临汾区块煤层气产能地质影响因素分析

王 丹，赵峰华，姚晓莉，索 航，孙 伟

(1.中国矿业大学(北京)，北京 海淀 100083；2.中国石油煤层气有限责任公司，山西 临汾 041000)



临汾区块煤层气产能地质影响因素分析

王 丹1，2，赵峰华1，姚晓莉2，索 航2，孙 伟2

(1.中国矿业大学(北京)，北京 海淀 100083；2.中国石油煤层气有限责任公司，山西 临汾 041000)

临汾区块位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带南端，依据区块内76口煤层气探井的测井、录井、分析化验和地震等资料，运用单因素一票否决法和灰色关联评价法，对煤层气有利勘探区带进行优选。研究认为，对利用无量纲化处理单因素否决法评价后剩余的探井进行关联度计算，并编制成平面图件，优选出地质条件最有利的煤层气开发区带，分别是三多—小回宫—车城区带和天嘉庄—石头山区带。煤层气产能评价各地质要素的量化处理，是从定量的角度进行煤层气有利勘探区带优选，对煤层气有利勘探区带的优选具有指导意义。

煤层气；地质影响因素；灰色关联评价法；产能；临汾区块

1 地质概况

1.1 构造特征

临汾区块位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带南端，煤层气资源丰富，是目前中国煤层气开发的主要区域之一[1-3]。区块内主要为一由东向西倾伏的巨大单斜构造[4]，发育系列北东向展布的断层，将斜坡复杂化，形成了坳隆相间的构造格局(图1)。贯穿全区北东—南西向展布的古驿—窑渠逆冲断层将区块由西向东划分为东西2个大构造单元，其附近发育多条规模相对较小、产状大致相同的逆冲断层，断层倾角多在20～30 °，并在古驿—窑渠逆冲断层的牵引作用下，在上盘形成了一个北东—南西向展布的长轴背斜构造，构造幅度达80～120 m。该背斜为区块内的主要构造，总体走向沿30 °方向展布，全长40 km。由于背斜上拱，使煤系地层埋深变浅，其轴部多出露下三叠统刘家沟组地层和上二叠统石千峰组地层。背斜构造的西北翼地层倾角相对较缓，约为2～4 °，东南翼较陡，倾角为3～6 °。

1.2 地层特征

研究区主要含煤地层为二叠系太原组和山西组。太原组连续沉积于本溪组之上，为一套滨海沼泽相和浅海相的交替沉积，厚度为40～60 m。太原组一般发育煤层2～3层，即6～8号煤层，6、7号煤层局部可见，而主要可采煤层——8号煤层在全区均有分布，且厚度较大，以亮煤为主，割理、裂隙较为发育。

图1 临汾区块5号煤层构造

山西组为陆相沉积，顶界为下石盒子组骆驼脖子砂岩，底界为北岔沟砂岩，厚度为80～160 m。山西组煤层一般为1～5号煤层，以3、4、5号可采煤层为特征，其中，5号煤层分布稳定、厚度大，以半亮—半暗色煤为主，割理、裂隙发育，性脆。

1.3 主力煤层发育特征

临汾区块主要的煤层气产层包括山西组5号煤层和太原组8号煤层。

山西组5号煤层厚度较大，普遍含1～3层夹矸，平均净煤厚度为4.3 m。厚煤区主要分布在小回宫—山口一带，厚度一般大于6.0 m；薄煤区主要分布在区块北部的大宁—午城—薛关一带，厚度一般小于1.0 m。

太原组8号煤层含夹矸较少，平均净煤厚度为5.4 m。厚煤区主要有3个，分别为区块北部的午城—小回宫，东部的刁口—马家窑和南部的窑渠—曹井，厚度一般大于6.0 m；薄煤区主要有2个，分别为区块北部的桑壁镇—石家庄—黄土镇和南部的明珠—武庄，厚度一般小于1.0 m。区块西部由于缺少钻井资料，主要为预测煤层厚度。

根据区内的地震和钻井资料，煤层埋深主要受控于区域构造背景，即整体上受西倾单斜构造控制，由东向西煤层埋深逐渐增大。区块内煤层埋藏整体较深，山西组5号煤层埋深为700～1 600 m，中部发育薛关逆断层，引起地层抬升，煤层埋深减小至900 m左右，向西煤层埋深又继续加大；太原组8号煤层埋深为750～1 650 m，其分布特征与5号煤层相似，同一地区或同一井点，纵向上8号煤层比5号煤层埋藏深40～80 m。

1.4 煤体结构

煤体结构指煤层在地质历史演化过程中经受各种地质作用后表现的结构特征。煤体结构经历变形和变质作用后，可分为原生结构煤和构造煤[5-6]。原生结构煤是指保留了煤层原生沉积结构和构造特征，煤岩的成分、构造、结构以及内生裂隙清晰可辨。构造煤的宏观结构依破坏程度可分为碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构等，对应的构造煤分别称为碎裂煤(碎块煤)、碎粒煤和糜棱煤(又称粉煤)[5-8]。区块煤层以块煤、碎块煤为主，断裂带附近主要为碎粒煤和粉煤。

1.5 煤层含气性

一般情况下，煤层埋藏越深，对于煤层气的保存越有利。因此，煤层的含气量整体与煤层埋深变化的趋势基本相同。

5号煤层含气量为5～20 m3/t。平面上5号煤层存在2个含气中心，一个位于区块中北部石家庄—大宁—窑渠一带，呈北东—南西向分布，含气量均大于14 m3/t，最高超过20 m3/t；另一个含气中心位于该带东部的蒲县—桑娥一带，与前一个基本平行，并呈现向东西两侧逐渐降低的趋势。

8号煤层含气量明显低于5号煤层，平面分布趋势总体上与5号煤层相似，显示出中间高，向两侧降低的态势，含气量变化为2～20 m3/t。含气中心位于午城—大宁—窑渠一带和东部的蒲县—桑娥一带，含气量一般高于14 m3/t，最大含气量超过20 m3/t。从中心向东西两侧，含气量逐渐下降。

1.6 煤层物性

煤层为孔隙-裂隙型储层，具有2种特性，一方面在压力的作用下，煤层具有容纳气体的能力；另一方面，具有允许气体流动的能力[9]。煤层的孔隙度分为基质孔隙度和裂隙孔隙度[7]。

测井解释成果表明，区块内主力煤层的孔隙度不高，一般小于6.00%，属于低孔隙度储层。32口井的煤样密度测试资料表明，5号煤层的孔隙度为2.84%～12.96%，平均为4.97%；8号煤的孔隙度为2.08%～12.96%，平均为5.21%。

注入(压降)测试结果表明，5号煤层的渗透率为0.006 5×10-3～3.170 0×10-3μm2，平均为0.350 0×10-3μm2；8号煤层的渗透率为0.005 0×10-3～3.010 0×10-3μm2，平均为0.400 0×10-3μm2。

1.7 水文地质特征

区块内存在着2个完全不同的水文地质单元。呈北东向展布、横穿区块的薛关断层不仅是构造单元的分界线，同时也是水文地质单元的分水岭。断裂以东的水文地质单元包含一个完整的供水区—径流区—泄水区，而断裂西部的供水区特征则不明显，可能是东部泄水区同时又起着西部供水区的作用[10]。

2 评价方法介绍

首先，根据地震和各探井资料，先对各井区进行“一票否决制”(单因素否决)，剔除煤层气开发潜力最差的井区；其次，对剩余井区进行灰色关联法进行评价，得到区块内煤层气有利区带优选结果。灰色关联分析是灰色系统理论的重要组成部分。灰色关联分析是根据系统内各因素之间的发展态势的相似程度，来定量分析和确定系统之中各个因素之间的关联性的分析方法[11]。

2.1 灰色关联法评价步骤

(1) 确定参考序列和比较序列。参考序列为反映系统整体变化特征的数据序列，比较序列为影响系统整体变化的各个因素组成的数据序列。

(2) 对系统各个因素进行无量纲化处理。因为系统中各个评价因素均具有不同的物理意义，若其量纲在统一时的数量级相差较大，直接对比会存在较大误差，因此，需要进行无量纲化的数据处理后，才能进行灰色关联分析。

(3) 找出比较序列和参考序列之间的灰色关联系数ε0i(k)。关于2个不同系统之间的各个因素，一般会随时间或所取样本不同而发生关联性的变化量度，称之为关联度，究其实质是关于曲线间几何形状对比的差别程度。针对某个参考序列{x0(n)}存在多个比较序列{xi(n)}，而各参考序列与比较序列在曲线各点(n=k)的关联系数ε0i(k)可由以下公式计算：

(1)

ε0i(k)=|x0(k)-xi(k)|

(2)

式中：ρ为分辨系数，ρ>0，通常取0.5；Δmax，Δmin分别为参考序列和比较序列中最大与最小差的绝对值，Δmin一般取0。Δ0i(k)是各比较序列{xi(n)}在曲线上的任一点k与参考序列{x0(n)}中曲线上的相应点k的绝对差值。

关联系数ε0i(k)的公式可简化为：

(3)

(4) 求取关联度ri。因为关联系数是参考序列与比较序列在不同点的关联程度值，一般会出现多个数值，需要将不同点的关联系数转换成一个具有代表性的值，即通过求其算数平均值，作为其关联程度的表征参数，公式为：

(4)

式中：r0i为参考序列与各个比较序列之间的关联度；N是序列长度。

(5) 排序。关联度的大小决定了各个比较序列与参考序列之间的相关程度。将N个关联度按数值大小进行排序，便构成了一个关联序列，记为{x}。其值的大小反映了各个比较序列与参考序列之间的“优劣”关系。若r0i>r0j，则称{x0}对于同一参考序列{xi}优于{xj}，记为{xi}>{xj}。

2.2 灰色关联法评价的优点

灰色关联法评价的目的就是定量表征系统内各个因素之间的关联程度，找出影响系统整体发展态势的各主要因素，以此来掌握事物变化的主要特征。灰色关联分析不需要考虑样本是否有典型的分布规律和样本的数量，只需要根据序列曲线的形状相似程度来判断各个因素之间的联系是否紧密。

3 评价结果

3.1 单因素否决评价结果

根据地震和钻井资料，剔除煤层埋藏深度大于1 400 m、煤层厚度小于1 m、位于径流区或供水区、含气量低于4 m3/t的井区或区带。

根据以上原则，从76口探井中剔除了14口探井(其中煤层埋深超过1 400 m的井2口，煤层厚度小于1 m的井2口，位于径流区和供水区的井10口，其中1口井含气量低于4 m3/t)，余下62口探井参加了灰色关联排序。

3.2 灰色关联评价结果

对于研究区而言，首先需要建立参考序列{x0(n)}与比较序列{xi(n)}，参考序列是煤层气井的，比较序列是影响日产气量的各个因素，如煤层埋藏深度、储层压力、解析压力等；其次，将参考序列{x0(n)}、比较序列{xi(n)}均进行无量纲化处理，利用式(1)计算出各比较序列在n=k时与参考序列之间的关联系数，再利用式(4)计算出各比较序列对于参考序列的平均关联度；最后，对所比较探井进行排序比较。

通过灰色关联理论计算区块内煤层气探井的产能影响因素对产气量的关联结果见表1。

表1 临汾区块煤层气井产能灰色关联分析参数

由表1可以看出，影响产气量的因素按关联度从大到小排序依次为煤层煤岩结构、水文地质条件、煤层厚度、煤岩解析压力梯度、煤岩含气量、煤层埋深和煤层储层压力梯度。表明煤层煤体结构对该区煤层气井产气效果影响最为明显，而煤层埋深和煤层储层压力梯度的影响相对最弱。

根据灰色关联分析方法研究结果可知，研究区在平面上主要分为2个有利区带，分别是三多—小回宫—车城区带和天嘉庄—石头山区带(图2中粉色部分，关联度值大于0.5)，较有利区带主要分布在有利区带两侧区域(图2中黄色部分，关联度值为0.4～0.5)，其余为煤层气开发较不利区。三多—小回宫—车城有利区带位于古驿—窑渠逆冲断层西侧，煤层厚度大，平均为10.58 m；吨煤含气量高，平均为12.83 m3/t；以块煤—碎块煤为主，水文条件为弱径流区—承压区；解析压力梯度相对较高，平均为0.005 8 MPa/m；储层压力梯度相对较高，平均为0.007 7 MPa/m。天嘉庄—石头山有利区带位于区块东部，煤层厚度大，平均为8.25 m；吨煤含气量相对较高，平均为12.01 m3/t；块煤—碎块煤为主，水文地质条件为弱径流区；解析梯度压力相对较高，平均0.004 4 MPa/m；储层压力梯度相对较高，平均为0.007 2 MPa/m。

图2 临汾区块煤层气井灰色关联分析评价成果

4 结 论

(1) 临汾区块煤层气产能地质影响主要受煤层煤岩结构、水文地质条件、煤层厚度、煤岩解析压力梯度、煤岩含气量、煤层埋深和煤层储层压力梯度影响，影响程度依次降低。

(2) 利用灰色关联法，将地质因素量化处理，将各数据均无量纲化，减少了人为因素对地质条件的影响，与定性评价相比较，又向前推进了一步。

(3) 临汾区块内煤层气的有利区主要分布在三多—小回宫—车城区带和天嘉庄—石头山区带，西部埋藏较深地区有利于煤系地层砂岩气勘探。

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编辑 林树龙

20151026；改回日期：20160104

国家“十二五”重大专项“煤层气排采工艺与数值模拟技术”专题“煤层气藏产气潜能分析与产能评价方法研究”(2011ZX05038-001)

王丹(1982-)，男，工程师，2004年毕业于长江大学资源勘查工程专业，现为中国矿业大学(北京)矿产普查与勘探专业在读博士研究生，主要从事煤层气勘探与开发工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.001

TE122.2；TE132

A

1006-6535(2016)02-0001-04