晉陜蒙地區(qū)煤層氣勘查潛力綜合評(píng)價(jià)

摘 要

摘要：目前，晉陜蒙地區(qū)的煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段，其勘探開發(fā)資料比較豐富，開展勘查潛力綜合評(píng)價(jià)已具備條件。為此，在大量收集該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)資料的基礎(chǔ)上，綜合分析
摘要：目前，晉陜蒙地區(qū)的煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段，其勘探開發(fā)資料比較豐富，開展勘查潛力綜合評(píng)價(jià)已具備條件。為此，在大量收集該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)資料的基礎(chǔ)上，綜合分析了影響煤層氣勘查潛力的各種因素，應(yīng)用層次分析法確定了煤層氣勘查潛力評(píng)價(jià)的12個(gè)指標(biāo)，結(jié)合專家意見還對(duì)各級(jí)指標(biāo)賦予了權(quán)重，最后建立起了煤層氣資源勘查潛力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。分析認(rèn)為，評(píng)價(jià)對(duì)象具有明顯灰色性特征，運(yùn)用層次分析法和灰色聚類法建立了用于煤層氣資源勘查潛力評(píng)價(jià)的多層次綜合評(píng)價(jià)模型。利用該模型對(duì)晉陜蒙地區(qū)沁水、霍西、鄂爾多斯東緣、渭北4個(gè)含氣區(qū)帶的煤層氣資源勘查潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：最有利的勘查區(qū)塊分布于4個(gè)含氣區(qū)帶的淺部含氣區(qū)，深部含氣區(qū)勘查潛力整體上較差。其評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)今后該區(qū)煤層氣資源勘查具有指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：煤層氣；勘查潛力；綜合評(píng)價(jià)；層次分析法；灰色聚類分析法；資源條件；開采條件；開發(fā)利用條件；晉陜蒙地區(qū)
    煤層氣含氣區(qū)勘查潛力綜合評(píng)價(jià)是煤層氣勘探研究最基礎(chǔ)的工作。20世紀(jì)80年代開始，有關(guān)科研部門及生產(chǎn)單位在煤層氣資源及勘查潛力評(píng)價(jià)方面做了大量研究工作[1～11]，對(duì)中國埋深2000m以淺的煤層氣資源量及勘查潛力進(jìn)行了不同程度的評(píng)價(jià)和預(yù)測。研究領(lǐng)域主要集中于評(píng)價(jià)參數(shù)的選取、評(píng)價(jià)方法的引入，研究對(duì)象為全國主要的含氣區(qū)帶、含氣盆地，或集中于某個(gè)區(qū)域、某幾個(gè)礦區(qū)規(guī)模，研究內(nèi)容以對(duì)煤層氣資源評(píng)價(jià)為主。之前，由于獲取的煤層氣開發(fā)數(shù)據(jù)資料有限，很難對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行資源量與可采性并重的勘查潛力研究。
    晉陜蒙煤層氣有利區(qū)行政上隸屬于山西省、陜西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)管轄，主要為華北聚煤區(qū)的太行山以西地區(qū)，西至賀蘭山-六盤山斷裂帶，東到冀魯豫皖地區(qū)西界，北起陰山-燕山褶皺帶西段，南至秦嶺-大別山褶皺帶西段。主要包括沁水盆地和鄂爾多斯盆地2大含氣盆地，其中鄂爾多斯盆地分為東緣、北緣、西緣、南緣(渭北)、中部5個(gè)含氣區(qū)帶，沁水盆地分為沁水、霍西、西山3個(gè)含氣區(qū)帶。
    晉陜蒙地區(qū)的煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段，煤層氣勘探開發(fā)資料比較豐富[12～16]?，F(xiàn)有的煤層氣開發(fā)項(xiàng)目和已登記的區(qū)塊主要集中于鄂爾多斯東緣、渭北，沁水、霍西4個(gè)含氣區(qū)帶。筆者即以此4個(gè)區(qū)帶為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用灰色聚類法和層次分析法，建立煤層氣資源勘查潛力評(píng)價(jià)體系，對(duì)該區(qū)的煤層氣勘查潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文所指的“晉陜蒙地區(qū)”專指這4個(gè)含氣區(qū)帶。
1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分析
    影響煤層氣資源勘查潛力評(píng)價(jià)的指標(biāo)眾多，指標(biāo)間關(guān)系復(fù)雜。能否經(jīng)濟(jì)地開發(fā)煤層氣資源受地質(zhì)條件、開采條件以及開發(fā)利用條件等諸多因素的制約，需要選擇科學(xué)、簡捷、實(shí)用的數(shù)學(xué)模型來分析處理這些繁雜的因素。筆者綜合考慮體現(xiàn)煤層氣勘探公益性和商業(yè)性的各項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)用層次分析法建立煤層氣資源勘查潛力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)并確定各指標(biāo)的權(quán)重。
   評(píng)價(jià)指標(biāo)反映了評(píng)價(jià)對(duì)象的本質(zhì)屬性。煤層氣資源的本質(zhì)屬性比較抽象，其勘查潛力又涉及資源屬性、可采性、開發(fā)利用條件等諸多方面，各評(píng)價(jià)指標(biāo)在用于表述勘查潛力的指標(biāo)體系中所處的層次不同，且同一層次指標(biāo)的重要性有異。因此，只能用有限的指標(biāo)(定性與定量指標(biāo)結(jié)合)盡可能從本質(zhì)上刻畫或表述煤層氣資源勘查潛力這一對(duì)象的主體、本質(zhì)部分。
   基于對(duì)晉陜蒙地區(qū)煤田地質(zhì)、煤層氣地質(zhì)資料及開發(fā)數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為影響本區(qū)煤層氣資源勘查潛力的因素主要有資源條件、開采條件、開發(fā)利用條件3個(gè)方面，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1。
 

1.1.1資源條件
   資源條件是進(jìn)行煤層氣勘探開發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)。用煤層氣地質(zhì)資源量、資源豐度、資源屬性3個(gè)指標(biāo)來刻畫。地質(zhì)資源量取決于煤層發(fā)育程度及含氣性，含氣量越高，煤層厚度越大，平面分布面積越大，則總的資源量越大。資源豐度(含氣強(qiáng)度)反映了煤層氣資源的富集程度，與煤儲(chǔ)層含氣量及總的可采煤層厚度有關(guān)。
   地質(zhì)資源量、資源豐度2個(gè)指標(biāo)，一個(gè)反映資源量的大小，一個(gè)反映單位面積內(nèi)資源的富集程度。而資源屬性(品質(zhì))也是評(píng)價(jià)對(duì)象的一個(gè)重要屬性，資源品質(zhì)對(duì)煤層氣勘探開發(fā)的影響比地質(zhì)資源量、資源豐度更為重要。筆者用構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層穩(wěn)定程度、埋深3個(gè)指標(biāo)來刻畫資源品質(zhì)這一屬性。
　　開發(fā)實(shí)踐證實(shí)斷層對(duì)煤層氣開發(fā)的影響不容忽視，很多沿?cái)鄬硬渴鸬纳a(chǎn)井產(chǎn)氣很少或只產(chǎn)水不產(chǎn)氣。構(gòu)造復(fù)雜程度不僅反映了煤層氣資源破壞程度，更重要的是會(huì)影響到最終的勘探部署及開發(fā)規(guī)劃的制訂。煤層穩(wěn)定程度從一定角度代表了煤層氣資源的穩(wěn)定程度，這是資源量、資源豐度無法包容的一個(gè)屬性。煤儲(chǔ)層的埋深一方面反映了勘探開發(fā)的難易程度，另一方面煤炭資源勘探程度、煤層氣資源勘探程度和煤儲(chǔ)層埋深之間存在較為直接的關(guān)系，含氣區(qū)淺部勘探程度高，所獲數(shù)據(jù)資料更為接近煤層氣資源的本質(zhì)屬性。
1.1.2開采條件
    對(duì)于勘查潛力評(píng)價(jià)來說，可開采條件是極為重要的因素。資源條件是物質(zhì)基礎(chǔ)，可采性(開采條件)決定了煤層氣資源可采出量的大小及開采的難易程度。隨著國內(nèi)煤層氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)入商業(yè)性開發(fā)階段，開采條件在勘查潛力評(píng)價(jià)中占有越來越重要的位置，而不再是僅側(cè)重于資源條件(含氣性、含氣強(qiáng)度等)的評(píng)價(jià)。近幾年，在晉陜蒙地區(qū)施工的生產(chǎn)井、井組的數(shù)量增長迅速，并陸續(xù)投入生產(chǎn)，所獲得的生產(chǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)使得對(duì)每一個(gè)小的評(píng)價(jià)單元進(jìn)行可采性評(píng)價(jià)成為可能。
1.1.2.1 可采系數(shù)
    筆者用可采系數(shù)來表述煤層氣資源對(duì)象中可采資源量大小這一屬性，可采系數(shù)是在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下煤層氣地質(zhì)資源量中可采部分所占的比例，決定了從可獲資源角度表述的商業(yè)性投入的回報(bào)率。由于現(xiàn)階段晉陜蒙地區(qū)處于煤層氣工業(yè)開發(fā)的初期，等溫吸附曲線法是計(jì)算可采系數(shù)的常用方法。
1.1.2.2 儲(chǔ)層物性
    煤層氣開采的難易程度主要與煤儲(chǔ)層物性有關(guān)，筆者選擇了滲透率、儲(chǔ)層壓力梯度、臨儲(chǔ)比3個(gè)指標(biāo)來刻畫評(píng)價(jià)對(duì)象的這一屬性。滲透率是極為重要的煤儲(chǔ)層參數(shù)，反映了開采過程中煤儲(chǔ)層對(duì)解吸甲烷的滲流能力，高滲透率是煤層氣井高產(chǎn)的重要條件。儲(chǔ)層壓力梯度反映了開采時(shí)煤儲(chǔ)層所能提供的能量大小。臨儲(chǔ)比即臨界解吸壓力與儲(chǔ)層壓力之比，反映了煤層氣開采時(shí)需要降壓的幅度及產(chǎn)氣時(shí)間的早晚。由于研究區(qū)內(nèi)煤級(jí)變化大，不同煤級(jí)之間絕對(duì)含氣量的高低不能真正體現(xiàn)其可采程度，而臨儲(chǔ)比可以反映煤層氣開采的難易程度，是體現(xiàn)開采條件的重要指標(biāo)。
1.1.3開發(fā)利用條件
    開發(fā)利用條件是煤層氣經(jīng)濟(jì)開采的外在影響因素，細(xì)分為市場需求、地形條件和基礎(chǔ)設(shè)施3個(gè)指標(biāo)：①市場需求主要考慮煤層氣田附近城市、人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等因素，用以評(píng)估當(dāng)?shù)氐拿簩託赓Y源需求量；②地形條件決定了地面投資成本及開發(fā)難易程度，對(duì)開發(fā)具有一定的影響；③基礎(chǔ)設(shè)施為煤層氣的勘探開發(fā)提供保障，涉及當(dāng)?shù)氐慕煌ā⒒A(chǔ)管線建設(shè)及其他條件。
晉陜蒙地區(qū)煤層氣勘查潛力評(píng)價(jià)體系共包括7個(gè)定量指標(biāo)(地質(zhì)資源量、資源豐度、埋深、可采系數(shù)、滲透率、儲(chǔ)層壓力梯度、臨儲(chǔ)比)，5個(gè)定性指標(biāo)(構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層穩(wěn)定程度、市場需求、地形條件和基礎(chǔ)設(shè)施)，共12個(gè)指標(biāo)。其中定量指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)指標(biāo)對(duì)煤層氣勘查的意義及各指標(biāo)在晉陜蒙地區(qū)分布特征來確定；定性指標(biāo)分級(jí)采用同一原則，因此也采用同一分類標(biāo)準(zhǔn)。該體系中條件、指標(biāo)的內(nèi)涵和特征取值、賦值標(biāo)準(zhǔn)見表1。
 

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算
    運(yùn)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重的步驟為：首先邀請有關(guān)專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較打分，建立判斷矩陣，然后計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[17～19]。
    煤層氣勘查潛力指標(biāo)體系分為4層，其中目標(biāo)層為綜合評(píng)價(jià)值，準(zhǔn)則層有3層(分為三級(jí)指標(biāo))。下面以一級(jí)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算為例，描述層次分析法確定權(quán)重的過程。專家討論后的打分結(jié)果見表2。專家打分時(shí)一般采用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為重要性標(biāo)度，其含義見表3，計(jì)算方法參見本文參考文獻(xiàn)[15]。
 

    1) 構(gòu)造一級(jí)指標(biāo)兩兩比較判斷矩陣。
 
    2) 用方根法計(jì)算權(quán)重向量，并計(jì)算出判斷矩陣的最大特征值。
W=(w1，w2，w3)=(0.4330，0.4665，0.1005)
        λmax=3.0055
    3) 一致性檢驗(yàn)。
CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.0055-3)/(3-1)=0.002756
 CR=CI/RI=0.002756/0.52=0.005＜0.10
可以認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，進(jìn)而可認(rèn)為第二步計(jì)算出來的一級(jí)指標(biāo)間的相關(guān)權(quán)重能夠采用。同理可以計(jì)算其他各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，最終權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表4。
 
2 綜合評(píng)價(jià)
2.1 評(píng)價(jià)方法選擇
    用于綜合評(píng)價(jià)工作的數(shù)學(xué)方法很多，常用的有加權(quán)求和法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色聚類法等[15]。
    上述基于層次分析法建立的煤層氣勘查潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用12個(gè)定量或定性的指標(biāo)來刻畫評(píng)價(jià)對(duì)象的本質(zhì)屬性。通過分析發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)對(duì)象帶有明顯的灰色特性。這是因?yàn)?，影響煤層氣資源勘查潛力的因素具有多樣性、復(fù)雜性的特征，各因素之間的關(guān)系也有待于進(jìn)一步研究。一方面只能獲得評(píng)價(jià)對(duì)象屬性的部分信息，如：煤層厚度、埋藏深度、煤層含氣量、儲(chǔ)層壓力等；另一方面，各種屬性間的關(guān)系不甚明了，如：煤層埋深、厚度、煤類對(duì)儲(chǔ)層滲透性的影響以及對(duì)煤層氣可采性的影響。
    而采用灰色聚類方法對(duì)于明顯具有灰色性的評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是合理可行的，因此，筆者采用灰色聚類法來評(píng)價(jià)研究區(qū)的煤層氣勘查潛力。
2.2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/span>
    晉陜蒙地區(qū)煤田勘探和煤層氣勘探程度較高，基礎(chǔ)資料豐富，采用埋深等值線、含氣量等值線和煤層厚度等值線作為邊界，劃分評(píng)價(jià)單元，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)有些地區(qū)的評(píng)價(jià)單元進(jìn)行合并或細(xì)分，以使資評(píng)結(jié)果更具合理性、客觀性和可靠性。沁水含氣區(qū)帶共劃分87個(gè)評(píng)價(jià)單元，霍西含氣區(qū)帶49個(gè)，鄂爾多斯東緣30個(gè)，渭北含氣區(qū)帶10個(gè)，晉陜蒙地區(qū)共劃分了176個(gè)評(píng)價(jià)單元。
2.3 評(píng)價(jià)過程
   根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)特征分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，將176個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象分為A、B、C、D共4個(gè)灰類?；疑垲惖幕静襟E為：
    1) 給出聚類白化數(shù)dij；
    2) 確定灰類白化權(quán)函數(shù)fik。
    3) 標(biāo)定聚類權(quán)ηjk。
    4) 確定聚類系數(shù)σik。
    5) 構(gòu)造聚類向量σi=(σi1，σi2，…，σip)。
    6) 進(jìn)行聚類σi=max｛σip｝，則聚類對(duì)象i屬于k灰類。
   筆者采用灰色定權(quán)聚類，即上述第3)步中聚類權(quán)由表4中的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重決定，且各個(gè)指標(biāo)關(guān)于不同灰類的權(quán)值大小不變。
   煤層氣勘查潛力評(píng)價(jià)不僅關(guān)注每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象所屬灰類，而且希望對(duì)屬于同一灰類的評(píng)價(jià)對(duì)象的勘查潛力進(jìn)行排序，指導(dǎo)以后的勘查部署。因此，在上述基礎(chǔ)上，還需求出綜合優(yōu)度值，即以下面2個(gè)步驟：
   7) 聚類系數(shù)歸一化，。
   8) 求綜合評(píng)價(jià)值M：預(yù)先設(shè)定優(yōu)、良、可、差4類的最高分值分別為90、70、50、30，則Mi=90δi1+70δi1+50δi3+30δi4。求得評(píng)價(jià)單元的最終綜合優(yōu)度值后，可以根據(jù)綜合優(yōu)度值排序，同時(shí)按優(yōu)(≥65分)、良(55～65分)、可(45～55分)、差(≤45分)4類，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先開展勘查工作、鼓勵(lì)開展勘查工作、可以開展勘查工作和暫緩開展勘查工作4類。
2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果
    晉陜蒙地區(qū)煤層氣勘查潛力綜合評(píng)價(jià)成果如圖2所示。
 

    由圖2可以看出，晉陜蒙地區(qū)煤層氣資源勘查潛力為優(yōu)級(jí)的區(qū)塊主要集中在沁水含氣區(qū)帶南部的長子-端氏-馬必一帶，鄂爾多斯盆地東緣含氣區(qū)帶從臨縣到鄉(xiāng)寧的盆地淺部邊緣一帶，以及渭北含氣區(qū)帶的韓城礦區(qū)。在沁水含氣區(qū)帶北部及東部的壽陽-昔陽-和順-左權(quán)一帶及霍西淺部含氣區(qū)也存在著勘查潛力為優(yōu)-良級(jí)的區(qū)塊，勘查潛力較好，應(yīng)加大勘探力度。按現(xiàn)有資料評(píng)價(jià)，深部含氣區(qū)勘查潛力整體上較差。
3 結(jié)論
    1) 影響煤層氣資源勘查潛力評(píng)價(jià)的指標(biāo)眾多，指標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜。筆者在綜合分析影響煤層氣勘探開發(fā)潛力的各種因素基礎(chǔ)上，用層次分析法確定了12個(gè)指標(biāo)，建立了適合研究區(qū)的煤層氣資源勘查潛力綜合評(píng)價(jià)體系。
    2) 評(píng)價(jià)對(duì)象具有明顯的灰色性特性，采用灰色聚類方法評(píng)價(jià)煤層氣資源勘查潛力合理可行，能夠最大限度地減少主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)的影響，提高勘查潛力評(píng)價(jià)精度。
    3) 在大量收集煤層氣勘探開發(fā)資料基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了研究區(qū)的煤層氣資源勘查潛力。認(rèn)為應(yīng)在沁南的長子-端氏-馬必一帶及鄂爾多斯盆地東緣淺部區(qū)優(yōu)先開展勘查工作，鼓勵(lì)在陽泉壽陽、和順、左權(quán)、霍西等區(qū)塊進(jìn)一步開展勘查工作。研究成果對(duì)該后本區(qū)的煤層氣資源勘查有一定的指導(dǎo)作用。
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(本文作者：熊德華1 唐書恒2 朱寶存2 1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院)