煤系氣聯(lián)合開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)方法研究

楊宗楠，孫長(zhǎng)彥，范毅剛，許猛堂，孫俊義，余莉珠

（1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；2.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 臨汾采氣管理區(qū)，山西 太原 030032）

煤系氣泛指賦存于煤系中的各類非常規(guī)天然氣，根據(jù)儲(chǔ)層巖性的差異可分為煤層氣、泥頁(yè)巖氣、致密氣[1-3]。煤系中各類儲(chǔ)層在縱向上多層疊置、連續(xù)成藏，總體呈厚層狀復(fù)合型天然氣產(chǎn)層[4-5]，具備聯(lián)合開(kāi)發(fā)的地質(zhì)條件。一方面，煤系氣開(kāi)發(fā)可充分利用煤層的資源優(yōu)勢(shì)和泥頁(yè)巖、致密巖可改造性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[6]；另一方面，泥頁(yè)巖氣和致密氣是對(duì)煤層氣的重要補(bǔ)充[7-9]。

然而，煤系氣儲(chǔ)層具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，且煤系三氣的賦存狀態(tài)、成藏特征、儲(chǔ)層敏感性也存在較大的差異，這使得煤系氣開(kāi)發(fā)與煤層氣開(kāi)發(fā)存在本質(zhì)區(qū)別[4]。同時(shí)，煤系氣儲(chǔ)層縱向上跨度大而壓裂施工規(guī)模有限，表明改造層位的優(yōu)化對(duì)于煤系氣的高效開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。所謂改造層位優(yōu)化，即在煤系氣儲(chǔ)層中優(yōu)選出資源量高、品質(zhì)較好、工程改造成本較低的甜層，作為射孔、壓裂的主要目標(biāo)，使煤系氣開(kāi)發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在有限的施工規(guī)模下最大化[10-11]。目前，關(guān)于非常規(guī)天然氣甜層評(píng)價(jià)的方法主要有層次分析方法、加權(quán)求和法、聚類分析法、模糊數(shù)學(xué)方法、多層次模糊數(shù)學(xué)方法、灰色系統(tǒng)方法等[12-15]。綜上所述，針對(duì)煤系多層次、多因素相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，擬選用多層次模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建煤系氣開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)體系。

1 甜層評(píng)價(jià)體系

煤系氣開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)指標(biāo)模型如圖1。

圖1 煤系氣開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)指標(biāo)模型Fig.1 Evaluation index model for coal measure gas development

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

影響煤系氣開(kāi)發(fā)的地質(zhì)指標(biāo)總體可歸納為資源條件、可改造性和可采性3 類二級(jí)指標(biāo)。

1）資源條件。資源是煤系氣開(kāi)發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是衡量煤系氣儲(chǔ)層是否具備開(kāi)發(fā)價(jià)值的前提，可用資源豐度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。資源豐度表征煤系氣資源的富集程度，資源豐度越高，儲(chǔ)層開(kāi)采價(jià)值越高[16]。

2）可改造性?？筛脑煨允侵冈诂F(xiàn)有的水力壓裂技術(shù)條件下儲(chǔ)層能否被有效改造的性質(zhì)[17]，包含突水系數(shù)、煤巖體結(jié)構(gòu)、礦物學(xué)與巖石力學(xué)脆性指數(shù)、臨界應(yīng)變能釋放率、破裂壓力、地應(yīng)力差異系數(shù)、鑲嵌指數(shù)等[18-21]。突水系數(shù)和煤體結(jié)構(gòu)2 項(xiàng)指標(biāo)是決定儲(chǔ)層能否改造的一票否決參數(shù)，其中，突水系數(shù)反應(yīng)儲(chǔ)層改造能否溝通含水層，而煤體結(jié)構(gòu)反應(yīng)儲(chǔ)層的破碎程度。水力裂縫溝通含水層或儲(chǔ)層為軟煤皆不利于煤系氣開(kāi)發(fā)。另外，巖體結(jié)構(gòu)、礦物學(xué)脆性指數(shù)是影響儲(chǔ)層能否壓開(kāi)的關(guān)鍵指標(biāo)，巖石力學(xué)脆性指數(shù)、臨界應(yīng)變能釋放率和破裂壓力則是影響裂縫延伸能力的重要指標(biāo)。煤系氣儲(chǔ)層地應(yīng)力差異系數(shù)越小，儲(chǔ)層改造越容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；而鑲嵌指數(shù)是儲(chǔ)層有效應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值，用來(lái)表征支撐劑的支撐效果，鑲嵌指數(shù)越大，支撐劑越容易發(fā)生鑲嵌，不利于排采階段裂縫導(dǎo)流能力的保持。

3）可采性。可采性是排采階段儲(chǔ)層流體沿裂縫系統(tǒng)運(yùn)移產(chǎn)出的難易程度，主要由孔隙壓力系數(shù)、臨儲(chǔ)比、導(dǎo)流能力、含水飽和度等指標(biāo)決定[22-24]。作為煤系氣開(kāi)發(fā)的主體對(duì)象，煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙表面，臨儲(chǔ)比則反映了吸附氣解吸的難易程度。另外，煤系氣運(yùn)移產(chǎn)出的動(dòng)力強(qiáng)弱可由孔隙壓力評(píng)價(jià)，而儲(chǔ)層導(dǎo)流能力是滲透率和儲(chǔ)層厚度耦合的結(jié)果，直接決定壓裂階段儲(chǔ)層進(jìn)液能力和排采階段流體產(chǎn)出效率。對(duì)于致密巖而言，儲(chǔ)層含水飽和度過(guò)高一方面會(huì)降低儲(chǔ)層氣相滲透率，另一方面會(huì)加劇致密巖應(yīng)力敏感程度，對(duì)于煤和泥頁(yè)巖而言則會(huì)增大基質(zhì)孔隙發(fā)生水鎖傷害的概率。

在此基礎(chǔ)上，劃分、篩選與各類儲(chǔ)層關(guān)聯(lián)的地質(zhì)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成煤系氣開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，進(jìn)而建立煤系氣甜層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.2 重要性系數(shù)

重要性系數(shù)即權(quán)重，表征體系內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于總目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。以資源條件、可改造性和可采性為準(zhǔn)則層，將其分為若干指標(biāo)層，采用1～9 標(biāo)度在同一層次內(nèi)將各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩對(duì)比，建立判斷矩陣，得到各層次指標(biāo)的權(quán)重。在此基礎(chǔ)上，對(duì)判別矩陣計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度用隨機(jī)一致性比率（CR）進(jìn)行檢驗(yàn)，在CR＜10%時(shí)，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，否則需重新進(jìn)行賦值。以煤層儲(chǔ)層為例建立判識(shí)矩陣，各指標(biāo)層相對(duì)于目標(biāo)層的重要性系數(shù)見(jiàn)表1，矩陣中CR＜10%滿足要求，特征向量即為所求權(quán)重。

表1 各指標(biāo)層相對(duì)于目標(biāo)層的重要性系數(shù)Table 1 Importance coefficient of each index layer relative to criterion layer

利用指標(biāo)層中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重和準(zhǔn)則層所對(duì)應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，可得指標(biāo)層相較于目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出總權(quán)重，最終建立煤系氣儲(chǔ)層甜層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，煤系氣評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表2。

表2 煤系氣評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Evaluation index system for coal measure gas development

1.3 隸屬函數(shù)和隸屬度

由于煤系氣儲(chǔ)層差異性較大，在構(gòu)建指標(biāo)隸屬函數(shù)時(shí)分別對(duì)3 類儲(chǔ)層構(gòu)建相應(yīng)的隸屬函數(shù)，通過(guò)這些隸屬函數(shù)可確定各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度。

煤層氣儲(chǔ)層隸屬函數(shù)的構(gòu)建參考GB/T 29119—2012《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》、NB/T 10013—2014《煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)方法》；頁(yè)巖氣儲(chǔ)層隸屬函數(shù)的構(gòu)建參考GB/T 31483—2015《頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法》、DZ/T 0254—2014《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》；致密氣儲(chǔ)層隸屬函數(shù)的構(gòu)建參考GB/T 30501—2014《致密砂巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法》，最終建立各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)巖性儲(chǔ)層的隸屬函數(shù)。

1.3.1 資源條件

煤儲(chǔ)層資源豐度隸屬函數(shù)為：

式中：S1為煤儲(chǔ)層資源豐度隸屬度，無(wú)量綱；Gi-c為煤層資源豐度，m3/km2。

煤系泥頁(yè)巖和致密巖儲(chǔ)層資源豐度隸屬函數(shù)為：

式中：S2為煤系泥頁(yè)巖和致密巖儲(chǔ)層資源豐度隸屬度，無(wú)量綱；Gi-s+l為煤系泥頁(yè)巖、致密巖2 類儲(chǔ)層的資源豐度，m3/km2。

1.3.2 可改造性

煤儲(chǔ)層煤體結(jié)構(gòu)隸屬函數(shù)為：

式中：S3為煤體結(jié)構(gòu)隸屬度，無(wú)量綱；GSIc為煤體結(jié)構(gòu)，無(wú)量綱。

當(dāng)GSIc≤35 時(shí)，由于S3=0，煤儲(chǔ)層無(wú)法改造，一票否決。

煤系泥頁(yè)巖和致密巖儲(chǔ)層巖體結(jié)構(gòu)隸屬函數(shù)為：

式中：S4為巖體結(jié)構(gòu)隸屬度，無(wú)量綱；GSIs+l為巖體結(jié)構(gòu)，無(wú)量綱。

當(dāng)GSIs+l≤25 時(shí)，由于S4=0，泥頁(yè)巖和致密巖儲(chǔ)層無(wú)法改造，一票否決。

泥頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物學(xué)脆性指數(shù)隸屬函數(shù)為：

式中：S5為礦物學(xué)脆性指數(shù)隸屬度，無(wú)量綱；BIs為礦物學(xué)脆性指數(shù)，%。

煤和致密巖儲(chǔ)層巖體力學(xué)脆性指數(shù)隸屬函數(shù)為：

式中：S6為巖體力學(xué)脆性指數(shù)隸屬度，無(wú)量綱；BIBrit為巖體力學(xué)脆性指數(shù)，%。

煤系氣儲(chǔ)層臨界應(yīng)變能釋放率和破裂壓力使用極差變換法對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將參數(shù)按照負(fù)向指標(biāo)取值計(jì)算。如式（7）和式（8）：

式中：S7為標(biāo)準(zhǔn)化臨界應(yīng)變能釋放率，無(wú)量綱；G 為臨界應(yīng)變能釋放率，J/m2；Gmax為臨界應(yīng)變能釋放率數(shù)據(jù)中的最大值，J/m2；Gmin為臨界應(yīng)變能釋放率數(shù)據(jù)中的最小值，J/m2。

式中：S8為標(biāo)準(zhǔn)化破裂壓力，無(wú)量綱；pf為破裂壓力，MPa；pfmax為破裂壓力數(shù)據(jù)中的最大值；pfmin為破裂壓力數(shù)據(jù)中的最小值。

煤系儲(chǔ)層地應(yīng)力差異系數(shù)隸屬函數(shù)為：

式中：S9為煤系儲(chǔ)層地應(yīng)力差異系數(shù)隸屬度，無(wú)量綱；σ 為地應(yīng)力差異系數(shù)，無(wú)量綱。

煤系氣儲(chǔ)層鑲嵌指數(shù)隸屬函數(shù)為：

式中：S10為鑲嵌指數(shù)隸屬度，無(wú)量綱；MI 為鑲嵌指數(shù)，無(wú)量綱。

煤系氣儲(chǔ)層突水系數(shù)隸屬函數(shù)為：

式中：S11為突水系數(shù)隸屬度，無(wú)量綱；T 為突水系數(shù)，無(wú)量綱。

當(dāng)T≥0.1 時(shí)，C=0；煤系氣儲(chǔ)層不能改造，一票否決。

1.3.3 可采性指標(biāo)

煤系氣孔隙壓力系數(shù)隸屬函數(shù)為：

式中：S12為孔隙壓力系數(shù)隸屬度，無(wú)量綱；pl為孔隙壓力系數(shù)，無(wú)量綱。

煤儲(chǔ)層臨儲(chǔ)比隸屬函數(shù)為：

式中：S13為臨儲(chǔ)比隸屬度，無(wú)量綱；Pl/c為臨儲(chǔ)比，無(wú)量綱。

煤系氣儲(chǔ)層導(dǎo)流能力隸屬函數(shù)為：

式中：S14為導(dǎo)流能力隸屬度，無(wú)量綱；KfW 為導(dǎo)流能力，μm2·cm。

致密巖儲(chǔ)層含水飽和度隸屬函數(shù)為：

式中：S15為含水飽和度隸屬度，無(wú)量綱；Sw為含水飽和度，%。

1.4 甜層優(yōu)選

在多層次模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)的過(guò)程中建立評(píng)價(jià)模型，將計(jì)算出的各項(xiàng)參數(shù)權(quán)重和相應(yīng)的使用隸屬函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的參數(shù)值加權(quán)計(jì)算得到1 個(gè)具體的評(píng)價(jià)值，這個(gè)評(píng)價(jià)值為甜度，計(jì)算如下：

式中：SI 為甜度，無(wú)量綱；Si為產(chǎn)層各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化之后的值，無(wú)量綱；Wi為產(chǎn)層各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，無(wú)量綱；n 為參數(shù)的個(gè)數(shù)。

將多層次模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法選擇的指標(biāo)和相應(yīng)的權(quán)重代入式（16），即可建立煤系氣開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)模型，公式如下：

式中：SIc為煤層甜度，無(wú)量綱；SIs為煤系泥頁(yè)巖甜度，無(wú)量綱；SIl為煤系致密巖甜度，無(wú)量綱。

甜度反映的是煤系氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)潛力的大小，甜度越大表明煤系氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)潛力越大。參考行業(yè)內(nèi)等級(jí)劃分，將煤系氣儲(chǔ)層劃分為甜度≥0.67 的甜層、甜度介于0.33～0.67 的過(guò)渡層和甜度≤0.33 的酸層3 個(gè)級(jí)別。甜層是煤系氣開(kāi)發(fā)優(yōu)選層段，而酸層是煤系氣開(kāi)發(fā)需要盡力避開(kāi)的層段。

2 HN-02 井煤系氣開(kāi)發(fā)甜層評(píng)價(jià)

2.1 煤系發(fā)育特征

河南省平頂山礦區(qū)HN-02 井的煤系主要發(fā)育在下二疊統(tǒng)下石盒子組、山西組和太原組，煤層埋深695.8～1 003.2 m。該井鉆遇煤層14 層，其中下石盒子組四3、四2 煤層和山西組二1 煤層為該井主采煤層，總厚度為15.1 m，含氣量為5.45～12.05 m3/t（平均8.54 m3/t），煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主。煤系泥頁(yè)巖總有機(jī)碳含量介于0.14%～4.53%，平均1.63%，有機(jī)質(zhì)類型均為III 型煤氣腐殖型干酪根，含氣量為0.24～4.66 m3/t，平均1.85 m3/t，礦物學(xué)脆性指數(shù)介于22.78%～79.84%，平均45.45%。另外，致密巖包含砂巖和碳酸鹽巖，總有機(jī)碳含量介于0.07%～0.83%，平均0.26%，含氣量為0.47～1.74 m3/t，平均0.87 m3/t，巖體力學(xué)脆性指數(shù)介于34%～94%，平均63%。煤系泥頁(yè)巖和致密巖巖體結(jié)構(gòu)以較完整的塊狀巖體為主。

2.2 甜層評(píng)價(jià)結(jié)果

將HN-02 井?dāng)?shù)據(jù)代入上述評(píng)價(jià)模型，計(jì)算得出煤系氣儲(chǔ)層的甜度。結(jié)果顯示，HN-02 井共識(shí)別出甜層15 層，主要集中在下石盒子組723.5～863.5 m井段。而下部863.5～1 013.5 m 井段主要為山西組和太原組地層，由于含氣量較低、離含水層較近等因素影響，該段儲(chǔ)層以酸層為主，僅有二1 煤層為甜層。HN-02 井力學(xué)地層剖面圖如圖2。

圖2 HN-02 井力學(xué)地層剖面圖Fig.2 Mechanical stratigraphic profile of well HN-02

甜層中共計(jì)有煤層7 層、泥頁(yè)巖甜層7 層、致密巖甜層1 層。其中，部分甜層具有較好的資源條件，包括四2 煤、炭質(zhì)泥巖以及二1 煤，其資源豐度分別為0.461、0.411、0.751 m3/km2，優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)有利于增大井控范圍內(nèi)的可采資源量；另一部分甜層具有較高的可改造性，分別為四3 煤頂部細(xì)砂巖和泥巖，四2 煤下部薄煤層和炭質(zhì)泥巖儲(chǔ)層以及下石盒子組底部泥巖儲(chǔ)層，對(duì)這些甜層進(jìn)行改造有利于形成較好的產(chǎn)氣通道。整體而言，這些甜層具有較好的資源條件、可改造性以及可采性，在煤系氣開(kāi)發(fā)階段優(yōu)先進(jìn)行射孔、壓裂，可以提高煤系氣資源動(dòng)用率，提升煤系氣儲(chǔ)層改造效果，進(jìn)而提高煤系氣開(kāi)發(fā)效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)多層次模糊數(shù)學(xué)法，選取資源條件、可改造性和可采性相關(guān)參數(shù)建立了煤系氣甜層評(píng)價(jià)體系，并對(duì)河南省平頂山礦區(qū)HN-02 井進(jìn)行了評(píng)價(jià)，共識(shí)別出15 層甜層，分布較為集中適合煤系氣開(kāi)發(fā)。其中，位于下石盒子組的四2 煤和下部的炭質(zhì)泥巖以及位于山西組底部的二1 煤具有良好的資源條件；位于下石盒子組四3 煤頂部的細(xì)砂巖和泥巖與四2煤下部薄煤層和炭質(zhì)泥巖儲(chǔ)層以及下石盒子組底部泥巖儲(chǔ)層普遍具有良好的可改造性。煤系氣開(kāi)發(fā)階段，優(yōu)先對(duì)這些甜層進(jìn)行射孔、壓裂，將有助于增大井控范圍內(nèi)的可采資源量并提升儲(chǔ)層改造效果，同時(shí)排采階段裂縫導(dǎo)流能力更容易保持，進(jìn)而有利于煤系氣的高效開(kāi)發(fā)。