晋陕蒙地区煤层气勘查潜力综合评价

摘 要

摘要：目前，晋陕蒙地区的煤层气产业已初步进入商业化生产阶段，其勘探开发资料比较丰富，开展勘查潜力综合评价已具备条件。为此，在大量收集该区煤层气勘探开发资料的基础上，综合分析
摘要：目前，晋陕蒙地区的煤层气产业已初步进入商业化生产阶段，其勘探开发资料比较丰富，开展勘查潜力综合评价已具备条件。为此，在大量收集该区煤层气勘探开发资料的基础上，综合分析了影响煤层气勘查潜力的各种因素，应用层次分析法确定了煤层气勘查潜力评价的12个指标，结合专家意见还对各级指标赋予了权重，最后建立起了煤层气资源勘查潜力综合评价指标体系。分析认为，评价对象具有明显灰色性特征，运用层次分析法和灰色聚类法建立了用于煤层气资源勘查潜力评价的多层次综合评价模型。利用该模型对晋陕蒙地区沁水、霍西、鄂尔多斯东缘、渭北4个含气区带的煤层气资源勘查潜力进行了评价。结果表明：最有利的勘查区块分布于4个含气区带的浅部含气区，深部含气区勘查潜力整体上较差。其评价结果对今后该区煤层气资源勘查具有指导作用。
关键词：煤层气；勘查潜力；综合评价；层次分析法；灰色聚类分析法；资源条件；开采条件；开发利用条件；晋陕蒙地区
    煤层气含气区勘查潜力综合评价是煤层气勘探研究最基础的工作。20世纪80年代开始，有关科研部门及生产单位在煤层气资源及勘查潜力评价方面做了大量研究工作[1～11]，对中国埋深2000m以浅的煤层气资源量及勘查潜力进行了不同程度的评价和预测。研究领域主要集中于评价参数的选取、评价方法的引入，研究对象为全国主要的含气区带、含气盆地，或集中于某个区域、某几个矿区规模，研究内容以对煤层气资源评价为主。之前，由于获取的煤层气开发数据资料有限，很难对一个区域进行资源量与可采性并重的勘查潜力研究。
    晋陕蒙煤层气有利区行政上隶属于山西省、陕西省和内蒙古自治区管辖，主要为华北聚煤区的太行山以西地区，西至贺兰山-六盘山断裂带，东到冀鲁豫皖地区西界，北起阴山-燕山褶皱带西段，南至秦岭-大别山褶皱带西段。主要包括沁水盆地和鄂尔多斯盆地2大含气盆地，其中鄂尔多斯盆地分为东缘、北缘、西缘、南缘(渭北)、中部5个含气区带，沁水盆地分为沁水、霍西、西山3个含气区带。
    晋陕蒙地区的煤层气产业已初步进入商业化生产阶段，煤层气勘探开发资料比较丰富[12～16]。现有的煤层气开发项目和已登记的区块主要集中于鄂尔多斯东缘、渭北，沁水、霍西4个含气区带。笔者即以此4个区带为研究对象，综合运用灰色聚类法和层次分析法，建立煤层气资源勘查潜力评价体系，对该区的煤层气勘查潜力进行评价。本文所指的“晋陕蒙地区”专指这4个含气区带。
1 评价指标体系
1.1 评价指标分析
    影响煤层气资源勘查潜力评价的指标众多，指标间关系复杂。能否经济地开发煤层气资源受地质条件、开采条件以及开发利用条件等诸多因素的制约，需要选择科学、简捷、实用的数学模型来分析处理这些繁杂的因素。笔者综合考虑体现煤层气勘探公益性和商业性的各项指标，应用层次分析法建立煤层气资源勘查潜力综合评价指标层次结构并确定各指标的权重。
   评价指标反映了评价对象的本质属性。煤层气资源的本质属性比较抽象，其勘查潜力又涉及资源属性、可采性、开发利用条件等诸多方面，各评价指标在用于表述勘查潜力的指标体系中所处的层次不同，且同一层次指标的重要性有异。因此，只能用有限的指标(定性与定量指标结合)尽可能从本质上刻画或表述煤层气资源勘查潜力这一对象的主体、本质部分。
   基于对晋陕蒙地区煤田地质、煤层气地质资料及开发数据的分析，认为影响本区煤层气资源勘查潜力的因素主要有资源条件、开采条件、开发利用条件3个方面，具体评价指标体系见图1。
 

1.1.1资源条件
   资源条件是进行煤层气勘探开发的物质基础。用煤层气地质资源量、资源丰度、资源属性3个指标来刻画。地质资源量取决于煤层发育程度及含气性，含气量越高，煤层厚度越大，平面分布面积越大，则总的资源量越大。资源丰度(含气强度)反映了煤层气资源的富集程度，与煤储层含气量及总的可采煤层厚度有关。
   地质资源量、资源丰度2个指标，一个反映资源量的大小，一个反映单位面积内资源的富集程度。而资源属性(品质)也是评价对象的一个重要属性，资源品质对煤层气勘探开发的影响比地质资源量、资源丰度更为重要。笔者用构造复杂程度、煤层稳定程度、埋深3个指标来刻画资源品质这一属性。
　　开发实践证实断层对煤层气开发的影响不容忽视，很多沿断层部署的生产井产气很少或只产水不产气。构造复杂程度不仅反映了煤层气资源破坏程度，更重要的是会影响到最终的勘探部署及开发规划的制订。煤层稳定程度从一定角度代表了煤层气资源的稳定程度，这是资源量、资源丰度无法包容的一个属性。煤储层的埋深一方面反映了勘探开发的难易程度，另一方面煤炭资源勘探程度、煤层气资源勘探程度和煤储层埋深之间存在较为直接的关系，含气区浅部勘探程度高，所获数据资料更为接近煤层气资源的本质属性。
1.1.2开采条件
    对于勘查潜力评价来说，可开采条件是极为重要的因素。资源条件是物质基础，可采性(开采条件)决定了煤层气资源可采出量的大小及开采的难易程度。随着国内煤层气产业进入商业性开发阶段，开采条件在勘查潜力评价中占有越来越重要的位置，而不再是仅侧重于资源条件(含气性、含气强度等)的评价。近几年，在晋陕蒙地区施工的生产井、井组的数量增长迅速，并陆续投入生产，所获得的生产和试验数据使得对每一个小的评价单元进行可采性评价成为可能。
1.1.2.1 可采系数
    笔者用可采系数来表述煤层气资源对象中可采资源量大小这一属性，可采系数是在现有经济技术条件下煤层气地质资源量中可采部分所占的比例，决定了从可获资源角度表述的商业性投入的回报率。由于现阶段晋陕蒙地区处于煤层气工业开发的初期，等温吸附曲线法是计算可采系数的常用方法。
1.1.2.2 储层物性
    煤层气开采的难易程度主要与煤储层物性有关，笔者选择了渗透率、储层压力梯度、临储比3个指标来刻画评价对象的这一属性。渗透率是极为重要的煤储层参数，反映了开采过程中煤储层对解吸甲烷的渗流能力，高渗透率是煤层气井高产的重要条件。储层压力梯度反映了开采时煤储层所能提供的能量大小。临储比即临界解吸压力与储层压力之比，反映了煤层气开采时需要降压的幅度及产气时间的早晚。由于研究区内煤级变化大，不同煤级之间绝对含气量的高低不能真正体现其可采程度，而临储比可以反映煤层气开采的难易程度，是体现开采条件的重要指标。
1.1.3开发利用条件
    开发利用条件是煤层气经济开采的外在影响因素，细分为市场需求、地形条件和基础设施3个指标：①市场需求主要考虑煤层气田附近城市、人口、经济发展状况等因素，用以评估当地的煤层气资源需求量；②地形条件决定了地面投资成本及开发难易程度，对开发具有一定的影响；③基础设施为煤层气的勘探开发提供保障，涉及当地的交通、基础管线建设及其他条件。
晋陕蒙地区煤层气勘查潜力评价体系共包括7个定量指标(地质资源量、资源丰度、埋深、可采系数、渗透率、储层压力梯度、临储比)，5个定性指标(构造复杂程度、煤层稳定程度、市场需求、地形条件和基础设施)，共12个指标。其中定量指标的分级标准依据指标对煤层气勘查的意义及各指标在晋陕蒙地区分布特征来确定；定性指标分级采用同一原则，因此也采用同一分类标准。该体系中条件、指标的内涵和特征取值、赋值标准见表1。
 

1.2 评价指标权重的计算
    运用层次分析法确定指标权重的步骤为：首先邀请有关专家对各指标进行两两比较打分，建立判断矩阵，然后计算各指标权重并进行一致性检验[17～19]。
    煤层气勘查潜力指标体系分为4层，其中目标层为综合评价值，准则层有3层(分为三级指标)。下面以一级指标权重计算为例，描述层次分析法确定权重的过程。专家讨论后的打分结果见表2。专家打分时一般采用数字1～9及其倒数作为重要性标度，其含义见表3，计算方法参见本文参考文献[15]。
 

    1) 构造一级指标两两比较判断矩阵。
 
    2) 用方根法计算权重向量，并计算出判断矩阵的最大特征值。
W=(w1，w2，w3)=(0.4330，0.4665，0.1005)
        λmax=3.0055
    3) 一致性检验。
CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.0055-3)/(3-1)=0.002756
 CR=CI/RI=0.002756/0.52=0.005＜0.10
可以认为判断矩阵具有满意的一致性，进而可认为第二步计算出来的一级指标间的相关权重能够采用。同理可以计算其他各级指标权重，最终权重计算结果见表4。
 
2 综合评价
2.1 评价方法选择
    用于综合评价工作的数学方法很多，常用的有加权求和法、模糊数学法、灰色聚类法等[15]。
    上述基于层次分析法建立的煤层气勘查潜力评价指标体系，用12个定量或定性的指标来刻画评价对象的本质属性。通过分析发现，评价对象带有明显的灰色特性。这是因为，影响煤层气资源勘查潜力的因素具有多样性、复杂性的特征，各因素之间的关系也有待于进一步研究。一方面只能获得评价对象属性的部分信息，如：煤层厚度、埋藏深度、煤层含气量、储层压力等；另一方面，各种属性间的关系不甚明了，如：煤层埋深、厚度、煤类对储层渗透性的影响以及对煤层气可采性的影响。
    而采用灰色聚类方法对于明显具有灰色性的评价对象进行综合评价是合理可行的，因此，笔者采用灰色聚类法来评价研究区的煤层气勘查潜力。
2.2 评价单元划分
    晋陕蒙地区煤田勘探和煤层气勘探程度较高，基础资料丰富，采用埋深等值线、含气量等值线和煤层厚度等值线作为边界，划分评价单元，根据实际情况对有些地区的评价单元进行合并或细分，以使资评结果更具合理性、客观性和可靠性。沁水含气区带共划分87个评价单元，霍西含气区带49个，鄂尔多斯东缘30个，渭北含气区带10个，晋陕蒙地区共划分了176个评价单元。
2.3 评价过程
   根据评价指标特征分级标准(表1)，将176个评价对象分为A、B、C、D共4个灰类。灰色聚类的基本步骤为：
    1) 给出聚类白化数dij；
    2) 确定灰类白化权函数fik。
    3) 标定聚类权ηjk。
    4) 确定聚类系数σik。
    5) 构造聚类向量σi=(σi1，σi2，…，σip)。
    6) 进行聚类σi=max｛σip｝，则聚类对象i属于k灰类。
   笔者采用灰色定权聚类，即上述第3)步中聚类权由表4中的评价指标权重决定，且各个指标关于不同灰类的权值大小不变。
   煤层气勘查潜力评价不仅关注每个评价对象所属灰类，而且希望对属于同一灰类的评价对象的勘查潜力进行排序，指导以后的勘查部署。因此，在上述基础上，还需求出综合优度值，即以下面2个步骤：
   7) 聚类系数归一化，。
   8) 求综合评价值M：预先设定优、良、可、差4类的最高分值分别为90、70、50、30，则Mi=90δi1+70δi1+50δi3+30δi4。求得评价单元的最终综合优度值后，可以根据综合优度值排序，同时按优(≥65分)、良(55～65分)、可(45～55分)、差(≤45分)4类，分别对应优先开展勘查工作、鼓励开展勘查工作、可以开展勘查工作和暂缓开展勘查工作4类。
2.4 评价结果
    晋陕蒙地区煤层气勘查潜力综合评价成果如图2所示。
 

    由图2可以看出，晋陕蒙地区煤层气资源勘查潜力为优级的区块主要集中在沁水含气区带南部的长子-端氏-马必一带，鄂尔多斯盆地东缘含气区带从临县到乡宁的盆地浅部边缘一带，以及渭北含气区带的韩城矿区。在沁水含气区带北部及东部的寿阳-昔阳-和顺-左权一带及霍西浅部含气区也存在着勘查潜力为优-良级的区块，勘查潜力较好，应加大勘探力度。按现有资料评价，深部含气区勘查潜力整体上较差。
3 结论
    1) 影响煤层气资源勘查潜力评价的指标众多，指标之间关系复杂。笔者在综合分析影响煤层气勘探开发潜力的各种因素基础上，用层次分析法确定了12个指标，建立了适合研究区的煤层气资源勘查潜力综合评价体系。
    2) 评价对象具有明显的灰色性特性，采用灰色聚类方法评价煤层气资源勘查潜力合理可行，能够最大限度地减少主观因素对评价的影响，提高勘查潜力评价精度。
    3) 在大量收集煤层气勘探开发资料基础上，评价了研究区的煤层气资源勘查潜力。认为应在沁南的长子-端氏-马必一带及鄂尔多斯盆地东缘浅部区优先开展勘查工作，鼓励在阳泉寿阳、和顺、左权、霍西等区块进一步开展勘查工作。研究成果对该后本区的煤层气资源勘查有一定的指导作用。
参考文献
[1] 刘成林，朱杰，车长波，等.新一轮全国煤层气资源评价方法与结果[J].天然气工业，2009，29(11)：130-132.
[2] 王一兵，田文广，李五忠，等.中国煤层气选区评价标准探讨[J].地质通报，2006，25(9/10)：1104-1107.
[3] 陈本金，温春齐，曹盛远，等.贵州六盘水煤层气勘探开发有利目标区优选[J].西南石油大学学报：自然科学版，2010，32(3)：56-60.
[4] 李五忠，田文广，陈刚，等.不同煤阶煤层气选区评价参数的研究与应用[J].天然气工业，2010，30(6)：45-47.
[5] 赵庆波，张公明.煤层气评价重要参数及选区原则[J].石油勘探与开发，1999，26(2)：23-26.
[6] 翟光明，何文渊.中国煤层气赋存特点与勘探方向[J].天然气工业，2010，30(11)：1-3.
[7] 姚纪明，于炳松，车长波，等.中国煤层气有利区带综合评价[J].现代地质，2009，23(2)：353-358.
[8] 孙斌，孙粉锦，陈刚，等.潮水盆地红沙岗地区低煤阶煤层气勘探前景[J].天然气工业，2010，30(11)：17-21.
[9] 张宝生，彭贤强，罗东坤.中国煤层气目标区综合评价与优选研究[J].资源科学，2009，31(4)：681-686.
[10] 张宝生，彭贤强，罗东坤.中国煤层气含气带资源条件评价与排序分析[J].天然气工业，2009，29(10)：10-13.
[11] 韩俊，邵龙义，肖建新，等.多层次模糊数学在煤层气开发潜力评价中的应用[J].煤田地质与勘探，2008，36(3)：31-36.
[12] 穆福元，孙粉锦，王一兵，等.沁水盆地煤层气田试采动态特征与开发技术对策[J].天然气工业，2009，29(9)：117-119.
[13] 石书灿，林晓英，李玉魁.沁水盆地南部煤层气藏特征[J].西南石油大学学报，2007，29(2)：54-56.
[14] 田文广，汤达祯，孙斌，等.宁武盆地南部煤层气富集的主控因素[J].天然气工业，2010，30(6)：22-25.
[15] 张培河，张群，王宝玉，等.煤层气可采性综合评价方法研究以潘庄井田为例[J].煤田地质与勘探，2006，34(1)：21-25.
[16] 朱长生，陈飞，蒋孝文，等.基于构造定量化研究的煤层气勘探区优选——以大宁-吉县地区为例[J].中国煤炭地质，2009，21(3)：28-31.
[17] 谢祥俊，邱全锋，鲁柳利.油藏经营管理综合评价的层次分析方法[J].西南石油大学学报：自然科学版，2009，31(3)：150-153.
[18] 谭秀成，丁熊，陈景山，等.层次分析法在碳酸盐岩储层定量评价中的应用[J].西南石油大学学报，2008，30(2)：38-40.
[19] 胡永宏，贺思辉.综合评价方法[M].北京：科学出版社，2000.
 
(本文作者：熊德华1 唐书恒2 朱宝存2 1.中联煤层气有限责任公司；2.中国地质大学(北京)能源学院)