中国煤层气含气带资源条件评价与排序分析

摘 要

摘要：目前中国正处于煤层气开发大发展前期，迫切需要对中国煤层气资源，特别是作为基本单元的含气带资源状况与地质条件进行分析和评价。在对中国煤层气资源特点进行简要分析的基
摘要：目前中国正处于煤层气开发大发展前期，迫切需要对中国煤层气资源，特别是作为基本单元的含气带资源状况与地质条件进行分析和评价。在对中国煤层气资源特点进行简要分析的基础上，再选择资源密度、煤层气资源量、含气量这3个参数作为煤层气含气带评价排序的分析指标，在评价排序中首先对指标进行处理，给出了不同指标性质的指标处理函数，并设计了限值约束条件；然后采用矩阵综合决策方法(加权平均法)对划定的56个含气带进行综合评价和排序，最后给出了关于煤层气含气带应优先考虑的重点区域的建议：根据资源状况排序分析，最好的资源条件基本分布在冀鲁豫皖和晋陕蒙含气区内。
关键词：中国；煤层气；资源分布；含气带；指标处理函数；资源条件；综合评价；排序分析
    中国煤层气资源丰富，目前正处于煤层气开发大发展前期，迫切需要对中国整体煤层气特别是基于基本单元层次的资源状况进行整体分析和评价。经过近20a的地质研究和勘探实践，煤层气地质单元的划分有多种意见[1]。参考相关研究成果，并考虑实际资料与实际勘探开发活动程度，按煤层气大区、含气区、含气带、气田这4个级别进行中国煤层气资源分布区划(见图1)。
 
    按照该思路，“中国煤层气生产可行性研究”课题组将全国煤层气资源共划分为4个大区、10个含气区、56个含气带和超过85个代表性矿区(目标区)[2]。其中含气带在进行煤层气资源评价中是具有重要代表性的单元，笔者将对划定的56个含气带进行评价和排序分析。
1 中国煤层气资源特点简述
1.1 我国煤层气资源丰富
    据煤层气资源评价结果，我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36×1012m3，主要分布在华北和西北地区。其中，华北、西北、南方和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以浅、1000～1500m和1500～2000m的煤层气地质资源量，分别占全国煤层气资源地质总量的38.8%、28.8%和32.4%。90%的煤层气资源储藏在早中侏罗世、石炭纪和二叠纪的煤层中，其中早中侏罗世的资源量最大，占全国总量的46.13%；石炭纪、二叠纪次之，占全国总量的43.52[2]。
1.2 含气性
    我国煤层大多含气量较高。据对全国105个煤矿区调查[3]，平均含气量10m3/t以上的矿区43个，占41%；平均含气量8～10m3/t的矿区29个，占28%；平均含气量6～8m3/t的矿区19个，占18%；平均含气量4～6m3/t的矿区14个，占13%。中国的煤层气浓度高，一般每1m3煤炭的煤层气含量达4m。以上。在中国各个煤层气田，平均含气量1.15)×108m3/km2。
1.3 储层压力和煤层渗透率
    我国以欠压煤储层为主，部分煤储层压力较高，储层压力梯度最低为2.24kPa/m，最高达17.28kPa/m。我国煤层渗透率较低，平均在(0.002～16.17)×10-3μm2。其中小于0.10×10-3μm2的占35%；(0.1～1.0)×10-3μm2的占37%；大于1.0×10-3μm2的占28%；大于10×10-3μm2的较少[4～5]。
1.4 聚气带规模及储藏时代
    我国煤层气聚气带规模相差很大，小到几十平方公里，大到上万平方公里，资源丰度为(0.15～7.22)×108m3/km2。90%的煤层气资源储藏在早中侏罗纪、石炭纪和二叠纪的煤层中，其中早中侏罗世的资源量最大，占总量的46.13%；石炭纪、二叠纪次之，占总量的43.52%。这些时代的煤层最厚且分布稳定，煤质、煤阶和渗透率适合于煤层气的生成、储存和开发[6]。
    中国煤层气资源的特殊性可概括为[7]：资源量丰富，但分布既分散又集中；储层不均一性强烈，华北地区相对优越；高阶煤和低阶煤占主导，高阶煤可产气；煤体结构破坏严重，低渗透、低压、低饱和现象突出。低压、低饱和是中国煤层气藏的又一个较为显著的特征，给煤层气资源开发带来了很大的难度。
2 煤层气含气带资源评价与排序分析指标和方法
2.1 指标选择及权重确定
    煤层气含气带虽然已是资源评价的基本单元，但仍然是面积相对较大的区域，不可能用过多的指标来详细描述和评价。在项目研究中，曾收集了56个含气带的相关地质参数，主要有成煤时代、主要煤级、埋深、含气饱和度、气含量、资源密度、煤层气资源量等[2，8]。考虑到数据保密性并从方便描述起见，下面列出了其中3个含气带的主要参数(见表1)。
表1 部分煤层气含气带地质特征参数表
含气带
成煤时代
主要煤级
埋深(m)
含气饱和度(%)
气含量(m3/t)
资源密度(108m3/km2)
煤层气资源量(108m3)
沁水
C—P
 
＜1000
 
16.13
2.01
55157.77
C—P
SM/PM/WY
1000～1500
95
21.39
1500～2000
95
22.06
霍西
C—P
 
＜1000
 
16.13
1.83
7355.45
C—P
FM/JM/SM
1000～1500
95
21.39
1500～2000
95
22.06
渭北
C—P
 
＜1000
 
7.87
0.94
7011.02
C—P
SM/PM/WY
1000～1500
95
18.31
1500～2000
95
18.84
根据定量分析原则，以反映煤层气资源质量最直接、最有效的指标作为排序依据。从评价资源的富裕程度出发，并考虑定量分析原则的要求，认为资源密度、煤层气资源量、含气量这3个参数是反映煤层气含气带总体条件的最直接、最有效的指标，故选择此3个参数作为排序依据。指标权重是在对相关专家调查分析基础上确定的(见表2)[2]。
表2 煤层气区带排序参数权重专家分值表
评价参数
资源密度
煤层气资源量
含气量
权重
0.3
0.4
0.3
2.2 指标处理方法
    一般情况下，指标按性质可分为正指标、逆指标和中性指标。此外，由于不同指标之间的量纲不一样，因而也必须对指标数据进行无量纲化处理。根据指标性质分别为3种类型指标设计了相应的指标处理函数。
对于正指标，其指标处理函数为：
 
式中：xij为具体指标值；uij为标准化指标值；i=1，2，…，n；n-1，2，…，m(下同)。
对于逆指标，其指标处理函数为：
 
对于中性指标，其指标处理函数为：
 
式中：vj为中性指标的中值(即理想值，下同)。
    此外，考虑到资源评价中对指标的最低要求和优选目标，采用限值约束的方法优选目标区。其中方法一是直接根据门限值选择符合筛选要求的目标区；方法二是：首先确定出指标的上限、下限，当某指标值大于上限值时视为等同于最高值(或最好值)，当某指标值小于下限值时视为等同于最低值(或最差值)。此方法的特点主要是：最优值和最差值为一隶属区间，而非单一值。这样，在应用上更为符合客观实际。具有限值约束条件的指标处理方法如下。
对于正指标，其具有限值约束条件的指标处理函数为：
 
式中：uj为最大界限值，dj为最小界限值(下同)。
    具有限值约束条件的逆指标处理函数为：
   
具有限值束条件的中性指标处理函数为：
 
式中：zdj为指标的中值区间(即理想值区间)下限，zui为指标的中值区间(即理想值区间)上限。
2.3 综合评价与排序分析方法
    煤层气含气带综合评价与排序分析的基本过程是：根据地质情况和评价目的选取评价参数，并应用相应的数据处理方法对参数进行处理；依据专家意见确定各指标权重，采用矩阵式综合决策(即指标标准化后加权平均)方法得到各含气带综合评价指标值。这一综合评价值即是该含气带的综合评价结果，综合评价值越大，表明其煤层气开发的资源与地质条件越好。按照综合评价值由大到小排序即得到排序分析结果。
3 煤层气含气带资源条件综合评价及排序分析结果
3.1 含气带资源条件主要指标
    如前所述，项目研究中共收集了56个含气带的相关地质参数，为描述方便和保密起见，此处列出了20个含气带的资源密度、资源量和气含量等3个选定的主要参数值(见表3，表中只给出了含气带的编号，隐去了名称)。
表3 部分煤层气含气带主要参数值表
序号
含气带
资源密度(108m3/km2)
资源量(108m3)
含气量(m3/t)
1
Ⅴ03
2.01
55157.77
19.86
2
Ⅴ07
1.09
55825.61
5.96
3
Ⅴ04
1.83
7355.45
19.86
4
Ⅵ06
1.70
15094.34
10.78
5
Ⅶ01
1.51
26258.98
5.90
6
Ⅴ09
1.79
7829.13
9.85
7
Ⅴ05
1.22
19962.27
9.69
8
Ⅱ09
1.15
4002.34
14.97
9
Ⅱ03
1.18
4428.09
13.89
10
Ⅴ06
0.94
7011.02
15.00
11
Ⅱ08
1.31
5598.41
10.85
12
Ⅶ06
1.21
12191.91
6.38
13
Ⅱ04
1.15
4308.02
10.79
14
Ⅴ02
1.38
2653.03
8.55
15
Ⅱ11
1.34
3485.72
7.43
16
Ⅶ05
1.34
5217.65
6.23
17
Ⅱ02
1.15
1092.13
8.23
18
Ⅴ08
0.63
12732.06
5.10
19
Ⅶ06
0.53
3472.49
5.64
20
Ⅷ01
0.57
903.81
6.05
3.2 指标处理及排序
    按照前面给出的指标处理方法和具体函数，得出各含气带资源条件综合评价值及排序结果，以下列出排序前20位的含气带相应结果(见表4)。
    此外，考虑资源富集程度、资源密度以及资源规模的限值情况，采用具有限值约束条件的指标处理函数对各含气带主要指标进行了第二种方案指标处理。根据专家意见，各指标的界限值分别如下[对应于公式(4)]：①资源密度：最大界限值uj=1.8×108m3/km2，最小界限值dj=0.5×108m3/km2；②资源量：最大界限值uj=20000×108m3，最小界限值dj=500×108m3；③含气量：最大界限值uj=15m3/t，最小界限值dj=5m3/t。
   经计算得到其综合评价值(见表5)。
表4 煤层气含气带综合评价与排序结果1
含气带
资源密度(108m3/km2)
资源量(108m3)
含气量(m3/t)
评价值
排序
Ⅴ03
1.000
0.988
0.956
0.982
1
Ⅴ07
0.542
1.000
0.287
0.649
2
Ⅴ04
0.910
0.132
0.956
0.613
3
Ⅵ06
0.846
0.270
0.519
0.518
4
Ⅶ01
0.751
0.470
0.284
0.499
5
Ⅴ09
0.891
0.140
0.474
0.466
6
Ⅴ05
0..607
0.358
0.467
0.465
7
Ⅱ09
0.572
0.072
0.721
0.417
8
Ⅱ03
0.587
0.079
0.669
0.409
9
Ⅴ06
0.468
0.126
0.722
0.407
10
Ⅱ08
0.652
0.100
0.523
0.392
11
Ⅶ06
0.602
0.218
0.307
0.360
12
Ⅱ04
0.572
0.077
0.520
0.358
13
Ⅴ02
0.687
0.048
0.412
0.349
14
Ⅲ07
0.104
0.007
1.000
0.334
15
Ⅱ11
0.667
0.062
0.358
0.332
16
Ⅷ05
0.667
0.093
0.300
0.327
17
Ⅱ02
0.572
0.020
0.396
0.298
18
Ⅵ04
0.164
0.186
0.561
0.292
19
Ⅲ06
0.149
0.008
0.782
0.282
20
表5 煤层气含气带综合评价与排序结果2
排序
含气带
资源密度(108m3/km2)
资源量(108m3)
含气量(m3/t)
评价值
原排序
1
Ⅴ
1.000
1.000
1.000
1.000
1
2
Ⅵ
0.923
0.748
0.578
0.750
4
3
Ⅴ
1.000
0.352
1.000
0.741
3
4
Ⅴ
0.554
0.998
0.469
0.706
7
5
Ⅶ
0.777
1.000
0.090
0.660
5
6
Ⅴ
0.992
0.376
0.485
0.594
6
7
Ⅴ
0.454
1.000
0.096
0.565
2
8
Ⅴ
0.338
0.334
1.000
0.535
10
9
Ⅱ
0.500
0.180
0.997
0.521
8
10
Ⅱ
0.523
0.201
0.889
0.504
9
11
Ⅱ
0.623
0.261
0.585
0.467
11
12
Ⅶ
0.546
0.600
0.138
0.445
12
13
Ⅱ
0.500
0.195
0.579
0.402
13
14
Ⅴ
0.677
0.110
0.355
0.354
14
15
Ⅱ
0.646
0.153
0.243
0.328
16
16
Ⅷ
0.646
0.242
0.123
0.327
17
17
Ⅴ
0.100
0.627
0.010
0.284
21
18
Ⅱ
0.500
0.030
0.323
0.259
18
19
Ⅶ
0.023
0.152
0.637
0.259
28
20
Ⅷ
0.054
0.021
0.105
0.056
30
可以看出，两者的排序结果稍有不同。但是排在前10位的是同样的含气带集合；排在第10～20位的也基本是同样的含气带集合。考虑到前面煤层气区带选择原则，综合起来，可以选择表5中前16个含气带(即编号为Ⅴ03、Ⅵ06、Ⅴ04、Ⅴ05、Ⅶ01、Ⅴ09、Ⅴ07、Ⅴ06、Ⅱ09、Ⅱ03、Ⅱ08、Ⅶ06、Ⅱ04、Ⅴ02、Ⅱ11、Ⅷ05含气带，它们在两种排序中均在前面)作为煤层气含气带重点区域。根据资源状况排序分析可知，最好的资源条件基本分布在冀鲁豫皖和晋陕蒙含气区内(即编号中以Ⅱ或Ⅴ开头的含气带)。
4 结论
    选择资源密度、煤层气资源量、含气量这3个参数作为煤层气带评价排序分析指标，在排序中首先对指标进行处理，给出了不同指标性质的指标处理函数，并设计了具有门限值约束条件的指标处理函数；然后采用矩阵综合决策方法(加权平均法)对划定的56个含气带进行综合评价和排序。给出了关于煤层气含气带应优先考虑的重点区域的建议：根据资源状况排序分析可知，最好的资源条件基本分布在冀鲁豫皖和晋陕蒙含气区内(即编号中以Ⅱ或V开头的含气带)。
参考文献
[1] 赵靖舟，时保宏.中国煤层气富集单元序列划分初探[J].天然气工业，2005，25(1)：22-25.
[2] 中国石油大学(北京)课题组.中国煤层气生产可行性研究[R].北京：中国石油大学，2008：70-85.
[3] 张新民，庄军，张遂安.中国煤层气地质与资源评价[M].北京：科学出版社，2002.
[4] 刘贻军，娄建青.中国煤层气储层特征及开发技术探讨[J].天然气工业，2004，24(1)：68-71.
[5] 欧成华，李士伦，杜建芬，等.煤层气吸附机理研究的发展与展望[J].西南石油学院学报，2003，25(5)：34-38.
[6] 孙万禄，陈召佑，陈霞，等.中国煤层气盆地地质特征与资源前景[J].石油与天然气地质，2005，26(2)：141-146.
[7] 孙茂远，杨陆武，吕宣文.开发中国煤层气资源的地质可能性与技术可行性[J].煤炭科学技术，2001，29(11)：45-46.
[8] 中联煤层气有限责任公司，典型煤矿区煤层气资源调查成果报告(二)[R].晋城.[出版者不详]，2007.
 
(本文作者：张宝生1 彭贤强1，2 罗东坤1 1.中国石油大学(北京)；2.中油测井技术服务有限责任公司)