贵州省煤层气规划区块煤储层特征与有利区优选

向文鑫，桑树勋,，吴章利，屠 斌，郭志军，韩思杰，周效志，周培明

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 碳中和研究院，江苏 徐州 221008；3.自然资源部复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室，贵州 贵阳 550009；4.贵州省油气勘查开发工程研究院，贵州 贵阳 550009；5.贵州省六盘水市钟山区自然资源局，贵州 贵阳 553000)

贵州是我国南方的煤炭资源大省，素有“西南煤海”之称[1]。近些年来，贵州省煤层气结合自身地质特点并借鉴沁水盆地勘探开发经验发展迅速，完成了包括直井、斜井、水平井等多种煤层气开发模式的探索与实践[2-3]，并提出了小层射孔[4]、分段压裂[5]、合层排采[6-7]的开发工艺。但目前仍然存在勘查程度低，探明储量少等问题，这与研究区地质条件复杂、煤层气勘查区块数量少有较大关系，因此增加煤层气区块投放，对于促进贵州煤层气勘查开发工作具有重要意义。区块的增加势必需要开展选区评价，而煤层气的选区评价是一个复杂的多因素耦合过程。在此之前，诸多学者曾用了不同的方法进行尝试，如层次分析法[8]、主成分分析法[9]、灰色聚类法[10]、模糊数学法[11]等。其他还有专家打分法、一票否决法、关键要素递阶优选法、熵值法、突变评价法[12]、灰色关联分析法等。这些方法各有其适用范围及特点，但均未完全满足贵州省复杂地质背景下煤层气选区评价需求。在贵州省煤层气选区评价中，前人对地质条件较好的区域研究较多，如张春朋等[8,13]对六盘水煤田内各聚气单元已经做了较完整的选区评价工作，评选出来的煤层气有利开发区块(如土城向斜、盘关向斜)在实际勘探开发中也取得了较好的产气效果。然而针对贵州省复杂地质背景条件下煤层储层特征与矿权空白区块的资料详细程度的差异性，目前的地质选区评价方法与参数体系难以有效指导贵州省大规模开展煤层气勘探开发工作。这也是近年来贵州省煤层气难以开展大规模勘探开发的重要原因之一[14]。

为此，笔者综合18 个规划区块地质资料、周边煤矿勘查报告及近年来在贵州省三大煤田煤层气地质调查方面取得的最新成果，从煤层气地质背景、含气性、煤储层发育特征和储层物性等方面系统分析了规划区块煤储层特征，将区块划分为中阶煤煤层气区块和高阶煤煤层气区块，并给予不同的参数评价标准。最后运用多层次模糊数学综合评判法对18 个规划区块进行优选，科学合理地优选煤层气有利勘探开发区块，以期为未来贵州省煤层气整体有序的勘探开发工作部署提供依据和支持。

1 煤层气规划区地质背景

1.1 煤层气规划区分布

为加快推进贵州省煤层气产业提质增速，促进煤层气勘探开发工程的有序开展，贵州省在六盘水煤田、黔北煤田和织纳煤田新设立了18 个矿权空白区，其划分主要依据煤层气地质条件及已有区块的界线，规划区块分布特征如图1 所示。规划区分布面积约1 133.5 km2，集中分布在水城、盘县、六枝、金沙、黔西、织纳等矿区。这些区块分布广，地质特征差异明显，各种类型的煤层气藏均有覆盖，具备一定的代表性。

图1 规划区分布及构造纲要[15]Fig.1 Outline map of distribution and structure of the planning area[15]

1.2 煤层气规划区地质条件

在区域构造上，研究区主体位于上扬子板块扬子陆块南部被动边缘褶冲带下的四级构造单元-织金宽缓褶皱区及六盘水复杂变形区。其构造特征主要受印支、燕山和喜马拉雅三期褶皱运动影响，又以燕山运动影响最为强烈[16]。这三次褶皱运动使研究区内产生了不同方向和形态的构造形迹组合(图1)，控制了含煤地层的保存程度和赋存状态。含煤地层被分割于众多独立次级向斜单元，总体上具有向斜控气的构造特征。

贵州省煤层主要分布于遵义-贵阳-紫云以西的黔西地区，整体具有明显的东西分带特征，自西向东煤层厚度呈现低-高-低的变化(图2)。从平面上看，黔西地区的过渡相地带(盘县、水城、纳雍一带)具有煤层沉积的可容空间，加之古植物在温暖潮湿的气候下大量生长[17]为泥炭的堆积提供了丰富的物质基础，因此聚煤作用尤佳，是各成煤期的聚煤中心。其中，又以三角洲平原聚煤最好，潟湖-潮坪聚煤次之，河流聚煤最差。从图2 中可以看出，本次研究的18 个区块均处于三角洲平原沉积相带，聚煤作用较好。

图2 贵州晚二叠世沉积相演化[18]Fig.2 Sedimentary facies evolution of Late Permian in Guizhou Province[18]

2 煤储层特征

2.1 主力煤储层发育

研究区内各变质阶段的煤类均有分布，煤阶差异明显(图3)。其中，六盘水煤田以中高阶煤(Rmax=1.2%～4%)为主，而黔北煤田、织纳煤田则广泛分布高阶煤。研究区各区块埋深较深，随着埋深增加，一方面，地层温度与压力不断上升，煤层吸附能力增强，含气量增加。另一方面，埋深增加到一定程度，较高的地应力会导致煤层渗透率急剧降低，开发成本大大上升[19]，故适宜的开发深度应该在800～1 000 m，而本次研究的各区块普遍达1 000～1 200 m。另外，经本次研究统计，研究区内各区块主采煤层厚度以薄-中厚层(薄煤层小于1.3 m，中厚煤层1.3～3.5 m)为主，占全部主采煤层的95%以上，主采煤层层数较多(6～22 层)，煤层总厚度较大(7.8～22.6 m)，煤层间距小(大多小于10 m)，构造煤广泛发育，煤体结构不稳定。由此可见，研究区各区块虽地理位置不同，但沉积环境较类似，均属于三角洲平原相沉积，主力煤储层发育特征相差不大，总体具有煤阶高、埋藏深、煤层薄、层数多、间距近的特点。

图3 贵州中高阶煤分布[1]Fig.3 Distribution of medium-and high-rank coal in Guizhou Province[1]

2.2 煤储层含气性

研究区内煤层含气量在2.59～23.75 m3/t，平均11.27 m3/t，其中超过90%的煤层气含量大于4 m3/t，半数以上的煤层含气量超过10 m3/t(图4)。六盘水煤田各区块平均含气量为13.45 m3/t，远高于黔北煤田的11.24 m3/t 和织纳煤田的9.6 m3/t。除此之外，在500 m 以浅，煤层含气量随埋深的增加表现出增大的趋势，500 m 以深煤层含气量与埋深无明显的相关性。

图4 各区块含气量直方图Fig.4 Gas content histogram of each block

经体积法计算，研究区含气量大于4 m3/t、埋深小于2 000 m 可采煤层气地质资源量在(23.67～484.91)×108m3，资源丰度在(1.21～4.99)×108m3/km2，平均2.1×108m3/km2，均高于全国平均水平的1.12×108m3/km2，由此可见，研究区煤层气资源条件优越，远高于全国平均水准。同时，从图5 中不难看出六盘水煤田资源特征主要表现为“肥大型”，资源较丰富；黔北煤田资源特征主要表现为“肥大型”和“瘦小型”，资源形成两极分化；织纳煤田则主要表现为“瘦小型”，资源较贫乏[20]。

图5 各区块煤层气地质资源量及资源丰度Fig.5 Amount and abundance of CBM geological resources in each block

2.3 储层物性

研究区18 个区块渗透率统计结果见表1。六盘水煤田的渗透率整体低于黔北煤田和织纳煤田，总体不利于煤层气的地面开发。根据DZ/T 0217-2020储层渗透率划分标准[21]，认为研究区中渗透率和高渗透率储层偏少，以特低-低渗透率储层为主，中渗透率储层也占有一定比例。结合表1 认为，六盘水煤田主要分布特低-低渗透率储层，黔北煤田主要为低-中渗透率储层，织纳煤田主要为中渗透率储层。影响煤储层渗透率的地质因素不同，宏观上研究区各区块煤层埋深普遍偏大，且受多期褶皱运动影响，构造复杂，煤层受改造程度大；微观上贵州省构造煤广泛发育，煤体结构破碎，因此造成研究区渗透率普遍偏低。

表1 贵州三大煤田渗透率范围Table 1 Table of permeability range of three coal fields in Guizhou Province

影响煤储层压力的因素众多，其最主要的控制因素是埋深和地应力[22]。而研究区各区块埋深普遍偏大，构造复杂，因此煤储层压力、储层压力梯度都普遍偏高。其中以六盘水煤田区块最为典型，煤储层压力梯度均大于1 MPa/hm，表现为正常-高异常压力梯度为主，局部地区低异常压力特征；黔北煤田则一般小于1 MPa/hm，表现出整体低异常压力梯度，局部高异常压力梯度。另外，本文对17 个区块(金沙官田坝无数据)的等温吸附数据进行了统计，结果如图6。各区块吸附常数a平均为32.58 cm3/g，吸附常数b平均为1.13 MPa-1，储气能力较好。整体来看，黔北煤田和织纳煤田煤层吸附性好于六盘水煤田，且黔北煤田和织纳煤田各区块间吸附性相差不大，而六盘水煤田各区块间吸附性相差较大，认为其原因应是六盘水煤田各区块煤阶差别较大。

图6 各区块等温吸附数据Fig.6 Isothermal adsorption data of each block

3 选区评价方法

3.1 优选方法与基本思路

由于本次研究区范围广，各区块煤阶跨度大，从气、肥煤到无烟煤均有分布。而煤阶的差异往往代表了储层物性的变化，且不同煤阶其资源量计算标准不同。因此，本文参照DZ/T 0216-2020，将18 个规划区块划分为中阶煤区块和高阶煤区块，运用多层次模糊数学评判法[23-24]，先对选区评价系统划分层次，建立 多层次结构模型，然后根据评价目的选择评价指标体系，通过数学处理把原本模糊和非定量化特征的指标定量化，确定各指标的重要性系数和隶属度，对两类区块采用同一套参数体系和不同的赋值体系，最后得到有利区块评价结果。

3.2 评价指标体系

综合前人选区评价指标体系的研究[25-27]，本文综合考虑贵州煤层气差异性的关键地质特征，如贵州省煤层普遍较薄且构造煤广泛发育，因此创新地将大于2 m 煤层数和构造煤发育程度列入评价指标；中高阶煤的储层物性差异较大，则将渗透率、储层压力梯度、含气饱和度列入评价指标，以提高两类区块的区分度。本次评价重点考虑资源条件，兼顾地质背景、储层条件和开发条件，共选取了15 个指标作为本次研究所用的评价指标，根据这些参数的相互关系可建立选区评价参数体系，见表2。

表2 贵州省煤层气规划区选区评价参数体系Table 2 Selection evaluation parameter system of the CBM planning area in Guizhou Province

3.3 有利区优选过程

3.3.1 确定指标重要性系数

在遵循客观性和评价主体的特殊性两大原则基础上，通过对同层次指标的两两比较，并写成矩阵形式，构成判别矩阵。本次采用0～4 标度对重要性系数进行赋值，同层次指标两两比较的取值范围是：极端重要大于等于3；很重要2～3；稍微重要1～2；两者相当为1；稍微不重要1/2～1；不重要1/3～1/2；极端不重要小于等于1/3。然后运用方根法求得矩阵的最大特征根及相应的特征向量，从而得到各指标层和准则层相邻层判断矩阵及重要性系数，本次区块优选重要性系数计算结果见表3。随后要对判断矩阵进行一致性检验，一致性检验采用文献[28]中提出的方法，可见本次评价的随机一致性比率C.R.＜0.1，说明判别矩阵具有满意的一致性，其结果可以用于区块优选。

表3 重要性系数确定Table 3 Importance coefficient determination

3.3.2 确定评价参数隶属度

本文依据问题属性，结合实际情况和经验，选择适当的分段和线性拟合。中高阶煤的储层物性差异大，对两类区块分别进行赋值；18 个区块整体埋深均较大，在确定最有利埋深时可适当放宽到800 m，不利埋深为1 200 m 以深。除此之外，贵州普遍以中薄煤层为主，厚煤层较少，大于2 m 的煤层数一般在0～3 层；而贵州各煤田的构造煤相对较发育，根据构造煤在垂向上比例，基本在30%～60%。其余如主采煤层厚度、煤阶等，均考虑贵州总体煤层赋存情况进行赋值。本文对于高阶煤与中阶煤的隶属度值见表4。最后根据得到的各指标的重要性系数与准则层对应的重要性系数进行加权综合，得到指标层相对目标层的重要性系数。

表4 区块优选评价参数权重与评价标准赋值Table 4 Weight of block optimization evaluation parameters and evaluation criteria assignment

4 区块评价与有利区优选结果

参照表4 中评价标准，对18 个区块进行定量评价，划分有利区3 个、次有利区6 个、后备区9 个。值得注意的是，中阶煤区块的综合评价系数普遍高于高阶煤区块。通过对比分析认为，拉开两类区块差距的地质因素主要是资源条件，主要体现在煤厚和含气面积上。中阶煤区块普遍含气面积巨大，煤层累计厚达20 m 以上，高阶煤区块含气面积普遍偏小，煤层累厚在10 m 左右。由评价结果(表5)可知，中阶煤中大河边向斜区块的综合评价系数最高，为最有利区块，该区块资源条件好，构造较简单，含气饱和度高，可采系数高，各方面条件优越，因此开发潜力最好，其余区块则均有明显短板，如照子河向斜盘北区块可采系数仅有25.35%，是所有区块中最低，且构造煤发育程度高，达50%以上；土城向斜深部区块可采系数也仅有34.6%，地质资源丰度则仅有大河边向斜区块的一半；盘关向斜黎明区块勘查系数仅0.27，说明其勘探开发的风险会上升，且构造煤亦异常发育，达50%以上。高阶煤中大方背斜南段区块的综合评价系数最高，为最有利区块，其资源丰度高、构造简单、储层条件好，与同类区块相比也无明显短板。晴隆向斜两个区块，虽地质资源丰度是同类区块最高的，但其构造煤发育程度高，二者均达60%以上，且储层压力梯度和含气饱和度均低于正常值；苞谷地背斜龙场区块虽地质资源量最高，但其可采系数是同类区块最低，储层条件也整体偏差。因此，未来贵州省煤层气勘探开发的重点应放在大河边向斜区块和大方背斜南段区块。

表5 规划区各区块评价参数汇总(省略部分参数)Table 5 Summary table of evaluation parameters of each block in the planning area

5 讨 论

煤层气选区评价是一个多因素耦合过程，评价方法繁杂，目前广泛认可的即本文使用的层次分析法。充分考虑研究区煤层薄、埋藏深、构造煤广泛发育等煤层气差异性的关键地质特征，将18 个区块划分为中煤阶区块和高煤阶区块，优选出15 个参数建立评价指标体系，建立了中、高阶煤层气有利区优选方法，最终评选出大河边向斜区块和大方背斜南部区块为最有利区块。煤层气勘探开发中，单个关键地质要素的差异易导致生产井产能低，经济效益低，如照子河向斜区块，其构造煤发育程度和可采系数较其他区块差距较大，在实际开发中易遇低产井。而大河边向斜区块和大方背斜区块则各条件均一，因此二者的综合评价系数领先于其他区块。同时，煤层气开发实践表明，区块内的煤层气生产井已取得较好的产气效果，如：大河边向斜区块的钟1 井台，平均日产气量达4 364 m3。因此，本次评价具备一定科学性和可靠性。

本次评价中构造煤的发育程度高会降低综合评价系数，这主要是因为疏水降压的煤层气开发理论技术对于构造煤储层并不适用。由于构造煤储层渗透率极低且水力压裂等改造方式效果很差，基于疏水降压解吸采气理论基础的煤层气勘探开发技术无法实现构造煤煤层气的高效开发[29]。目前比较有效的构造煤开发模式是煤层气顶板岩层水平井分段压裂模式[30]，但其仍未完全解决构造煤的开发难题，未来若原位应力释放煤层气开发理论技术得到突破，构造煤的发育程度将不再是制约因素，反而是煤层气高产的有利条件，届时贵州省选区评价体系将大幅度颠覆。

6 结 论

a.研究区在沉积与构造的双重控制下，形成了过渡相聚煤、向斜控气的特征。18 个区块总体具有构造煤广泛发育，煤阶变化范围宽，煤储层地域性特征明显，薄-中厚煤层发育、含气量高、储层能量高但渗透率低的特征。

b.建立了高阶煤煤层气、中阶煤煤层气有利区分类优选方法，基于不同类型煤层气评价指标体系不同的方法原则，以地质资源丰度、主采煤层厚度、含气量、埋深为重要参数，以具有贵州地质特色的煤厚大于2 m 煤层数、构造煤发育程度为关键参数，共计优选15 个选区评价参数，采用层次分析法获得参数权重，并建立各参数隶属度函数，结合模糊综合评判法确定评价样本得分，得到综合评价系数。

c.根据综合评价系数，划分有利区3 个，次有利区6 个，后备区9 个。其中中煤阶的大河边向斜区块、照子河向斜盘北区块和高煤阶的大方背斜南段区块综合评价系数最高，为煤层气勘探开发最有利区。三者具有资源条件优越，地质基础资料详实，储层条件无明显短板的共性特征。