多煤层煤层气有利区评价方法研究与应用

赵文峰 尹中山 肖建新 李跃成 黄 继 熊建龙,3

(1.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，四川 610072；2.四川省煤田地质局，四川 610072；3.四川省煤矿瓦斯(煤层气)工程研究中心，四川 610072)

川南煤田位于四川省泸州、宜宾两市境内，主要包括芙蓉、筠连和古叙三个矿区，为四川省煤炭、煤层气最为富集的地区。据2011年《四川省瓦斯地质图》研究成果，川南煤田埋深2000m以浅二叠系煤层气资源量合计为4451×108m3，储量丰度1×108m3/km2以上。其中，芙蓉矿区为1210×108m3，筠连矿区为1316×108m3，古叙矿区为1925×108m3。

近年来，区内大村区块率先取得煤层气地面抽采突破，沐爱区块已建成2亿m3煤层气产能，芙蓉、震东、大寨、河坝、石宝亦部署了少量煤层气参数井进行参数测试。如今，川南煤田煤层气勘探开发方兴未艾。虽已有选区成果为煤层气勘探开发指明了大的方向，但由于参数有限且代表性不强，其指导意义差强人意。通过勘探试验发现，矿区或井间煤储层的地质条件及物性参数并不完全相同，单井产量差异较大，开发地点不甚明朗。以往的区域评价无法精确指导煤层气勘探开发工程部署。再加之川南煤田煤层单层厚度不大，若仅以单层进行评价，控制资源量有限，投资风险太大。为了积极推动我省煤层气产业发展，加速川南煤田勘探开发进程，根据行业规范，结合研究区地质特征，选取符合本区煤层气地质特征的评价指标参数，建立本区地质选区评价体系，对于高效、有序开发具有非常重要的意义。

1 地质特征与评价指标选择

1.1 地质特征

综合分析以往煤炭、煤层气勘探资料，本区煤层气地质有如下主要特征：

(1)煤层层数多、厚度薄，累计厚度大

芙蓉矿区发育C5、B2、B3及B4四套主力煤层，可采煤层总厚度1.75～6.18m，可采系数1.19%～4.79%；筠连矿区发育C2、C3、C7及C8四套主力煤层，可采煤层总厚度3.30～7.10m，可采系数2.33%～5.21%；古叙矿区发育C13、C14、C16、C17、C23、C24及C25七套主力煤层，可采煤层总厚度7.44～9.95m，可采系数6.08%～7.12%。

(2)可采煤层含气量高，资源量大，但单层资源丰度低

研究区煤层变质程度高，煤类单一，为无烟煤三号，吸附量大，含气量高，从目前勘探成果与认识来看，筠连、芙蓉矿区煤层含气量5～28m3/t，平均含气量约为14m3/t，含气梯度及压力梯度相近，具备典型的多层统一含气系统特征；而古叙矿区煤层含气量3～32m3/t，平均含气量约为16m3/t，煤系底部C25煤层距离茅口组平均3m左右，其含气量分布受茅口组水文地质条件影响极其不均衡，除了该煤层，其他煤层具备多层统一含气系统特征。

(3)构造条件较复杂

川南煤田处于叙永～筠连叠加褶皱带，为背、向斜叠加构造，构造应力集中带煤岩挤压变形强烈，其余地段煤体结构保存较完好。筠连、芙蓉矿区背向斜相对宽缓，构造变形强度小，但与国内外煤层气勘探开发成功地区相比较，地层倾角仍然偏大。

(4)保存条件较好

目的层龙潭组/宣威组上覆下三叠统飞仙关组砂、泥岩互层，厚度390～530m，纵向上起到良好的封盖作用；煤系地层岩性以砂、泥岩为主，煤层顶板多为砂质泥岩和泥岩，泥质结构、胶结良好、裂隙不发育，煤层底板为灰黑色泥岩和粘土岩，胶结良好，裂隙不发育，地层本身封闭性能较好。除了古叙矿区C25煤层距离含水层较近外，芙蓉、筠连矿区的煤层距离强含水层较远，在无大的断层导通的情况下，保存条件良好。

(5)发育多种煤体结构类型，渗透率普遍偏低

芙蓉、筠连矿区煤体结构类型以原生、碎裂结构煤层为主，古叙矿区煤体结构类型以碎裂、碎粒结构煤层为主。整个川南煤田煤层渗透率普遍偏低，集中于0.001～0.1mD之间。

(6)在未受到其他地质因素影响的条件下，储层压力正常，具有良好的储层压力条件。

1.2 评价参数选择

在借鉴前人研究成果的基础上，根据本区煤层气富集主控关键因素，结合《煤层气地质选区评价方法》(NB/T 10013—2014)附录C中高煤阶选区评价参数及分级，在遵循全面、独立、简单、实用、通用性5个原则的前提下，从区域地质、资源地质、技术可采性、经济可采性四个方面考虑，选择的主要评价参数如下。

(1)区域地质：包括煤层埋深、构造和水文地质条件，为地质因素中重要的控气因素。根据煤田勘查钻井、测井、岩心编录和水文观测等资料确定。

(2)资源地质：包括煤层厚度和含气量。一定厚度的煤层是煤层气生成与赋存的物质基础，本区单煤层薄，资源丰度低，针对单层的煤层气地面开采很难获得经济产量，多层分压合采为提高单井产量的必然途径。煤层厚度根据煤田勘查钻井、测井确定；含气量根据现场与实验室解吸测试数据确定，含气量越高，煤层气地质条件越优越，为评价指标选择首要参数。

(3)技术可采性：包括含气饱和度、临储比、渗透率、煤体结构和有效应力。含气饱和度越高，临储比越大，煤储层用于解吸的气体含量就越大，单井产量就越高。含气饱和度、临储比依据实测含气量与储层压力、等温吸附曲线求出；渗透率、有效应力根据注入/压降试井数据确定；煤体结构根据煤田勘查钻井取心岩性描述、煤心照片和测井曲线解释确定，它决定着渗透率和可改造性，为评价指标选择首要参数。

(4)经济可采性：川南地区地势陡而山体高差较大，交通条件整体较差，在选区时应考虑地理环境相对较好的区域。

与国内煤层气开发成功的地区相比，本区单一煤层厚度薄客观存在，而多层、高含气量可以在一定程度上弥补这一缺陷，这与新疆低煤阶煤层厚度大含气低同样可以获得工业气流具有相似之处，针对本区而言，在煤层展布稳定区域寻找含气量较高、煤体结构完整的区域，对煤层气的勘探开发作用重大。

2 有利区评价方法

2.1 首要参数一票否决

煤层气开发有利区块优选的目的是确定含气富集区和高渗透区，据此确定的评价首要参数有含气量和煤体结构，属于众多因素中决定因素，具有一票否决的作用。根据目前开发成果及煤层气资源量起算标准，针对高阶无烟煤，含气量起算下限为8m3/t，单煤层综合评价之前首先对含气量小于8m3/t和碎粒/糜棱煤结构区进行一票否决。

2.2 多层次模糊综合评价体系

对没有被一票否决的区域，再采用多层模糊综合评价体系进行评价。

2.2.1 评价模型建立

通过前述评价指标的选择分析，认为区域地质、资源地质、技术可采性、经济可采性构成有利区评价的一级控制指标，每个一级控制指标下细化多个二级控制指标，以此对评价系统划分层次，建立多层次结构模型(图1)。

图1 有利区评价模型

2.2.2 权重系数的确定

为了能定量确定各指标的权重，需要建立同层次指标间的判别矩阵。对于同层次指标的两两比较，重要性标度按照表1取值，用Xij表示两指标重要性比值，其中Xij与Xji互为倒数。利用Matlab软件，计算出判别矩阵的最大特征根(λmax)及其对应的特征向量(W)，得到各指标的权重系数(表2)。

表1 判断矩阵的标度及其含义

为保证计算结果的可信度和相对准确性，必须对判别矩阵作一致性检验。采用T.L.Saaty提出的用一致性指标C.I.与同阶平均随机一致性指标R.I.的比值，即随机一致性比率C.R.来判别矩阵的一致性。其中：C.I.=(λmax-n)/n-1，C.R.=C.I./R.I.，n为矩阵的阶数，R.I.的值为0.52(3阶矩阵)、0.89(4阶矩阵)和1.12(5阶矩阵)。如果C.R.<10%，则认为判别矩阵具有可接受的不一致性，如果C.R.>10%，则需要重新赋值和修正计算，直至一致性通过为止。

表2 各层次评价指标判断矩阵及特征向量

表3 各层次评价指标权重排序表

按上述方法求得研究区综合评价各个参数权重(表3)。

2.2.3 隶属度函数的确定

各项指标的相对重要性系数采用模糊数学方法进行处理，通过建立各项指标的隶属函数，确定各项指标的隶属度。由于不同的参数其单位不同，值域大小不同。为提高指标值的量化水平，采用中性指标处理函数、分段线性函数、定义函数把原始指标值转换成(0～1)型数据。本次评价对能够定量的指标采用中性指标函数和分段线性函数的方法，如煤层埋深采用中性指标函数赋值，含气量、煤厚、渗透率、含气饱和度等采用分段线性函数进行赋值。

(1)中性指标函数

即中间指标值对于评价目标层的贡献最大，深度以H表示，埋藏深度的理想值取500～800m。

(2)分段线性函数

如含气量用G表示，建立如下隶属度：

对难于定量而只能定性的指标采用定义函数，如构造、煤体结构等，进行定性评判和赋值(表4)。

表4 定性评判及赋值表

2.2.4 有利区等级的确定

评价等级采用对指标定性、分段定级，将评价结果划分为4类。第一类为有利地区(Ⅰ类区)，单井综合评价系数大于0.75；第二类为较有利地区(Ⅱ类区)，单井综合评价系数在0.60～0.75之间；第三类为中等地区(Ⅲ类区)，单井综合评价系数在0.50～0.60之间；第四类为不利地区(Ⅳ类区)，单井综合评价系数<0.50。

根据计算的单井综合评价系数，编绘综合评价系数等值线。根据所取得的综合评价系数值及分区范围，按其大小和分类，划分单煤层有利区类型及范围。

2.3 多层空间叠加

由于研究区煤层多，各煤层参数有差异，以各煤层为评价单元，应用前述方法，根据所取得的综合评价系数值及分区等级，按其大小和分类，则可得出单煤层勘探开发条件差异及类型。单煤层综合评价分区空间叠加则可以得到区块综合叠加分区图，可作为煤层气勘探开发部署及选层的依据。

3 实例应用与效果探讨

3.1 大村区块实例

大村区块/井田位于川南煤田古叙矿区东部，煤炭资源/储量大，勘探程度高，煤层气资源丰富，是川南煤炭、煤层气富集的主要地区之一。区内出露地层由老至新依次为志留系、二叠系、三叠系及侏罗系，其中二叠系上统龙潭组(P3l)赋存煤炭、硫铁矿、煤层气等矿产，乃区内的主要含矿地层。区块总体为一向北东倾伏，向南西扬起的不对称向斜。地表断层较发育，但对煤层影响很小。可采煤层7层，其中全区可采2层(C17、C25)，大部可采4层(C13、C14、C23、C24)，局部可采1层(C16)，可采煤层平均总厚9.29m，可采含煤系数7.12%，煤层多厚度薄。煤层变质程度高，为无烟煤三号，平均含气量18m3/t以上。

运用前面所述的评价方法，可以得到各煤层有利区分布范围，叠合各煤层有利区分布范围可知，1000m以浅，大村区块西翼：Ⅰ类区主要分在DCMT-3井区附近，可动用C14、C17、C23、C24和C25煤层资源，Ⅱ类区主要分布在16～28号勘探线之间区域，可动用C14、C17、C23和C24煤层资源，Ⅲ类区主要分布在6～34号勘探之间区域，可动用C14、C17、C23和C24煤层资源，合计各类有利区面积20km2，煤层气资源量60×108m3；大村区块东翼无Ⅰ类区，Ⅱ类区主要分布在53～62号勘探线之间区域，可动用C14、C17、C23和C24煤层资源，Ⅲ类区主要分布在53～67号勘探之间区域，可动用C14、C17、C23和C24煤层资源，合计各类有利区面积10km2，煤层气资源量25×108m3(图2)。

图2 有利区叠合示意图

Ⅰ类有利区是近期可以进行煤层气勘探试验和开发的目标区，Ⅱ、Ⅲ类区可作为中远期煤层气勘探开发的优选目标对象。

3.2 评价效果探讨

经过野外工作验证发现，选区结果与实际地质条件及取得的勘探试验成果吻合度较高，说明该评价方法能够较好地指导实际区块优选工作。

原2007年完成的石屏—大村井田煤层气储层研究与评价工作，从含气丰度、封盖性能、开采价值和产气性能四个方面建立了选区评价模型，将大村区块按埋藏深度划分为三个评价单元，评价单元内的评价指标参数采用平均值或预测值统一给定，综合评价得出埋深600～1000m为Ⅰ类区，埋深1000～1500m为Ⅱ类区，埋深160～600m为Ⅲ类区；本次评价结果Ⅰ类区在区块西翼与原评价结果大致重叠，但在区块东翼无Ⅰ类区。Ⅱ、Ⅲ类区评价结果差别较大。究其原因，一是本次评价层级更多，评价对象更小，评价参数更全，代表性更强。本次评价对象从单井→单煤层→区块，采用了大量单井钻井、录井、测井和化实验数据；二是评价方法差异。两次都采用了多层次模糊数学法，但本次在采用该方法之前运用了一票否决及之后的多层空间叠加。总体来看，本次评价结果更具有现实指导作用。

4 主要结论与探讨

(1)根据川南煤田煤层气赋存特征，选择了11个指标作为有利区评价参数，提出了“首要参数一票否决+多层次模糊评价体系+多层空间叠加”作为有利区的评价方法。评价方法经过实例应用，可以方便地对多煤层进行系统、全面地评价和优选，现场验证效果较好。可以推广运用到诸如川南多煤层发育的其他矿区。

(2)川南筠连、芙蓉矿区背向斜相对宽缓，构造变形强度小，煤系为陆相/海陆过渡相沉积，煤层灰分高，煤体结构相对完整，割理、裂隙发育，煤层与围岩关系简单，可改造性强，单井试验产气量200～5000m3/d。古叙矿区背向斜相对紧闭，构造变形强度稍强，煤系为海陆过渡相沉积，煤层灰分低，煤体结构相对破碎，煤层与围岩关系较复杂，可改造性稍弱，单井试验产气量200～2000m3/d。相对于筠连、芙蓉矿区而言，古叙矿区煤层层数多，含煤系数高，煤层相对集中，含气量高，累加煤层气资源丰度高，可充分利用煤层组合优势实现煤层气井的高产和长期稳产；但是，古叙矿区煤体结构以碎裂、碎粒结构为主，在储层改造上较难以实现预期的裂缝长度，裂缝高度更加难以控制，当大规模压裂切穿煤层顶底板后，泥页岩、泥质粉砂岩等顶底板岩性对产气贡献有限。

(3)鉴于南方地区煤层气开发突破及规模化试验的效果差异大，如何实现单井长期稳定的工业产量是极其现实的难题，再加上投资效益、生产成本关系，当务之急要寻找到Ⅰ、Ⅱ类有利区(即甜点)，为勘探开发部署提供依据。