煤層氣有利區潛力評價及勘查安全風險評價

郭紅

（山西潞安金源煤層氣開發有限責任公司，山西 長治 046000）

1 概 況

山西省襄垣縣王村—夏莊南區域煤層氣勘查區位于沁水盆地中部，勘查區東西長平均7 km，南北寬6 km，勘查區44.566 km2。王村—夏莊南區域煤層氣勘查區位于沁水盆地中部，勘查區所處沁水盆地位于山西地層分區，除華北區整體缺失地層（上奧陶統、志留系、泥盆系、下石炭系） 外，其余時代地層發育完全?？辈閰^區內廣為第四系掩蓋，僅在沖溝河床兩岸有零星基巖出露。勘查區位于沁水盆地的東翼中段，晉—獲褶斷帶和武鄉—陽城凹褶帶之間，所在的大地構造Ⅱ級區劃為華北斷塊，Ⅲ級區劃為呂梁太行斷塊，Ⅳ級區劃為沁水塊坳，全區共發育褶曲3 條，其中背斜2 條，向斜1 條。

勘查區主要在山西組及太原組的煤層中，3、8、15-1、15-2 號煤層為可采煤層，總厚度為9.99 m，其中3 號煤層和15-2 號煤層為該區域的主要可采煤層，3 號煤層厚6.72 m、15-2 號煤層厚4.27m，綜合以往地質資料和前期煤層氣勘查工作，勘查區主力煤層為3 上、3、8、15-1、15-2 號煤層，3 上+3 號煤層厚度最大，其煤層氣資源潛力較大，另外8、15-1、15-2 號煤層厚度薄很多，但煤層相對穩定，可選擇較有利區進行勘查。

2 煤層開發有利區評價

2.1 評價方法

煤層氣開采模式評判方法就是在對其影響因素的隸屬度規劃基礎上，通過專家確定的各影響因素的權重，利用模糊變換原理結合矩陣運算，從而確定各個影響因素的分值，劃分出不同等級，最終確定出煤層氣開發的有利區[1-3]。

由于煤儲層的富集高產能力受多方面因素的控制，且地質因素具有本身的復雜性與不可預見性，因此，前人對煤層氣富集高產的地質評價體系進行了大量的探索，現階段應用最廣泛的方法是模糊數學以及其引申出來的方法，權重問題對模糊數學評價結果的可靠性起著決定性的作用，現階段最常用的方法是專家打分與層次分析法。

通過對煤層氣富集高產影響因素的分析，可得出煤層氣資源條件、產出條件、開發條件、地質條件等幾項關鍵引出，在此基礎上，根據模糊評價的方法，通過矩陣運算，專家打分量化各因素對研究區富集高產的貢獻分值和權重，進行計算得出有利區帶。

首先將各因素進行集合歸類：

表征為：

其次確定各個指標好壞程度，劃分為：

將其隸屬函數取值為0~ 1，并根據隸屬度量化等級，從上到下依次為好、較好、一般、較差、差5 個等級，即：

然后可建立單因素的綜合評價矩陣：

式中：Ri為U 的模糊子集。若各指標在不同地區共測n次，確定某一指標在UA（u） 中各等級中隸屬度的次數m，確定rik=m/n。

進一步可確定權重系數矩陣：

式中：m1+m2+m3+m4=1；應用模糊矩陣的復合運算，得到煤層氣開發高產富集區的模糊綜合評判矩陣：

將其進行歸一化處理得：

此次權重主要根據專家打分方式確定。

2.2 評價體系

根據影響煤層氣富集高產的因素分析，將其具體劃分為二個一級指標和七個二級指標，一級指標分別為，資源條件、產出動力條件等[4-6]。二級指標分別為，煤層厚度、含氣量；儲層壓力梯度、含氣飽和度、煤體結構、滲透率、臨儲壓力比等，具體評價體系及相應權重見表1。

2.3 評價結果

通過綜合分析勘查區煤層氣富集成藏因素，基于層次分析法和模糊評價法計算，認為王村—夏莊南區域勘查區3 號煤層，2 套斷層中北部為煤層氣開發有利區，斷層附近煤層含氣量較低、滲透率較差；15 號煤層中北部為煤層氣開發有利區，東南部滲透率高，含氣量多，煤層氣富集條件好，也為煤層氣開發有利區。

3 煤層氣賦存特征勘查分析

3.1 勘查方案

為掌握王村夏店南區煤層氣賦存情況，基于《煤層氣資源勘查技術規范》 《油氣勘查實施方案編寫大綱》，設計此次勘查技術路線如圖1所示。

圖1 勘查技術路線Fig.1 Exploration technical route

勘查步驟為：①收集以往煤層氣、煤炭地質勘查成果；②開展二維地震及地震資料解釋；③根據布井計劃開展鉆探工作；④對鉆井進行測井、氣測錄井、固井、試井、礦巖測試、壓裂、排采等工作；⑤完成王村—夏莊南區域勘查區勘查評價工作。

勘查區域內進行鉆井時，基于以往地質資料知該區構造簡單，屬于Ⅰ類構造類型。目標煤層厚度有一定變化，但僅局部地段出現少量的減薄，沒有尖滅，穩定程度屬于Ⅱ型。因此，鉆井按Ⅰ類Ⅱ型部署?？傮w以不大于2~3 km 井距，在前期施工煤層氣參數井的基礎上再部署煤層氣參數井3 口，生產試驗井井組2 個，包括8 口垂直井，設計鉆孔參數見表2。

表2 設計鉆孔參數Table 2 Design drilling parameters

具體各個鉆井布置方式如圖2 所示。

圖2 鉆井布置位置平面示意Fig.2 Plane indication of drilling layout position

根據勘查區地質和地層情況，考慮勘查區鉆孔采用二開井井身結構，鉆井和壓裂設備施工主要采用TSJ-2600 水源鉆機和SYN5410TYL 壓裂車。一開采用φ311.1 mm 鉆頭鉆進，進入穩定基巖風化帶30 m 后，下入φ244.5 mm 表層套管，注水泥固井返至地面。二開采用φ215.9 mm 鉆頭鉆進，鉆達設計井深后，下入φ139.7 mm 生產套管完井，注水泥至少上返至最上層煤層以上200 m，最下層目標煤層留底板不少于50 m 的口袋，具體井身結構如圖3 所示。

圖3 井身結構示意Fig.3 Wellbore structure

勘查設計中對勘查區內3 口煤層氣參數+排采試驗井、8 口生產試驗井進行射孔壓裂，其中3 口參數+ 排采試驗井和生產試驗井WXN2-1、WXN2-2、WXN015-3、WXN015-4 改造3 號煤層，參數+排采試驗井WXN2 和生產試驗井WXN2-3、WXN2-4、WXN015-1、WXN015-2 改造15 號煤層，共計改造12 層。

3.2 勘查安全風險分析及管控

勘查區位于太行山區，地表條件復雜，相對平坦地區所占比例較?。幻簩託忏@井場布置在40 m×60 m 范圍內，鉆井、壓裂等大型設備設施多樣復雜，高壓管線布置緊密；勘查區古生代地層多為海象，地質歷史中經歷多次構造、斷裂發育，施工安全風險突出。在勘查施工階段采用預先危險性安全評價方法（PHA），對煤層氣勘查施工涉及的周圍地理環境、工藝、裝置、設備設施及能量失控可能導致的后果進行了風險分析，勘查區主要存在車輛傷害、卡鉆、埋鉆、有利區井噴、物體打擊等；主要風險分析結果見表3。

表3 預先危險性分析Table 3 Pre-risk analysis

3.3 開發潛力分析

目前王村夏店南區煤層氣勘查作業，完成了全區二維地震，完成鉆井11 口，完成參數井采樣測試，全分析采樣9 層次，試井5 層，完成壓裂和試采11 口井?；谀壳翱睖y數據初步測算，勘查區3 號煤層煤層氣資源量達46.98×108 m3，15 號煤預測資源量為21.01×108 m3，具有一定開發前景。

4 結 語

根據王村夏店南區的地質和工程條件，采用層次分析法和模糊評價法計算得出，勘查區3 號煤層的開發有利區為2 套斷層中北部；15 號煤層開發有利區為煤層中北部為煤層；設計勘查技術路線和方案，采用預先危險性評價方法對勘查施工中存在的安全風險進行風險管控，勘查區施工主要存在車輛傷害、卡鉆、埋鉆、有利區井噴、物體打擊等風險類型；基于目前勘查結果可知南區3 號和15 號煤層的煤層氣具有一定的開發前景。