中國(guó)煤層氣含氣帶資源條件評(píng)價(jià)與排序分析

摘 要

摘要：目前中國(guó)正處于煤層氣開(kāi)發(fā)大發(fā)展前期，迫切需要對(duì)中國(guó)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(zhì)條件進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在對(duì)中國(guó)煤層氣資源特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析的基
摘要：目前中國(guó)正處于煤層氣開(kāi)發(fā)大發(fā)展前期，迫切需要對(duì)中國(guó)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(zhì)條件進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在對(duì)中國(guó)煤層氣資源特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析的基礎(chǔ)上，再選擇資源密度、煤層氣資源量、含氣量這3個(gè)參數(shù)作為煤層氣含氣帶評(píng)價(jià)排序的分析指標(biāo)，在評(píng)價(jià)排序中首先對(duì)指標(biāo)進(jìn)行處理，給出了不同指標(biāo)性質(zhì)的指標(biāo)處理函數(shù)，并設(shè)計(jì)了限值約束條件；然后采用矩陣綜合決策方法(加權(quán)平均法)對(duì)劃定的56個(gè)含氣帶進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序，最后給出了關(guān)于煤層氣含氣帶應(yīng)優(yōu)先考慮的重點(diǎn)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(nèi)。
關(guān)鍵詞：中國(guó)；煤層氣；資源分布；含氣帶；指標(biāo)處理函數(shù)；資源條件；綜合評(píng)價(jià)；排序分析
    中國(guó)煤層氣資源豐富，目前正處于煤層氣開(kāi)發(fā)大發(fā)展前期，迫切需要對(duì)中國(guó)整體煤層氣特別是基于基本單元層次的資源狀況進(jìn)行整體分析和評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)近20a的地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐，煤層氣地質(zhì)單元的劃分有多種意見(jiàn)[1]。參考相關(guān)研究成果，并考慮實(shí)際資料與實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)程度，按煤層氣大區(qū)、含氣區(qū)、含氣帶、氣田這4個(gè)級(jí)別進(jìn)行中國(guó)煤層氣資源分布區(qū)劃(見(jiàn)圖1)。
 
    按照該思路，“中國(guó)煤層氣生產(chǎn)可行性研究”課題組將全國(guó)煤層氣資源共劃分為4個(gè)大區(qū)、10個(gè)含氣區(qū)、56個(gè)含氣帶和超過(guò)85個(gè)代表性礦區(qū)(目標(biāo)區(qū))[2]。其中含氣帶在進(jìn)行煤層氣資源評(píng)價(jià)中是具有重要代表性的單元，筆者將對(duì)劃定的56個(gè)含氣帶進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序分析。
1 中國(guó)煤層氣資源特點(diǎn)簡(jiǎn)述
1.1 我國(guó)煤層氣資源豐富
    據(jù)煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，我國(guó)埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)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(zhì)資源量分別占全國(guó)煤層氣地質(zhì)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(zhì)資源量，分別占全國(guó)煤層氣資源地質(zhì)總量的38.8%、28.8%和32.4%。90%的煤層氣資源儲(chǔ)藏在早中侏羅世、石炭紀(jì)和二疊紀(jì)的煤層中，其中早中侏羅世的資源量最大，占全國(guó)總量的46.13%；石炭紀(jì)、二疊紀(jì)次之，占全國(guó)總量的43.52[2]。
1.2 含氣性
    我國(guó)煤層大多含氣量較高。據(jù)對(duì)全國(guó)105個(gè)煤礦區(qū)調(diào)查[3]，平均含氣量10m3/t以上的礦區(qū)43個(gè)，占41%；平均含氣量8～10m3/t的礦區(qū)29個(gè)，占28%；平均含氣量6～8m3/t的礦區(qū)19個(gè)，占18%；平均含氣量4～6m3/t的礦區(qū)14個(gè)，占13%。中國(guó)的煤層氣濃度高，一般每1m3煤炭的煤層氣含量達(dá)4m。以上。在中國(guó)各個(gè)煤層氣田，平均含氣量1.15)×108m3/km2。
1.3 儲(chǔ)層壓力和煤層滲透率
    我國(guó)以欠壓煤儲(chǔ)層為主，部分煤儲(chǔ)層壓力較高，儲(chǔ)層壓力梯度最低為2.24kPa/m，最高達(dá)17.28kPa/m。我國(guó)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(chǔ)藏時(shí)代
    我國(guó)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(wàn)平方公里，資源豐度為(0.15～7.22)×108m3/km2。90%的煤層氣資源儲(chǔ)藏在早中侏羅紀(jì)、石炭紀(jì)和二疊紀(jì)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(jì)、二疊紀(jì)次之，占總量的43.52%。這些時(shí)代的煤層最厚且分布穩(wěn)定，煤質(zhì)、煤階和滲透率適合于煤層氣的生成、儲(chǔ)存和開(kāi)發(fā)[6]。
    中國(guó)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(chǔ)層不均一性強(qiáng)烈，華北地區(qū)相對(duì)優(yōu)越；高階煤和低階煤占主導(dǎo)，高階煤可產(chǎn)氣；煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，低滲透、低壓、低飽和現(xiàn)象突出。低壓、低飽和是中國(guó)煤層氣藏的又一個(gè)較為顯著的特征，給煤層氣資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的難度。
2 煤層氣含氣帶資源評(píng)價(jià)與排序分析指標(biāo)和方法
2.1 指標(biāo)選擇及權(quán)重確定
    煤層氣含氣帶雖然已是資源評(píng)價(jià)的基本單元，但仍然是面積相對(duì)較大的區(qū)域，不可能用過(guò)多的指標(biāo)來(lái)詳細(xì)描述和評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目研究中，曾收集了56個(gè)含氣帶的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，主要有成煤時(shí)代、主要煤級(jí)、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(jiàn)，下面列出了其中3個(gè)含氣帶的主要參數(shù)(見(jiàn)表1)。
表1 部分煤層氣含氣帶地質(zhì)特征參數(shù)表
含氣帶
成煤時(shí)代
主要煤級(jí)
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(zhì)量最直接、最有效的指標(biāo)作為排序依據(jù)。從評(píng)價(jià)資源的富裕程度出發(fā)，并考慮定量分析原則的要求，認(rèn)為資源密度、煤層氣資源量、含氣量這3個(gè)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(biāo)，故選擇此3個(gè)參數(shù)作為排序依據(jù)。指標(biāo)權(quán)重是在對(duì)相關(guān)專(zhuān)家調(diào)查分析基礎(chǔ)上確定的(見(jiàn)表2)[2]。
表2 煤層氣區(qū)帶排序參數(shù)權(quán)重專(zhuān)家分值表
評(píng)價(jià)參數(shù)
資源密度
煤層氣資源量
含氣量
權(quán)重
0.3
0.4
0.3
2.2 指標(biāo)處理方法
    一般情況下，指標(biāo)按性質(zhì)可分為正指標(biāo)、逆指標(biāo)和中性指標(biāo)。此外，由于不同指標(biāo)之間的量綱不一樣，因而也必須對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。根據(jù)指標(biāo)性質(zhì)分別為3種類(lèi)型指標(biāo)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的指標(biāo)處理函數(shù)。
對(duì)于正指標(biāo)，其指標(biāo)處理函數(shù)為：
 
式中：xij為具體指標(biāo)值；uij為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值；i=1，2，…，n；n-1，2，…，m(下同)。
對(duì)于逆指標(biāo)，其指標(biāo)處理函數(shù)為：
 
對(duì)于中性指標(biāo)，其指標(biāo)處理函數(shù)為：
 
式中：vj為中性指標(biāo)的中值(即理想值，下同)。
    此外，考慮到資源評(píng)價(jià)中對(duì)指標(biāo)的最低要求和優(yōu)選目標(biāo)，采用限值約束的方法優(yōu)選目標(biāo)區(qū)。其中方法一是直接根據(jù)門(mén)限值選擇符合篩選要求的目標(biāo)區(qū)；方法二是：首先確定出指標(biāo)的上限、下限，當(dāng)某指標(biāo)值大于上限值時(shí)視為等同于最高值(或最好值)，當(dāng)某指標(biāo)值小于下限值時(shí)視為等同于最低值(或最差值)。此方法的特點(diǎn)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(yīng)用上更為符合客觀實(shí)際。具有限值約束條件的指標(biāo)處理方法如下。
對(duì)于正指標(biāo)，其具有限值約束條件的指標(biāo)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(biāo)處理函數(shù)為：
   
具有限值束條件的中性指標(biāo)處理函數(shù)為：
 
式中：zdj為指標(biāo)的中值區(qū)間(即理想值區(qū)間)下限，zui為指標(biāo)的中值區(qū)間(即理想值區(qū)間)上限。
2.3 綜合評(píng)價(jià)與排序分析方法
    煤層氣含氣帶綜合評(píng)價(jià)與排序分析的基本過(guò)程是：根據(jù)地質(zhì)情況和評(píng)價(jià)目的選取評(píng)價(jià)參數(shù)，并應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理；依據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)確定各指標(biāo)權(quán)重，采用矩陣式綜合決策(即指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后加權(quán)平均)方法得到各含氣帶綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值。這一綜合評(píng)價(jià)值即是該含氣帶的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)值越大，表明其煤層氣開(kāi)發(fā)的資源與地質(zhì)條件越好。按照綜合評(píng)價(jià)值由大到小排序即得到排序分析結(jié)果。
3 煤層氣含氣帶資源條件綜合評(píng)價(jià)及排序分析結(jié)果
3.1 含氣帶資源條件主要指標(biāo)
    如前所述，項(xiàng)目研究中共收集了56個(gè)含氣帶的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，為描述方便和保密起見(jiàn)，此處列出了20個(gè)含氣帶的資源密度、資源量和氣含量等3個(gè)選定的主要參數(shù)值(見(jiàn)表3，表中只給出了含氣帶的編號(hào)，隱去了名稱(chēng))。
表3 部分煤層氣含氣帶主要參數(shù)值表
序號(hào)
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(biāo)處理及排序
    按照前面給出的指標(biāo)處理方法和具體函數(shù)，得出各含氣帶資源條件綜合評(píng)價(jià)值及排序結(jié)果，以下列出排序前20位的含氣帶相應(yīng)結(jié)果(見(jiàn)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(biāo)處理函數(shù)對(duì)各含氣帶主要指標(biāo)進(jìn)行了第二種方案指標(biāo)處理。根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)，各指標(biāo)的界限值分別如下[對(duì)應(yīng)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(jīng)計(jì)算得到其綜合評(píng)價(jià)值(見(jiàn)表5)。
表4 煤層氣含氣帶綜合評(píng)價(jià)與排序結(jié)果1
含氣帶
資源密度(108m3/km2)
資源量(108m3)
含氣量(m3/t)
評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)與排序結(jié)果2
排序
含氣帶
資源密度(108m3/km2)
資源量(108m3)
含氣量(m3/t)
評(píng)價(jià)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(jié)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。考慮到前面煤層氣區(qū)帶選擇原則，綜合起來(lái)，可以選擇表5中前16個(gè)含氣帶(即編號(hào)為Ⅴ03、Ⅵ06、Ⅴ04、Ⅴ05、Ⅶ01、Ⅴ09、Ⅴ07、Ⅴ06、Ⅱ09、Ⅱ03、Ⅱ08、Ⅶ06、Ⅱ04、Ⅴ02、Ⅱ11、Ⅷ05含氣帶，它們?cè)趦煞N排序中均在前面)作為煤層氣含氣帶重點(diǎn)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(nèi)(即編號(hào)中以Ⅱ或Ⅴ開(kāi)頭的含氣帶)。
4 結(jié)論
    選擇資源密度、煤層氣資源量、含氣量這3個(gè)參數(shù)作為煤層氣帶評(píng)價(jià)排序分析指標(biāo)，在排序中首先對(duì)指標(biāo)進(jìn)行處理，給出了不同指標(biāo)性質(zhì)的指標(biāo)處理函數(shù)，并設(shè)計(jì)了具有門(mén)限值約束條件的指標(biāo)處理函數(shù)；然后采用矩陣綜合決策方法(加權(quán)平均法)對(duì)劃定的56個(gè)含氣帶進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序。給出了關(guān)于煤層氣含氣帶應(yīng)優(yōu)先考慮的重點(diǎn)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(nèi)(即編號(hào)中以Ⅱ或V開(kāi)頭的含氣帶)。
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(本文作者：張寶生1 彭賢強(qiáng)1，2 羅東坤1 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2.中油測(cè)井技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司)