中國煤層氣含氣帶資源條件評價與排序分析

摘 要

摘要：目前中國正處于煤層氣開發(fā)大發(fā)展前期，迫切需要對中國煤層氣資源，特別是作為基本單元的含氣帶資源狀況與地質條件進行分析和評價。在對中國煤層氣資源特點進行簡要分析的基
摘要：目前中國正處于煤層氣開發(fā)大發(fā)展前期，迫切需要對中國煤層氣資源，特別是作為基本單元的含氣帶資源狀況與地質條件進行分析和評價。在對中國煤層氣資源特點進行簡要分析的基礎上，再選擇資源密度、煤層氣資源量、含氣量這3個參數(shù)作為煤層氣含氣帶評價排序的分析指標，在評價排序中首先對指標進行處理，給出了不同指標性質的指標處理函數(shù)，并設計了限值約束條件；然后采用矩陣綜合決策方法(加權平均法)對劃定的56個含氣帶進行綜合評價和排序，最后給出了關于煤層氣含氣帶應優(yōu)先考慮的重點區(qū)域的建議：根據(jù)資源狀況排序分析，最好的資源條件基本分布在冀魯豫皖和晉陜蒙含氣區(qū)內。
關鍵詞：中國；煤層氣；資源分布；含氣帶；指標處理函數(shù)；資源條件；綜合評價；排序分析
    中國煤層氣資源豐富，目前正處于煤層氣開發(fā)大發(fā)展前期，迫切需要對中國整體煤層氣特別是基于基本單元層次的資源狀況進行整體分析和評價。經過近20a的地質研究和勘探實踐，煤層氣地質單元的劃分有多種意見[1]。參考相關研究成果，并考慮實際資料與實際勘探開發(fā)活動程度，按煤層氣大區(qū)、含氣區(qū)、含氣帶、氣田這4個級別進行中國煤層氣資源分布區(qū)劃(見圖1)。
 
    按照該思路，“中國煤層氣生產可行性研究”課題組將全國煤層氣資源共劃分為4個大區(qū)、10個含氣區(qū)、56個含氣帶和超過85個代表性礦區(qū)(目標區(qū))[2]。其中含氣帶在進行煤層氣資源評價中是具有重要代表性的單元，筆者將對劃定的56個含氣帶進行評價和排序分析。
1 中國煤層氣資源特點簡述
1.1 我國煤層氣資源豐富
    據(jù)煤層氣資源評價結果，我國埋深2000m以淺煤層氣地質資源量約36×1012m3，主要分布在華北和西北地區(qū)。其中，華北、西北、南方和東北地區(qū)賦存的煤層氣地質資源量分別占全國煤層氣地質資源總量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。1000m以淺、1000～1500m和1500～2000m的煤層氣地質資源量，分別占全國煤層氣資源地質總量的38.8%、28.8%和32.4%。90%的煤層氣資源儲藏在早中侏羅世、石炭紀和二疊紀的煤層中，其中早中侏羅世的資源量最大，占全國總量的46.13%；石炭紀、二疊紀次之，占全國總量的43.52[2]。
1.2 含氣性
    我國煤層大多含氣量較高。據(jù)對全國105個煤礦區(qū)調查[3]，平均含氣量10m3/t以上的礦區(qū)43個，占41%；平均含氣量8～10m3/t的礦區(qū)29個，占28%；平均含氣量6～8m3/t的礦區(qū)19個，占18%；平均含氣量4～6m3/t的礦區(qū)14個，占13%。中國的煤層氣濃度高，一般每1m3煤炭的煤層氣含量達4m。以上。在中國各個煤層氣田，平均含氣量1.15)×108m3/km2。
1.3 儲層壓力和煤層滲透率
    我國以欠壓煤儲層為主，部分煤儲層壓力較高，儲層壓力梯度最低為2.24kPa/m，最高達17.28kPa/m。我國煤層滲透率較低，平均在(0.002～16.17)×10-3μm2。其中小于0.10×10-3μm2的占35%；(0.1～1.0)×10-3μm2的占37%；大于1.0×10-3μm2的占28%；大于10×10-3μm2的較少[4～5]。
1.4 聚氣帶規(guī)模及儲藏時代
    我國煤層氣聚氣帶規(guī)模相差很大，小到幾十平方公里，大到上萬平方公里，資源豐度為(0.15～7.22)×108m3/km2。90%的煤層氣資源儲藏在早中侏羅紀、石炭紀和二疊紀的煤層中，其中早中侏羅世的資源量最大，占總量的46.13%；石炭紀、二疊紀次之，占總量的43.52%。這些時代的煤層最厚且分布穩(wěn)定，煤質、煤階和滲透率適合于煤層氣的生成、儲存和開發(fā)[6]。
    中國煤層氣資源的特殊性可概括為[7]：資源量豐富，但分布既分散又集中；儲層不均一性強烈，華北地區(qū)相對優(yōu)越；高階煤和低階煤占主導，高階煤可產氣；煤體結構破壞嚴重，低滲透、低壓、低飽和現(xiàn)象突出。低壓、低飽和是中國煤層氣藏的又一個較為顯著的特征，給煤層氣資源開發(fā)帶來了很大的難度。
2 煤層氣含氣帶資源評價與排序分析指標和方法
2.1 指標選擇及權重確定
    煤層氣含氣帶雖然已是資源評價的基本單元，但仍然是面積相對較大的區(qū)域，不可能用過多的指標來詳細描述和評價。在項目研究中，曾收集了56個含氣帶的相關地質參數(shù)，主要有成煤時代、主要煤級、埋深、含氣飽和度、氣含量、資源密度、煤層氣資源量等[2，8]?？紤]到數(shù)據(jù)保密性并從方便描述起見，下面列出了其中3個含氣帶的主要參數(shù)(見表1)。
表1 部分煤層氣含氣帶地質特征參數(shù)表
含氣帶
成煤時代
主要煤級
埋深(m)
含氣飽和度(%)
氣含量(m3/t)
資源密度(108m3/km2)
煤層氣資源量(108m3)
沁水
C—P
 
＜1000
 
16.13
2.01
55157.77
C—P
SM/PM/WY
1000～1500
95
21.39
1500～2000
95
22.06
霍西
C—P
 
＜1000
 
16.13
1.83
7355.45
C—P
FM/JM/SM
1000～1500
95
21.39
1500～2000
95
22.06
渭北
C—P
 
＜1000
 
7.87
0.94
7011.02
C—P
SM/PM/WY
1000～1500
95
18.31
1500～2000
95
18.84
根據(jù)定量分析原則，以反映煤層氣資源質量最直接、最有效的指標作為排序依據(jù)。從評價資源的富裕程度出發(fā)，并考慮定量分析原則的要求，認為資源密度、煤層氣資源量、含氣量這3個參數(shù)是反映煤層氣含氣帶總體條件的最直接、最有效的指標，故選擇此3個參數(shù)作為排序依據(jù)。指標權重是在對相關專家調查分析基礎上確定的(見表2)[2]。
表2 煤層氣區(qū)帶排序參數(shù)權重專家分值表
評價參數(shù)
資源密度
煤層氣資源量
含氣量
權重
0.3
0.4
0.3
2.2 指標處理方法
    一般情況下，指標按性質可分為正指標、逆指標和中性指標。此外，由于不同指標之間的量綱不一樣，因而也必須對指標數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。根據(jù)指標性質分別為3種類型指標設計了相應的指標處理函數(shù)。
對于正指標，其指標處理函數(shù)為：
 
式中：xij為具體指標值；uij為標準化指標值；i=1，2，…，n；n-1，2，…，m(下同)。
對于逆指標，其指標處理函數(shù)為：
 
對于中性指標，其指標處理函數(shù)為：
 
式中：vj為中性指標的中值(即理想值，下同)。
    此外，考慮到資源評價中對指標的最低要求和優(yōu)選目標，采用限值約束的方法優(yōu)選目標區(qū)。其中方法一是直接根據(jù)門限值選擇符合篩選要求的目標區(qū)；方法二是：首先確定出指標的上限、下限，當某指標值大于上限值時視為等同于最高值(或最好值)，當某指標值小于下限值時視為等同于最低值(或最差值)。此方法的特點主要是：最優(yōu)值和最差值為一隸屬區(qū)間，而非單一值。這樣，在應用上更為符合客觀實際。具有限值約束條件的指標處理方法如下。
對于正指標，其具有限值約束條件的指標處理函數(shù)為：
 
式中：uj為最大界限值，dj為最小界限值(下同)。
    具有限值約束條件的逆指標處理函數(shù)為：
   
具有限值束條件的中性指標處理函數(shù)為：
 
式中：zdj為指標的中值區(qū)間(即理想值區(qū)間)下限，zui為指標的中值區(qū)間(即理想值區(qū)間)上限。
2.3 綜合評價與排序分析方法
    煤層氣含氣帶綜合評價與排序分析的基本過程是：根據(jù)地質情況和評價目的選取評價參數(shù)，并應用相應的數(shù)據(jù)處理方法對參數(shù)進行處理；依據(jù)專家意見確定各指標權重，采用矩陣式綜合決策(即指標標準化后加權平均)方法得到各含氣帶綜合評價指標值。這一綜合評價值即是該含氣帶的綜合評價結果，綜合評價值越大，表明其煤層氣開發(fā)的資源與地質條件越好。按照綜合評價值由大到小排序即得到排序分析結果。
3 煤層氣含氣帶資源條件綜合評價及排序分析結果
3.1 含氣帶資源條件主要指標
    如前所述，項目研究中共收集了56個含氣帶的相關地質參數(shù)，為描述方便和保密起見，此處列出了20個含氣帶的資源密度、資源量和氣含量等3個選定的主要參數(shù)值(見表3，表中只給出了含氣帶的編號，隱去了名稱)。
表3 部分煤層氣含氣帶主要參數(shù)值表
序號
含氣帶
資源密度(108m3/km2)
資源量(108m3)
含氣量(m3/t)
1
Ⅴ03
2.01
55157.77
19.86
2
Ⅴ07
1.09
55825.61
5.96
3
Ⅴ04
1.83
7355.45
19.86
4
Ⅵ06
1.70
15094.34
10.78
5
Ⅶ01
1.51
26258.98
5.90
6
Ⅴ09
1.79
7829.13
9.85
7
Ⅴ05
1.22
19962.27
9.69
8
Ⅱ09
1.15
4002.34
14.97
9
Ⅱ03
1.18
4428.09
13.89
10
Ⅴ06
0.94
7011.02
15.00
11
Ⅱ08
1.31
5598.41
10.85
12
Ⅶ06
1.21
12191.91
6.38
13
Ⅱ04
1.15
4308.02
10.79
14
Ⅴ02
1.38
2653.03
8.55
15
Ⅱ11
1.34
3485.72
7.43
16
Ⅶ05
1.34
5217.65
6.23
17
Ⅱ02
1.15
1092.13
8.23
18
Ⅴ08
0.63
12732.06
5.10
19
Ⅶ06
0.53
3472.49
5.64
20
Ⅷ01
0.57
903.81
6.05
3.2 指標處理及排序
    按照前面給出的指標處理方法和具體函數(shù)，得出各含氣帶資源條件綜合評價值及排序結果，以下列出排序前20位的含氣帶相應結果(見表4)。
    此外，考慮資源富集程度、資源密度以及資源規(guī)模的限值情況，采用具有限值約束條件的指標處理函數(shù)對各含氣帶主要指標進行了第二種方案指標處理。根據(jù)專家意見，各指標的界限值分別如下[對應于公式(4)]：①資源密度：最大界限值uj=1.8×108m3/km2，最小界限值dj=0.5×108m3/km2；②資源量：最大界限值uj=20000×108m3，最小界限值dj=500×108m3；③含氣量：最大界限值uj=15m3/t，最小界限值dj=5m3/t。
   經計算得到其綜合評價值(見表5)。
表4 煤層氣含氣帶綜合評價與排序結果1
含氣帶
資源密度(108m3/km2)
資源量(108m3)
含氣量(m3/t)
評價值
排序
Ⅴ03
1.000
0.988
0.956
0.982
1
Ⅴ07
0.542
1.000
0.287
0.649
2
Ⅴ04
0.910
0.132
0.956
0.613
3
Ⅵ06
0.846
0.270
0.519
0.518
4
Ⅶ01
0.751
0.470
0.284
0.499
5
Ⅴ09
0.891
0.140
0.474
0.466
6
Ⅴ05
0..607
0.358
0.467
0.465
7
Ⅱ09
0.572
0.072
0.721
0.417
8
Ⅱ03
0.587
0.079
0.669
0.409
9
Ⅴ06
0.468
0.126
0.722
0.407
10
Ⅱ08
0.652
0.100
0.523
0.392
11
Ⅶ06
0.602
0.218
0.307
0.360
12
Ⅱ04
0.572
0.077
0.520
0.358
13
Ⅴ02
0.687
0.048
0.412
0.349
14
Ⅲ07
0.104
0.007
1.000
0.334
15
Ⅱ11
0.667
0.062
0.358
0.332
16
Ⅷ05
0.667
0.093
0.300
0.327
17
Ⅱ02
0.572
0.020
0.396
0.298
18
Ⅵ04
0.164
0.186
0.561
0.292
19
Ⅲ06
0.149
0.008
0.782
0.282
20
表5 煤層氣含氣帶綜合評價與排序結果2
排序
含氣帶
資源密度(108m3/km2)
資源量(108m3)
含氣量(m3/t)
評價值
原排序
1
Ⅴ
1.000
1.000
1.000
1.000
1
2
Ⅵ
0.923
0.748
0.578
0.750
4
3
Ⅴ
1.000
0.352
1.000
0.741
3
4
Ⅴ
0.554
0.998
0.469
0.706
7
5
Ⅶ
0.777
1.000
0.090
0.660
5
6
Ⅴ
0.992
0.376
0.485
0.594
6
7
Ⅴ
0.454
1.000
0.096
0.565
2
8
Ⅴ
0.338
0.334
1.000
0.535
10
9
Ⅱ
0.500
0.180
0.997
0.521
8
10
Ⅱ
0.523
0.201
0.889
0.504
9
11
Ⅱ
0.623
0.261
0.585
0.467
11
12
Ⅶ
0.546
0.600
0.138
0.445
12
13
Ⅱ
0.500
0.195
0.579
0.402
13
14
Ⅴ
0.677
0.110
0.355
0.354
14
15
Ⅱ
0.646
0.153
0.243
0.328
16
16
Ⅷ
0.646
0.242
0.123
0.327
17
17
Ⅴ
0.100
0.627
0.010
0.284
21
18
Ⅱ
0.500
0.030
0.323
0.259
18
19
Ⅶ
0.023
0.152
0.637
0.259
28
20
Ⅷ
0.054
0.021
0.105
0.056
30
可以看出，兩者的排序結果稍有不同。但是排在前10位的是同樣的含氣帶集合；排在第10～20位的也基本是同樣的含氣帶集合?？紤]到前面煤層氣區(qū)帶選擇原則，綜合起來，可以選擇表5中前16個含氣帶(即編號為Ⅴ03、Ⅵ06、Ⅴ04、Ⅴ05、Ⅶ01、Ⅴ09、Ⅴ07、Ⅴ06、Ⅱ09、Ⅱ03、Ⅱ08、Ⅶ06、Ⅱ04、Ⅴ02、Ⅱ11、Ⅷ05含氣帶，它們在兩種排序中均在前面)作為煤層氣含氣帶重點區(qū)域。根據(jù)資源狀況排序分析可知，最好的資源條件基本分布在冀魯豫皖和晉陜蒙含氣區(qū)內(即編號中以Ⅱ或Ⅴ開頭的含氣帶)。
4 結論
    選擇資源密度、煤層氣資源量、含氣量這3個參數(shù)作為煤層氣帶評價排序分析指標，在排序中首先對指標進行處理，給出了不同指標性質的指標處理函數(shù)，并設計了具有門限值約束條件的指標處理函數(shù)；然后采用矩陣綜合決策方法(加權平均法)對劃定的56個含氣帶進行綜合評價和排序。給出了關于煤層氣含氣帶應優(yōu)先考慮的重點區(qū)域的建議：根據(jù)資源狀況排序分析可知，最好的資源條件基本分布在冀魯豫皖和晉陜蒙含氣區(qū)內(即編號中以Ⅱ或V開頭的含氣帶)。
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(本文作者：張寶生1 彭賢強1，2 羅東坤1 1.中國石油大學(北京)；2.中油測井技術服務有限責任公司)