沁水盆地武鄉(xiāng)南煤層氣賦存主控地質(zhì)因素及富集區(qū)預(yù)測(cè)

宋慧波，安紅亮，劉順喜，于振鋒，金 毅，王保玉,4，王長征，3

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048200；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；4.河南理工大學(xué) 煤系氣資源高效開發(fā)利用研究院，河南 焦作 454000)

煤層氣為自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣，以吸附態(tài)、游離態(tài)、水溶態(tài)和固溶態(tài)賦存于煤層或煤系地層中，屬于煤的伴生礦產(chǎn)資源[1]。沁水盆地含有豐富的煤與煤層氣資源，是我國重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地。武鄉(xiāng)南區(qū)塊位于沁水盆地中部，煤與煤層氣資源豐富，2017年，榆社-武鄉(xiāng)地區(qū)煤層氣勘探取得重大突破，預(yù)測(cè)煤層氣資源量達(dá)2 414億 m3，屬于超大型煤氣田。但豐富資源量與靶區(qū)尋找困難、單井開采量低，高產(chǎn)氣量井少、開采效率低[2]等問題形成巨大的現(xiàn)實(shí)矛盾，因此迫切需要開展煤層氣主控地質(zhì)因素研究，對(duì)富集區(qū)進(jìn)行優(yōu)選。

影響煤層氣成藏的地質(zhì)因素有構(gòu)造條件、沉積環(huán)境、含氣量、煤層埋藏深度、水文地質(zhì)條件和儲(chǔ)層物性等方面[3-6]。目前對(duì)煤層氣成藏控制因素的研究集中在構(gòu)造、沉積和水文控氣3個(gè)方面[7-8]。構(gòu)造對(duì)煤層氣的賦存、成藏以及勘探開發(fā)具有重要的控制作用[9-10]，開放性正斷層造成煤層氣逸散，壓型逆斷層封閉性較好，有利煤層氣的保存[11-12]；沉積環(huán)境通過控制煤層的形成、儲(chǔ)蓋組合以及空間展布特征，從而影響煤巖生氣能力和儲(chǔ)集條件[13-15]；水動(dòng)力條件則影響煤層氣的分布、運(yùn)移和保存，徑流和排泄活躍的地下水不利于對(duì)煤層氣的保存，而相對(duì)滯留的地下水具有良好的封堵作用[16-17]。煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)方法較多，有灰色關(guān)聯(lián)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊物元法、數(shù)值模擬法、基于測(cè)井和地震信息方法等。這些方法均是利用地質(zhì)評(píng)價(jià)與數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行分析，不能很好的解決指標(biāo)的選擇和權(quán)重的確定，以及“模糊性”問題。但多層次模糊數(shù)學(xué)方法通過把煤層氣富集區(qū)優(yōu)選過程劃分層次，使模糊和非定量化指標(biāo)得到量化，做到了定性與定量方法相結(jié)合[18-20]。該方法在實(shí)際應(yīng)用中通過數(shù)學(xué)處理與人的經(jīng)驗(yàn)、主觀判斷相結(jié)合，能夠客觀有效的分析目標(biāo)準(zhǔn)則體系層次間的非序列關(guān)系，因而得到廣泛的應(yīng)用。武鄉(xiāng)南煤層整體埋深大，深部煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)相對(duì)較復(fù)雜，多層次模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法更符合研究區(qū)的實(shí)際情況，能夠更好地優(yōu)選煤層氣富集區(qū)。

基于以上情況，筆者在分析武鄉(xiāng)南區(qū)塊含煤巖系沉積環(huán)境、儲(chǔ)層特征以及煤層氣富集主控地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，通過層次分析和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)煤層氣富集區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為該區(qū)塊煤與煤層氣的高效開發(fā)利用提供了理論支撐，同時(shí)也對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)極具重要意義[21]。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地是華北晚古生代在成煤期之后由斷塊差異性抬升形成的山間斷陷盆地[22]，古構(gòu)造上屬于華北地臺(tái)中帶，在晚古生代主要呈現(xiàn)出海陸交互的古地理背景。晚古生代末期，隨著古蒙古洋的閉合，海水向南退出，華北板塊內(nèi)部轉(zhuǎn)化成大型的內(nèi)陸湖泊沉積環(huán)境。武鄉(xiāng)南位于沁水盆地中部(圖1)，地處榆社武鄉(xiāng)斷裂背斜構(gòu)造帶內(nèi)[23]，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，通過地震剖面、野外填圖和鉆井資料研究表明，區(qū)內(nèi)發(fā)育斷裂和褶曲構(gòu)造共22處，其中正斷層16條，逆斷層4條，背斜2個(gè)，受燕山和喜馬拉雅早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)主要呈NNE和NE向。

沁水盆地武鄉(xiāng)南區(qū)塊含煤地層主要為石炭—二疊系太原組和山西組(圖1)。太原組地層平均厚108.2 m，巖性由含生物碎屑灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層組成，全組含灰?guī)r5～7層，主要灰?guī)r層自下而上依次命名為K2，K3，K4，K5?；?guī)r中普遍含有燧石結(jié)核、燧石條帶和豐富的海相動(dòng)物實(shí)體、遺跡化石。山西組地層平均厚52.8 m，底部以標(biāo)志層K7砂巖(北岔溝砂巖)之底與太原組分界，巖性由粉砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖和煤層構(gòu)成。

研究區(qū)含煤巖系自下而上發(fā)育太原組巖溶裂隙含水層和山西組碎屑巖孔裂隙含水層。太原組含水層以K2～K5四層灰?guī)r為主，灰?guī)r中裂隙不發(fā)育，富水性較差，同時(shí)各灰?guī)r含水層之間被泥巖、砂質(zhì)泥巖分隔獨(dú)立，滲透性低，水力聯(lián)系弱，對(duì)15號(hào)煤層影響較小。山西組含水層以下部K8砂巖為主，富水性較差[24]，對(duì)3號(hào)煤影響較小。區(qū)內(nèi)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，地下水徑流方向與地層傾向相反或呈高角度相交，水體流動(dòng)不僅要克服巖石顆粒的吸附力和摩擦力，還要克服自身重力和隔水層壓力，因此地下水徑流微弱。

2 沉積環(huán)境及儲(chǔ)層特征

2.1 沉積相及巖相古地理特征

沉積相是沉積環(huán)境及在此環(huán)境中形成的沉積物特征的綜合反映，因而常作為研究礦產(chǎn)資源沉積背景的基礎(chǔ)[25]。前人對(duì)沁水盆地主要含煤巖系的沉積環(huán)境進(jìn)行過系統(tǒng)研究，提出了石炭—二疊紀(jì)古地理格架和高分辨率層序地層的沉積序列[26]。明確了該盆地上石炭—下二疊統(tǒng)太原組形成于陸表海碳酸鹽巖臺(tái)地、障壁海岸和三角洲沉積環(huán)境[27]。山西組形成于海陸過渡相的河控三角洲沉積環(huán)境[28]。

2.1.1沉積相組成特征

通過研究區(qū)鉆井巖心數(shù)據(jù)及連井剖面對(duì)比研究，太原組識(shí)別出淺海、潮坪、障壁島、潟湖4種沉積相。潮坪相包括為泥坪、泥炭坪、混合坪和砂坪沉積亞相。山西組發(fā)育下三角洲平原沉積亞相，進(jìn)一步又可分為泥炭沼澤、水下分流間灣和水下分流河道3種沉積微相(圖1)。

太原組演化以淺海、障壁島、潟湖和潮坪交互沉積為特征(圖2)，自下而上劃分3個(gè)巖性段即：下部碎屑巖段(K1砂巖底到K2灰?guī)r底)——由障壁島和潮坪相沉積組成；中部灰?guī)r段(K2灰?guī)r底到K4灰?guī)r頂)——由淺海相、障壁島相和潮坪相沉積組成；上部碎屑巖段(K4灰?guī)r頂?shù)終7砂巖底)——由潟湖、障壁島和潮坪相沉積組成。淺海相巖性主要由泥巖和生物碎屑泥晶灰?guī)r構(gòu)成。障壁島相巖性以厚層狀中—細(xì)粒石英砂巖為主，發(fā)育交錯(cuò)層理。潮坪相巖性為薄層粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤。潟湖相巖性由灰?guī)r和含菱鐵礦泥巖組成。太原組15號(hào)煤層發(fā)育在潮坪相泥炭坪沉積環(huán)境中。

圖2 武鄉(xiāng)南區(qū)塊W7井太原組相柱狀

山西組為下三角洲平原沉積環(huán)境，系一套分流河道、分流間灣和泥炭沼澤微相沉積，呈多次交替出現(xiàn)(圖3)，巖性由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層組成。分流河道主要為中厚層狀和厚層狀細(xì)砂巖，發(fā)育平行層理和槽狀交錯(cuò)層理。分流間灣由砂質(zhì)泥巖與泥巖組成，發(fā)育水平層理。泥炭沼澤主要由黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤構(gòu)成。山西組3號(hào)煤層形成于下三角洲平原泥炭沼澤沉積環(huán)境。

圖3 武鄉(xiāng)南區(qū)塊W7井山西組相柱狀

2.1.2巖相古地理特征

通過鉆孔巖心數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)砂泥比數(shù)據(jù)，繪制了太原組和山西組的砂泥比等值線圖(圖4)。太原組沉積期，砂巖主要分部在研究區(qū)中部和東南部，砂泥比大于0.55，西南部含泥量高，砂泥比小于0.25。山西組整體砂泥比較高，區(qū)內(nèi)中部含泥量大，砂泥比小于0.25。

圖4 武鄉(xiāng)南區(qū)塊太原組和山西組砂泥比等值線

基于砂泥比，結(jié)合巖性、沉積序列和灰?guī)r厚度分布特征等諸多因素繪制了武鄉(xiāng)南區(qū)塊太原組和山西組沉積期的巖相古地理圖(圖5)。太原組沉積期，區(qū)塊北部主要為淺海相(砂泥比小于0.25)和潮坪灰?guī)r-砂泥巖相(砂泥比在0.55～0.25)，尤其在東北部，潮坪中泥炭坪沉積較為發(fā)育，煤層較厚。東南部和中部發(fā)育障壁島砂巖相，并在關(guān)家坡東南側(cè)出現(xiàn)濱岸砂巖相(2者的砂泥比均大于0.55)。潟湖灰?guī)r-泥巖-粉砂巖相(砂泥比小于0.25)主要分布在障壁島砂巖相和濱岸砂巖相之間。山西組沉積期，區(qū)塊演變?yōu)橄氯侵奁皆练e環(huán)境，南部發(fā)育泥炭沼澤-黑色泥巖相和分流間灣泥巖-粉砂巖相(砂泥比小于0.25)。分流河道砂巖相分布在東南部和北部地區(qū)(砂泥比大于0.55)。

圖5 武鄉(xiāng)南區(qū)塊太原組和山西組沉積期巖相古地理示意

2.2 儲(chǔ)層特征

2.2.1煤層空間展布特征

研究區(qū)主采煤層為太原組15號(hào)煤和山西組3號(hào)煤。太原組為典型的海陸交互相沉積，該組地層沉積旋回韻律明顯，煤層多賦存于灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖底部。K1砂巖(晉祠砂巖)和K2灰?guī)r的巖性特征明顯，層位較穩(wěn)定且厚度變化較小和分布廣泛，是煤層對(duì)比的良好標(biāo)志層。通過統(tǒng)計(jì)本區(qū)27口鉆井煤層厚度數(shù)據(jù)，并利用K1和K2標(biāo)志層進(jìn)行煤層對(duì)比后顯示，15號(hào)煤層厚1.2～6.72 m，平均3.481 m，煤層自北向南存在分叉現(xiàn)象，自上而下分層編號(hào)為15-1，15-2和15-3(圖6)，厚度逐漸變薄。

山西組為三角洲相沉積，K7砂巖(北岔溝砂巖)為太原組和山西組的分界標(biāo)志層，層間距變化范圍小，規(guī)律性明顯?；贙7標(biāo)志層對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行對(duì)比分析顯示：3號(hào)煤層厚0.38～5.84 m，具分叉特征，自上而下分層編號(hào)有3-1，3-2，單層厚度在0.30～3.99 m，整體厚度自北向南具增加趨勢(shì)，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全區(qū)穩(wěn)定可采(圖6)。

圖6 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層南北向?qū)Ρ?/p>

2.2.2煤巖煤質(zhì)特征

選取研究區(qū)主采煤層具有代表性的12個(gè)煤樣，所有樣品均進(jìn)行工業(yè)分析和顯微組分測(cè)定(表1)。研究區(qū)煤樣為黑色亮-暗煤，塊狀，條帶狀結(jié)構(gòu)，煤層夾1～2層泥巖或炭質(zhì)泥巖，宏觀煤巖類型為半亮型煤。

表1 武鄉(xiāng)南區(qū)塊煤樣綜合測(cè)試結(jié)果

煤層作為生氣層和儲(chǔ)氣層，其變質(zhì)程度對(duì)含氣量具有重要的影響。煤樣顯微組分實(shí)驗(yàn)表明：研究區(qū)煤樣以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，不含殼質(zhì)組，顯微煤巖類型為微鏡惰煤。煤樣的鏡質(zhì)組含量為34.3%～86.0%；平均63.85%，惰質(zhì)組含量7.8%～39.5%，平均25.88%；Ro為2.43%～2.80%，平均2.59%。工業(yè)分析表明：固定碳為43.95%～82.62%，平均67.84%；水分為1.02%～2.15%，平均1.48%；灰分為11.98%～56.49%，平均21.85%；揮發(fā)分為8.65%～22.23%，平均為12.66%。研究區(qū)的主采煤層的水分較低，固定碳含量大，煤中甲烷吸附空間大，表明煤層的吸附能力較強(qiáng)，有利于煤層氣的賦存[29]。

2.2.3煤的吸附性能

結(jié)合研究區(qū)煤層特征，對(duì)研究區(qū)煤樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)分析，煤樣的空氣干燥基Langmuir體積VL為17.88～38.64 cm3/g，平均為33.65 cm3/g。Langumuir壓力PL為2.05～2.75 MPa，平均2.41 MPa。分析結(jié)果顯示煤儲(chǔ)層吸附氣含量較高。

3 煤層氣富集的主控地質(zhì)因素分析

3.1 構(gòu)造作用

沁水盆地屬于華北克拉通內(nèi)一個(gè)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱的斷陷盆地，構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定且聚煤條件較好，這決定了沁水盆地具有豐富的煤層氣生氣母質(zhì)和穩(wěn)定的氣藏圈閉條件，因此其盆地構(gòu)造背景有利于煤層氣的生成和保存。

地處榆社—武鄉(xiāng)斷裂背斜構(gòu)造帶內(nèi)的武鄉(xiāng)南區(qū)塊發(fā)育多條斷層(圖7)，斷層多以NNE向，斷距介于20～50 m。張小東等[30]對(duì)沁水盆地長治區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行定量劃分，并分析了對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，選取斷層密度、延展長度和傾角以及斷距4個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表2。

圖7 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層含氣量與構(gòu)造疊合

表2 構(gòu)造復(fù)雜程度判定

基于以上劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)東南部斷層密度和延展長度大，斷距普遍大于40 m，為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)。該地區(qū)斷層性質(zhì)主要為正斷層，斷層面缺乏斷層泥，封閉性較差，導(dǎo)致該地區(qū)的15號(hào)和3號(hào)煤含氣量均較低。區(qū)內(nèi)W26-W8-W18勘探井西部一帶正斷層傾角、斷距和延展長度較小，發(fā)育的逆斷層密度小，故劃分為構(gòu)造較簡(jiǎn)單區(qū)。該區(qū)正斷層規(guī)模小，逆斷層為壓性，斷層面附近受擠壓應(yīng)力作用，透氣性較差，煤層氣缺乏逸散通道，因此整體含氣量較高。實(shí)測(cè)鉆井含氣量與以上分析結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性，這充分驗(yàn)證了研究區(qū)對(duì)構(gòu)造復(fù)雜類型劃分方法的合理性。

3.2 頂板封蓋性

煤層頂板巖性和厚度對(duì)煤層氣富集至關(guān)重要。具體來說，巖性越致密、頂板越厚，越有利于煤層氣富集[31]。

太原組15號(hào)煤層頂板多為沼澤相或潮坪相沉積的泥巖和砂質(zhì)泥巖(圖8)。東北部和西南部砂質(zhì)泥巖分部廣泛，其中該區(qū)塊東北部W7勘探井附近的15號(hào)煤層頂板為封蓋性較好的砂質(zhì)泥巖，隔斷了各含水層之間煤層氣水力逸散的通道，具有較好的垂向封堵效果，使含氣量增加。研究區(qū)W20-W21-W8勘探井附近15號(hào)煤層頂板為透氣性較好的細(xì)砂巖，對(duì)煤層氣的封蓋性能弱，因此含氣量低。

圖8 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層頂板巖性分布特征

山西組3號(hào)煤頂板巖性主要為分流間灣砂質(zhì)泥巖和泥炭沼澤泥巖。研究區(qū)的西南處3號(hào)煤層頂板為封蓋性能好的泥巖，煤層含氣量高。西北處和東南處3號(hào)煤的頂板巖性為透氣性較好的細(xì)砂巖，對(duì)煤層氣封堵較差，含氣量較低。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，煤層頂板厚度與含氣量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性(R2分別為0.650 5和0.567 5)，如圖9所示。厚層頂板更加有效的阻止了氣體向外運(yùn)移，為煤層氣富集提供了良好的蓋層條件。

圖9 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層頂板厚度與含氣量的關(guān)系

3.3 煤厚與含氣量的關(guān)系

煤儲(chǔ)層作為煤層氣的吸附載體，其厚度對(duì)含氣量具有顯著的影響作用。太原組沉積期，研究區(qū)北部和東北部為泥炭坪環(huán)境，有利于植物生長和埋藏，易于厚煤層形成，生氣潛力大。中部障壁島砂巖相(W23井附近)和東南部濱岸砂巖相，不利于植物生長，煤厚較薄，生氣條件差。中南部潟湖相煤厚較大，生氣條件好。山西組沉積期，研究區(qū)南部發(fā)育泥炭沼澤，是厚煤層形成的良好環(huán)境。北部為分流河道砂巖相，不利于植物生長和泥炭堆積，煤層厚度小。

平面展布特征表明：太原組15號(hào)煤厚度自西南向東北逐漸增加，中北部煤層整體較厚(圖10)，含氣量變化趨勢(shì)與煤厚相似，北部較高，向南部逐漸降低。山西組3號(hào)煤厚度變化自南向北變薄，含氣量變化除南部部分區(qū)域外，其變化趨勢(shì)整體與煤厚一致。同時(shí)，通過武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層厚度與含氣量的相關(guān)性分析表明：煤層厚度與含氣量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.872 5和0.957 6)(圖11)。究其原因，煤儲(chǔ)層既是煤層氣的儲(chǔ)集空間，也是氣體逸散的封堵蓋層。煤層屬于高密度和低滲透性的巖層，上、下部分對(duì)中部分層氣體向頂板擴(kuò)散起著強(qiáng)烈的封蓋作用，煤層厚度越大，擴(kuò)散路徑越長，阻力就越大，對(duì)煤層氣的保存就越有利[32]。

圖10 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層厚度等值線

圖11 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層厚度與含氣量的關(guān)系

3.4 埋深與含氣量的關(guān)系

研究區(qū)15號(hào)煤層埋深介于706.4～2 002.8 m，平均1 458.6 m，3號(hào)煤層埋深介于595.2～1 858.9 m，平均為1 333.5 m。煤層氣地質(zhì)學(xué)研究表明，隨著煤層埋深增加煤層上覆地層厚度封蓋性增強(qiáng)，且由于壓實(shí)作用使煤層孔滲性下降、封閉性變好，對(duì)煤層氣的封存比較有利[33]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：15號(hào)和3號(hào)煤層含氣量與埋深呈正相關(guān)性(R2分別為0.842 8 和0.752 3)(圖12)。從平面上分析，研究區(qū)為一傾向向西的單斜構(gòu)造(傾角約20°)，中部存在貫穿南北的逆斷層，15號(hào)煤層與3號(hào)煤層埋深自東南向西北呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)(圖13)。煤層含氣量與埋深變化趨勢(shì)總體一致。含氣量隨著煤層埋深增加而變化明顯，實(shí)質(zhì)是隨著煤層埋深增加，煤層中甲烷吸附壓力增加，從而導(dǎo)致煤層氣的吸附量增加。

圖12 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層埋深與含氣量的關(guān)系

圖13 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層埋深等值線

4 富集區(qū)預(yù)測(cè)

4.1 評(píng)價(jià)方法

4.1.1各層次指標(biāo)重要系數(shù)的確定

通過上述本區(qū)塊煤層氣地質(zhì)控制因素分析，并結(jié)合前人研究成果和研究區(qū)實(shí)際情況，用層次分析法將研究區(qū)煤層氣預(yù)測(cè)指標(biāo)分為資源條件和地質(zhì)條件2個(gè)層次。武鄉(xiāng)南區(qū)塊的煤層氣富集區(qū)評(píng)價(jià)定義為A，煤層氣富集預(yù)測(cè)指標(biāo)主要考慮資源條件(B1)和賦存條件(B2)。資源條件(B1)分為煤厚(C11)和含氣量(C12)。賦存條件(B2)分為構(gòu)造條件(C21)、頂板巖性(C22)和埋深(C23)。評(píng)價(jià)時(shí)在遵循客觀性和主體特殊性兩大原則基礎(chǔ)上，根據(jù)(表3，其中，μi，μj為2個(gè)因素，2個(gè)因素的比值為uij組成矩陣中的數(shù)值)對(duì)不同層次和相同層次指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性比較，建立構(gòu)造判斷矩陣。利用Matlab軟件計(jì)算出判別矩陣最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量，特征向量數(shù)值即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重系數(shù)(表4，其中，WB為相對(duì)于目標(biāo)層A而構(gòu)成B的特征向量；WC1為相對(duì)于B1指標(biāo)層C1的特征向量；WC2為相對(duì)于B2指標(biāo)層C2的特征向量)。為保證計(jì)算結(jié)果的客觀性和合理性，本次采用SAATY T L[34]提出的一致性檢驗(yàn)，如下所述：

表3 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

表4 各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的重要性系數(shù)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CIRI

(2)

其中，n為判斷矩陣階數(shù)；RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；CI為一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性比率。若CR<10%，表明判斷矩陣的結(jié)果具有可接受的一致性，檢驗(yàn)通過。研究區(qū)的3個(gè)判斷矩陣的隨機(jī)性比率分別為0，0和0.96%，均小于10%，得出判斷矩陣的特征向量為相對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表5)。

表5 資源條件與地質(zhì)條件的主要參數(shù)及其權(quán)重

4.1.2隸屬度和隸屬函數(shù)

基于鉆井、測(cè)井資料，并結(jié)合上述煤層氣地質(zhì)控制因素綜合分析，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法，將各個(gè)控制因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為最有利、較有利和不利。以前人研究煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)[18,20,35]，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)實(shí)際情況，建立了0～1的隸屬度和隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6，其中，M′為煤層厚度；N′為含氣量)。為了盡可能最大接近實(shí)際情況，在武鄉(xiāng)南區(qū)塊現(xiàn)有煤層氣資源勘探開發(fā)資料的基礎(chǔ)上建立了煤層氣富集區(qū)多層次模糊評(píng)價(jià)模型(表7)。

表6 煤層氣富集因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及隸屬函數(shù)

表7 煤層氣富集區(qū)塊優(yōu)選多層次模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述指標(biāo)體系、選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)與隸屬函數(shù)，統(tǒng)計(jì)武鄉(xiāng)南15號(hào)和3號(hào)煤層氣評(píng)價(jià)參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行賦值，得出其隸屬度。通過使每個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的隸屬度和權(quán)重系數(shù)相乘，然后結(jié)合煤儲(chǔ)層特征、含氣性特征、頂板巖性、埋深以及研究區(qū)的沉積環(huán)境和構(gòu)造特征等因素綜合分析后繪制了武鄉(xiāng)南煤層氣富集預(yù)測(cè)圖(圖14)。煤層氣綜合評(píng)價(jià)結(jié)果反映煤層氣的富集性和可采潛力，按評(píng)價(jià)值的大小將研究區(qū)煤層氣富集區(qū)塊劃分為有利區(qū)塊(Ⅰ類)、較有利區(qū)塊(Ⅱ類)、較不利區(qū)塊(Ⅲ類)和不利區(qū)塊(Ⅳ類)，其中Ⅰ類區(qū)塊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大于0.7，Ⅱ類為0.6～0.7，Ⅲ類為0.5～0.6，Ⅳ類在0.5以下。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)煤煤層氣富集區(qū)位于區(qū)塊北部和東北部W26-W31-W41勘探井一帶，3號(hào)煤煤層氣富集區(qū)主要分布在W1-W20-W2勘探井一帶。

圖14 武鄉(xiāng)南區(qū)塊15號(hào)和3號(hào)煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)

5 結(jié) 論

(1)太原組15號(hào)煤層形成潮坪相沉積環(huán)境，煤厚變化自東北向西南依次變薄。山西組3號(hào)煤層形成于下三角洲平原分流間灣中的泥炭沼澤沉積環(huán)境，整體具有自東北向西南逐漸變厚的趨勢(shì)。

(2)15號(hào)和3號(hào)煤層含氣量主控因素為沉積、構(gòu)造作用控制下的煤層厚度、頂板巖性和埋深。研究區(qū)整體上構(gòu)造較簡(jiǎn)單、煤層厚度大和頂?shù)装鍘r性為厚層砂質(zhì)泥巖疊合的區(qū)域?yàn)槊簩託飧患瘏^(qū)。

(3)建立了多層次模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)體系，劃分了煤層氣富集特征的4類區(qū)塊，即：有利區(qū)塊(Ⅰ類)、較有利區(qū)塊(Ⅱ類)、較不利區(qū)塊(Ⅲ類)和不利區(qū)塊(Ⅳ類)，其中15號(hào)和3號(hào)的Ⅰ類富集有利區(qū)塊，分別分布在研究區(qū)北部勘探井W26-W31-W41和中南部勘探井W1-W20-W2一帶。