鹤岗煤田煤层气选区评价方法

毛 毳，韩欣澎，王有智

(1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院， 北京 100028；3.大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

煤层气作为较早被开发的非常规天然气之一，在我国已经取得了重大进展[1-2]。我国含煤盆地构造背景复杂，横向非均质性较强，给选区评价带来不小的挑战[3-4]。通过多年的摸索，确定了资源条件、储层条件和保存条件为控制煤层气高产富集的主控因素[5]。随着勘探程度的不断深入，从传统的半定量性质的“综合评价标准”向定量评价发展。多种数学方法逐渐在煤层气选区评价过程中凸显作用。傅雪海等[5]提出关键因素递阶优选法，并指出含气性因素具有“一票否决”的关键作用。多层次模糊数学法经常应用于煤层气选区评价[6-9]，但主观因素所占比重成为该方法的难点。笔者以黑龙江鹤岗煤田为研究对象，分别探讨传统选区评价方法、灰色聚类方法和主成分分析法在选区评价过程中的可信度，建立科学评价方法体系，从而实现客观、迅速和准确的评价选区目的，为开发决策工作提供理论支撑。

1 地质背景及参数选取

鹤岗盆地位于佳木斯地块的西北部，西临青黑山断裂，东南被依兰-伊通断裂阻断[10]。鹤岗煤田位于盆地西侧，呈现向东倾斜的半掩盖式单斜构造形态。鹤岗盆地构造背景复杂，经历多期性质不同的构造运动，应力场方向多次发生大的改变，导致矿区内张性断裂密集发育，相互截切，使得构造格局更加复杂[11]。鹤岗煤田主要包括八个矿区，从北到南依次为兴山矿、南山矿、益新矿、鸟山矿、富力矿、兴安矿、峻德矿和新华矿(图1)。

图1 鹤岗煤田矿区分布图Figure 1 Mine areas distribution in Hegang coalfield

根据鹤岗煤田实际地质条件，选取煤层厚度、资源量、含气量、压力梯度、渗透率、割理、灰分、兰氏体积、顶板泥岩比例、含气饱和度、变质程度、孔隙度12个指标(表1)。其中煤层厚度、变质程度、灰分、压力梯度数据来源鹤岗煤田勘探报告，均为各矿区平均值。含气量、渗透率、兰氏体积、孔隙度、含气饱和度和变质程度数据来自实验数据。顶板泥岩比例通过钻孔数据统计得出。割理条数通过赋值获得，15～20条/(5 cm)赋值4，10～15条/(5 cm)赋值3，5～10条/(5 cm)赋值2，0～5条/(5 cm)赋值1。资源量数据是指煤层埋深在1 200 m以浅。

2 评价方法

2.1 传统方法原理及步骤

借鉴常规油气区带评价方法，选取几个与煤层气相关的主要因素进行叠合，根据实际地质条件制定有利区划分标准。由于使用的参数相对较少，该方法在评价初期应用较为广泛，而且评价结果较为直观、快速。

选取煤层厚度、煤阶和埋藏作为关键因素，根据评价参数分级，对鹤岗煤田有利区进行初步评价。评价结果为南山矿和益新矿为Ⅰ类区，鸟山矿、富力矿、兴安矿和峻德矿为Ⅱ类区，兴山矿和新华矿为Ⅲ类区。

2.2 灰色聚类原理及步骤

灰色理论系统在油气区带评价应用广泛[12-13]，由于煤层气评价指标较多，而各个指标之间的关系不够明确，难以准确分类，含煤盆地区带评价具有灰色特征，每个指标都具有不同意义，而叠加后结果不确定，通过建立白化函数，将观测对象划分成若干个可定义类别，使同类因素归并， 复杂系统简单化，从而判别区带类型。将鹤岗煤田八个矿区作为聚类对象，将12个评价参数记作聚类指标，聚类步骤主要包括四个部分：

图2 鹤岗煤田叠合法优选有利区分布图Figure 2 Preferable CBM zones distribution in Hegang coalfield through superposition

表1 鹤岗煤田煤层选区评价参数

表2 白化函数阀值及聚类权

①列出各矿区聚类白化数dij，i代表矿区，j代表评价参数。对数据进行标准化。

(1)

(2)

④利用区带划分好中等和差三类聚类系数构造聚类行向量，进行聚类判别，实现区带评价目的。

(3)

根据上述步骤，先将表1中数据作标准化处理，应用规格均值法将数据的量纲的影响降到最低。根据经验确定白化函数，带入(1)式中获得阈值和各指标的聚类权(表2)。将表2数据带入(2)中，计算出聚类系数，然后按照聚类标准进行排序(表3)。

2.3 主成分分析法原理及步骤

主成分分析法的目的是用较少的变量去解释原始数据中大部分的变异[14-16]。这种方法可以对大量有关联性指标进行信息提取和简化，从而更加深刻的揭示事物的内在规律[17-18]。假设每个区块有p个评价参数记为X1，X2，…Xp，将其进行线性组合，作为新的综合指标F1，F2，…，Fk(k≤P)，则第i个主成分为Fi。主要步骤如下[19-20]：

表3 灰色聚类评价结果

①数据标准化处理后，计算相关系数矩阵R，然后得到R的特征值λi和特征向量ui。

②根据特征根对应特征向量，计算每个主成分的方差贡献率和累计方差贡献率(Bi≥85%)。

(4)

(5)

③从而得到m个主成分，F1，F2，…，Fm，最终可以确定煤储层质量主成分分析模型。

(6)

应用SPSS数据分析软件对12项指标进行标准化处理，得到标准化数据表(Xij)8×12。通过计算相关系数矩阵求取特征值和特征向量(表4、表5)。应用公式(6)可以得到鹤岗煤田各矿区综合评分值，排序后即可优选出有利区。

由第一主成分可以发现含气量、渗透率、资源量、灰分和平均孔隙度贡献率较大，反映出储层物性因素在选区评价中的核心价值；第二主成分中割理、顶板泥岩比例和储层压力梯度贡献率较大，反映出保存条件在煤层气选区评价中的关键性；第三主成分中兰氏体积、含气饱和度和煤层厚度贡献率较大，反映出煤层原始的生烃基础对选区的重要性。

表4 鹤岗煤田矿区特征值和方差贡献表

表5 鹤岗煤田矿区标准化正交特征向量

表6 鹤岗煤田各矿区综合得分及排序

3 评价结果对比分析

通过上述方法对鹤岗煤层气选区进行评价，南山矿和益新矿优选为Ⅰ类区，作为鹤岗煤田煤层气勘探开发首选区块，证实了两个矿区综合条件优越。在其他矿区的评价过程中，传统方法只是宏观上进行大体区分，对后续工作的开展和制定决策带来不确定性。灰色聚类和主成分分析法对八个矿区进行有定量评价，综合多种因素对各个矿区进行有效排序，对后续的煤层气勘探和开发方向提供了理论支撑。下面将分别探讨三种方法的优缺点和可信度。

3.1 传统方法

传统方法的优点突出，在煤层气勘探初期，可以获得的地质参数较少，往往从物质基础的角度出发，首选如煤层累计厚度、煤阶等因素，将几个单一的地质参数平面图进行叠合，同时具有多种有利因素的矿区即为有利区，而且只能大体上区分出不同矿区的所处的勘探序列，而同一序列中的矿区无法进行排序。该方法较为简单、直观，对处于区带评价阶段的含煤盆地具有一定参考价值。传统方法的缺点同样突出，评价过程中考虑的因素过于单一，而煤层气成藏过程复杂，需要多种因素匹配，而且不同的地质背景下，主导因素也会发生变化，这就导致评价结果可信度降低。煤层气评价参数存在多种相互牵制的条件，如煤阶高的地区煤层薄，煤层厚度大的地方含气量低等，此时多因素叠加的方法就会产生争议，评价结果也往往无法反应真事情况。如鸟山矿区用叠合法划为Ⅱ类区，定量评价方法中归为Ⅰ类区。

3.2 灰色聚类方法

灰色聚类分析方法在油气勘探过程中应用广泛，其优势包括两点：①利用区带评价具有灰色特征，解决“小样本”“贫信息”不确定系统，通过部分已知的区块信息实现对整个区带的认识和描述；②通过建立白化函数，基于不同地区的特征制定不同指标的界限值，利用数学方法确定权重值，使得评价的结果更加客观、可信。该方法的劣势在于仍无法摆脱人为因素，权重的确定是该方法的核心部分，权重又受到白化函数阀值的控制，阀值的确定受到人为因素的干扰，因此其可信度受到一定的削弱。③区带评价过程中，选取的参数为平均值，往往煤层在区带内具有较强的非均质性，加入新的数据势必影响评价结果。因此，随着煤层气勘探获得数据的增加，该方法的推广受到制约。

3.3 主成分分析法

主成分分析法优势包含三个方面：①将原始关系复杂的各种参数转换成为相互独立的主成分,接下来的运算都是针对这些主成分进行综合评价,排除了参数间重复信息的使用。②评价方法的核心就是评价参数权重的确定，主成分分析方法权重的确定是通过数据分析而得到的各参数之间的内在结构关系得到的，因此该方法相对其他评价方法的优点就是客观。③降维后主成分个数是较少，简便综合评价过程。主成分分析法也存在一定缺陷，即评价过程中用线性关系处理主成分、评价参数、综合评价结果三者的关系，计算方法需要在实际应用过程中改进，使评价结果更加客观、可信。

综上所述，煤层气选区评价是一个动态过程，需要多种方法相结合。在评价初级阶段，使用定性的评价方法为煤层气勘探确定整体方向，随着对勘探区域获取的参数不断丰富，通过定量评价方法对煤层气区带进行精细评价，可以对有序勘探开发和储量接替提供科学依据。

4 结论

①应用定性和定量的方法对鹤岗煤层气有利区进行评价，三种方法都将南山矿和益新矿选择为最优区带，均实现评价目的。定性评价法具有“参数较少、操作简单，快速评价”的优势，缺点是同类矿区无法排序和单一因素的叠加无法客观反应煤层气复杂成藏过程，对勘探提供支撑有限。

②灰色聚类和主成分分析法的对鹤岗煤田有利区评价结果契合度较高，解决了煤层气有利区带定量评价的难题。灰色聚类依然存在主观因素的影响，主成分分析法更具有优势，既简化了评价体系，又摒弃了主观因素的干扰。

③煤层气勘探开发是一个动态过程，区带评价方法与勘探阶段有效匹配是关键环节，因此定性和定量评价方法的综合运用可以更好的为煤层气勘探开发服务。

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