基于TOPSIS法的煤层气储层综合评价

董凤娟，卢学飞，马永平

(1. 西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2. 西安石油大学理学院，陕西西安 710065；3. 中国石油勘探开发研究院西北分院，甘肃兰州 730020)



基于TOPSIS法的煤层气储层综合评价

董凤娟1，卢学飞2，马永平3

(1. 西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2. 西安石油大学理学院，陕西西安 710065；3. 中国石油勘探开发研究院西北分院，甘肃兰州 730020)

煤层气是一种形成于煤层又储集于煤层中的非常规天然气，有效地开发利用煤层气对充分利用能源和改善我国能源结构具有极为重要的意义。本次研究针对沁端区块3#储层受多种地质条件影响这一问题，选取煤层气含量、煤层厚度、煤层埋深、煤层温度、煤层压力、灰分含量、煤密度、煤的镜质体反射率等8个参数，运用熵权逼近理想排序法(TOPSIS法)进行了煤层气储层综合评价。研究结果表明，TOPSIS法计算简便、权重的确定受主观因素影响小，评价结果与储层特征相符，为煤层气储层的综合评价提供了一种新的方法、途径。

煤层气 储层 TOPSIS法 综合评价

Dong Feng-juan, Lu Xue-fei，Ma Yong-ping. Comprehensive Evaluation of Methane Reservoirs Based on TOPSIS[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(3):0587-0591.

0 引言

煤层气是一种形成于煤层又储集于煤层中的非常规天然气，其主要成分为CH4。有效地开发利用煤层气，对于充分利用能源和改善我国能源结构具有极为重要的意义。由于煤体结构的特殊性，瓦斯突出事故高发，严重制约了煤层气资源的勘探开发与煤炭开采。目前，煤储层的评价方法还大部分处于定性阶段，主要以含气量和渗透性为评价依据。但是，深埋于地表下的煤储层实际处于一个多因素共同作用的复杂环境系统中(员争荣等，2003；杨欣超等，2010)。为了使煤层气储层综合评价结果更具有客观性，寻求一种计算简便、权重的确定受主观因素影响小的决策方法进行煤层气储层综合评价是很有必要的。本次研究以沁端区块3#煤层气储层为例，采用熵权逼近理想排序法(TOPSIS法)进行煤层气储层综合评价，并取得了良好的效果。

1 研究区概况

沁端区块位于沁水盆地南部，隶属于山西省沁水县，矿区属于中联煤层气有限责任公司。本区构造形态总体为一走向NNE、倾向NWW的单斜构造。在此基础上，发育了一系列近SN-NNE向宽缓褶曲，形成区内地层的波状起伏，岩层倾角一般不超过15°，个别地段受构造影响岩层倾角变化大。断层不发育，规模较大的仅一条，其断距最大达100m。总体属地质构造简单类(要慧芳等，2009)。

3#煤层位于山西组下部，上距K9砂岩30m，下距K7砂岩8m。厚6.05～6.6m，平均6.24m。底板标高17.10～321.20m。含夹矸0～5层，一般1～3层，夹矸厚度不大，总厚度不超过0.50m，单层厚度小于0.30m，夹矸岩性多为泥岩或粉砂质泥岩，结构为简单-较简单型，属稳定煤层。为低-中灰、特低硫无烟煤(全国石油工程设计大赛组委会，2014)。

2 TOPSIS法的基本思想及其步骤

TOPSIS法是一种逼近于理想解的排序法，根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，在现有的对象中进行相对优劣的评价(罗建强等，2008；张守华等，2011)。

2.1 构造初始数据矩阵

在沁端区块3#煤层气储层综合评价过程中，用开发井代表事物，评价因素代表储层特征，构造，初始指标矩阵为：

(1)

式中：m——开发井的数量。n——评价指标的数量；

2.2 初始数据标准化处理

由于代表煤层气储层特征的不同参数，其量纲各不相同，数值差异大，为了使各参数具有可比性，首先需要运用(2)式对各参数进行归一化处理：

(2)

式中：i——开发井的数量，1，…，m；j——评价指标的数量，1，…，n；xij——第i个开发井的第j个指标值。

由此可以得到归一化后的矩阵，见(3)式。

(3)

2.3 指标权重的确定

本次研究引入信息熵的概念来确定指标的权重。熵为信息系统衡量信息不确定性的指标, 熵值越大，表明数据分布越分散，其不确定性也越强。应用于权重分析中，第j项指标的指标值分布越分散，相应的指标重要度也就越高。这里有一种极端的情况，即如果指标值都相等，则所有指标绝对的集中于一点，则表明该指标值在储层综合评价中不起任何作用。

根据信息熵值的定义(罗建强等，2008)：

(4)

式中k=(lnm)-1，则有0≤ej≤1。一般，第j项指标的分散程度取决于hj：

(5)

第j项指标的指标值分布越分散,则其相应的hj值也越大,表明第j项指标的重要度也越高。在所有n个指标值中,第j项指标的权重可用(6)式来确定。

(6)

2.4 决策矩阵的确定

首先将沁端区块3#煤层气储层每口开发井各项指标归一化，然后将各指标归一化后的值与其对应的权重值相乘,可以得到决策矩阵，见式(7)。

(7)

2.5 确定正理想解集合V+和负理想解集合V-

正理想解是指每个指标最理想的取值,效益型指标最大值为其最理想解；成本型指标最小值为其最理想解。同时,负理想解是指每个指标最不理想的取值，对于效益型指标即为其最小值,成本型指标则是其最大值(罗建强等，2008)。

(8)

(9)

其中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；J1为效益型指标集合,J2为成本型指标集合。

2.6 相对接近度计算

首先，计算每个样本与其正理想解以及负理想解之间的距离。然后，以其距离正理想解的相对距离为相对接近度,相对接近度越小,即距离正理想解越近,也就是说该类储层生气潜力最好。

样本与正理想解的距离可运用(10)式来确定。

(10)

式中，i=1，2，…，m。

样本与负理想解的距离可运用(11)式来确定。

(11)

式中，i=1，2，…，m。

每个样本的相对近似度可运用(12)式来确定。

(12)

由式(12)可以看出,Di越大,该井处的储层生气潜力越接近于理想值,则各开发井处的储层生气潜力可根据Di的大小进行优劣排序，然后进行煤层气储层综合评价。

3 评价参数的选取

在煤层气储层综合评价选取参数时，既要考虑煤岩层的地质因素，又要考虑煤层气的特征。本次研究主要考虑以下因素：

3.1 与煤岩层相关的参数

(1) 煤层厚度：煤层厚度的变化是影响煤矿开采的主要因素之一，严重制约采掘工作的正常进行，以及控制煤层气储量和产量的变化。通常情况下，煤层厚度越大，其供气能力就越强，产量也就越大。

(2) 煤层埋深：是控制煤层瓦斯含量总体分布趋势的主导因素，瓦斯含量随着煤层埋深的增大而增大。同时，煤层渗透率随煤层埋深的增加而减小。

(3) 渗透率：渗透率是控制煤层中甲烷开采程度的主要储层参数之一。在水饱和条件下，煤层的渗透率对煤层气井排出水的初始速度起着控制作用。因此，渗透率控制着煤层气储层的脱水速度和达到最大采气量所需的开采时间。

(4) 煤层压力：是指煤层孔隙中流体所受到的压力。煤层原始压力与煤层含气量有着重要关系，是决定煤层气井产能的重要地质因素。在一般情况下，煤层原始地层压力越高，表明其煤层的保存条件好，煤层含气量就越高，煤层气井产能也就越高(刘人和等，2008)；否则，反之亦然。同时，压力也是流体流动的动力，一般来说，煤层所受压力越大，越有利于气体排采。

(5) 煤层的直接顶板厚度：煤层上面若有渗透性差的泥岩或灰岩作为盖层，则可以使煤层气得以保存。煤层的直接顶板厚度可作为盖层质量好坏的直接评价指标。

(6) 煤的镜质体反射率：指由粉煤磨制成的煤光片，在显微镜油浸物镜下，镜质体抛光面的反射光强度对垂直入射光强度之百分比。它直接反映了煤的变质程度，与煤的挥发分对应，煤的镜质体反射率越高，挥发分就越低。从生气的角度来看，煤的变质程度越高，累计生成的甲烷就越多，气源充足有利于煤层吸附更多的甲烷；其次，煤的变质程度影响煤的孔隙内表面积，从肥煤起，随变质程度的增加，煤的孔隙内表面积逐步增大，使煤对甲烷的吸附能力增加[8]。

3.2 与煤层气相关的参数

(1) 煤层气含量：含气量决定煤层吸附饱和度。含气量越高，临界解吸压力越高，有效泄气面积越大，单井产量越高。

(2) 灰分含量：不仅反映煤的纯度，吸附气体的潜力，而且计算和研究煤层含气量的重要参数。灰分含量与有机质含量呈负相关关系，即灰分含量越高，有机质含量越低，储气空间变小，进而影响煤岩吸附能力，致使含气量降低，渗透性变差(万金彬等,2012)。

(3) 煤密度：取决于煤岩成分、煤变质程度、煤中所含矿物质的成分和含量。煤的密度与煤层含气量之间呈反比关系，即：煤密度越低，煤层含气量越少(徐常忠等，2010)。

4 煤层气储层综合评

本次研究以沁端区块为例，根据对研究区的研究实践，确定了9个参数作为影响煤层气含量的子因素：煤层气含量、煤层厚度、煤层埋深、煤层温度、煤层压力、灰分含量、煤密度、煤的镜质体反射率、煤层的直接顶板厚度。表1为沁端区块3号煤层各个特性指标的原始数据表。

表1 沁端区块3#煤层气储层各特性指标的原始数据表(全国石油工程设计大赛组委会，2014)Table 1 The original data of characteristic parameters of 3# reservoir in Qinduan block (after The organizing committee of China Petroleum Engineering Design Competition,2014)

在表1中，煤层气含量、煤层厚度、煤层埋深、煤层温度、煤层压力、灰分含量、煤密度、煤的镜质体反射率、煤层的直接顶板厚度的数据均来自本次石油工程大赛基础数据的相关数据表。

另外，由于沁端区块不同井处3#煤层的直接顶板厚度相同,对煤层气储层的好坏影响程度一样。因此，直接顶板厚度指标在煤层气储层综合评价中不进行考虑。于是，在TOPSIS 法中,m=6,n=8。

(1) 由表1得到初始矩阵

(2) 对上述矩阵进行归一化处理后,得到矩阵为:

(3) 计算各指标的信息熵值为:

ej=(1.3901.4181.40481.3951.4081.3901.4191.417)

k=(lnm)-1=ln6-1=0.1759

(4) 离散度hj为：

hj=(0.2240.2090.2170.2220.2140.2240.2080.209)

(5) 各指标权重为：

wj=(0.130.1210.1250.1280.1240.1300.1210.121)

(6) 加权规范后的矩阵为：

8个指标中,含气量、厚度、渗透率、压力、镜质体反射率是效益型指标，其值越大，则储层生气潜力越好；而埋深、灰分、密度是成本型指标，其值越低，则储层生气潜力越大。在选择正负理想解集合时,含气量、厚度、渗透率、压力、镜质体反射率这5个指标选择其最大值,而埋深、灰分、密度这3个指标选择其最小值。

(7) 正理想解集合V+与负理想解集合V-分别为：

V+=(0.0230.0210.0160.0300.02510.01080.0200.023)

V-=(0.0140.0190.0260.0140.0160.0270.0210.019)

(8) 各井处储层生气潜力与正理想解的距离为：

(9) 各井处储层质量的相对近似度Di为：

Di=(0.5120.3290.2600.2490.1940.246)

因此，应用TOPSIS方法对沁端区块6口井的3#煤层的储层生气潜力进行综合评价，并与AHP法对各井处3#煤层的储层生气潜力进行综合评价，得到的排序结果进行比较，其相对排序结果，见表2。

表2 沁端区块3#煤层综合评价结果Table 2 Comprehensive evaluation of No.3 seam in Qinduan block

从表2可以看出，AHP法与TOPSIS法对各井处3#煤层的储层生气潜力进行综合评价均认为方案W1井处生气潜力要优于其它井。但是，TOPSIS法与AHP法得到的评价结果区别主要在于W5与W2井的排序上，其主要原因是AHM法主要采用专家经验来确定各指标的相对权重，突出了含气量对储层生气潜力影响的重要性；而轻视了灰分含量是对储层含气量和渗透性的影响的重要参数，其在储层生气潜力评价中至关重要。因此，TOPSIS法评价结果更具有客观性，认为W1井处储层生气潜力最好是合理的。

5 不同井的储层特征分析

通过对沁端区块6口井的3#煤层特征进行分析发现，从煤体结构来看，W1、W2井均为破裂结构，对煤层气的产出有利；而W3、W4、W5和W6井均为原生结构；从煤层的含气特征来看，W1、W2、W3井甲烷气的含量较高，扣空气后归一化气体组分浓度均大于88.76%；而W4、W5、W6甲烷气的含量较低，扣空气后归一化气体组分浓度在79.42%～90.2%之间；从煤层压力来看，W1、W2、W3、W6和W4处的原始地层压力均大于4.48MP，而W5处的原始地层压力为3.76MP。

6 结论与认识

(1) 煤储层评价是一个复杂的、多重因素参与的评价过程，通过应用TOPSIS方法，对沁端区块3#煤层的各项储层指标进行分析可知，所选取的8个评价指标对储层生气潜力的影响程度依次为：灰分>含气量>渗透率>埋藏深度>地层压力>镜质体反射率>煤层厚度>煤的密度。

(2) 应用TOPSIS方法对沁端区块6口井的3#煤层进行综合评价，可知各井处3#煤层的储层生气潜力排序依次为:W1>W2>W3>W6>W4>W5。通过对沁端区块6口井的3#煤层特征进行分析发现，储层综合评价结果与储层特征有较好的一致性。

(3) 通过应用TOPSIS方法对沁端区块3#煤层进行综合评价，其结果具有合理性，说明TOPSIS方法对煤层气储层评价行之有效。

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Comprehensive Evaluation of Methane Reservoirs Based on TOPSIS

DONG Feng-juan1, LU Xue-fei2，MA Yong-ping3

(1.Collegeofpetroleumengineering,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an,Shaanxi710065；2.CollegeofSciences,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an，Shaanxi710065；3.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExploration&Development-Northwest,Lanzhou，Gansu730020)

Methane is an unconventional gas which formed and accumulated in coal seams. The effective development and utilization of methane is very important to make full use of energy and improve the energy structure in China. This study focused on the No.3 seam of the Qinduan block which is influenced by many geological conditions. Eight parameters, which are the content of methane, coal thickness, buried depth of coal seam, temperature, pressure of coal seam，ash content of coal seam, density of coal, and coal vitrinite reflectance have been taken as main indexes to be considered. The methane reservoir has been evaluated comprehensively based on the method of TOPSIS. The results indicate that the method TOPSIS is a simple in calculation and easy in operation, and its weight determination is less affected by subjective factors. The evaluation results are in conformity with reservoir characteristics. Thus it is a new approach for evaluation of gas reservoirs in seams.

methane, reservoir, TOPSIS, comprehensive evaluation

2014-09-19；

2014-12-16；[责任编辑]陈伟军。

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发(2011ZX05044)与国家自然科学基金特低渗透双重介质砂岩微观孔隙结构的定量表征(41102081)联合资助。

董凤娟(1980年—)，女，博士，讲师，主要从事油气田地质与开发方面研究。E-mail：dfj_1222@126.com。

P618.11

A

0495-5331(2015)03-0587-05