煤层气开采关键地质影响因素

冯立杰，贾依帛，岳俊举，王金凤

(1.郑州大学 郑州大学管理工程研究所，河南 郑州 450001； 2.河南省煤层气开发利用有限公司，河南 郑州 450016)

煤层气(瓦斯)作为安全高效清洁能源，其巨大的环境效益和资源潜力日益受到重视。我国煤层气资源丰富[储量约为(30～35)×1012m3]，对其高效合理开发不仅可以减缓我国巨大的能源需求压力，而且可以从根本上治理矿井瓦斯隐患以减少煤矿灾害。但由于我国大部分地区成煤期地质构造及环境差异性较大，形成了诸如储层非均质性强、煤层气成藏结构复杂等众多影响煤层气开采的特殊地质因素，给我国煤层气高效开采及矿井瓦斯治理带来了巨大困难。因此，针对我国煤层气开采影响地质因素众多、动态复杂性高等特点，科学合理地选取影响煤层气开采的原始地质因素并辨识出关键影响因素，对提高煤层气开采利用效率和矿井安全生产水平具有重要的指导意义。

为深入了解影响煤层气开采的地质因素，国内外众多专家学者针对我国特有的煤层气赋存地质条件开展了大量研究。Beaton等[1]在分析加拿大阿尔伯塔平原煤层气赋存特征基础上，评估了该地区的煤层气资源储存量及影响因素；Lv等[2]对沁水盆地南部矿区的煤层气井生产状况进行了分析，应用统计学方法确定了影响煤层气开采的主要影响因素，结果表明水力压裂影响煤层气井初期的生产性能，而含气量和渗透率则决定其长期运行性能；Feng等[3]针对影响煤层气井位的因素众多且不确定特征，提出了应用粒子群(PSO)算法优化煤层气井位，结果表明该算法减少了优化的时间和工作量；Zhao等[4]针对韩城区域煤层气开采的特点，在灰色系统理论的基础上，定量评价了6大地质因素对煤层气产能的影响；孙万禄等[5]提出了在含煤盆地中影响煤层气藏主要有沉积环境、地质构造变形程度、煤岩变质程度以及水动力条件等地质条件。孙粉锦等[6]综合分析了影响沁水盆地煤层气富集、高产的主要影响因素，包括沉积作用、地下水动力场及、底板岩性分布等；刘大锰等[7]较为深入地探究了地质构造条件、煤层埋藏深度、水文地质条件、沉积环境、煤层物性和岩浆活动等6个影响煤层含气性的主控地质因素；孟召平等[8]从成藏地质条件、赋存环境条件和开发工程力学条件三方面深入分析了影响煤层气/页岩气开发的地质因素；龙胜祥等[9]通过分析国内外煤层气基本地质条件的差异，建立了煤层气富集参数体系，从盆地和区块两级对比分析并提出相关建议。王怀勐等[10]阐明了影响煤层气赋存的构造演化和水动力条件，并依据水动力的影响过程系统探究了河北赵各庄井田的煤层气赋存特征；付庆华等[11]以郑庄区块东大井区作为研究对象，结合沉积、构造和地下水动力的原理和方法，分析了该区煤层含气量分布并对关键地质要素进行了汇总；康永尚等[12]以寿阳区块和南部柿庄区块煤层气地质及排采动态为研究对象，得出煤层渗透率、地应力类型和构造应力强度对煤层气排采有着重要的影响作用；康园园等[13]从煤储层因素和资源因素两方面系统分析了影响煤层气开采的地质因素，并结合实践构建了煤层气目标区域评价指标体系。

综上所述，已有文献大多对煤层气含量、赋存、成藏等影响煤层气开采的地质因素进行了深入分析，其中，国外研究成果更多的是用定量分析方法去识别和探究其地质因素，而我国学者大多在借鉴了国外定量分析方法的基础上，针对某些地区进行了煤层气地质评价初步研究。但有鉴于我国的成煤区地质条件复杂且地质构造活动类型不一，难以建立通用的地质因素识别分析体系，且加上现有文献采用的数据分析工具均未能从模糊庞大的信息量中有效识别关键因素。针对上述问题，作者在研究过程中将粗糙集属性约简理论应用于影响煤层气开采的地质因素识别中，运用该理论能够在保证研究对象信息和分类能力完整基础上消除冗余的特性，进而建立关键地质因素识别分析模型，全面收集原始地质影响因素并利用模型筛选出关键因素进行排序。该研究能够有效简化煤层气地质因素评价分析的复杂程度，揭示各影响因素的重要程度，在弥补现有研究不足的同时为我国煤层气开采的地质影响因素分析提供科学合理的理论支撑。

1 基于粗糙集理论的关键地质影响因素识别分析模型构建

粗糙集作为一种定量分析工具，能够对不完全、有噪声、模糊且随机的多源异构数据进行有效分析，而其中属性从简可通过保留其中基本知识且删除不相关信息，以实现对知识的压缩和提炼，进而提取简明直接的决策规则并计算出各属性的重要度，是目前数据挖掘和知识发现方面广泛运用的工具之一。

有鉴于此，本研究拟构建基于粗糙集理论的关键地质影响因素识别模型对我国煤层气地质影响因素诸多复杂信息进行筛选，其具体流程如图1所示。

依据粗糙集理论建模方法，首先构建煤层气开采井对多种地质因素评价知识系统S=(U,A,V,f)其中设若干煤层气矿井为研究对象U={x1,x2,…,xn}，U是有限非空集合；A={a1,a2,…,an}为属性有限集合，其中A=C∪D，C={c1,c2,…,cn}是条件属性集合，表示选取影响煤层气开采的各原始影响因素，D={d1,d2,…,dn}为决策属性集合，表示根据产能分级针对研究对象所进行的整体评价，且C∩D=φ；V则代表上述属性集合A的值域；而f:U×A→V代表信息函数集，使得对每个xi∈U，q∈A，有f(xi,q)∈Vq，用于确定上述每个研究对象xn有对应的属性值。详细构建流程如下：

图1 关键因素识别分析模型构建流程Fig.1 Flow chart of building key factor identification analysis model

1) 采用文献综述法选取影响煤层气开采的各原始影响因素c1,c2,…,cn，建立条件属性C={c1,c2,…,cn}。

2) 根据研究主题选取有代表性的若干煤层气矿井为研究对象U={x1,x2,…,xn}，并依据将煤层气井划分为个n等级，对应的评语集为D={d1,d2,…,dn}，据此构建决策属性集。

3) 采用专家打分法根据原始地质因素在不同煤层气井重要度进行数据采集，构建属性集合A={a1,a2,…,an}的值域，并对数据集合进行离散化处理以形成最终决策表。

4) 运用粗糙集数据处理工具ROSETTA对构建的决策表进行属性约简，利用区分矩阵得到若干个属性约简集合。

5) 根据粗糙集中的属性重要度公式计算属性a在一个区分矩阵M=(mi j)的重要度f(a)，依据各地质因素重要度排序判定出影响煤层气开采的关键地质因素[13]。其中相应的属性a的重要度公式为：

(1)

card(mi,j)为mi,j包含属性的个数，λi j为属性a出现在区分矩阵的长度。当a∈mi j时，λi j=1；当a∉mi j时，λi j=0(其中，i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…,n)。

2 煤层气开采原始地质影响因素选取

由于影响煤层气开采的地质因素众多、动态复杂性高，因此，选取原始影响因素的过程是否科学合理，将直接影响分析结果的准确性。基于此，本文在遵循科学性、系统性、全面性原则基础上，通过下述方法进行原始因素选取。

1) 文献分析法。通过分析现有资料，筛选出13个原始影响因素，分别是构造煤发育程度、煤体结构、围岩条件、煤层流变、煤层埋藏深度、水文地质、地质构造演化、地质构造类型、地应力、煤破坏程度、煤变质程度、煤储层厚度、煤阶。

2) 现场调研。通过对山西晋城沁田盆地南部的潘庄、山西韩城、河南平顶山、云南滇东等若干矿区进行实地调研并根据不同地区煤层气开采井区的地质特点，进一步在原始地质因素中增加岩浆活动、煤田暴露程度。

3) 专家提问评估法。将收集到的原始因素集合交由相关领域专家评审选取，在评审过程中专家依据实践经验认为煤层孔隙、裂隙均是煤层研究的重要内容，并将其补充其中。

通过以上3种方法最终选取16个原始地质影响因素，依据各因素的作用区域、地质模式、属性特征归纳为煤岩特征、煤层特征、地质影响3个方面，具体分析如下。

2.1 煤岩特征

1) 构造煤发育程度

构造煤发育程度对煤层气开采的影响主要体现以下两个方面，一是构造煤的发育程度对瓦斯突出起着关键的控制作用，构造煤最发育的地区，往往是瓦斯突出最严重的伤害地带；二是构造煤发育程度不同，可导致空间上构造煤组合不同，其含气性和渗透性的变化也有所差异。李辛子[14]等研究发现我国含煤地层大多经历过多次构造运动演化的作用，造成在同一地区不同构造煤组合其含气性和渗透性差异性明显，使构造煤发育区域瓦斯气藏分布的非均质性更为显著。

2) 煤阶

孔隙率、含气性、解吸率是煤层气井可采资源量大小的重要参数，且三者在不同的煤化作用阶段差异性较大。刘升贵等[15]的研究发现煤的孔隙结构参数及形态在高煤化程度与中低煤化程度中显著不同，这直接关系着储层物性及煤层气的富集。综合分析煤储层地质构造条件及水动力状况对不同煤阶的煤层气富集控制的差异性可知：煤阶高的煤层产气量较大，吸附能力强，含气量较高；通过综合分析沁水盆地各煤层气区块的资料，中、高煤阶煤层中，解吸率随着镜煤反射率的升高而增大。

3) 煤的破坏程度

煤体破坏程度越严重，煤的强度越小，瓦斯解析量和解析速度越大，突出危险就变得越大。孟召平等[16]提出在同一地质情况下，不同破坏类型的构造煤，因其超微结构的变化不同，可导致煤层气吸附和渗透能力的显著差异，随着构造煤碎裂程度的增加，其孔容和孔比表面积也相应增大，同时，含气量及相对渗透率也随之增高，均有利于煤层气煤层气勘探开采的条件。

4) 煤变质程度

煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量,还决定着煤对瓦斯的吸附能力和煤岩的孔隙特征，即在其他因素恒定条件下，煤层瓦斯含量与煤的变质程度具有显著的正相关关系。许江[17]等通过实验探究了变质程度、孔隙特征与渗透率之间的内在关联性，得出煤变质程度越高，内外部孔隙越发达，其渗透性和透气性越好。

5) 煤体结构

胡奇等[18]通过对比沁南地区3号煤层中原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等不同煤体结构的钻井、压裂、排采资料发现，煤体结构越破碎，井壁稳定性越差，且造成抽采孔钻屑量和储层污染范围也越大；白鸽等[19]以山西潞安矿区井田为例，通过实验分析阐明了煤体结构是煤层气高渗高产的关键性因素，其中原生煤和碎裂煤的煤层裂隙较为发育，其渗透性、连通性较好，有利于煤层气的开发利用。

2.2 煤层特征

1) 煤储层的厚度

煤储层渗透性是影响煤层气开发选区和产量最重要的因素，而煤层厚度与煤储层渗透率之间存在着耦合关系。刘峻杉[20]的研究表明由于煤储层中天然裂隙的发育密度与煤岩类型条带或分层厚度呈负相关关系，而且在构造煤不发育的储层，其渗透率大于0.5×10-3μm2时，煤层越厚，渗透率相对减小。

2) 煤层埋藏深度

在瓦斯风化带以下，煤层埋藏深度均对煤层瓦斯含量、瓦斯压力和瓦斯涌出量有一定的影响。杨玉中等[21]指出煤层埋藏深度在一定范围内，煤层瓦斯含量与埋藏深度呈显性正相关关系，但随着埋藏深度的增加，正比例系数逐渐减少，瓦斯含量趋于稳定；陈刚等[22]通过系统分析全国314口1 200 m以浅的不同煤阶煤层气井含气量数据得出：高、中、低阶煤层含气量随深度的变化呈现出明显的差异性，且煤层含气量与埋藏深度具有较为显著的正相关关系。

3) 煤层孔隙、裂隙

煤的孔隙结构、大小及其分布影响着煤的吸附性和渗透性，而煤层中的节理裂缝构造是影响煤层结构构造和物理性质的关键因素，对煤层瓦斯的生储、聚集等起着直接或间接的控制作用，有效影响着煤层气开采的难易程度。陶树等[23]对煤的孔隙率的研究表明煤中孔隙-裂隙系统发育程度显著影响着煤储层原始绝对渗透率，并作用于煤层气解吸—扩散—渗流产出过程，不同尺度、不同产状的孔隙和裂隙对煤储层渗透率的贡献程度不同；薄冬梅等[24]发现裂隙系统的发育程度和连通程度决定着煤层的渗透性，对煤层气可采性评价有着极其重要的参考价值。

4) 围岩条件

已有研究表明,煤层甲烷含量很大程度上取决于煤层围岩的封闭性能，应重视煤层围岩的性质、构造、水动力系统，尤其是断层、裂隙等构造对煤层气可采性的影响。王德利等[25]的研究表明煤储层顶板通过毛细管封闭、压力封闭及浓度封闭3种机制对煤层气保存会产生一定影响，同时盖层岩石的岩性、粒度、致密程度和厚度也是考虑开采区煤层气保存状况的重要条件。

5) 煤层流变

研究煤层流变机理和变化规律是探究煤层气赋存和突出的基础，在开采过程中造成煤矿瓦斯突出的主要因素就是煤层流变引起的煤层厚度变化与构造煤的产生。我国大量矿井煤层气地质研究资料表明：在受到强烈流变的地区，一方面因煤层厚度与含气量呈正相关关系，煤体流变使煤厚发生变化造成瓦斯分布不均；另一方面煤体结构又导致了煤体结构的破坏，并改变了瓦斯的赋存方式使煤层含气量增高，从而加剧开采煤层气的危险性。

6) 煤田暴露程度

张子敏等[26]指出瓦斯是地质作用的产物，煤田的暴露程度是影响煤层瓦斯含量的重要因素。暴露式煤田因煤系地层露出于地表，煤层瓦斯往往沿煤层露头排放，则瓦斯含量大为减少；反之隐伏式煤田盖层厚度大，透气性差，则煤层瓦斯聚集状况较好。

2.3 地质影响

1) 水文地质

煤矿瓦斯与地下水共存于煤层之中，地下水的运移对该煤层瓦斯含量和保存状况至关重要。在地下水活跃的地区，水能从煤层中运移大量瓦斯，使煤层瓦斯含量大为减少。吴鲜等[27]的研究表明水动力条件是影响煤层气富集的关键条件之一，同时地下水的pH值、矿化度、矿物离子组分等水化学特征对煤层气的生成和富集成藏均有一定的控制作用。

2) 地质构造演化

刘大锰等的研究表明构造演化能够控制含煤层系沉积埋深和热演化，从而对煤层气生成、赋存及成藏过程起着关键性作用，且在成煤期后，构造沉降作用有利于煤层气赋存，而构造抬升对赋存起反向作用；同时，含煤盆地的构造演化控制其构造应力场变化，从而影响着含煤层系的构造展布、构造类型以及煤储层、围岩节理裂隙发育程度等。

3) 地质构造类型

因构造应力场及其内部应力状态不同，导致不同类型地质构造(褶曲构造、推覆构造、伸展构造)对煤层瓦斯赋存影响亦有明显差异。赵少磊等[28]的研究表明地质构造形态对煤层气的运移和保存至关重要，其中褶曲两翼及向斜核部含气量高，而背斜核部及开放性断层附近含气量较低。

4) 岩浆活动的影响

我国勘采实践表明，较多的煤层气富集区在地质历史上经历过岩浆侵入而引起的叠加热变质作用，从而使煤层含气量增高并有效改善了煤储层渗透性，有利于该地区煤层气的开发。张明杰等[29]通过对云驾岭煤矿研究分析，从煤层气生成、运移、储存等角度得出岩浆活动是影响煤岩变质程度、煤层渗透性、瓦斯含量及赋存状况的主要控制因素。

5) 地应力

地应力对煤层气成藏具有显著的控制作用[30]。逄思宇等[31]的研究认为其影响主要体现在：一是地应力对煤储层渗透性和储层压力均有重要的影响，即煤层渗透率随地应力增大而下降，储层压力随地应力上升而变大；二是地应力和储层压力对煤层的渗透率和含气量至关重要，进而影响着煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流；三是地应力不仅对天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性有控制作用，而且影响了人工压裂裂缝的形态和延伸方向。

3 煤层气开采关键地质影响因素

3.1 数据收集对象选取

我国华北地区、西北地区和西南地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%,28.1%和14.3%。为了对我国煤层气开采提供普适性理论指导，根据《2014—2018年中国煤层气行业经济效益评价及投资战略规划分析报告》，从山西蓝焰煤层气集团有限责任公司、山西能源煤层气投资控股有限公司、中石油煤层气有限责任公司 、中联煤层气有限责任公司 、河南煤层气开发利用有限公司五家企业中分别挑选40口分布于华北、西北、西南地区的煤层气开采井作为研究对象(表1)。

表1 40个煤层气开采井分布情况Table 1 Distribution of 40 coal bed gas wells

表2 影响程度等级划分Table 2 Classification of influence degree

表3 煤层气井产能分级Table 3 Rating scale of coal bed gas well productivity

3.2 原始数据收集

本文采用LIKERT5点尺度法，将影响程度划分为5个等级(表2)，采用专家打分法对16个原始因素重要程度进行评分，以此来构建条件属性数据集；另外，利用煤层气井产能分级表[32](表3)对上述40口煤层气开采井赋予分值，构建决策属性数据集。

3.3 分析决策表建立

将上述16个影响煤层气开采的原始因素视为条件属性，煤层气井产能等级为决策属性。根据专家打分法的结果，加上离散化处理过的属性值，由此得出关键地质因素分析决策表(表4)。

表4 关键地质影响因素分析决策Table 4 Analysis decision Table of key geological factors

3.4 决策表属性约简

利用基于粗糙集理论框架的表格逻辑数据工具ROSETTA进行决策表属性约简，其中得出若干属性约简集合，结果如表5所示。

通过运行结果共得出196个约简集，各自包含不同的属性，其稳定系数均为1，且所有约简集的属性长度不完全相同。对16个条件属性中出现频率的顺序由大到小进行排序，依次是地应力(76次)、构造类型(75次)、煤层孔隙、裂隙(65次)、水文地质条件(60次)、煤变质程度(57次)、煤层埋藏(54次)、地质构造演化(49次)、岩浆活动(44次)、煤体结构(43次)、煤阶(40次)、构造煤发育程度(40次)、煤田暴露程度(40次)、煤层流变(39次)、围岩条件(37次)、煤破坏程度(31次)、煤层厚度(30次)。

3.5 影响因素重要性计算

根据属性a的重要度计算公式(1)，分别对16个条件属性重要度进行计算，所得结果如图2所示。

表5 影响煤层气开采的地质因素约简集Table 5 Reduction set of geological factors influencing coal bed gas exploitation

3.6 结果讨论

1) 由计算可知：地质构造类型、地应力、煤层孔隙、裂隙、水文地质条件、煤变质程度、煤层埋藏程度、地质构造演化是最为关键的地质因素；岩浆活动、煤体结构、构造煤发育程度、煤田暴露程度对煤层气开采影响较大；煤层流变、煤阶、围岩条件影响程度次之；而煤层流变、煤阶，围岩条件，煤破坏程度，煤层厚度影响程度最小。

2) 根据重要度排序可以发现，外界的地质作用比煤层及煤岩本身对煤层气开采影响作用要大。

图2 各条件属性与重要度Fig.2 Condition attributes and their importance

研究表明，不同类型的地质构造，内部应力状态的不同，地质构造演化程度不一致以及水文地质条件作用的差异，不仅对煤层气的含气量、赋存状态，渗透性及运移等影响极大，还在一定程度上决定了瓦斯生成的物质基础以及煤储层及盖层的结构、物性、裂隙发育程度、煤体的破坏、变质程度等。因此，在实际勘探、开采过程中应更加注重煤田外界地质的作用和影响。

4 结论

本文针对影响煤层气开采的地质因素间呈多样性、复杂性及动态性等特征，在现有成果基础上运用粗糙集属性约简理论构建了煤层气开采关键地质影响因素分析模型，研究了各地质影响因素重要度并筛选出关键地质因素。研究结果一方面丰富发展了我国煤层气开采的瓦斯地质学理论；另一方面在勘探过程中，通过实际地质状况与关键因素模型对比分析，可对该地区开采情况进行有效评价，进而为煤层气开发部署提供地质依据。同时，在实际开采过程中，不少专家指出在一个煤层气富集地区，虽然其瓦斯总体赋存状况受多种地质因素共同影响，但某一区块上煤层气气藏的分带性常受到某一两个主导因素所影响，并对区域内富集程度起决定性作用，因此应更有针对性的对主导因素进行分析控制，提升矿区瓦斯隐患治理水平，保障煤炭安全生产。

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