基于模糊物元的煤层气高产富集区预测——以沁水盆地为例

摘 要

摘要：沁水盆地煤层气开发的后备区块准备不足，需要开展煤层气有利富集区块的优选工作。为此，分析了影响沁水盆地高产富集的关键因素：煤层厚度、实测含气量、含气饱和度、原始渗透
摘要：沁水盆地煤层气开发的后备区块准备不足，需要开展煤层气有利富集区块的优选工作。为此，分析了影响沁水盆地高产富集的关键因素：煤层厚度、实测含气量、含气饱和度、原始渗透率、煤层海拔深度、临界解吸压力、水文地质条件等；采用模糊物元评价方法，利用生产现场资料结合实验室测试数据，绘制出了量化指标预测等值线，并分析了不同地区煤层气高产的可能性。依据评价结果，优选出阳泉-寿阳、长子-屯留、沁水北-安泽和阳城北等4个煤层气产能建设的后备区块(其中又以阳城北有利区与阳泉-寿阳南有利区高产的潜力最大)，为沁水盆地煤层气后期的勘探开发提供了目标区。
关键词：沁水盆地；模糊物元；评价；高产富集区；有利区块；含气量；渗透率；临界解吸压力
    沁水盆地高煤阶煤层气田目前开发有所突破[1～2]，但后备区块不足，且由于中国多期构造叠加和多期构造热事件的影响造成我国煤层气藏具有“低孔、低渗、低压和低产”的特点[3]，煤层气勘探开发难度大，亟须寻找煤层气高产富集区的预测方法。笔者结合沁水盆地煤层气成藏地质特征，利用模糊物元方法优选有利区块，以期为沁水盆地开发提供后备区块。
1 影响沁水盆地高产富集的关键因素
1.1 煤层厚度和含气量
    根据煤层气井产气量与煤层厚度、含气量的关系，综合考虑，将沁水盆地含气量下限确定为15m3/t，单井煤层厚度下限确定为5m，高煤阶煤层高产的厚度、含气量要求更高，在开采时煤层厚度越大、含气量越高越有利。
1.2 含气饱和度
    沁水盆地主要的几个矿区或井田平均含气饱和度主要为27.5%～71.8%，从含气饱和度与煤层产气量的统计关系来看，含气饱和度小于60%时，煤层气井为低产井，产量小于700m3/d；高煤阶储层含气饱和度大于70%时，煤层气井才为高产井，因此将沁水盆地煤层气高产的含气饱和度下限定为70%，其值越大，煤层气高产的可能性就越大。
1.3 原始渗透率
    渗透性条件是高产的关键因素，煤层渗透率值越大，煤层裂隙系统的导流能力越强，煤层气产量越高[4]。根据沁水盆地储层产气量与原始渗透率的关系，将煤层高产井的渗透率下限定为0.2mD。在实际评价中，采用地应力的大小或主应力差值大小来预测平面上渗透率的分布。
    一般来说，割理、裂隙数量的多少是渗透率大小控制的内在关键因素，但在复杂的地质构造背景下，原地应力等外在因素对渗透率的影响尤为显著[5～7]。因而笔者采用主要裂隙发育期的古构造应力场来预测渗透率的大小。研究表明，主应力差增大，煤储层渗透率呈指数形式急剧增高，相关性极高，由沁水盆地煤层气井高产的渗透率下限(0.2mD)，可以得到沁水盆地主应力差的下限为45MPa。
1.4 煤层海拔深度
    沁水盆地含气量与煤层海拔深度的相关性比较好，含气量大于15m3/t的煤层，其海拔深度主要分布在400～1000m，另外由于沁水盆地地面海拔主要在1000m左右，该段海拔深度区段由于含气量高，通常渗透性好，最有利于煤层气井的高产。
1.5 临界解吸压力
    经实测数据分析，临界解吸压力大于1.8MPa是该区煤层气获得高产的重要条件，小于该下限值时，其产气量通常小于1000m3/d。
    利用相关的等温吸附参数及实测的体积(V实际)计算出兰氏体积(VL)，对该区临界解吸压力进行估算，同时绘制兰氏压力平面分布图(图1)。从图1看出，总体上沁水盆地石炭-二叠系兰氏压力呈南高北低的分布趋势，晋城-阳城矿区兰氏压力大于4MPa，阳泉、沁水-高平的兰氏压力也在3MPa左右，潞安矿区的兰氏压力为2.5MPa左右，西山矿区的兰氏压力为2～3MPa；沁水盆地镜质体反射率的分布范围内，其与兰氏体积之间有如下的4次方关系式(其相关性系数为09683)：
    VL=1.0436Ro,max4+9.1137Ro,max3-26.693Ro,max2+37.95Ro,max+1.3912 (1)
 

1.6 水文地质条件
    水动力封闭及地层水超压都有利于煤层气的吸附及富集；而交替的水动力条件将打破吸附、溶解和游离气之间的平衡，使吸附气逐渐减少，影响煤层气的保存[8～9]。另外，煤层气的开采也需要有较好的水动力条件，便于降压解吸，以利于开采。根据沁水盆地地下水等水位线的分布趋势，可以选择等水位线相对平缓，水动力势减弱，地下水流动较为缓慢的区域，作为煤层气开采的有利区域。
2 高产富集区评价
    目前综合评价的方法有多种，如综合指数法、多因子综合评价法、属性识别法、模糊数学法[10～11]和人工神经网络法等等。在煤层气高产富集区的评价中，考虑到水文地质条件等参数的非定量性，具有一定的模糊性，这些概念的对象是没有确定边界的模糊结合，笔者选用模糊物元法对其好坏进行评价。
2.1 评价方法-模糊物元法
2.1.1标准模糊物元
    标准模糊物元[10]Ron是指从优隶属度模糊物元中各评价指标的从优隶属度[11]的最大值、最小值或中间值。笔者选择煤层厚度、实测含气量、含气饱和度、临界解吸压力4个参数，以最大值作为最优，也就是各指标从优隶属度均为1；原始渗透率、煤层海拔深度则采用适中型作为最优；水文地质条件根据其分布处于滞流、径流、还是补给区及其水位高度分别赋予不同的值，以等水位线相对平缓的滞流区的从优隶属度为1。
2.1.2评价模型
    结合前人相关的评价模型[12]，利用模糊算子中的加权平均型模糊算子(·，)(即先乘后加)可以计算出各区域的综合评价系数(ρHj)的大小，将其按从大到小的顺序排列，该值越大，说明煤层气高产的可能性越大。将所计算的综合评价系数的大小与煤层气高产最低下限指标所对应的综合评价系数(ρH0)值进行比较，大于ρH0值的地区就是煤层气高产富集潜力区。
 
式中RρH为ρ个事物的H个模糊特征的复合物元；Mi为第i个事物(i=1，2，…，m)；wi为第i个事物评价指标的熵权；△ij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)为标准模糊物元R0n与复合从优隶属度模糊物元中各项差的平方，则组成差平方复合模糊物元(R△)，即△ij=(μ0j-μij)2。
2.2 沁水盆地高产富集区评价结果
    根据上述标准，对煤层总厚度、煤层渗透率、煤层含气量等地质因素按同一的网格对其等值线图进行网格化，最终计算所有网格结点上的煤层气综合评价系数的大小，并绘制量化指标预测等值线。根据绘制的量化指标预测等值线，即可分析沁水盆地不同地区的煤层气高产的可能性。其沁水盆地最终的评价结果如图2所示。
 

    从以上评价结果及已有煤层气井的开发效果来看，沁水盆地高产富集有利区主要分布在综合评价系数大于0.7的区域，大致包括4个区域：阳泉-寿阳有利区、长子-屯留有利区、沁水北-安泽有利区、阳城北有利区，其中又以阳城北有利区与阳泉-寿阳南有利区高产的潜力最大。
2.2.1阳泉-寿阳有利区
    位于阳泉、寿阳间及其以南，包括阳2、阳3部分井区，面积635.93km2，埋深400～1050m，含气量大于14m3/t，煤层总厚度大于6m，其中3#煤层厚度为1.7～3.2m，平均厚度2.23m，15#煤层厚度分布在1.8～6.9m，平均为5.43m，为无烟煤。
    3#煤层盖层主要为砂质泥岩，厚2～9m，15#煤盖层以砂质泥岩或泥岩为主，厚3～11m。原煤兰氏体积为24.82～37.1m3/t，平均30.96m3/t，兰氏压力为1.94～3.2MPa，平均为2.58MPa，阳泉、寿阳割理裂缝发育，有高渗区存在，煤层气井试井渗透率最高达13.36mD，煤层气资源量达749×108m3。
    到2009年底，阳泉-寿阳地区共钻探井1700余口，其中探井46口，投产井850口，日产气量达120×104m3，单井产气量在1500m3/d，这些勘探开发数据是对预测结果的一个很好的例证。
2.2.2长子-屯留有利区
    位于屯留-长子一线及其周围地区，面积373.59km2，3#煤层厚5.8～7.3m，15#煤厚2.3～3.5m，埋深430～800mD，含气量在14～20m3/t，主曲率较大，裂隙发育、南部为裂隙最发育区；煤层气资源量为1532×108m3。区内远离盆地边缘，水力坡度较小，水径流能力相对较弱，有利于煤层气保存。
    该区已提交煤层气探明储量超过70×108m3，裂隙发育，渗透率高，后续煤层气开发比较有利。
2.2.3沁水北-安泽有利区
    位于安泽以南区域内，面积520.67km2，包括晋试6井井区，煤层厚度变化呈现西薄、东厚特征，其中3#煤层厚度为3.7～6.5m，15#煤层厚度为1.8～3.45m；埋深分布在500～1000m，南浅北深。含气量高，最高可超过22m3/t。据邻区资料，该区主力煤层3#煤层以上覆盖1套50m的泥岩盖层，是该区含气量最高的主要因素。煤层裂隙较发育，水动力条件不活跃，是该区主要的汇水中心，煤层气资源量为1369×108m3。
2.2.4阳城北有利区
    位于阳城北、高平以西一带，面积1595.75km2，3#煤厚度几乎都超过5m，15#煤层厚度也大多超过3m，总厚度平均大于8.3m；埋深主要分布在400～900m，东浅西深，南浅北深；含气量超过14m3/t。该区是燕山、喜山期构造运动的叠合区，煤层裂隙最发育区，煤层顶板泥岩、致密石灰岩盖层发育，水文条件以弱径流和滞流为主，煤层气保存条件好，晋试井组、潘庄井组等含气量高，多数井高产就是很好的证明。
    该目标区的最有利区块位于阳城以北的潘2井、晋试1井井区，面积330.625km2。该区整体为一马蹄形斜坡带，地层倾角小。煤层平均厚8m，埋深300～800m。据晋试1井钻探证实，煤阶以无烟煤Ⅱ号为主，主力煤层3#煤层厚5.82m，15#煤层厚3.04m。含气量平均25.1m3/t。3#煤层上覆59m泥岩盖层，15#煤层上覆13m的泥岩、致密石灰岩盖层，含气饱和度平均90%。2期不同方向构造在本区交会叠加，导致煤系裂缝发育，晋城CQ-9井3#煤层试井渗透率为3.61mD，表明存在高渗区。水动力条件为弱交替和缓流区。潘庄试验区单井日产量超过4300m3，晋试1井3#煤层产气量为2500～4050m3/d，反映了潘2井、晋试1井井区较好的煤层气勘探前景。该区是目前沁水南部煤层气产能建设的主要战场，从而也很好地证实了其作为煤层气高产富集区的重要意义。
3 结论
    1) 结合控制沁水盆地高产富集的关键因素诸如煤层厚度、实测含气量、含气饱和度、原始渗透率、煤层海拔深度、临界解吸压力、水文地质条件等，利用模糊物元法优选了阳泉-寿阳、长子-屯留、沁水北-安泽、阳城北等4个有利区块。
    2) 对比分析优选的4个有利区块的地质条件及煤层气井开发效果，认为阳城北有利区与阳泉-寿阳南有利区高产的潜力最大。
参考文献
[1] 翟光明，何文渊.抓住机遇，加快中国煤层气产业的发展[J].天然气工业，2008，28(3)：1-4.
[2] 赵庆波，田文广.中国煤层气勘探开发成果与认识[J].天然气工业，2008，28(3)：16-18.
[3] 孙茂远，刘贻军.中国煤层气产业新进展[J].天然气工业，2008，28(3)：5-9.
[4] 胡爱梅，李明宅，李国富.煤层气开采过程中煤储层孔渗变化规律综述[M]∥宋岩，张新民.煤层气成藏机制及经济开采理论基础.北京：科学出版社，2005：267-271.
[5] 孙平，王一兵.沁南煤层气藏高渗区预测[J].天然气工业，2008，28(3)：33-35.
[6] 樊明珠，王树华.煤层气勘探开发中的割理研究[J].煤田地质与勘探，1997(1)：31-34.
[7] 傅雪海，秦勇，李贵中，等.山西沁水盆地中、南部煤储层渗透率影响因素[J].地质力学学报，2001，7(1)：45-52.
[8] 王勃，姜波，王红岩，等.低煤阶煤层气藏水文地质条件的物理模拟研究[J].煤炭学报，2007，32(3)：258-260.
[9] 王红岩，刘洪林，赵庆波，等.中国煤层气富集成藏规律[M].北京：石油工业出版社，2004：88-90.
[10] 肖芳淳.气田开发方案模糊物元分析[J].石油规划设计，1995，6(3)：24-26.
[11] 张斌，雍歧东，肖芳淳.模糊物元分析[M].北京：石油工业出版社，1977：10-56.
[12] 肖芳淳.模糊物元贴近度聚类分析的研究[J].新疆石油地质，1998，19(4)：281-283.
 
(本文作者：王勃1，2 孙粉锦2 李贵中2 马京长2 刘飞3 王红岩2 刘洪林2 1.中国矿业大学地球与资源科学学院；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院煤层气研究所；3.川庆钻探工程有限公司钻采工艺技术研究院)