基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的煤層氣儲(chǔ)層測(cè)井產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究

喬 磊,季新杰，陳立海，王 平，崔 友，蘇浩男

(承德石油高等專科學(xué)校 a.儀器儀表中心；b.熱能工程系；c.電子工程系；d.工業(yè)中心，河北 承德 067000)

煤層氣是一種自生自儲(chǔ)的，以甲烷為主要成分，主要吸附在煤巖基質(zhì)的微孔隙內(nèi)表面，少部分游離于裂縫孔隙或溶解于煤層水中的非常規(guī)天然氣。開(kāi)發(fā)利用煤層氣，對(duì)于緩解我國(guó)當(dāng)前油氣資源短缺的現(xiàn)狀，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速健康發(fā)展具有重大意義[1-2]。產(chǎn)能是表征儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)特征的一個(gè)綜合指標(biāo)，是儲(chǔ)層的生產(chǎn)潛力和各種影響因素之間通過(guò)相互制約而達(dá)到的一種動(dòng)態(tài)平衡。利用測(cè)井方法評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)能，就是力圖利用這種通過(guò)測(cè)井方法獲取的靜態(tài)的儲(chǔ)層參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的產(chǎn)能[3-7]。開(kāi)展煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究，建立基于測(cè)井技術(shù)的煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能級(jí)別預(yù)測(cè)模型，形成煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)體系，可以拓展測(cè)井技術(shù)在煤層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)上的應(yīng)用，優(yōu)選開(kāi)發(fā)區(qū)域和層位、降低煤層氣開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高開(kāi)發(fā)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)原理

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是以模糊變換原理和最大隸屬度原則為基礎(chǔ)，并考慮到評(píng)價(jià)對(duì)象受多種因素的影響，在處理具有模糊性的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題上應(yīng)用廣泛。煤層氣儲(chǔ)層系統(tǒng)就是包含煤層氣的產(chǎn)生、儲(chǔ)集、遷移、富集成藏和產(chǎn)出的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程。利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià)，就是對(duì)引起產(chǎn)能變化的各個(gè)帶有模糊性的影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后加權(quán)獲取對(duì)產(chǎn)能的評(píng)價(jià)值。模糊綜合評(píng)價(jià)方法通過(guò)對(duì)與評(píng)價(jià)對(duì)象相關(guān)的多種因素的隸屬度進(jìn)行加權(quán)求和，獲取某對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值[8]。

在進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)中，隸屬度函數(shù)的確定應(yīng)當(dāng)是客觀的，但在實(shí)際應(yīng)用中也具有一定的人為主觀性。目前，并沒(méi)有一套成熟有效的確定隸屬度函數(shù)的方法。對(duì)于相同的評(píng)價(jià)對(duì)象，不同的人很可能建立并不完全相同的隸屬度函數(shù)。目前，常用的隸屬度建立方法有模糊統(tǒng)計(jì)法[9-10]、二元對(duì)比排序法[9,11]、例證法[9]、專家經(jīng)驗(yàn)法[10]等。

在進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)中，因素權(quán)重的確定是非常重要的，它反映了各個(gè)因素在評(píng)價(jià)過(guò)程中所起的作用，直接影響評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。目前常用的確定因素權(quán)重的方法主要有專家打分法[10]、層次分析法[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[11]和灰色關(guān)聯(lián)分析法[11-13]等。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型產(chǎn)能預(yù)測(cè)

本文利用已經(jīng)選取的20口井的測(cè)井和排采資料，采用通過(guò)測(cè)井方法獲取的煤層厚度、埋深、碳分、灰分、含氣量、裂縫孔隙度和裂縫滲透率7個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并基于上述參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響和煤層氣開(kāi)發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，定義各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。

1)煤層厚度：煤層厚度與煤層生氣和儲(chǔ)氣能力密切相關(guān)。在研究區(qū)塊，煤層厚度的變化范圍大部分在4.4～6.8 m。煤層厚度用TC表示，建立的煤層厚度的隸屬度FMTC如下：

(1)

2)煤層埋深：煤層埋深過(guò)淺，煤層氣容易散失，煤層埋深過(guò)深，開(kāi)發(fā)成本將過(guò)高。在研究區(qū)塊，煤層埋深的變化范圍大部分在500～900 m，且與煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能總體呈正相關(guān)。煤層埋深用BD表示，建立的煤層埋深的隸屬度FMBD如下：

(2)

3)煤巖碳分：碳分是煤巖中的有機(jī)質(zhì)，且表面微孔隙發(fā)育，因此與煤巖的生氣和儲(chǔ)氣能力密切相關(guān)。在研究區(qū)塊，煤巖中碳分的變化范圍大部分在78%～86.2%。碳分的含量用Combu%表示，建立碳分的隸屬度FMCombu如下：

(3)

4)煤巖灰分：灰分是煤巖中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，隨著灰分含量的升高，煤巖生氣和儲(chǔ)氣的能力都降低。在研究區(qū)塊，煤巖中灰分的變化范圍大部分在13%～21%。灰分的含量用Ad%表示，建立灰分含量的隸屬度FMAd如下：

(4)

5)煤層含氣量(Vg)：含氣量反映煤層供氣的能力，是影響煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能的基本指標(biāo)。在研究區(qū)塊，煤層含氣量的變化范圍大部分在10～17.5 cm3/g。煤層含氣量用Vg表示，建立的含氣量的隸屬度FMVg如下：

(5)

6)煤巖裂縫孔隙度：裂縫孔隙度反映煤巖割理發(fā)育程度，進(jìn)而影響煤層氣的滲流能力。在研究區(qū)塊，煤巖裂縫孔隙度的變化范圍主要在0.1%～0.7%。孔隙度的含量用φf(shuō)%表示，建立裂縫孔隙度的隸屬度FMφf(shuō)如下：

(6)

7)煤巖裂縫滲透率(Kf)：裂縫滲透率是反映煤層氣滲流能力的基本指標(biāo)，較高的裂縫滲透率是煤層氣儲(chǔ)層高產(chǎn)的重要條件。在研究區(qū)塊，煤巖裂縫滲透率的變化范圍大部分在0.1～1.25 mD，裂縫滲透率用Kf表示，建立裂縫滲透率的隸屬度FMKf如下：

(7)

產(chǎn)能影響因素的權(quán)重與產(chǎn)能評(píng)價(jià)的結(jié)果直接相關(guān)。本文利用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算的各個(gè)產(chǎn)能影響因素的權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)能影響因素的權(quán)重

基于前述的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，建立適用于研究區(qū)塊的煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能模糊綜合評(píng)價(jià)體系，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

FI=WVgFMVg+WAdFMAd+WCombuFMCombu+
Wφf(shuō)FMφf(shuō)+WKfFMKf+WTCFMTC+WBDFMBD

(8)

式中，F(xiàn)I為模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；FMVg、FMAd、FMCombu、FMφf(shuō)、FMKf、FMTC和FMBD分別為含氣量、灰分、碳分、裂縫孔隙度、裂縫滲透率、厚度和埋深的模糊隸屬度；WVg、WAd、WCombu、Wφf(shuō)、WKf、WTC和WBD分別為含氣量、灰分、碳分、裂縫孔隙度、裂縫滲透率、厚度和埋深的模糊隸屬度的權(quán)重。

利用已經(jīng)選取的20口井，計(jì)算每口井3#煤層的特征模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。并利用平均日產(chǎn)氣量與特征模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)建立產(chǎn)能分級(jí)交會(huì)圖版(見(jiàn)圖1)。參照產(chǎn)能級(jí)別的不同和數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集的差異，劃分模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的范圍，選取FI=0.25和FI=0.62為分界點(diǎn)，當(dāng)FI>0.62時(shí)為高產(chǎn)能級(jí)別儲(chǔ)層，當(dāng)0.25

本文通過(guò)計(jì)算QSN-T1(低產(chǎn)井)、QSN-T2(中產(chǎn)井)和QSN-T3(高產(chǎn)井)3口井3#煤層的特征模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，預(yù)測(cè)產(chǎn)能級(jí)別，并與實(shí)際產(chǎn)能級(jí)別對(duì)照，驗(yàn)證模糊綜合評(píng)價(jià)模型的有效性。

QSN-T1井是一口低產(chǎn)井，實(shí)際壓裂后產(chǎn)氣量為181 m3/d。圖2為QSN-T1井3#煤層模糊綜合評(píng)價(jià)模型產(chǎn)能預(yù)測(cè)成果圖，3#煤層的特征模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FI為0.19(FI<0.25)，預(yù)測(cè)為低產(chǎn)能級(jí)別儲(chǔ)層，與實(shí)際產(chǎn)能級(jí)別吻合。

QSN-T2井為一口中產(chǎn)井，實(shí)際壓裂后的產(chǎn)氣量為710 m3/d。3#煤層模糊綜合評(píng)價(jià)模型產(chǎn)能預(yù)測(cè)成果圖(略)，3#煤層的特征模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FI為0.36(0.25≤FI≤0.62)，預(yù)測(cè)為中產(chǎn)能級(jí)別儲(chǔ)層，與實(shí)際產(chǎn)能級(jí)別吻合。

QSN-T3井為一口高產(chǎn)井，實(shí)際壓裂后的產(chǎn)氣量為1 401 m3/d。圖3為QSN-T3井3#煤層模糊綜合評(píng)價(jià)模型產(chǎn)能預(yù)測(cè)成果圖，3#煤層的特征模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FI為0.73(FI>0.62)，預(yù)測(cè)為高產(chǎn)能級(jí)別儲(chǔ)層，與實(shí)際產(chǎn)能級(jí)別吻合。

4 結(jié)論

本文介紹了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用到煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能預(yù)測(cè)中。模糊綜合評(píng)價(jià)模型通過(guò)打分和加權(quán)的方法建立不同影響因素和產(chǎn)能之間的關(guān)系，既能反映不同影響因素的差異性，又能對(duì)所有因素進(jìn)行兼顧。經(jīng)過(guò)實(shí)際試氣資料驗(yàn)證，該模型計(jì)算的煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能級(jí)別與實(shí)際產(chǎn)能級(jí)別相吻合，能夠達(dá)到對(duì)研究區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測(cè)的要求，拓展了測(cè)井技術(shù)在煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)上的應(yīng)用。