煤層氣開發風險評價模型及實證研究

張勇昌，楊永國

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116)

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煤層氣開發風險評價模型及實證研究

張勇昌1，2，楊永國1

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116)

煤層氣開發項目的高風險制約著我國煤層氣產業的發展，為此，通過對煤層氣開發風險因素的分析，構建由7個一級指標和36個二級指標構成的風險評價體系。提出基于期望值的三角模糊數互補判斷矩陣的方法，對煤層氣開發風險關鍵因素進行數量上的表述，估計其權重的相對大小，并確定各風險因素的隸屬度，建立煤層氣開發風險綜合評價模型。最后，以沁水盆地柿莊南區塊煤層氣井為例驗證模型的可行性和可靠性。結果表明，影響煤層氣開發的關鍵因素風險由高到底依次為：地質資源、工程技術、經濟運營、政策法規、安全保障、組織管理和社會環境；煤儲層的非均質性及開發地質條件的不確定性是造成地質資源風險偏高的主要原因，但此類風險無法直接控制，建議通過提高排采技術來盡量減弱其造成的風險。

煤層氣；三角模糊數；互補判斷矩陣；風險因素；評價模型

煤層氣開發是一項多工種的系統工程，其高投入，高風險，周期長的特點，使得對煤層氣項目開發進行風險評價顯得非常重要[1]。分析國內外相關研究發現，目前有關煤層氣風險綜合評價方面的問題比較突出。首先，影響煤層氣開發風險因素定性指標較多，而且評價指標在項目開發過程中的實時變化情況無法具體量化。其次，同一層次的評價指標之間由于不易判斷其重要程度，很難給出相對權重。再次，估計評價指標各自的真正原始值很困難，一般都是定性的評價研究。為避免傳統評價方法對不確定因素定量分析誤差過大的不足，結合模糊數方法，提出基于期望值的三角模糊數互補判斷矩陣的方法，對煤層氣開發風險進行全面、定量化地分析。

三角模糊數能更好地反映主觀判斷的模糊性，克服層次分析法的局限性[2]。荷蘭學者Van Laargoven于1983年首次提出用三角模糊數確定指標權重排序的計算方法[3]。運用三角模糊數的綜合評價方法分析影響煤層氣開發風險的眾多因素，將專家用自然語言對煤層氣開發風險做出的模糊評價數字化，并對其評價因素的權重做出估計，很好地解決了模糊信息的處理和計算問題[4]。

1　煤層氣開發風險評價指標體系

煤層氣開發風險評價的首要問題是建立合適的評價指標體系。理論上講與煤層氣生產運營有關的任何因素都可能引起煤層氣開發風險的發生，但不是所有風險因素都會造成顯著影響。指標體系的選擇原則是：單個指標的代表性、指標體系整體構造的合理性和指標的可驗證性[5]。根據此原則，從項目風險源的角度按照外部風險和內部風險初步歸納出五類主要風險因素。外部風險主要包括地質資源、政策法規，這些風險因素屬于不可控因素[6]，內部風險包括工程技術、組織管理、安全保障、經濟運營，這類風險因素所包含的變量屬于可控變量。

地質資源風險，地質資源因素對煤層氣開發起著決定作用。儲層構造、孔隙度、煤層厚度、煤層深度及水文地質條件決定了煤層氣的含氣量、采收率及滲透率，直接影響煤層氣開發項目的經濟效益[7]。

工程技術因素，煤層氣排采工程技術因素是影響煤層氣井產能最直接的因素。煤層氣井采用的鉆井、完井技術，壓裂工藝直接影響煤層氣的產量[8]。排采制度的不合理常造成儲層應力敏感性傷害，導致作用在煤儲層上的有效應力增大，使割理、微裂隙和孔隙壓縮，滲透率降低[9]。排采技術落后，開采設備陳舊，都將導致煤層氣生產效率低下，安全事故頻發。另外，煤層氣價格過低、經銷商選擇不當都可能使得煤層氣開發投資收益低于預期。

組織管理風險，組織管理是企業組織經營的核心。組織方式決定企業發展命運，組織管理結構性不足可能給煤層氣開發企業帶來風險[10]。

安全保障因素，煤層氣開發過程涉及內容廣，環節多，作業程序復雜，安全監管跨度大，安全保障是貫穿煤層氣開發全過程的關鍵因素，任何一個環節出現問題，都有可能造成煤層氣開發的風險[11]。

政策法規風險，國家對資源稅征收的調整將直接影響煤層氣開發企業的利潤，并且隨著我國環保力度的加大，以及對風能、太陽能等新能源開發的扶持，勢必會影響煤層氣的供需關系，另外宏觀經濟不景氣也會給煤層氣企業帶來風險[12]。

綜合上述分析，借鑒天然氣開發風險評價體系[13-14]，結合煤層氣開發風險特征，在企業問卷調查結果的分析基礎上，建立包含7個一級指標和36個二級指標的煤層氣開發風險評價指標體系，如表1所示。

表1　煤層氣開發風險評價指標體系

2　煤層氣開發風險三角模糊數評價

在煤層氣開發風險因素專家調查分析中，采用帶語言變量的評價值來度量指標性能，如：使用“一般”，“好”，“很好”等詞語，而這些語言評價值取值于事先定義的語言值評價集合，沒有明顯的界限劃分，僅限于定性分析。本文運用三角模糊數互補判斷矩陣排序法將模糊不確定的語言變量轉化為確定數值的定量評價。

2.1三角模糊數互補判斷矩陣

確定評語等級論域，建立評價集。

2.2三角模糊數互補評判及定權

(1)

(2)

第三步，求歸一化的指標排序權重向量Wi，見式(3)。

(3)

2.3煤層氣開發風險評價模型

模糊綜合評判的結果是獲得表示評價體系中各級模糊子集隸屬程度的模糊向量。為進一步量化風險評價結果，便于劃分風險等級，用標準化的不同數值區間來表示評價集中的風險等級，用區間中位數表征其所代表的風險大小，從而得到風險評價的具體數值。煤層氣開發風險評價模型，見式(4)。

(4)

式(4)中C為風險評價等級中位數向量，由風險評價等級量化表獲得，風險評價等級量化表如表2所示。B′為模糊綜合評價向量，見式(5)。

(5)

B′是B由(5)式歸一化的結果。

3　煤層氣開發項目風險評價實例

以沁水盆地南部柿莊南區塊8口煤層氣井為例，對其進行開發風險的模糊綜合評價，以驗證模型的可行性和可靠性。沁水盆地南部地區自2004年起開始大規模開發以來，該氣田積累了大量的煤層氣井早期生產數據資料。柿莊南區塊位于山西省東南部，該區域地質構造簡單，煤層底板起伏幅度小，煤層傾角小，割理較發育，對應力較敏感。水文地質條件簡單，含水層層間水力聯系不強，富水性弱。具體數據見表3。

表2　風險評價等級量化表

表3　柿莊南區塊煤層氣井測試數據

3.1模糊綜合評價基本步驟

根據煤層氣開發風險評價要求，對表1所示的各因素指標由煤層氣風險評價專家組進行權重分析。據專家對影響煤層氣開發的各風險因素重要性進行判斷，得到其判斷矩陣。

建立評價指標在專家評語集中的得分比重向量。設U為風險評價指標集，Ui為一級指標，Uij為二級指標，m為專家有效問卷數，yijn為對二級指標Uij作出第n級評語的專家人數，rijn為二級指標在專家評語集5集評語中的得分比重。則

(6)

據此構造包含k個二級指標的單因素評判矩陣Ri，見式(7)。

(7)

式中，Ri的第j行是二級指標Uij對于評價集中各等級的隸屬程度，第n列是Ui中Uij分別取評價集中第n個等級的程度。

向量Bi，見式(8)。

(8)

Wi為二級指標的權重集。

同理得到一級指標模糊綜合評價向量B。

返回(5)式求出B′，再代入(4)式求得E。

3.2三角模糊綜合評價計算

表4　判斷矩陣標度量表及含義

利用式(6)、式(7)構建一級指標地質資源的單因素專家評判矩陣R1。

代入(8)式得

同理可得其他各一級指標中二級指標的模糊評價結果。

運用式(5)對二級指標模糊評價結果進行歸一化處理，再代入式(4)，即可得到二級指標對應的一級指標地質資源的風險評價值為0.61。同理可得其它各一級指標所屬二級指標的風險評價值。

根據多級模糊綜合評價規則，一級指標的權重系數可由二級指標的模糊綜合評價結果計算獲得，一級指標的風險隸屬度即為二級指標的模糊綜合評價結果。據此綜合得到一級指標的系數評價矩陣：w=(0.158，0.165，0.135，0.139，0.126，0.159，0.116)。

對一級指標進行模糊綜合評價運算：B=w*R=(0.113，0.251，0.361，0.286，0.069)。將B標準后，引入本文中位數向量得到最終評價風險值：E=CB′=0.521。

對照風險評價等級量化表，可以判斷E值介于0.4～0.6之間，該煤層氣開發項目評價等級屬于一般風險。同理分析得其它煤層氣井風險評價等級，對應本文設定的風險等級量化表，可得評價結果如圖1所示。

圖1　柿莊南區塊8口煤層氣井風險評價等級

3.3結果分析

利用本文所建立的煤層氣開發風險評價模型對沁水盆地南部柿莊南區塊8口煤層氣井進行風險評價，結果顯示，研究區塊煤層氣開發風險等級基本為一般，只有SJ3號井開發風險較高，分析其原因主要是由于水文地質條件影響的結果。SJ3井處于徑流水區，水流引起的煤層壓力變化較大，煤層氣解吸量大，使得大部分煤層氣甲烷逸散，造成此煤層氣井不能達到經濟量產。

再對評價的各一級指標計算結果分析發現，在煤層氣開發過程中，其風險影響關鍵因素是地質資源因素。由于我國煤儲層的非均質性強，且存在低壓、低滲、低飽和度的問題[15]，開發地質條件復雜、開發過程易遭受高溫和高壓等不穩定因素影響，造成煤層氣開發過程中地質資源風險因素的影響最大。其次為工程技術因素，如煤層氣項目開采過程中壓裂效果不佳、排采制度不合理、排采技術落后、設備不足等。其它各風險因素的影響基本相當，依次為經濟運營、政策法規、安全保障、組織管理和社會環境。

綜合以上分析發現，單個因素的影響在某一煤層氣開發項目中所起的作用可能是至關重要的，但對多數煤層氣項目而言，煤層氣開發風險取決于各類主要控制因素的綜合影響。在對煤層氣開發進行風險評價時應綜合考慮各風險影響因素的作用，才能得出科學有效的結論。同樣在風險防控時，要在抓住關鍵影響因素的基礎上，綜合分析各個風險影響因素的相互作用，制定切實有效的防控策略。

4　結　論

1)對影響煤層氣開發的風險因素進行分析，構建由7個一級指標，36個二級指標組成的煤層氣開發風險評價體系。

2)運用基于三角模糊數互補矩陣的權重計算

方法，得出具有全面性和可驗證性的權重值，有效解決了AHP主觀隨意性和一致性驗證的問題，使得評價計算結果更為合理可靠。

3)對煤層氣開發風險因素進行定性和定量的分析，據評價指標計算結果得到關鍵因素影響權重大小。構建風險評價模型，形成風險評價等級劃分標準，為煤層氣開發風險評價和防控提供科學依據。

4)通過選取煤層氣開發井對評價模型進行實證研究，驗證模型的可行性及可靠性。模型能綜合的對煤層氣開發項目風險進行評價，對煤層氣開發項目的科學實施具有一定的實際價值。

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Risk evaluation model and empirical research for CBM development

ZHANG Yong-chang1，2，YANG Yong-guo1

(1.Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process of Ministry of Education，School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China)

The high risk of CBM development project restricts the development of CBM industry in China.Therefore，based on the analysis of main risk factor for the CBM development，we established the index system for CBM development risk evaluation.The index system consists of 7 level indicators and 36 secondary indicators.Considering to the disadvantages of determining factor weight by traditional analytic hierarchy process，the method of determining risk factors weight based on triangular fuzzy numbers is proposed by fuzzy mathematics.The memberships of qualitative and quantitative risk factors are determined.The risk evaluation model for CBM development project is established.A case study using the CBM well data observed from Qinshui basin verifies the applicability of the proposed model.The results indicate that the value for the risk factors of CBM project ranked in descending order：geological resource；technical；economic；political and legal；security；organizational and managerial；social environment.The main reason of the high risk of geological resources is caused by the heterogeneity of coal reservoir and the uncertainty of geological conditions，but such risks can not directly control，it is recommended by improving the drainage technology to try to reduce the risk caused by the geological resources.

coalbed methane(CBM)；triangular fuzzy number；reciprocal judgment matrix；risk factor；evaluation model

2015-12-09

國家自然科學基金項目資助(編號：41202236;41402291);國家科技重大專項項目資助(編號：2011ZX05034-005);江蘇省高級訪問學者項目資助(編號：201414)

張勇昌(1980-),男,甘肅天水人,副教授,博士研究生, 主要從事煤層氣方面的研究工作。E-mail:yczhang2008@163.com。

楊永國(1962-),男,浙江新昌人,教授,博士生導師, 主要從事煤層氣方面的研究工作。E-mail:ygyang88@cumt.edu.cn。

TE27

A

1004-4051(2016)08-064-05