基于模糊物元的煤層氣高產富集區預測——以沁水盆地為例

摘 要

摘要：沁水盆地煤層氣開發的后備區塊準備不足，需要開展煤層氣有利富集區塊的優選工作。為此，分析了影響沁水盆地高產富集的關鍵因素：煤層厚度、實測含氣量、含氣飽和度、原始滲透
摘要：沁水盆地煤層氣開發的后備區塊準備不足，需要開展煤層氣有利富集區塊的優選工作。為此，分析了影響沁水盆地高產富集的關鍵因素：煤層厚度、實測含氣量、含氣飽和度、原始滲透率、煤層海拔深度、臨界解吸壓力、水文地質條件等；采用模糊物元評價方法，利用生產現場資料結合實驗室測試數據，繪制出了量化指標預測等值線，并分析了不同地區煤層氣高產的可能性。依據評價結果，優選出陽泉-壽陽、長子-屯留、沁水北-安澤和陽城北等4個煤層氣產能建設的后備區塊(其中又以陽城北有利區與陽泉-壽陽南有利區高產的潛力最大)，為沁水盆地煤層氣后期的勘探開發提供了目標區。
關鍵詞：沁水盆地；模糊物元；評價；高產富集區；有利區塊；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有所突破[1～2]，但后備區塊不足，且由于中國多期構造疊加和多期構造熱事件的影響造成我國煤層氣藏具有“低孔、低滲、低壓和低產”的特點[3]，煤層氣勘探開發難度大，亟須尋找煤層氣高產富集區的預測方法。筆者結合沁水盆地煤層氣成藏地質特征，利用模糊物元方法優選有利區塊，以期為沁水盆地開發提供后備區塊。
1 影響沁水盆地高產富集的關鍵因素
1.1 煤層厚度和含氣量
    根據煤層氣井產氣量與煤層厚度、含氣量的關系，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，高煤階煤層高產的厚度、含氣量要求更高，在開采時煤層厚度越大、含氣量越高越有利。
1.2 含氣飽和度
    沁水盆地主要的幾個礦區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氣量的統計關系來看，含氣飽和度小于60%時，煤層氣井為低產井，產量小于700m3/d；高煤階儲層含氣飽和度大于70%時，煤層氣井才為高產井，因此將沁水盆地煤層氣高產的含氣飽和度下限定為70%，其值越大，煤層氣高產的可能性就越大。
1.3 原始滲透率
    滲透性條件是高產的關鍵因素，煤層滲透率值越大，煤層裂隙系統的導流能力越強，煤層氣產量越高[4]。根據沁水盆地儲層產氣量與原始滲透率的關系，將煤層高產井的滲透率下限定為0.2mD。在實際評價中，采用地應力的大小或主應力差值大小來預測平面上滲透率的分布。
    一般來說，割理、裂隙數量的多少是滲透率大小控制的內在關鍵因素，但在復雜的地質構造背景下，原地應力等外在因素對滲透率的影響尤為顯著[5～7]。因而筆者采用主要裂隙發育期的古構造應力場來預測滲透率的大小。研究表明，主應力差增大，煤儲層滲透率呈指數形式急劇增高，相關性極高，由沁水盆地煤層氣井高產的滲透率下限(0.2mD)，可以得到沁水盆地主應力差的下限為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，該段海拔深度區段由于含氣量高，通常滲透性好，最有利于煤層氣井的高產。
1.5 臨界解吸壓力
    經實測數據分析，臨界解吸壓力大于1.8MPa是該區煤層氣獲得高產的重要條件，小于該下限值時，其產氣量通常小于1000m3/d。
    利用相關的等溫吸附參數及實測的體積(V實際)計算出蘭氏體積(VL)，對該區臨界解吸壓力進行估算，同時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，晉城-陽城礦區蘭氏壓力大于4MPa，陽泉、沁水-高平的蘭氏壓力也在3MPa左右，潞安礦區的蘭氏壓力為2.5MPa左右，西山礦區的蘭氏壓力為2～3MPa；沁水盆地鏡質體反射率的分布范圍內，其與蘭氏體積之間有如下的4次方關系式(其相關性系數為09683)：
    VL=1.0436Ro,max4+9.1137Ro,max3-26.693Ro,max2+37.95Ro,max+1.3912 (1)
 

1.6 水文地質條件
    水動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力條件，便于降壓解吸，以利于開采。根據沁水盆地地下水等水位線的分布趨勢，可以選擇等水位線相對平緩，水動力勢減弱，地下水流動較為緩慢的區域，作為煤層氣開采的有利區域。
2 高產富集區評價
    目前綜合評價的方法有多種，如綜合指數法、多因子綜合評價法、屬性識別法、模糊數學法[10～11]和人工神經網絡法等等。在煤層氣高產富集區的評價中，考慮到水文地質條件等參數的非定量性，具有一定的模糊性，這些概念的對象是沒有確定邊界的模糊結合，筆者選用模糊物元法對其好壞進行評價。
2.1 評價方法-模糊物元法
2.1.1標準模糊物元
    標準模糊物元[10]Ron是指從優隸屬度模糊物元中各評價指標的從優隸屬度[11]的最大值、最小值或中間值。筆者選擇煤層厚度、實測含氣量、含氣飽和度、臨界解吸壓力4個參數，以最大值作為最優，也就是各指標從優隸屬度均為1；原始滲透率、煤層海拔深度則采用適中型作為最優；水文地質條件根據其分布處于滯流、徑流、還是補給區及其水位高度分別賦予不同的值，以等水位線相對平緩的滯流區的從優隸屬度為1。
2.1.2評價模型
    結合前人相關的評價模型[12]，利用模糊算子中的加權平均型模糊算子(·，)(即先乘后加)可以計算出各區域的綜合評價系數(ρHj)的大小，將其按從大到小的順序排列，該值越大，說明煤層氣高產的可能性越大。將所計算的綜合評價系數的大小與煤層氣高產最低下限指標所對應的綜合評價系數(ρH0)值進行比較，大于ρH0值的地區就是煤層氣高產富集潛力區。
 
式中RρH為ρ個事物的H個模糊特征的復合物元；Mi為第i個事物(i=1，2，…，m)；wi為第i個事物評價指標的熵權；△ij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)為標準模糊物元R0n與復合從優隸屬度模糊物元中各項差的平方，則組成差平方復合模糊物元(R△)，即△ij=(μ0j-μij)2。
2.2 沁水盆地高產富集區評價結果
    根據上述標準，對煤層總厚度、煤層滲透率、煤層含氣量等地質因素按同一的網格對其等值線圖進行網格化，最終計算所有網格結點上的煤層氣綜合評價系數的大小，并繪制量化指標預測等值線。根據繪制的量化指標預測等值線，即可分析沁水盆地不同地區的煤層氣高產的可能性。其沁水盆地最終的評價結果如圖2所示。
 

    從以上評價結果及已有煤層氣井的開發效果來看，沁水盆地高產富集有利區主要分布在綜合評價系數大于0.7的區域，大致包括4個區域：陽泉-壽陽有利區、長子-屯留有利區、沁水北-安澤有利區、陽城北有利區，其中又以陽城北有利區與陽泉-壽陽南有利區高產的潛力最大。
2.2.1陽泉-壽陽有利區
    位于陽泉、壽陽間及其以南，包括陽2、陽3部分井區，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泥巖，厚2～9m，15#煤蓋層以砂質泥巖或泥巖為主，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，陽泉、壽陽割理裂縫發育，有高滲區存在，煤層氣井試井滲透率最高達13.36mD，煤層氣資源量達749×108m3。
    到2009年底，陽泉-壽陽地區共鉆探井1700余口，其中探井46口，投產井850口，日產氣量達120×104m3，單井產氣量在1500m3/d，這些勘探開發數據是對預測結果的一個很好的例證。
2.2.2長子-屯留有利區
    位于屯留-長子一線及其周圍地區，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，裂隙發育、南部為裂隙最發育區；煤層氣資源量為1532×108m3。區內遠離盆地邊緣，水力坡度較小，水徑流能力相對較弱，有利于煤層氣保存。
    該區已提交煤層氣探明儲量超過70×108m3，裂隙發育，滲透率高，后續煤層氣開發比較有利。
2.2.3沁水北-安澤有利區
    位于安澤以南區域內，面積520.67km2，包括晉試6井井區，煤層厚度變化呈現西薄、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。據鄰區資料，該區主力煤層3#煤層以上覆蓋1套50m的泥巖蓋層，是該區含氣量最高的主要因素。煤層裂隙較發育，水動力條件不活躍，是該區主要的匯水中心，煤層氣資源量為1369×108m3。
2.2.4陽城北有利區
    位于陽城北、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。該區是燕山、喜山期構造運動的疊合區，煤層裂隙最發育區，煤層頂板泥巖、致密石灰巖蓋層發育，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，多數井高產就是很好的證明。
    該目標區的最有利區塊位于陽城以北的潘2井、晉試1井井區，面積330.625km2。該區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。據晉試1井鉆探證實，煤階以無煙煤Ⅱ號為主，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、致密石灰巖蓋層，含氣飽和度平均90%。2期不同方向構造在本區交會疊加，導致煤系裂縫發育，晉城CQ-9井3#煤層試井滲透率為3.61mD，表明存在高滲區。水動力條件為弱交替和緩流區。潘莊試驗區單井日產量超過4300m3，晉試1井3#煤層產氣量為2500～4050m3/d，反映了潘2井、晉試1井井區較好的煤層氣勘探前景。該區是目前沁水南部煤層氣產能建設的主要戰場，從而也很好地證實了其作為煤層氣高產富集區的重要意義。
3 結論
    1) 結合控制沁水盆地高產富集的關鍵因素諸如煤層厚度、實測含氣量、含氣飽和度、原始滲透率、煤層海拔深度、臨界解吸壓力、水文地質條件等，利用模糊物元法優選了陽泉-壽陽、長子-屯留、沁水北-安澤、陽城北等4個有利區塊。
    2) 對比分析優選的4個有利區塊的地質條件及煤層氣井開發效果，認為陽城北有利區與陽泉-壽陽南有利區高產的潛力最大。
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(本文作者：王勃1，2 孫粉錦2 李貴中2 馬京長2 劉飛3 王紅巖2 劉洪林2 1.中國礦業大學地球與資源科學學院；2.中國石油勘探開發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研究院)