基于模糊物元的煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測(cè)——以沁水盆地為例

摘 要

摘要：沁水盆地煤層氣開發(fā)的后備區(qū)塊準(zhǔn)備不足，需要開展煤層氣有利富集區(qū)塊的優(yōu)選工作。為此，分析了影響沁水盆地高產(chǎn)富集的關(guān)鍵因素：煤層厚度、實(shí)測(cè)含氣量、含氣飽和度、原始滲透
摘要：沁水盆地煤層氣開發(fā)的后備區(qū)塊準(zhǔn)備不足，需要開展煤層氣有利富集區(qū)塊的優(yōu)選工作。為此，分析了影響沁水盆地高產(chǎn)富集的關(guān)鍵因素：煤層厚度、實(shí)測(cè)含氣量、含氣飽和度、原始滲透率、煤層海拔深度、臨界解吸壓力、水文地質(zhì)條件等；采用模糊物元評(píng)價(jià)方法，利用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)資料結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出了量化指標(biāo)預(yù)測(cè)等值線，并分析了不同地區(qū)煤層氣高產(chǎn)的可能性。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)選出陽(yáng)泉-壽陽(yáng)、長(zhǎng)子-屯留、沁水北-安澤和陽(yáng)城北等4個(gè)煤層氣產(chǎn)能建設(shè)的后備區(qū)塊(其中又以陽(yáng)城北有利區(qū)與陽(yáng)泉-壽陽(yáng)南有利區(qū)高產(chǎn)的潛力最大)，為沁水盆地煤層氣后期的勘探開發(fā)提供了目標(biāo)區(qū)。
關(guān)鍵詞：沁水盆地；模糊物元；評(píng)價(jià)；高產(chǎn)富集區(qū)；有利區(qū)塊；含氣量；滲透率；臨界解吸壓力
    沁水盆地高煤階煤層氣田目前開發(fā)有所突破[1～2]，但后備區(qū)塊不足，且由于中國(guó)多期構(gòu)造疊加和多期構(gòu)造熱事件的影響造成我國(guó)煤層氣藏具有“低孔、低滲、低壓和低產(chǎn)”的特點(diǎn)[3]，煤層氣勘探開發(fā)難度大，亟須尋找煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)的預(yù)測(cè)方法。筆者結(jié)合沁水盆地煤層氣成藏地質(zhì)特征，利用模糊物元方法優(yōu)選有利區(qū)塊，以期為沁水盆地開發(fā)提供后備區(qū)塊。
1 影響沁水盆地高產(chǎn)富集的關(guān)鍵因素
1.1 煤層厚度和含氣量
    根據(jù)煤層氣井產(chǎn)氣量與煤層厚度、含氣量的關(guān)系，綜合考慮，將沁水盆地含氣量下限確定為15m3/t，單井煤層厚度下限確定為5m，高煤階煤層高產(chǎn)的厚度、含氣量要求更高，在開采時(shí)煤層厚度越大、含氣量越高越有利。
1.2 含氣飽和度
    沁水盆地主要的幾個(gè)礦區(qū)或井田平均含氣飽和度主要為27.5%～71.8%，從含氣飽和度與煤層產(chǎn)氣量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來看，含氣飽和度小于60%時(shí)，煤層氣井為低產(chǎn)井，產(chǎn)量小于700m3/d；高煤階儲(chǔ)層含氣飽和度大于70%時(shí)，煤層氣井才為高產(chǎn)井，因此將沁水盆地煤層氣高產(chǎn)的含氣飽和度下限定為70%，其值越大，煤層氣高產(chǎn)的可能性就越大。
1.3 原始滲透率
    滲透性條件是高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，煤層滲透率值越大，煤層裂隙系統(tǒng)的導(dǎo)流能力越強(qiáng)，煤層氣產(chǎn)量越高[4]。根據(jù)沁水盆地儲(chǔ)層產(chǎn)氣量與原始滲透率的關(guān)系，將煤層高產(chǎn)井的滲透率下限定為0.2mD。在實(shí)際評(píng)價(jià)中，采用地應(yīng)力的大小或主應(yīng)力差值大小來預(yù)測(cè)平面上滲透率的分布。
    一般來說，割理、裂隙數(shù)量的多少是滲透率大小控制的內(nèi)在關(guān)鍵因素，但在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景下，原地應(yīng)力等外在因素對(duì)滲透率的影響尤為顯著[5～7]。因而筆者采用主要裂隙發(fā)育期的古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)來預(yù)測(cè)滲透率的大小。研究表明，主應(yīng)力差增大，煤儲(chǔ)層滲透率呈指數(shù)形式急劇增高，相關(guān)性極高，由沁水盆地煤層氣井高產(chǎn)的滲透率下限(0.2mD)，可以得到沁水盆地主應(yīng)力差的下限為45MPa。
1.4 煤層海拔深度
    沁水盆地含氣量與煤層海拔深度的相關(guān)性比較好，含氣量大于15m3/t的煤層，其海拔深度主要分布在400～1000m，另外由于沁水盆地地面海拔主要在1000m左右，該段海拔深度區(qū)段由于含氣量高，通常滲透性好，最有利于煤層氣井的高產(chǎn)。
1.5 臨界解吸壓力
    經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，臨界解吸壓力大于1.8MPa是該區(qū)煤層氣獲得高產(chǎn)的重要條件，小于該下限值時(shí)，其產(chǎn)氣量通常小于1000m3/d。
    利用相關(guān)的等溫吸附參數(shù)及實(shí)測(cè)的體積(V實(shí)際)計(jì)算出蘭氏體積(VL)，對(duì)該區(qū)臨界解吸壓力進(jìn)行估算，同時(shí)繪制蘭氏壓力平面分布圖(圖1)。從圖1看出，總體上沁水盆地石炭-二疊系蘭氏壓力呈南高北低的分布趨勢(shì)，晉城-陽(yáng)城礦區(qū)蘭氏壓力大于4MPa，陽(yáng)泉、沁水-高平的蘭氏壓力也在3MPa左右，潞安礦區(qū)的蘭氏壓力為2.5MPa左右，西山礦區(qū)的蘭氏壓力為2～3MPa；沁水盆地鏡質(zhì)體反射率的分布范圍內(nèi)，其與蘭氏體積之間有如下的4次方關(guān)系式(其相關(guān)性系數(shù)為09683)：
    VL=1.0436Ro,max4+9.1137Ro,max3-26.693Ro,max2+37.95Ro,max+1.3912 (1)
 

1.6 水文地質(zhì)條件
    水動(dòng)力封閉及地層水超壓都有利于煤層氣的吸附及富集；而交替的水動(dòng)力條件將打破吸附、溶解和游離氣之間的平衡，使吸附氣逐漸減少，影響煤層氣的保存[8～9]。另外，煤層氣的開采也需要有較好的水動(dòng)力條件，便于降壓解吸，以利于開采。根據(jù)沁水盆地地下水等水位線的分布趨勢(shì)，可以選擇等水位線相對(duì)平緩，水動(dòng)力勢(shì)減弱，地下水流動(dòng)較為緩慢的區(qū)域，作為煤層氣開采的有利區(qū)域。
2 高產(chǎn)富集區(qū)評(píng)價(jià)
    目前綜合評(píng)價(jià)的方法有多種，如綜合指數(shù)法、多因子綜合評(píng)價(jià)法、屬性識(shí)別法、模糊數(shù)學(xué)法[10～11]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。在煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)的評(píng)價(jià)中，考慮到水文地質(zhì)條件等參數(shù)的非定量性，具有一定的模糊性，這些概念的對(duì)象是沒有確定邊界的模糊結(jié)合，筆者選用模糊物元法對(duì)其好壞進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2.1 評(píng)價(jià)方法-模糊物元法
2.1.1標(biāo)準(zhǔn)模糊物元
    標(biāo)準(zhǔn)模糊物元[10]Ron是指從優(yōu)隸屬度模糊物元中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度[11]的最大值、最小值或中間值。筆者選擇煤層厚度、實(shí)測(cè)含氣量、含氣飽和度、臨界解吸壓力4個(gè)參數(shù)，以最大值作為最優(yōu)，也就是各指標(biāo)從優(yōu)隸屬度均為1；原始滲透率、煤層海拔深度則采用適中型作為最優(yōu)；水文地質(zhì)條件根據(jù)其分布處于滯流、徑流、還是補(bǔ)給區(qū)及其水位高度分別賦予不同的值，以等水位線相對(duì)平緩的滯流區(qū)的從優(yōu)隸屬度為1。
2.1.2評(píng)價(jià)模型
    結(jié)合前人相關(guān)的評(píng)價(jià)模型[12]，利用模糊算子中的加權(quán)平均型模糊算子(·，)(即先乘后加)可以計(jì)算出各區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)(ρHj)的大小，將其按從大到小的順序排列，該值越大，說明煤層氣高產(chǎn)的可能性越大。將所計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)的大小與煤層氣高產(chǎn)最低下限指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)(ρH0)值進(jìn)行比較，大于ρH0值的地區(qū)就是煤層氣高產(chǎn)富集潛力區(qū)。
 
式中RρH為ρ個(gè)事物的H個(gè)模糊特征的復(fù)合物元；Mi為第i個(gè)事物(i=1，2，…，m)；wi為第i個(gè)事物評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)；△ij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)為標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n與復(fù)合從優(yōu)隸屬度模糊物元中各項(xiàng)差的平方，則組成差平方復(fù)合模糊物元(R△)，即△ij=(μ0j-μij)2。
2.2 沁水盆地高產(chǎn)富集區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果
    根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煤層總厚度、煤層滲透率、煤層含氣量等地質(zhì)因素按同一的網(wǎng)格對(duì)其等值線圖進(jìn)行網(wǎng)格化，最終計(jì)算所有網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的煤層氣綜合評(píng)價(jià)系數(shù)的大小，并繪制量化指標(biāo)預(yù)測(cè)等值線。根據(jù)繪制的量化指標(biāo)預(yù)測(cè)等值線，即可分析沁水盆地不同地區(qū)的煤層氣高產(chǎn)的可能性。其沁水盆地最終的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。
 

    從以上評(píng)價(jià)結(jié)果及已有煤層氣井的開發(fā)效果來看，沁水盆地高產(chǎn)富集有利區(qū)主要分布在綜合評(píng)價(jià)系數(shù)大于0.7的區(qū)域，大致包括4個(gè)區(qū)域：陽(yáng)泉-壽陽(yáng)有利區(qū)、長(zhǎng)子-屯留有利區(qū)、沁水北-安澤有利區(qū)、陽(yáng)城北有利區(qū)，其中又以陽(yáng)城北有利區(qū)與陽(yáng)泉-壽陽(yáng)南有利區(qū)高產(chǎn)的潛力最大。
2.2.1陽(yáng)泉-壽陽(yáng)有利區(qū)
    位于陽(yáng)泉、壽陽(yáng)間及其以南，包括陽(yáng)2、陽(yáng)3部分井區(qū)，面積635.93km2，埋深400～1050m，含氣量大于14m3/t，煤層總厚度大于6m，其中3#煤層厚度為1.7～3.2m，平均厚度2.23m，15#煤層厚度分布在1.8～6.9m，平均為5.43m，為無煙煤。
    3#煤層蓋層主要為砂質(zhì)泥巖，厚2～9m，15#煤蓋層以砂質(zhì)泥巖或泥巖為主，厚3～11m。原煤蘭氏體積為24.82～37.1m3/t，平均30.96m3/t，蘭氏壓力為1.94～3.2MPa，平均為2.58MPa，陽(yáng)泉、壽陽(yáng)割理裂縫發(fā)育，有高滲區(qū)存在，煤層氣井試井滲透率最高達(dá)13.36mD，煤層氣資源量達(dá)749×108m3。
    到2009年底，陽(yáng)泉-壽陽(yáng)地區(qū)共鉆探井1700余口，其中探井46口，投產(chǎn)井850口，日產(chǎn)氣量達(dá)120×104m3，單井產(chǎn)氣量在1500m3/d，這些勘探開發(fā)數(shù)據(jù)是對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的一個(gè)很好的例證。
2.2.2長(zhǎng)子-屯留有利區(qū)
    位于屯留-長(zhǎng)子一線及其周圍地區(qū)，面積373.59km2，3#煤層厚5.8～7.3m，15#煤厚2.3～3.5m，埋深430～800mD，含氣量在14～20m3/t，主曲率較大，裂隙發(fā)育、南部為裂隙最發(fā)育區(qū)；煤層氣資源量為1532×108m3。區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)離盆地邊緣，水力坡度較小，水徑流能力相對(duì)較弱，有利于煤層氣保存。
    該區(qū)已提交煤層氣探明儲(chǔ)量超過70×108m3，裂隙發(fā)育，滲透率高，后續(xù)煤層氣開發(fā)比較有利。
2.2.3沁水北-安澤有利區(qū)
    位于安澤以南區(qū)域內(nèi)，面積520.67km2，包括晉試6井井區(qū)，煤層厚度變化呈現(xiàn)西薄、東厚特征，其中3#煤層厚度為3.7～6.5m，15#煤層厚度為1.8～3.45m；埋深分布在500～1000m，南淺北深。含氣量高，最高可超過22m3/t。據(jù)鄰區(qū)資料，該區(qū)主力煤層3#煤層以上覆蓋1套50m的泥巖蓋層，是該區(qū)含氣量最高的主要因素。煤層裂隙較發(fā)育，水動(dòng)力條件不活躍，是該區(qū)主要的匯水中心，煤層氣資源量為1369×108m3。
2.2.4陽(yáng)城北有利區(qū)
    位于陽(yáng)城北、高平以西一帶，面積1595.75km2，3#煤厚度幾乎都超過5m，15#煤層厚度也大多超過3m，總厚度平均大于8.3m；埋深主要分布在400～900m，東淺西深，南淺北深；含氣量超過14m3/t。該區(qū)是燕山、喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊合區(qū)，煤層裂隙最發(fā)育區(qū)，煤層頂板泥巖、致密石灰?guī)r蓋層發(fā)育，水文條件以弱徑流和滯流為主，煤層氣保存條件好，晉試井組、潘莊井組等含氣量高，多數(shù)井高產(chǎn)就是很好的證明。
    該目標(biāo)區(qū)的最有利區(qū)塊位于陽(yáng)城以北的潘2井、晉試1井井區(qū)，面積330.625km2。該區(qū)整體為一馬蹄形斜坡帶，地層傾角小。煤層平均厚8m，埋深300～800m。據(jù)晉試1井鉆探證實(shí)，煤階以無煙煤Ⅱ號(hào)為主，主力煤層3#煤層厚5.82m，15#煤層厚3.04m。含氣量平均25.1m3/t。3#煤層上覆59m泥巖蓋層，15#煤層上覆13m的泥巖、致密石灰?guī)r蓋層，含氣飽和度平均90%。2期不同方向構(gòu)造在本區(qū)交會(huì)疊加，導(dǎo)致煤系裂縫發(fā)育，晉城CQ-9井3#煤層試井滲透率為3.61mD，表明存在高滲區(qū)。水動(dòng)力條件為弱交替和緩流區(qū)。潘莊試驗(yàn)區(qū)單井日產(chǎn)量超過4300m3，晉試1井3#煤層產(chǎn)氣量為2500～4050m3/d，反映了潘2井、晉試1井井區(qū)較好的煤層氣勘探前景。該區(qū)是目前沁水南部煤層氣產(chǎn)能建設(shè)的主要戰(zhàn)場(chǎng)，從而也很好地證實(shí)了其作為煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)的重要意義。
3 結(jié)論
    1) 結(jié)合控制沁水盆地高產(chǎn)富集的關(guān)鍵因素諸如煤層厚度、實(shí)測(cè)含氣量、含氣飽和度、原始滲透率、煤層海拔深度、臨界解吸壓力、水文地質(zhì)條件等，利用模糊物元法優(yōu)選了陽(yáng)泉-壽陽(yáng)、長(zhǎng)子-屯留、沁水北-安澤、陽(yáng)城北等4個(gè)有利區(qū)塊。
    2) 對(duì)比分析優(yōu)選的4個(gè)有利區(qū)塊的地質(zhì)條件及煤層氣井開發(fā)效果，認(rèn)為陽(yáng)城北有利區(qū)與陽(yáng)泉-壽陽(yáng)南有利區(qū)高產(chǎn)的潛力最大。
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(本文作者：王勃1，2 孫粉錦2 李貴中2 馬京長(zhǎng)2 劉飛3 王紅巖2 劉洪林2 1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球與資源科學(xué)學(xué)院；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院煤層氣研究所；3.川慶鉆探工程有限公司鉆采工藝技術(shù)研究院)