煤层气开发风险评价模型及实证研究

张勇昌，杨永国

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116)



煤层气开发风险评价模型及实证研究

张勇昌1，2，杨永国1

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116)

煤层气开发项目的高风险制约着我国煤层气产业的发展，为此，通过对煤层气开发风险因素的分析，构建由7个一级指标和36个二级指标构成的风险评价体系。提出基于期望值的三角模糊数互补判断矩阵的方法，对煤层气开发风险关键因素进行数量上的表述，估计其权重的相对大小，并确定各风险因素的隶属度，建立煤层气开发风险综合评价模型。最后，以沁水盆地柿庄南区块煤层气井为例验证模型的可行性和可靠性。结果表明，影响煤层气开发的关键因素风险由高到底依次为：地质资源、工程技术、经济运营、政策法规、安全保障、组织管理和社会环境；煤储层的非均质性及开发地质条件的不确定性是造成地质资源风险偏高的主要原因，但此类风险无法直接控制，建议通过提高排采技术来尽量减弱其造成的风险。

煤层气；三角模糊数；互补判断矩阵；风险因素；评价模型

煤层气开发是一项多工种的系统工程，其高投入，高风险，周期长的特点，使得对煤层气项目开发进行风险评价显得非常重要[1]。分析国内外相关研究发现，目前有关煤层气风险综合评价方面的问题比较突出。首先，影响煤层气开发风险因素定性指标较多，而且评价指标在项目开发过程中的实时变化情况无法具体量化。其次，同一层次的评价指标之间由于不易判断其重要程度，很难给出相对权重。再次，估计评价指标各自的真正原始值很困难，一般都是定性的评价研究。为避免传统评价方法对不确定因素定量分析误差过大的不足，结合模糊数方法，提出基于期望值的三角模糊数互补判断矩阵的方法，对煤层气开发风险进行全面、定量化地分析。

三角模糊数能更好地反映主观判断的模糊性，克服层次分析法的局限性[2]。荷兰学者Van Laargoven于1983年首次提出用三角模糊数确定指标权重排序的计算方法[3]。运用三角模糊数的综合评价方法分析影响煤层气开发风险的众多因素，将专家用自然语言对煤层气开发风险做出的模糊评价数字化，并对其评价因素的权重做出估计，很好地解决了模糊信息的处理和计算问题[4]。

1　煤层气开发风险评价指标体系

煤层气开发风险评价的首要问题是建立合适的评价指标体系。理论上讲与煤层气生产运营有关的任何因素都可能引起煤层气开发风险的发生，但不是所有风险因素都会造成显著影响。指标体系的选择原则是：单个指标的代表性、指标体系整体构造的合理性和指标的可验证性[5]。根据此原则，从项目风险源的角度按照外部风险和内部风险初步归纳出五类主要风险因素。外部风险主要包括地质资源、政策法规，这些风险因素属于不可控因素[6]，内部风险包括工程技术、组织管理、安全保障、经济运营，这类风险因素所包含的变量属于可控变量。

地质资源风险，地质资源因素对煤层气开发起着决定作用。储层构造、孔隙度、煤层厚度、煤层深度及水文地质条件决定了煤层气的含气量、采收率及渗透率，直接影响煤层气开发项目的经济效益[7]。

工程技术因素，煤层气排采工程技术因素是影响煤层气井产能最直接的因素。煤层气井采用的钻井、完井技术，压裂工艺直接影响煤层气的产量[8]。排采制度的不合理常造成储层应力敏感性伤害，导致作用在煤储层上的有效应力增大，使割理、微裂隙和孔隙压缩，渗透率降低[9]。排采技术落后，开采设备陈旧，都将导致煤层气生产效率低下，安全事故频发。另外，煤层气价格过低、经销商选择不当都可能使得煤层气开发投资收益低于预期。

组织管理风险，组织管理是企业组织经营的核心。组织方式决定企业发展命运，组织管理结构性不足可能给煤层气开发企业带来风险[10]。

安全保障因素，煤层气开发过程涉及内容广，环节多，作业程序复杂，安全监管跨度大，安全保障是贯穿煤层气开发全过程的关键因素，任何一个环节出现问题，都有可能造成煤层气开发的风险[11]。

政策法规风险，国家对资源税征收的调整将直接影响煤层气开发企业的利润，并且随着我国环保力度的加大，以及对风能、太阳能等新能源开发的扶持，势必会影响煤层气的供需关系，另外宏观经济不景气也会给煤层气企业带来风险[12]。

综合上述分析，借鉴天然气开发风险评价体系[13-14]，结合煤层气开发风险特征，在企业问卷调查结果的分析基础上，建立包含7个一级指标和36个二级指标的煤层气开发风险评价指标体系，如表1所示。

表1　煤层气开发风险评价指标体系

2　煤层气开发风险三角模糊数评价

在煤层气开发风险因素专家调查分析中，采用带语言变量的评价值来度量指标性能，如：使用“一般”，“好”，“很好”等词语，而这些语言评价值取值于事先定义的语言值评价集合，没有明显的界限划分，仅限于定性分析。本文运用三角模糊数互补判断矩阵排序法将模糊不确定的语言变量转化为确定数值的定量评价。

2.1三角模糊数互补判断矩阵

确定评语等级论域，建立评价集。

2.2三角模糊数互补评判及定权

(1)

(2)

第三步，求归一化的指标排序权重向量Wi，见式(3)。

(3)

2.3煤层气开发风险评价模型

模糊综合评判的结果是获得表示评价体系中各级模糊子集隶属程度的模糊向量。为进一步量化风险评价结果，便于划分风险等级，用标准化的不同数值区间来表示评价集中的风险等级，用区间中位数表征其所代表的风险大小，从而得到风险评价的具体数值。煤层气开发风险评价模型，见式(4)。

(4)

式(4)中C为风险评价等级中位数向量，由风险评价等级量化表获得，风险评价等级量化表如表2所示。B′为模糊综合评价向量，见式(5)。

(5)

B′是B由(5)式归一化的结果。

3　煤层气开发项目风险评价实例

以沁水盆地南部柿庄南区块8口煤层气井为例，对其进行开发风险的模糊综合评价，以验证模型的可行性和可靠性。沁水盆地南部地区自2004年起开始大规模开发以来，该气田积累了大量的煤层气井早期生产数据资料。柿庄南区块位于山西省东南部，该区域地质构造简单，煤层底板起伏幅度小，煤层倾角小，割理较发育，对应力较敏感。水文地质条件简单，含水层层间水力联系不强，富水性弱。具体数据见表3。

表2　风险评价等级量化表

表3　柿庄南区块煤层气井测试数据

3.1模糊综合评价基本步骤

根据煤层气开发风险评价要求，对表1所示的各因素指标由煤层气风险评价专家组进行权重分析。据专家对影响煤层气开发的各风险因素重要性进行判断，得到其判断矩阵。

建立评价指标在专家评语集中的得分比重向量。设U为风险评价指标集，Ui为一级指标，Uij为二级指标，m为专家有效问卷数，yijn为对二级指标Uij作出第n级评语的专家人数，rijn为二级指标在专家评语集5集评语中的得分比重。则

(6)

据此构造包含k个二级指标的单因素评判矩阵Ri，见式(7)。

(7)

式中，Ri的第j行是二级指标Uij对于评价集中各等级的隶属程度，第n列是Ui中Uij分别取评价集中第n个等级的程度。

向量Bi，见式(8)。

(8)

Wi为二级指标的权重集。

同理得到一级指标模糊综合评价向量B。

返回(5)式求出B′，再代入(4)式求得E。

3.2三角模糊综合评价计算

表4　判断矩阵标度量表及含义

利用式(6)、式(7)构建一级指标地质资源的单因素专家评判矩阵R1。

代入(8)式得

同理可得其他各一级指标中二级指标的模糊评价结果。

运用式(5)对二级指标模糊评价结果进行归一化处理，再代入式(4)，即可得到二级指标对应的一级指标地质资源的风险评价值为0.61。同理可得其它各一级指标所属二级指标的风险评价值。

根据多级模糊综合评价规则，一级指标的权重系数可由二级指标的模糊综合评价结果计算获得，一级指标的风险隶属度即为二级指标的模糊综合评价结果。据此综合得到一级指标的系数评价矩阵：w=(0.158，0.165，0.135，0.139，0.126，0.159，0.116)。

对一级指标进行模糊综合评价运算：B=w*R=(0.113，0.251，0.361，0.286，0.069)。将B标准后，引入本文中位数向量得到最终评价风险值：E=CB′=0.521。

对照风险评价等级量化表，可以判断E值介于0.4～0.6之间，该煤层气开发项目评价等级属于一般风险。同理分析得其它煤层气井风险评价等级，对应本文设定的风险等级量化表，可得评价结果如图1所示。

图1　柿庄南区块8口煤层气井风险评价等级

3.3结果分析

利用本文所建立的煤层气开发风险评价模型对沁水盆地南部柿庄南区块8口煤层气井进行风险评价，结果显示，研究区块煤层气开发风险等级基本为一般，只有SJ3号井开发风险较高，分析其原因主要是由于水文地质条件影响的结果。SJ3井处于径流水区，水流引起的煤层压力变化较大，煤层气解吸量大，使得大部分煤层气甲烷逸散，造成此煤层气井不能达到经济量产。

再对评价的各一级指标计算结果分析发现，在煤层气开发过程中，其风险影响关键因素是地质资源因素。由于我国煤储层的非均质性强，且存在低压、低渗、低饱和度的问题[15]，开发地质条件复杂、开发过程易遭受高温和高压等不稳定因素影响，造成煤层气开发过程中地质资源风险因素的影响最大。其次为工程技术因素，如煤层气项目开采过程中压裂效果不佳、排采制度不合理、排采技术落后、设备不足等。其它各风险因素的影响基本相当，依次为经济运营、政策法规、安全保障、组织管理和社会环境。

综合以上分析发现，单个因素的影响在某一煤层气开发项目中所起的作用可能是至关重要的，但对多数煤层气项目而言，煤层气开发风险取决于各类主要控制因素的综合影响。在对煤层气开发进行风险评价时应综合考虑各风险影响因素的作用，才能得出科学有效的结论。同样在风险防控时，要在抓住关键影响因素的基础上，综合分析各个风险影响因素的相互作用，制定切实有效的防控策略。

4　结　论

1)对影响煤层气开发的风险因素进行分析，构建由7个一级指标，36个二级指标组成的煤层气开发风险评价体系。

2)运用基于三角模糊数互补矩阵的权重计算

方法，得出具有全面性和可验证性的权重值，有效解决了AHP主观随意性和一致性验证的问题，使得评价计算结果更为合理可靠。

3)对煤层气开发风险因素进行定性和定量的分析，据评价指标计算结果得到关键因素影响权重大小。构建风险评价模型，形成风险评价等级划分标准，为煤层气开发风险评价和防控提供科学依据。

4)通过选取煤层气开发井对评价模型进行实证研究，验证模型的可行性及可靠性。模型能综合的对煤层气开发项目风险进行评价，对煤层气开发项目的科学实施具有一定的实际价值。

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Risk evaluation model and empirical research for CBM development

ZHANG Yong-chang1，2，YANG Yong-guo1

(1.Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process of Ministry of Education，School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China)

The high risk of CBM development project restricts the development of CBM industry in China.Therefore，based on the analysis of main risk factor for the CBM development，we established the index system for CBM development risk evaluation.The index system consists of 7 level indicators and 36 secondary indicators.Considering to the disadvantages of determining factor weight by traditional analytic hierarchy process，the method of determining risk factors weight based on triangular fuzzy numbers is proposed by fuzzy mathematics.The memberships of qualitative and quantitative risk factors are determined.The risk evaluation model for CBM development project is established.A case study using the CBM well data observed from Qinshui basin verifies the applicability of the proposed model.The results indicate that the value for the risk factors of CBM project ranked in descending order：geological resource；technical；economic；political and legal；security；organizational and managerial；social environment.The main reason of the high risk of geological resources is caused by the heterogeneity of coal reservoir and the uncertainty of geological conditions，but such risks can not directly control，it is recommended by improving the drainage technology to try to reduce the risk caused by the geological resources.

coalbed methane(CBM)；triangular fuzzy number；reciprocal judgment matrix；risk factor；evaluation model

2015-12-09

国家自然科学基金项目资助(编号：41202236;41402291);国家科技重大专项项目资助(编号：2011ZX05034-005);江苏省高级访问学者项目资助(编号：201414)

张勇昌(1980-),男,甘肃天水人,副教授,博士研究生, 主要从事煤层气方面的研究工作。E-mail:yczhang2008@163.com。

杨永国(1962-),男,浙江新昌人,教授,博士生导师, 主要从事煤层气方面的研究工作。E-mail:ygyang88@cumt.edu.cn。

TE27

A

1004-4051(2016)08-064-05