煤层气有利区潜力评价及勘查安全风险评价

郭红

（山西潞安金源煤层气开发有限责任公司，山西 长治 046000）

1 概 况

山西省襄垣县王村—夏庄南区域煤层气勘查区位于沁水盆地中部，勘查区东西长平均7 km，南北宽6 km，勘查区44.566 km2。王村—夏庄南区域煤层气勘查区位于沁水盆地中部，勘查区所处沁水盆地位于山西地层分区，除华北区整体缺失地层（上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭系） 外，其余时代地层发育完全。勘查区区内广为第四系掩盖，仅在冲沟河床两岸有零星基岩出露。勘查区位于沁水盆地的东翼中段，晋—获褶断带和武乡—阳城凹褶带之间，所在的大地构造Ⅱ级区划为华北断块，Ⅲ级区划为吕梁太行断块，Ⅳ级区划为沁水块坳，全区共发育褶曲3 条，其中背斜2 条，向斜1 条。

勘查区主要在山西组及太原组的煤层中，3、8、15-1、15-2 号煤层为可采煤层，总厚度为9.99 m，其中3 号煤层和15-2 号煤层为该区域的主要可采煤层，3 号煤层厚6.72 m、15-2 号煤层厚4.27m，综合以往地质资料和前期煤层气勘查工作，勘查区主力煤层为3 上、3、8、15-1、15-2 号煤层，3 上+3 号煤层厚度最大，其煤层气资源潜力较大，另外8、15-1、15-2 号煤层厚度薄很多，但煤层相对稳定，可选择较有利区进行勘查。

2 煤层开发有利区评价

2.1 评价方法

煤层气开采模式评判方法就是在对其影响因素的隶属度规划基础上，通过专家确定的各影响因素的权重，利用模糊变换原理结合矩阵运算，从而确定各个影响因素的分值，划分出不同等级，最终确定出煤层气开发的有利区[1-3]。

由于煤储层的富集高产能力受多方面因素的控制，且地质因素具有本身的复杂性与不可预见性，因此，前人对煤层气富集高产的地质评价体系进行了大量的探索，现阶段应用最广泛的方法是模糊数学以及其引申出来的方法，权重问题对模糊数学评价结果的可靠性起着决定性的作用，现阶段最常用的方法是专家打分与层次分析法。

通过对煤层气富集高产影响因素的分析，可得出煤层气资源条件、产出条件、开发条件、地质条件等几项关键引出，在此基础上，根据模糊评价的方法，通过矩阵运算，专家打分量化各因素对研究区富集高产的贡献分值和权重，进行计算得出有利区带。

首先将各因素进行集合归类：

表征为：

其次确定各个指标好坏程度，划分为：

将其隶属函数取值为0~ 1，并根据隶属度量化等级，从上到下依次为好、较好、一般、较差、差5 个等级，即：

然后可建立单因素的综合评价矩阵：

式中：Ri为U 的模糊子集。若各指标在不同地区共测n次，确定某一指标在UA（u） 中各等级中隶属度的次数m，确定rik=m/n。

进一步可确定权重系数矩阵：

式中：m1+m2+m3+m4=1；应用模糊矩阵的复合运算，得到煤层气开发高产富集区的模糊综合评判矩阵：

将其进行归一化处理得：

此次权重主要根据专家打分方式确定。

2.2 评价体系

根据影响煤层气富集高产的因素分析，将其具体划分为二个一级指标和七个二级指标，一级指标分别为，资源条件、产出动力条件等[4-6]。二级指标分别为，煤层厚度、含气量；储层压力梯度、含气饱和度、煤体结构、渗透率、临储压力比等，具体评价体系及相应权重见表1。

2.3 评价结果

通过综合分析勘查区煤层气富集成藏因素，基于层次分析法和模糊评价法计算，认为王村—夏庄南区域勘查区3 号煤层，2 套断层中北部为煤层气开发有利区，断层附近煤层含气量较低、渗透率较差；15 号煤层中北部为煤层气开发有利区，东南部渗透率高，含气量多，煤层气富集条件好，也为煤层气开发有利区。

3 煤层气赋存特征勘查分析

3.1 勘查方案

为掌握王村夏店南区煤层气赋存情况，基于《煤层气资源勘查技术规范》 《油气勘查实施方案编写大纲》，设计此次勘查技术路线如图1所示。

图1 勘查技术路线Fig.1 Exploration technical route

勘查步骤为：①收集以往煤层气、煤炭地质勘查成果；②开展二维地震及地震资料解释；③根据布井计划开展钻探工作；④对钻井进行测井、气测录井、固井、试井、矿岩测试、压裂、排采等工作；⑤完成王村—夏庄南区域勘查区勘查评价工作。

勘查区域内进行钻井时，基于以往地质资料知该区构造简单，属于Ⅰ类构造类型。目标煤层厚度有一定变化，但仅局部地段出现少量的减薄，没有尖灭，稳定程度属于Ⅱ型。因此，钻井按Ⅰ类Ⅱ型部署。总体以不大于2~3 km 井距，在前期施工煤层气参数井的基础上再部署煤层气参数井3 口，生产试验井井组2 个，包括8 口垂直井，设计钻孔参数见表2。

表2 设计钻孔参数Table 2 Design drilling parameters

具体各个钻井布置方式如图2 所示。

图2 钻井布置位置平面示意Fig.2 Plane indication of drilling layout position

根据勘查区地质和地层情况，考虑勘查区钻孔采用二开井井身结构，钻井和压裂设备施工主要采用TSJ-2600 水源钻机和SYN5410TYL 压裂车。一开采用φ311.1 mm 钻头钻进，进入稳定基岩风化带30 m 后，下入φ244.5 mm 表层套管，注水泥固井返至地面。二开采用φ215.9 mm 钻头钻进，钻达设计井深后，下入φ139.7 mm 生产套管完井，注水泥至少上返至最上层煤层以上200 m，最下层目标煤层留底板不少于50 m 的口袋，具体井身结构如图3 所示。

图3 井身结构示意Fig.3 Wellbore structure

勘查设计中对勘查区内3 口煤层气参数+排采试验井、8 口生产试验井进行射孔压裂，其中3 口参数+ 排采试验井和生产试验井WXN2-1、WXN2-2、WXN015-3、WXN015-4 改造3 号煤层，参数+排采试验井WXN2 和生产试验井WXN2-3、WXN2-4、WXN015-1、WXN015-2 改造15 号煤层，共计改造12 层。

3.2 勘查安全风险分析及管控

勘查区位于太行山区，地表条件复杂，相对平坦地区所占比例较小；煤层气钻井场布置在40 m×60 m 范围内，钻井、压裂等大型设备设施多样复杂，高压管线布置紧密；勘查区古生代地层多为海象，地质历史中经历多次构造、断裂发育，施工安全风险突出。在勘查施工阶段采用预先危险性安全评价方法（PHA），对煤层气勘查施工涉及的周围地理环境、工艺、装置、设备设施及能量失控可能导致的后果进行了风险分析，勘查区主要存在车辆伤害、卡钻、埋钻、有利区井喷、物体打击等；主要风险分析结果见表3。

表3 预先危险性分析Table 3 Pre-risk analysis

3.3 开发潜力分析

目前王村夏店南区煤层气勘查作业，完成了全区二维地震，完成钻井11 口，完成参数井采样测试，全分析采样9 层次，试井5 层，完成压裂和试采11 口井。基于目前勘测数据初步测算，勘查区3 号煤层煤层气资源量达46.98×108 m3，15 号煤预测资源量为21.01×108 m3，具有一定开发前景。

4 结 语

根据王村夏店南区的地质和工程条件，采用层次分析法和模糊评价法计算得出，勘查区3 号煤层的开发有利区为2 套断层中北部；15 号煤层开发有利区为煤层中北部为煤层；设计勘查技术路线和方案，采用预先危险性评价方法对勘查施工中存在的安全风险进行风险管控，勘查区施工主要存在车辆伤害、卡钻、埋钻、有利区井喷、物体打击等风险类型；基于目前勘查结果可知南区3 号和15 号煤层的煤层气具有一定的开发前景。