貴州省煤層氣規劃區塊煤儲層特征與有利區優選

向文鑫，桑樹勛,，吳章利，屠 斌，郭志軍，韓思杰，周效志，周培明

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3.自然資源部復雜構造區非常規天然氣評價與開發重點實驗室，貴州 貴陽 550009；4.貴州省油氣勘查開發工程研究院，貴州 貴陽 550009；5.貴州省六盤水市鐘山區自然資源局，貴州 貴陽 553000)

貴州是我國南方的煤炭資源大省，素有“西南煤海”之稱[1]。近些年來，貴州省煤層氣結合自身地質特點并借鑒沁水盆地勘探開發經驗發展迅速，完成了包括直井、斜井、水平井等多種煤層氣開發模式的探索與實踐[2-3]，并提出了小層射孔[4]、分段壓裂[5]、合層排采[6-7]的開發工藝。但目前仍然存在勘查程度低，探明儲量少等問題，這與研究區地質條件復雜、煤層氣勘查區塊數量少有較大關系，因此增加煤層氣區塊投放，對于促進貴州煤層氣勘查開發工作具有重要意義。區塊的增加勢必需要開展選區評價，而煤層氣的選區評價是一個復雜的多因素耦合過程。在此之前，諸多學者曾用了不同的方法進行嘗試，如層次分析法[8]、主成分分析法[9]、灰色聚類法[10]、模糊數學法[11]等。其他還有專家打分法、一票否決法、關鍵要素遞階優選法、熵值法、突變評價法[12]、灰色關聯分析法等。這些方法各有其適用范圍及特點，但均未完全滿足貴州省復雜地質背景下煤層氣選區評價需求。在貴州省煤層氣選區評價中，前人對地質條件較好的區域研究較多，如張春朋等[8,13]對六盤水煤田內各聚氣單元已經做了較完整的選區評價工作，評選出來的煤層氣有利開發區塊(如土城向斜、盤關向斜)在實際勘探開發中也取得了較好的產氣效果。然而針對貴州省復雜地質背景條件下煤層儲層特征與礦權空白區塊的資料詳細程度的差異性，目前的地質選區評價方法與參數體系難以有效指導貴州省大規模開展煤層氣勘探開發工作。這也是近年來貴州省煤層氣難以開展大規模勘探開發的重要原因之一[14]。

為此，筆者綜合18 個規劃區塊地質資料、周邊煤礦勘查報告及近年來在貴州省三大煤田煤層氣地質調查方面取得的最新成果，從煤層氣地質背景、含氣性、煤儲層發育特征和儲層物性等方面系統分析了規劃區塊煤儲層特征，將區塊劃分為中階煤煤層氣區塊和高階煤煤層氣區塊，并給予不同的參數評價標準。最后運用多層次模糊數學綜合評判法對18 個規劃區塊進行優選，科學合理地優選煤層氣有利勘探開發區塊，以期為未來貴州省煤層氣整體有序的勘探開發工作部署提供依據和支持。

1 煤層氣規劃區地質背景

1.1 煤層氣規劃區分布

為加快推進貴州省煤層氣產業提質增速，促進煤層氣勘探開發工程的有序開展，貴州省在六盤水煤田、黔北煤田和織納煤田新設立了18 個礦權空白區，其劃分主要依據煤層氣地質條件及已有區塊的界線，規劃區塊分布特征如圖1 所示。規劃區分布面積約1 133.5 km2，集中分布在水城、盤縣、六枝、金沙、黔西、織納等礦區。這些區塊分布廣，地質特征差異明顯，各種類型的煤層氣藏均有覆蓋，具備一定的代表性。

圖1 規劃區分布及構造綱要[15]Fig.1 Outline map of distribution and structure of the planning area[15]

1.2 煤層氣規劃區地質條件

在區域構造上，研究區主體位于上揚子板塊揚子陸塊南部被動邊緣褶沖帶下的四級構造單元-織金寬緩褶皺區及六盤水復雜變形區。其構造特征主要受印支、燕山和喜馬拉雅三期褶皺運動影響，又以燕山運動影響最為強烈[16]。這三次褶皺運動使研究區內產生了不同方向和形態的構造形跡組合(圖1)，控制了含煤地層的保存程度和賦存狀態。含煤地層被分割于眾多獨立次級向斜單元，總體上具有向斜控氣的構造特征。

貴州省煤層主要分布于遵義-貴陽-紫云以西的黔西地區，整體具有明顯的東西分帶特征，自西向東煤層厚度呈現低-高-低的變化(圖2)。從平面上看，黔西地區的過渡相地帶(盤縣、水城、納雍一帶)具有煤層沉積的可容空間，加之古植物在溫暖潮濕的氣候下大量生長[17]為泥炭的堆積提供了豐富的物質基礎，因此聚煤作用尤佳，是各成煤期的聚煤中心。其中，又以三角洲平原聚煤最好，潟湖-潮坪聚煤次之，河流聚煤最差。從圖2 中可以看出，本次研究的18 個區塊均處于三角洲平原沉積相帶，聚煤作用較好。

圖2 貴州晚二疊世沉積相演化[18]Fig.2 Sedimentary facies evolution of Late Permian in Guizhou Province[18]

2 煤儲層特征

2.1 主力煤儲層發育

研究區內各變質階段的煤類均有分布，煤階差異明顯(圖3)。其中，六盤水煤田以中高階煤(Rmax=1.2%～4%)為主，而黔北煤田、織納煤田則廣泛分布高階煤。研究區各區塊埋深較深，隨著埋深增加，一方面，地層溫度與壓力不斷上升，煤層吸附能力增強，含氣量增加。另一方面，埋深增加到一定程度，較高的地應力會導致煤層滲透率急劇降低，開發成本大大上升[19]，故適宜的開發深度應該在800～1 000 m，而本次研究的各區塊普遍達1 000～1 200 m。另外，經本次研究統計，研究區內各區塊主采煤層厚度以薄-中厚層(薄煤層小于1.3 m，中厚煤層1.3～3.5 m)為主，占全部主采煤層的95%以上，主采煤層層數較多(6～22 層)，煤層總厚度較大(7.8～22.6 m)，煤層間距小(大多小于10 m)，構造煤廣泛發育，煤體結構不穩定。由此可見，研究區各區塊雖地理位置不同，但沉積環境較類似，均屬于三角洲平原相沉積，主力煤儲層發育特征相差不大，總體具有煤階高、埋藏深、煤層薄、層數多、間距近的特點。

圖3 貴州中高階煤分布[1]Fig.3 Distribution of medium-and high-rank coal in Guizhou Province[1]

2.2 煤儲層含氣性

研究區內煤層含氣量在2.59～23.75 m3/t，平均11.27 m3/t，其中超過90%的煤層氣含量大于4 m3/t，半數以上的煤層含氣量超過10 m3/t(圖4)。六盤水煤田各區塊平均含氣量為13.45 m3/t，遠高于黔北煤田的11.24 m3/t 和織納煤田的9.6 m3/t。除此之外，在500 m 以淺，煤層含氣量隨埋深的增加表現出增大的趨勢，500 m 以深煤層含氣量與埋深無明顯的相關性。

圖4 各區塊含氣量直方圖Fig.4 Gas content histogram of each block

經體積法計算，研究區含氣量大于4 m3/t、埋深小于2 000 m 可采煤層氣地質資源量在(23.67～484.91)×108m3，資源豐度在(1.21～4.99)×108m3/km2，平均2.1×108m3/km2，均高于全國平均水平的1.12×108m3/km2，由此可見，研究區煤層氣資源條件優越，遠高于全國平均水準。同時，從圖5 中不難看出六盤水煤田資源特征主要表現為“肥大型”，資源較豐富；黔北煤田資源特征主要表現為“肥大型”和“瘦小型”，資源形成兩極分化；織納煤田則主要表現為“瘦小型”，資源較貧乏[20]。

圖5 各區塊煤層氣地質資源量及資源豐度Fig.5 Amount and abundance of CBM geological resources in each block

2.3 儲層物性

研究區18 個區塊滲透率統計結果見表1。六盤水煤田的滲透率整體低于黔北煤田和織納煤田，總體不利于煤層氣的地面開發。根據DZ/T 0217-2020儲層滲透率劃分標準[21]，認為研究區中滲透率和高滲透率儲層偏少，以特低-低滲透率儲層為主，中滲透率儲層也占有一定比例。結合表1 認為，六盤水煤田主要分布特低-低滲透率儲層，黔北煤田主要為低-中滲透率儲層，織納煤田主要為中滲透率儲層。影響煤儲層滲透率的地質因素不同，宏觀上研究區各區塊煤層埋深普遍偏大，且受多期褶皺運動影響，構造復雜，煤層受改造程度大；微觀上貴州省構造煤廣泛發育，煤體結構破碎，因此造成研究區滲透率普遍偏低。

表1 貴州三大煤田滲透率范圍Table 1 Table of permeability range of three coal fields in Guizhou Province

影響煤儲層壓力的因素眾多，其最主要的控制因素是埋深和地應力[22]。而研究區各區塊埋深普遍偏大，構造復雜，因此煤儲層壓力、儲層壓力梯度都普遍偏高。其中以六盤水煤田區塊最為典型，煤儲層壓力梯度均大于1 MPa/hm，表現為正常-高異常壓力梯度為主，局部地區低異常壓力特征；黔北煤田則一般小于1 MPa/hm，表現出整體低異常壓力梯度，局部高異常壓力梯度。另外，本文對17 個區塊(金沙官田壩無數據)的等溫吸附數據進行了統計，結果如圖6。各區塊吸附常數a平均為32.58 cm3/g，吸附常數b平均為1.13 MPa-1，儲氣能力較好。整體來看，黔北煤田和織納煤田煤層吸附性好于六盤水煤田，且黔北煤田和織納煤田各區塊間吸附性相差不大，而六盤水煤田各區塊間吸附性相差較大，認為其原因應是六盤水煤田各區塊煤階差別較大。

圖6 各區塊等溫吸附數據Fig.6 Isothermal adsorption data of each block

3 選區評價方法

3.1 優選方法與基本思路

由于本次研究區范圍廣，各區塊煤階跨度大，從氣、肥煤到無煙煤均有分布。而煤階的差異往往代表了儲層物性的變化，且不同煤階其資源量計算標準不同。因此，本文參照DZ/T 0216-2020，將18 個規劃區塊劃分為中階煤區塊和高階煤區塊，運用多層次模糊數學評判法[23-24]，先對選區評價系統劃分層次，建立 多層次結構模型，然后根據評價目的選擇評價指標體系，通過數學處理把原本模糊和非定量化特征的指標定量化，確定各指標的重要性系數和隸屬度，對兩類區塊采用同一套參數體系和不同的賦值體系，最后得到有利區塊評價結果。

3.2 評價指標體系

綜合前人選區評價指標體系的研究[25-27]，本文綜合考慮貴州煤層氣差異性的關鍵地質特征，如貴州省煤層普遍較薄且構造煤廣泛發育，因此創新地將大于2 m 煤層數和構造煤發育程度列入評價指標；中高階煤的儲層物性差異較大，則將滲透率、儲層壓力梯度、含氣飽和度列入評價指標，以提高兩類區塊的區分度。本次評價重點考慮資源條件，兼顧地質背景、儲層條件和開發條件，共選取了15 個指標作為本次研究所用的評價指標，根據這些參數的相互關系可建立選區評價參數體系，見表2。

表2 貴州省煤層氣規劃區選區評價參數體系Table 2 Selection evaluation parameter system of the CBM planning area in Guizhou Province

3.3 有利區優選過程

3.3.1 確定指標重要性系數

在遵循客觀性和評價主體的特殊性兩大原則基礎上，通過對同層次指標的兩兩比較，并寫成矩陣形式，構成判別矩陣。本次采用0～4 標度對重要性系數進行賦值，同層次指標兩兩比較的取值范圍是：極端重要大于等于3；很重要2～3；稍微重要1～2；兩者相當為1；稍微不重要1/2～1；不重要1/3～1/2；極端不重要小于等于1/3。然后運用方根法求得矩陣的最大特征根及相應的特征向量，從而得到各指標層和準則層相鄰層判斷矩陣及重要性系數，本次區塊優選重要性系數計算結果見表3。隨后要對判斷矩陣進行一致性檢驗，一致性檢驗采用文獻[28]中提出的方法，可見本次評價的隨機一致性比率C.R.＜0.1，說明判別矩陣具有滿意的一致性，其結果可以用于區塊優選。

表3 重要性系數確定Table 3 Importance coefficient determination

3.3.2 確定評價參數隸屬度

本文依據問題屬性，結合實際情況和經驗，選擇適當的分段和線性擬合。中高階煤的儲層物性差異大，對兩類區塊分別進行賦值；18 個區塊整體埋深均較大，在確定最有利埋深時可適當放寬到800 m，不利埋深為1 200 m 以深。除此之外，貴州普遍以中薄煤層為主，厚煤層較少，大于2 m 的煤層數一般在0～3 層；而貴州各煤田的構造煤相對較發育，根據構造煤在垂向上比例，基本在30%～60%。其余如主采煤層厚度、煤階等，均考慮貴州總體煤層賦存情況進行賦值。本文對于高階煤與中階煤的隸屬度值見表4。最后根據得到的各指標的重要性系數與準則層對應的重要性系數進行加權綜合，得到指標層相對目標層的重要性系數。

表4 區塊優選評價參數權重與評價標準賦值Table 4 Weight of block optimization evaluation parameters and evaluation criteria assignment

4 區塊評價與有利區優選結果

參照表4 中評價標準，對18 個區塊進行定量評價，劃分有利區3 個、次有利區6 個、后備區9 個。值得注意的是，中階煤區塊的綜合評價系數普遍高于高階煤區塊。通過對比分析認為，拉開兩類區塊差距的地質因素主要是資源條件，主要體現在煤厚和含氣面積上。中階煤區塊普遍含氣面積巨大，煤層累計厚達20 m 以上，高階煤區塊含氣面積普遍偏小，煤層累厚在10 m 左右。由評價結果(表5)可知，中階煤中大河邊向斜區塊的綜合評價系數最高，為最有利區塊，該區塊資源條件好，構造較簡單，含氣飽和度高，可采系數高，各方面條件優越，因此開發潛力最好，其余區塊則均有明顯短板，如照子河向斜盤北區塊可采系數僅有25.35%，是所有區塊中最低，且構造煤發育程度高，達50%以上；土城向斜深部區塊可采系數也僅有34.6%，地質資源豐度則僅有大河邊向斜區塊的一半；盤關向斜黎明區塊勘查系數僅0.27，說明其勘探開發的風險會上升，且構造煤亦異常發育，達50%以上。高階煤中大方背斜南段區塊的綜合評價系數最高，為最有利區塊，其資源豐度高、構造簡單、儲層條件好，與同類區塊相比也無明顯短板。晴隆向斜兩個區塊，雖地質資源豐度是同類區塊最高的，但其構造煤發育程度高，二者均達60%以上，且儲層壓力梯度和含氣飽和度均低于正常值；苞谷地背斜龍場區塊雖地質資源量最高，但其可采系數是同類區塊最低，儲層條件也整體偏差。因此，未來貴州省煤層氣勘探開發的重點應放在大河邊向斜區塊和大方背斜南段區塊。

表5 規劃區各區塊評價參數匯總(省略部分參數)Table 5 Summary table of evaluation parameters of each block in the planning area

5 討 論

煤層氣選區評價是一個多因素耦合過程，評價方法繁雜，目前廣泛認可的即本文使用的層次分析法。充分考慮研究區煤層薄、埋藏深、構造煤廣泛發育等煤層氣差異性的關鍵地質特征，將18 個區塊劃分為中煤階區塊和高煤階區塊，優選出15 個參數建立評價指標體系，建立了中、高階煤層氣有利區優選方法，最終評選出大河邊向斜區塊和大方背斜南部區塊為最有利區塊。煤層氣勘探開發中，單個關鍵地質要素的差異易導致生產井產能低，經濟效益低，如照子河向斜區塊，其構造煤發育程度和可采系數較其他區塊差距較大，在實際開發中易遇低產井。而大河邊向斜區塊和大方背斜區塊則各條件均一，因此二者的綜合評價系數領先于其他區塊。同時，煤層氣開發實踐表明，區塊內的煤層氣生產井已取得較好的產氣效果，如：大河邊向斜區塊的鐘1 井臺，平均日產氣量達4 364 m3。因此，本次評價具備一定科學性和可靠性。

本次評價中構造煤的發育程度高會降低綜合評價系數，這主要是因為疏水降壓的煤層氣開發理論技術對于構造煤儲層并不適用。由于構造煤儲層滲透率極低且水力壓裂等改造方式效果很差，基于疏水降壓解吸采氣理論基礎的煤層氣勘探開發技術無法實現構造煤煤層氣的高效開發[29]。目前比較有效的構造煤開發模式是煤層氣頂板巖層水平井分段壓裂模式[30]，但其仍未完全解決構造煤的開發難題，未來若原位應力釋放煤層氣開發理論技術得到突破，構造煤的發育程度將不再是制約因素，反而是煤層氣高產的有利條件，屆時貴州省選區評價體系將大幅度顛覆。

6 結 論

a.研究區在沉積與構造的雙重控制下，形成了過渡相聚煤、向斜控氣的特征。18 個區塊總體具有構造煤廣泛發育，煤階變化范圍寬，煤儲層地域性特征明顯，薄-中厚煤層發育、含氣量高、儲層能量高但滲透率低的特征。

b.建立了高階煤煤層氣、中階煤煤層氣有利區分類優選方法，基于不同類型煤層氣評價指標體系不同的方法原則，以地質資源豐度、主采煤層厚度、含氣量、埋深為重要參數，以具有貴州地質特色的煤厚大于2 m 煤層數、構造煤發育程度為關鍵參數，共計優選15 個選區評價參數，采用層次分析法獲得參數權重，并建立各參數隸屬度函數，結合模糊綜合評判法確定評價樣本得分，得到綜合評價系數。

c.根據綜合評價系數，劃分有利區3 個，次有利區6 個，后備區9 個。其中中煤階的大河邊向斜區塊、照子河向斜盤北區塊和高煤階的大方背斜南段區塊綜合評價系數最高，為煤層氣勘探開發最有利區。三者具有資源條件優越，地質基礎資料詳實，儲層條件無明顯短板的共性特征。