煤層發(fā)育的其他礦區(qū)。

(2)川南筠連、芙蓉礦區(qū)背向斜相對寬緩，構(gòu)造變形強度小，煤系為陸相/海陸過渡相沉積，煤層灰分高，煤體結(jié)構(gòu)相對完整，割理、裂隙發(fā)育，煤層與圍巖關(guān)系簡單，可改造性強，單井試驗產(chǎn)氣量200～5000m3/d。古敘礦區(qū)背向斜相對緊閉，構(gòu)造變形強度稍強，煤系為海陸過渡相沉積，煤層灰分低，煤體結(jié)構(gòu)相對破碎，煤層與圍巖關(guān)系較復(fù)雜，可改造性稍弱，單井試驗產(chǎn)氣量200～2000m3/d。相對于筠連、芙蓉礦區(qū)而言，古敘礦區(qū)煤層層數(shù)多，含煤系數(shù)高，煤層相對集中，含氣量高，累加煤層氣資源豐度高，可充分利用煤層組合優(yōu)勢實現(xiàn)煤層氣井的高產(chǎn)和長期穩(wěn)產(chǎn)；但是，古敘礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)以碎裂、碎粒結(jié)構(gòu)為主，在儲層改造上較難以實現(xiàn)預(yù)期的裂縫長度，裂縫高度更加難以控制，當(dāng)大規(guī)模壓裂切穿煤層頂?shù)装搴?，泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖等頂?shù)装鍘r性對產(chǎn)氣貢獻有限。

(3)鑒于南方地區(qū)煤層氣開發(fā)突破及規(guī)?；囼灥男Ч町惔?，如何實現(xiàn)單井長期穩(wěn)定的工業(yè)產(chǎn)量是極其現(xiàn)實的難題，再加上投資效益、生產(chǎn)成本關(guān)系，當(dāng)務(wù)之急要尋找到Ⅰ、Ⅱ類有利區(qū)(即甜點)，為勘探開發(fā)部署提供依據(jù)。