準南地區(qū)煤層氣選區(qū)評價體系及有利區(qū)預測

楊曙光 伏海蛟 王剛 嚴德天 李躍國 姚程鵬 張娜

摘? 要：新疆準南地區(qū)中-低煤階煤層氣資源十分豐富，但煤層氣勘探開發(fā)進展較緩慢，建立合適的煤層氣選區(qū)評價體系并對有利區(qū)進行準確預測變得尤為重要。為解決上述問題，選用“一票否決+模糊數(shù)學層次分析”的研究思路，結合該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)進展，優(yōu)選不同層次的選區(qū)評價指標，如將煤層氣資源條件、煤儲層地質條件及煤層氣保存條件選為二級評價指標;綜合不同層次選區(qū)評價參數(shù)的權重與隸屬度函數(shù)確定，建立準南地區(qū)勘探階段煤層氣選區(qū)評價數(shù)學模型;將不同評價單元、不同評價指標信息代入數(shù)學評價模型，確定煤層氣勘探潛力等級劃分，準確預測煤層氣勘探有利區(qū)。結果表明，除已取得勘探突破的阜康與米泉地區(qū)外，吉木薩爾與硫磺溝可作為準南地區(qū)未來煤層氣勘探開發(fā)的重點突破區(qū)塊。

關鍵字：準南地區(qū)：煤層氣;選區(qū)評價;模糊數(shù)學層次分析;有利目標

準噶爾盆地為煤層最發(fā)育地區(qū)之一，準南地區(qū)蘊含著豐富的中-低煤階煤層氣資源，預測2 000 m以淺的煤層氣資源量約0.59×1 012 m3。近二十年來，新疆煤田地質局、中石油廊坊分院、中聯(lián)煤層氣公司、Terrawest能源公司及中國地質調查局油氣中心等單位在準南地區(qū)開展煤層氣勘探工作，相繼在烏魯木齊河東、阜康白楊河、呼圖壁雀兒溝、昌吉硫磺溝、瑪納斯及后峽等地部署了數(shù)百口煤層氣井[1-3]。準南地區(qū)煤層氣開發(fā)僅在阜康與米泉地區(qū)取得重要突破。2015年新疆首個煤層氣開發(fā)利用先導性示范工程在阜康白楊河礦區(qū)建成，產(chǎn)能達30 m3[4-5]。但其他區(qū)塊煤層氣勘探效果明顯偏差，仍處于勘探與部署階段。對比分析可知，準南地區(qū)構造較復雜，該區(qū)中-低煤階煤層氣表現(xiàn)出“高傾角、多煤層、生物成因氣廣泛發(fā)育”等地質特征，明顯區(qū)別于國內外其他煤層氣開發(fā)區(qū)塊。因此，其他煤層氣成功開發(fā)區(qū)塊的選區(qū)評價方案不適用于準南地區(qū)，缺乏針對性的選區(qū)評價體系是該區(qū)煤層氣勘探受阻的重要原因之一。

本文基于準南地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)實踐成果，優(yōu)選不同層次選區(qū)評價指標，結合“一票否決+模糊數(shù)學層次分析”的選區(qū)評價思路，構建了適合于準南地區(qū)煤層氣選區(qū)的評價體系，劃分了煤層氣勘探潛力等級，圈定了下一步勘探開發(fā)的目標區(qū)。

1? 煤層氣基礎地質特征

以二疊系沉積時構造格局為基礎，將準噶爾盆地劃分為陸梁隆起、烏倫古坳陷、西部隆起、中央坳陷、東部隆起及北天山山前沖斷帶等6個一級構造單元（圖1）。準南地區(qū)主體位于北天山山前沖斷帶，具體為準噶爾盆地南部、依連哈比爾尕山北側區(qū)域，煤層氣資源主要賦存于中—下侏羅統(tǒng)西山窯組與八道灣組。西山窯組煤層約5～39層，總煤厚20～128 m，存在3個富煤中心，分別位于塔西河、頭屯河及米泉地區(qū);八道灣組煤層約2～33層，總煤厚5～64.48 m，富煤中心位于阜康大黃山地區(qū)。有學者針對準南地區(qū)煤層氣開展研究，對該區(qū)煤層氣基礎地質特征認識如下[6-7]：①煤層層數(shù)多，總厚度大;②含氣性相對較低，熱成因氣與生物成因氣差別較大;③甲烷濃度變化較大，局部地區(qū)二氧化碳或氮氣濃度異常高;④煤層氣風化帶區(qū)域上變化明顯，與區(qū)域水動力場和次生生物氣補給相關;⑤滲透率較好，但明顯低于美國粉河盆地;⑥甲烷吸附能力相對較弱，八道灣組煤與西山窯組煤差別明顯;⑦儲層壓力梯度明顯偏小，嚴重制約煤層氣開發(fā)效果;⑧含氣飽和度明顯偏低;⑨煤體結構以原生結構煤為主，局部地區(qū)發(fā)育構造煤;⑩構造條件變化較快，局部地區(qū)發(fā)育復合褶皺;11水動力場區(qū)域變化明顯，滯留環(huán)境有利于煤層氣富集成藏;12頂?shù)装宸舛滦阅茏兓^大，主要與成煤環(huán)境密切相關。

2? 煤層氣選區(qū)評價體系

2.1? 選區(qū)評價方法概述

“一票否決+模糊數(shù)學層次分析”被選為準南地區(qū)煤層氣勘探階段選區(qū)評價的具體實施方案?；诿簩託饪碧綄嵺`成果，下列指標被選為準南地區(qū)煤層氣勘探階段一票否決性指標（表1）。一票否決指符合上述任何一條者，認為不具有煤層氣勘探開發(fā)價值，應予以放棄。具勘探開發(fā)價值的前提下，可進行下一階段模糊數(shù)學層次分析選區(qū)評價工作。模糊數(shù)學層次分析法（AHP）是一種基于數(shù)學模型組織與分析復雜問題、值得信賴的數(shù)學方法，它可以幫助決策者按優(yōu)先級將相關參數(shù)多重屬性進行排序，并對一個復雜問題的定量與定性兩方面屬性進行綜合性研究[8-9]。開展準南地區(qū)煤層氣選區(qū)評價工作，不能簡單參考煤層厚度、含氣量與埋深等地質參數(shù)，應基于煤層氣區(qū)塊的實際地質情況，盡量多參考能反映煤層氣勘探潛力的地質參數(shù)，運用模糊數(shù)學層次分析法建立定量化數(shù)學評價模型，力求精確反映煤層氣勘探潛力在區(qū)域上的變化規(guī)律。

2.2? 參數(shù)優(yōu)選及權重確定

為實現(xiàn)找出煤層氣勘探有利區(qū)的目的，本文構建了準南地區(qū)煤層氣多層次選區(qū)評價體系（圖2）。即，將煤層氣勘探潛力（Ui）作為評價體系的終極目標，將煤層氣資源條件（A）、煤儲層地質條件（B）、煤層氣保存條件（C）作為二級評價指標，將煤層含氣量（A1）、煤層總厚度（A2）、甲烷濃度（A3）、煤層氣風化帶（A4）及儲層滲透率（B1）等12個參數(shù)確定為體系中的三級參數(shù)。各級評價指標確定后，需對其權重進行賦值，權重的賦值主要運用判斷矩陣計算特征向量求得，具體計算方法前人已作了較多闡述，在此不再贅述[10-12]。

2.3? 參數(shù)隸屬函數(shù)確定

上述三級評價參數(shù)具相互獨立的數(shù)值大小與單位，有效取值范圍不同。為將所有參數(shù)放在統(tǒng)一標準下進行對比，需開展均一化處理。準南地區(qū)煤層氣選區(qū)評價參數(shù)分為定量與定性兩大類。其中，定量參數(shù)（即，煤層含氣量、煤層總厚度、甲烷濃度、煤層氣風化帶、儲層滲透率、蘭氏體積、儲層壓力梯度、含氣飽和度）主要采用實際數(shù)據(jù)取平均法，對部分無實際數(shù)據(jù)的區(qū)塊，根據(jù)參數(shù)之間的相關關系利用數(shù)學統(tǒng)計法求得，或在相應的參數(shù)平面等值線圖中求得;定性參數(shù)（即，煤體結構、構造條件、水文地質條件、頂?shù)装灞４鏃l件）的取值，原則上參考各地質單元已有地質資料與研究成果，經(jīng)系統(tǒng)分析、經(jīng)驗性的給出不同地質條件下的定量賦值（表2）。需注意，準南地區(qū)煤層中生物成因氣與熱成因氣均廣泛存在，不同成因煤層氣含氣性、成藏過程存在顯著區(qū)別，開展選區(qū)評價時應有所區(qū)分。一般來說，煤層氣成因可利用甲烷碳同位素值（δ13C1）作簡易判識[13-14]，即，δ13C1<-55‰為生物成因氣、δ13C1≥-55‰為熱成因氣。

本文以煤層氣風化帶（A4）與水文地質條件（C2）為例，分別展示定量參數(shù)與定性參數(shù)隸屬度函數(shù)的確定過程。

煤層氣風化帶（A4）? 煤層氣風化帶深度（H）對煤層氣資源量計算與開發(fā)方案的制定至關重要。本文運用“甲烷含量≥1 m3/t且氮氣濃度≤20%”對準南地區(qū)煤層氣風化帶進行定量判識[6]。熱成因煤層氣，煤層氣風化帶越淺，煤層氣勘探潛力越大。結合準南地區(qū)煤層氣勘探實踐，建立熱成因煤層氣風化帶深度的隸屬度函數(shù)（公式1）。對生物成因煤層氣，由于淺部煤層存在現(xiàn)今次生生物氣的補給且滲透率較高，煤層氣風化帶對生物成因煤層氣勘探潛力的影響相對較弱，建立生物成因煤層氣風化帶邊界的隸屬度函數(shù)（公式2）。

水文地質條件（C2）? 水文地質條件對煤層氣形成與富集成藏過程影響極大，且水文地質條件對不同成因煤層氣影響明顯不同。對于熱成因煤層氣，水文地質條件具雙重效應，既可起水動力封堵作用、亦可產(chǎn)生水動力逸散效應[15]。一般來說，水動力越滯緩、礦化度越高，越易于煤層氣富集成藏與開發(fā)過程中降壓解吸。對于生物成因煤層氣，水文地質條件不僅影響其富集成藏過程，還決定煤層生物氣能否形成（即，較低的礦化度有利于產(chǎn)甲烷菌生存及產(chǎn)甲烷活動）[16]。因此，低礦化度、水動力弱徑流區(qū)有利于中-低煤階煤次生生物氣富集成藏。水文地質條件對煤層氣勘探潛力的控制作用，可采用定性判別方式（表2）。需注意，準南米泉地區(qū)的生物成因氣可能形成于較早地質時期，缺乏現(xiàn)今生物氣大量補給[17]，只需考慮現(xiàn)今保存條件，采用熱成因氣的判別標準。

2.4? 數(shù)學評價模型建立

在求得不同評價單元不同評價指標的權重與隸屬度值之后，可對準南地區(qū)開展勘探階段的煤層氣選區(qū)評價工作。為最大程度反映煤層氣勘探潛力，并展現(xiàn)出各項評價指標的真實影響，本文建立了準南地區(qū)勘探階段煤層氣選區(qū)評價數(shù)學模型（表3），有利于實現(xiàn)對各評價單元的煤層氣勘探潛力的定量排序與有利區(qū)的優(yōu)選。

3? 煤層氣勘探有利區(qū)預測

為定量評估煤層氣勘探潛力在區(qū)域上的變化規(guī)律，本文將準南地區(qū)劃分為烏蘇、瑪納斯、呼圖壁、硫磺溝、米泉、阜康、吉木薩爾及后峽等8個評價單元?；谠缙诿禾锟碧脚c現(xiàn)今煤層氣勘探成果，將不同評價單元、不同評價指標信息代入對應定量參數(shù)隸屬度函數(shù)或定性參數(shù)隸屬度取值表，求得不同評價單元不同評價指標的隸屬度值。隨后，將隸屬度值代入上述數(shù)學評價模型，求得準南地區(qū)不同評價單元內煤層氣勘探潛力的定量值。即，烏蘇（Ui=0.584）、瑪納斯（Ui=0.638）、呼圖壁（Ui=0.667）、硫磺溝（Ui=0.729）、米泉（Ui=0.749）、阜康（Ui=0.754）、吉木薩爾（Ui=0.746）及后峽（Ui=0.657）。最后，按Ui值的大小將準南地區(qū)煤層氣勘探潛力劃分為3類，即，Ui<0.60為較差、0.600.70為好。準南地區(qū)煤層氣勘探潛力由好到差可劃分為3個層次（圖3），即，I類煤層氣勘探區(qū)塊：阜康、米泉、吉木薩爾、硫磺溝;II類煤層氣勘探區(qū)塊：呼圖壁、后峽、瑪納斯;III類煤層氣勘探區(qū)塊：烏蘇?；诖?，本文認為除已取得勘探突破的阜康與米泉地區(qū)外，吉木薩爾與硫磺溝可作為準南地區(qū)未來煤層氣勘探開發(fā)的重點突破區(qū)塊。

4? 結論

（1） 選用“一票否決+模糊數(shù)學層次分析”的研究思路，結合準南地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)實踐成果，優(yōu)選出不同層次煤層氣選區(qū)評價指標;基于不同層次選區(qū)評價參數(shù)的權重與隸屬度函數(shù)確定，建立勘探階段煤層氣選區(qū)評價數(shù)學模型;結合早期煤田勘探與現(xiàn)今煤層氣勘探開發(fā)成果，劃分煤層氣勘探潛力等級，準確預測準南地區(qū)煤層氣勘探有利區(qū)。

（2） 準南地區(qū)煤層氣勘探潛力由好到差可劃分為3個層次，即，I類煤層氣勘探區(qū)塊：阜康、米泉、吉木薩爾、硫磺溝;II類煤層氣勘探區(qū)塊：呼圖壁、后峽、瑪納斯;III類煤層氣勘探區(qū)塊：烏蘇。分析認為，除已取得勘探突破的阜康與米泉地區(qū)外，吉木薩爾與硫磺溝可作為準南地區(qū)未來煤層氣勘探開發(fā)的重點突破區(qū)塊。

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