晉陜蒙地區(qū)煤層氣勘查潛力綜合評價

摘 要

摘要：目前，晉陜蒙地區(qū)的煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步進入商業(yè)化生產(chǎn)階段，其勘探開發(fā)資料比較豐富，開展勘查潛力綜合評價已具備條件。為此，在大量收集該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)資料的基礎上，綜合分析
摘要：目前，晉陜蒙地區(qū)的煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步進入商業(yè)化生產(chǎn)階段，其勘探開發(fā)資料比較豐富，開展勘查潛力綜合評價已具備條件。為此，在大量收集該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)資料的基礎上，綜合分析了影響煤層氣勘查潛力的各種因素，應用層次分析法確定了煤層氣勘查潛力評價的12個指標，結合專家意見還對各級指標賦予了權重，最后建立起了煤層氣資源勘查潛力綜合評價指標體系。分析認為，評價對象具有明顯灰色性特征，運用層次分析法和灰色聚類法建立了用于煤層氣資源勘查潛力評價的多層次綜合評價模型。利用該模型對晉陜蒙地區(qū)沁水、霍西、鄂爾多斯東緣、渭北4個含氣區(qū)帶的煤層氣資源勘查潛力進行了評價。結果表明：最有利的勘查區(qū)塊分布于4個含氣區(qū)帶的淺部含氣區(qū)，深部含氣區(qū)勘查潛力整體上較差。其評價結果對今后該區(qū)煤層氣資源勘查具有指導作用。
關鍵詞：煤層氣；勘查潛力；綜合評價；層次分析法；灰色聚類分析法；資源條件；開采條件；開發(fā)利用條件；晉陜蒙地區(qū)
    煤層氣含氣區(qū)勘查潛力綜合評價是煤層氣勘探研究最基礎的工作。20世紀80年代開始，有關科研部門及生產(chǎn)單位在煤層氣資源及勘查潛力評價方面做了大量研究工作[1～11]，對中國埋深2000m以淺的煤層氣資源量及勘查潛力進行了不同程度的評價和預測。研究領域主要集中于評價參數(shù)的選取、評價方法的引入，研究對象為全國主要的含氣區(qū)帶、含氣盆地，或集中于某個區(qū)域、某幾個礦區(qū)規(guī)模，研究內容以對煤層氣資源評價為主。之前，由于獲取的煤層氣開發(fā)數(shù)據(jù)資料有限，很難對一個區(qū)域進行資源量與可采性并重的勘查潛力研究。
    晉陜蒙煤層氣有利區(qū)行政上隸屬于山西省、陜西省和內蒙古自治區(qū)管轄，主要為華北聚煤區(qū)的太行山以西地區(qū)，西至賀蘭山-六盤山斷裂帶，東到冀魯豫皖地區(qū)西界，北起陰山-燕山褶皺帶西段，南至秦嶺-大別山褶皺帶西段。主要包括沁水盆地和鄂爾多斯盆地2大含氣盆地，其中鄂爾多斯盆地分為東緣、北緣、西緣、南緣(渭北)、中部5個含氣區(qū)帶，沁水盆地分為沁水、霍西、西山3個含氣區(qū)帶。
    晉陜蒙地區(qū)的煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步進入商業(yè)化生產(chǎn)階段，煤層氣勘探開發(fā)資料比較豐富[12～16]?，F(xiàn)有的煤層氣開發(fā)項目和已登記的區(qū)塊主要集中于鄂爾多斯東緣、渭北，沁水、霍西4個含氣區(qū)帶。筆者即以此4個區(qū)帶為研究對象，綜合運用灰色聚類法和層次分析法，建立煤層氣資源勘查潛力評價體系，對該區(qū)的煤層氣勘查潛力進行評價。本文所指的“晉陜蒙地區(qū)”專指這4個含氣區(qū)帶。
1 評價指標體系
1.1 評價指標分析
    影響煤層氣資源勘查潛力評價的指標眾多，指標間關系復雜。能否經(jīng)濟地開發(fā)煤層氣資源受地質條件、開采條件以及開發(fā)利用條件等諸多因素的制約，需要選擇科學、簡捷、實用的數(shù)學模型來分析處理這些繁雜的因素。筆者綜合考慮體現(xiàn)煤層氣勘探公益性和商業(yè)性的各項指標，應用層次分析法建立煤層氣資源勘查潛力綜合評價指標層次結構并確定各指標的權重。
   評價指標反映了評價對象的本質屬性。煤層氣資源的本質屬性比較抽象，其勘查潛力又涉及資源屬性、可采性、開發(fā)利用條件等諸多方面，各評價指標在用于表述勘查潛力的指標體系中所處的層次不同，且同一層次指標的重要性有異。因此，只能用有限的指標(定性與定量指標結合)盡可能從本質上刻畫或表述煤層氣資源勘查潛力這一對象的主體、本質部分。
   基于對晉陜蒙地區(qū)煤田地質、煤層氣地質資料及開發(fā)數(shù)據(jù)的分析，認為影響本區(qū)煤層氣資源勘查潛力的因素主要有資源條件、開采條件、開發(fā)利用條件3個方面，具體評價指標體系見圖1。
 

1.1.1資源條件
   資源條件是進行煤層氣勘探開發(fā)的物質基礎。用煤層氣地質資源量、資源豐度、資源屬性3個指標來刻畫。地質資源量取決于煤層發(fā)育程度及含氣性，含氣量越高，煤層厚度越大，平面分布面積越大，則總的資源量越大。資源豐度(含氣強度)反映了煤層氣資源的富集程度，與煤儲層含氣量及總的可采煤層厚度有關。
   地質資源量、資源豐度2個指標，一個反映資源量的大小，一個反映單位面積內資源的富集程度。而資源屬性(品質)也是評價對象的一個重要屬性，資源品質對煤層氣勘探開發(fā)的影響比地質資源量、資源豐度更為重要。筆者用構造復雜程度、煤層穩(wěn)定程度、埋深3個指標來刻畫資源品質這一屬性。
　　開發(fā)實踐證實斷層對煤層氣開發(fā)的影響不容忽視，很多沿斷層部署的生產(chǎn)井產(chǎn)氣很少或只產(chǎn)水不產(chǎn)氣。構造復雜程度不僅反映了煤層氣資源破壞程度，更重要的是會影響到最終的勘探部署及開發(fā)規(guī)劃的制訂。煤層穩(wěn)定程度從一定角度代表了煤層氣資源的穩(wěn)定程度，這是資源量、資源豐度無法包容的一個屬性。煤儲層的埋深一方面反映了勘探開發(fā)的難易程度，另一方面煤炭資源勘探程度、煤層氣資源勘探程度和煤儲層埋深之間存在較為直接的關系，含氣區(qū)淺部勘探程度高，所獲數(shù)據(jù)資料更為接近煤層氣資源的本質屬性。
1.1.2開采條件
    對于勘查潛力評價來說，可開采條件是極為重要的因素。資源條件是物質基礎，可采性(開采條件)決定了煤層氣資源可采出量的大小及開采的難易程度。隨著國內煤層氣產(chǎn)業(yè)進入商業(yè)性開發(fā)階段，開采條件在勘查潛力評價中占有越來越重要的位置，而不再是僅側重于資源條件(含氣性、含氣強度等)的評價。近幾年，在晉陜蒙地區(qū)施工的生產(chǎn)井、井組的數(shù)量增長迅速，并陸續(xù)投入生產(chǎn)，所獲得的生產(chǎn)和試驗數(shù)據(jù)使得對每一個小的評價單元進行可采性評價成為可能。
1.1.2.1 可采系數(shù)
    筆者用可采系數(shù)來表述煤層氣資源對象中可采資源量大小這一屬性，可采系數(shù)是在現(xiàn)有經(jīng)濟技術條件下煤層氣地質資源量中可采部分所占的比例，決定了從可獲資源角度表述的商業(yè)性投入的回報率。由于現(xiàn)階段晉陜蒙地區(qū)處于煤層氣工業(yè)開發(fā)的初期，等溫吸附曲線法是計算可采系數(shù)的常用方法。
1.1.2.2 儲層物性
    煤層氣開采的難易程度主要與煤儲層物性有關，筆者選擇了滲透率、儲層壓力梯度、臨儲比3個指標來刻畫評價對象的這一屬性。滲透率是極為重要的煤儲層參數(shù)，反映了開采過程中煤儲層對解吸甲烷的滲流能力，高滲透率是煤層氣井高產(chǎn)的重要條件。儲層壓力梯度反映了開采時煤儲層所能提供的能量大小。臨儲比即臨界解吸壓力與儲層壓力之比，反映了煤層氣開采時需要降壓的幅度及產(chǎn)氣時間的早晚。由于研究區(qū)內煤級變化大，不同煤級之間絕對含氣量的高低不能真正體現(xiàn)其可采程度，而臨儲比可以反映煤層氣開采的難易程度，是體現(xiàn)開采條件的重要指標。
1.1.3開發(fā)利用條件
    開發(fā)利用條件是煤層氣經(jīng)濟開采的外在影響因素，細分為市場需求、地形條件和基礎設施3個指標：①市場需求主要考慮煤層氣田附近城市、人口、經(jīng)濟發(fā)展狀況等因素，用以評估當?shù)氐拿簩託赓Y源需求量；②地形條件決定了地面投資成本及開發(fā)難易程度，對開發(fā)具有一定的影響；③基礎設施為煤層氣的勘探開發(fā)提供保障，涉及當?shù)氐慕煌?、基礎管線建設及其他條件。
晉陜蒙地區(qū)煤層氣勘查潛力評價體系共包括7個定量指標(地質資源量、資源豐度、埋深、可采系數(shù)、滲透率、儲層壓力梯度、臨儲比)，5個定性指標(構造復雜程度、煤層穩(wěn)定程度、市場需求、地形條件和基礎設施)，共12個指標。其中定量指標的分級標準依據(jù)指標對煤層氣勘查的意義及各指標在晉陜蒙地區(qū)分布特征來確定；定性指標分級采用同一原則，因此也采用同一分類標準。該體系中條件、指標的內涵和特征取值、賦值標準見表1。
 

1.2 評價指標權重的計算
    運用層次分析法確定指標權重的步驟為：首先邀請有關專家對各指標進行兩兩比較打分，建立判斷矩陣，然后計算各指標權重并進行一致性檢驗[17～19]。
    煤層氣勘查潛力指標體系分為4層，其中目標層為綜合評價值，準則層有3層(分為三級指標)。下面以一級指標權重計算為例，描述層次分析法確定權重的過程。專家討論后的打分結果見表2。專家打分時一般采用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為重要性標度，其含義見表3，計算方法參見本文參考文獻[15]。
 

    1) 構造一級指標兩兩比較判斷矩陣。
 
    2) 用方根法計算權重向量，并計算出判斷矩陣的最大特征值。
W=(w1，w2，w3)=(0.4330，0.4665，0.1005)
        λmax=3.0055
    3) 一致性檢驗。
CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.0055-3)/(3-1)=0.002756
 CR=CI/RI=0.002756/0.52=0.005＜0.10
可以認為判斷矩陣具有滿意的一致性，進而可認為第二步計算出來的一級指標間的相關權重能夠采用。同理可以計算其他各級指標權重，最終權重計算結果見表4。
 
2 綜合評價
2.1 評價方法選擇
    用于綜合評價工作的數(shù)學方法很多，常用的有加權求和法、模糊數(shù)學法、灰色聚類法等[15]。
    上述基于層次分析法建立的煤層氣勘查潛力評價指標體系，用12個定量或定性的指標來刻畫評價對象的本質屬性。通過分析發(fā)現(xiàn)，評價對象帶有明顯的灰色特性。這是因為，影響煤層氣資源勘查潛力的因素具有多樣性、復雜性的特征，各因素之間的關系也有待于進一步研究。一方面只能獲得評價對象屬性的部分信息，如：煤層厚度、埋藏深度、煤層含氣量、儲層壓力等；另一方面，各種屬性間的關系不甚明了，如：煤層埋深、厚度、煤類對儲層滲透性的影響以及對煤層氣可采性的影響。
    而采用灰色聚類方法對于明顯具有灰色性的評價對象進行綜合評價是合理可行的，因此，筆者采用灰色聚類法來評價研究區(qū)的煤層氣勘查潛力。
2.2 評價單元劃分
    晉陜蒙地區(qū)煤田勘探和煤層氣勘探程度較高，基礎資料豐富，采用埋深等值線、含氣量等值線和煤層厚度等值線作為邊界，劃分評價單元，根據(jù)實際情況對有些地區(qū)的評價單元進行合并或細分，以使資評結果更具合理性、客觀性和可靠性。沁水含氣區(qū)帶共劃分87個評價單元，霍西含氣區(qū)帶49個，鄂爾多斯東緣30個，渭北含氣區(qū)帶10個，晉陜蒙地區(qū)共劃分了176個評價單元。
2.3 評價過程
   根據(jù)評價指標特征分級標準(表1)，將176個評價對象分為A、B、C、D共4個灰類。灰色聚類的基本步驟為：
    1) 給出聚類白化數(shù)dij；
    2) 確定灰類白化權函數(shù)fik。
    3) 標定聚類權ηjk。
    4) 確定聚類系數(shù)σik。
    5) 構造聚類向量σi=(σi1，σi2，…，σip)。
    6) 進行聚類σi=max｛σip｝，則聚類對象i屬于k灰類。
   筆者采用灰色定權聚類，即上述第3)步中聚類權由表4中的評價指標權重決定，且各個指標關于不同灰類的權值大小不變。
   煤層氣勘查潛力評價不僅關注每個評價對象所屬灰類，而且希望對屬于同一灰類的評價對象的勘查潛力進行排序，指導以后的勘查部署。因此，在上述基礎上，還需求出綜合優(yōu)度值，即以下面2個步驟：
   7) 聚類系數(shù)歸一化，。
   8) 求綜合評價值M：預先設定優(yōu)、良、可、差4類的最高分值分別為90、70、50、30，則Mi=90δi1+70δi1+50δi3+30δi4。求得評價單元的最終綜合優(yōu)度值后，可以根據(jù)綜合優(yōu)度值排序，同時按優(yōu)(≥65分)、良(55～65分)、可(45～55分)、差(≤45分)4類，分別對應優(yōu)先開展勘查工作、鼓勵開展勘查工作、可以開展勘查工作和暫緩開展勘查工作4類。
2.4 評價結果
    晉陜蒙地區(qū)煤層氣勘查潛力綜合評價成果如圖2所示。
 

    由圖2可以看出，晉陜蒙地區(qū)煤層氣資源勘查潛力為優(yōu)級的區(qū)塊主要集中在沁水含氣區(qū)帶南部的長子-端氏-馬必一帶，鄂爾多斯盆地東緣含氣區(qū)帶從臨縣到鄉(xiāng)寧的盆地淺部邊緣一帶，以及渭北含氣區(qū)帶的韓城礦區(qū)。在沁水含氣區(qū)帶北部及東部的壽陽-昔陽-和順-左權一帶及霍西淺部含氣區(qū)也存在著勘查潛力為優(yōu)-良級的區(qū)塊，勘查潛力較好，應加大勘探力度。按現(xiàn)有資料評價，深部含氣區(qū)勘查潛力整體上較差。
3 結論
    1) 影響煤層氣資源勘查潛力評價的指標眾多，指標之間關系復雜。筆者在綜合分析影響煤層氣勘探開發(fā)潛力的各種因素基礎上，用層次分析法確定了12個指標，建立了適合研究區(qū)的煤層氣資源勘查潛力綜合評價體系。
    2) 評價對象具有明顯的灰色性特性，采用灰色聚類方法評價煤層氣資源勘查潛力合理可行，能夠最大限度地減少主觀因素對評價的影響，提高勘查潛力評價精度。
    3) 在大量收集煤層氣勘探開發(fā)資料基礎上，評價了研究區(qū)的煤層氣資源勘查潛力。認為應在沁南的長子-端氏-馬必一帶及鄂爾多斯盆地東緣淺部區(qū)優(yōu)先開展勘查工作，鼓勵在陽泉壽陽、和順、左權、霍西等區(qū)塊進一步開展勘查工作。研究成果對該后本區(qū)的煤層氣資源勘查有一定的指導作用。
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(本文作者：熊德華1 唐書恒2 朱寶存2 1.中聯(lián)煤層氣有限責任公司；2.中國地質大學(北京)能源學院)