准南地区煤层气选区评价体系及有利区预测
2021-08-09杨曙光伏海蛟王刚严德天李跃国姚程鹏张娜
杨曙光 伏海蛟 王刚 严德天 李跃国 姚程鹏 张娜
摘 要：新疆准南地区中-低煤阶煤层气资源十分丰富，但煤层气勘探开发进展较缓慢，建立合适的煤层气选区评价体系并对有利区进行准确预测变得尤为重要。为解决上述问题，选用“一票否决+模糊数学层次分析”的研究思路，结合该区煤层气勘探开發进展，优选不同层次的选区评价指标，如将煤层气资源条件、煤储层地质条件及煤层气保存条件选为二级评价指标;综合不同层次选区评价参数的权重与隶属度函数确定，建立准南地区勘探阶段煤层气选区评价数学模型;将不同评价单元、不同评价指标信息代入数学评价模型，确定煤层气勘探潜力等级划分，准确预测煤层气勘探有利区。结果表明，除已取得勘探突破的阜康与米泉地区外，吉木萨尔与硫磺沟可作为准南地区未来煤层气勘探开发的重点突破区块。
关键字：准南地区：煤层气;选区评价;模糊数学层次分析;有利目标
准噶尔盆地为煤层最发育地区之一，准南地区蕴含着丰富的中-低煤阶煤层气资源，预测2 000 m以浅的煤层气资源量约0.59×1 012 m3。近二十年来，新疆煤田地质局、中石油廊坊分院、中联煤层气公司、Terrawest能源公司及中国地质调查局油气中心等单位在准南地区开展煤层气勘探工作，相继在乌鲁木齐河东、阜康白杨河、呼图壁雀儿沟、昌吉硫磺沟、玛纳斯及后峡等地部署了数百口煤层气井[1-3]。准南地区煤层气开发仅在阜康与米泉地区取得重要突破。2015年新疆首个煤层气开发利用先导性示范工程在阜康白杨河矿区建成，产能达30 m3[4-5]。但其他区块煤层气勘探效果明显偏差，仍处于勘探与部署阶段。对比分析可知，准南地区构造较复杂，该区中-低煤阶煤层气表现出“高倾角、多煤层、生物成因气广泛发育”等地质特征，明显区别于国内外其他煤层气开发区块。因此，其他煤层气成功开发区块的选区评价方案不适用于准南地区，缺乏针对性的选区评价体系是该区煤层气勘探受阻的重要原因之一。
本文基于准南地区煤层气勘探开发实践成果，优选不同层次选区评价指标，结合“一票否决+模糊数学层次分析”的选区评价思路，构建了适合于准南地区煤层气选区的评价体系，划分了煤层气勘探潜力等级，圈定了下一步勘探开发的目标区。
1 煤层气基础地质特征
以二叠系沉积时构造格局为基础，将准噶尔盆地划分为陆梁隆起、乌伦古坳陷、西部隆起、中央坳陷、东部隆起及北天山山前冲断带等6个一级构造单元（图1）。准南地区主体位于北天山山前冲断带，具体为准噶尔盆地南部、依连哈比尔尕山北侧区域，煤层气资源主要赋存于中—下侏罗统西山窑组与八道湾组。西山窑组煤层约5～39层，总煤厚20～128 m，存在3个富煤中心，分别位于塔西河、头屯河及米泉地区;八道湾组煤层约2～33层，总煤厚5～64.48 m，富煤中心位于阜康大黄山地区。有学者针对准南地区煤层气开展研究，对该区煤层气基础地质特征认识如下[6-7]：①煤层层数多，总厚度大;②含气性相对较低，热成因气与生物成因气差别较大;③甲烷浓度变化较大，局部地区二氧化碳或氮气浓度异常高;④煤层气风化带区域上变化明显，与区域水动力场和次生生物气补给相关;⑤渗透率较好，但明显低于美国粉河盆地;⑥甲烷吸附能力相对较弱，八道湾组煤与西山窑组煤差别明显;⑦储层压力梯度明显偏小，严重制约煤层气开发效果;⑧含气饱和度明显偏低;⑨煤体结构以原生结构煤为主，局部地区发育构造煤;⑩构造条件变化较快，局部地区发育复合褶皱;11水动力场区域变化明显，滞留环境有利于煤层气富集成藏;12顶底板封堵性能变化较大，主要与成煤环境密切相关。
2 煤层气选区评价体系
2.1 选区评价方法概述
“一票否决+模糊数学层次分析”被选为准南地区煤层气勘探阶段选区评价的具体实施方案。基于煤层气勘探实践成果，下列指标被选为准南地区煤层气勘探阶段一票否决性指标（表1）。一票否决指符合上述任何一条者，认为不具有煤层气勘探开发价值，应予以放弃。具勘探开发价值的前提下，可进行下一阶段模糊数学层次分析选区评价工作。模糊数学层次分析法（AHP）是一种基于数学模型组织与分析复杂问题、值得信赖的数学方法，它可以帮助决策者按优先级将相关参数多重属性进行排序，并对一个复杂问题的定量与定性两方面属性进行综合性研究[8-9]。开展准南地区煤层气选区评价工作，不能简单参考煤层厚度、含气量与埋深等地质参数，应基于煤层气区块的实际地质情况，尽量多参考能反映煤层气勘探潜力的地质参数，运用模糊数学层次分析法建立定量化数学评价模型，力求精确反映煤层气勘探潜力在区域上的变化规律。
2.2 参数优选及权重确定
为实现找出煤层气勘探有利区的目的，本文构建了准南地区煤层气多层次选区评价体系（图2）。即，将煤层气勘探潜力（Ui）作为评价体系的终极目标，将煤层气资源条件（A）、煤储层地质条件（B）、煤层气保存条件（C）作为二级评价指标，将煤层含气量（A1）、煤层总厚度（A2）、甲烷浓度（A3）、煤层气风化带（A4）及储层渗透率（B1）等12个参数确定为体系中的三级参数。各级评价指标确定后，需对其权重进行赋值，权重的赋值主要运用判断矩阵计算特征向量求得，具体计算方法前人已作了较多阐述，在此不再赘述[10-12]。
2.3 参数隶属函数确定
上述三级评价参数具相互独立的数值大小与单位，有效取值范围不同。为将所有参数放在统一标准下进行对比，需开展均一化处理。准南地区煤层气选区评价参数分为定量与定性两大类。其中，定量参数（即，煤层含气量、煤层总厚度、甲烷浓度、煤层气风化带、储层渗透率、兰氏体积、储层压力梯度、含气饱和度）主要采用实际数据取平均法，对部分无实际数据的区块，根据参数之间的相关关系利用数学统计法求得，或在相应的参数平面等值线图中求得;定性参数（即，煤体结构、构造条件、水文地质条件、顶底板保存条件）的取值，原则上参考各地质单元已有地质资料与研究成果，经系统分析、经验性的给出不同地质条件下的定量赋值（表2）。需注意，准南地区煤层中生物成因气与热成因气均广泛存在，不同成因煤层气含气性、成藏过程存在显著区别，开展选区评价时应有所区分。一般来说，煤层气成因可利用甲烷碳同位素值（δ13C1）作简易判识[13-14]，即，δ13C1<-55‰为生物成因气、δ13C1≥-55‰为热成因气。
本文以煤层气风化带（A4）与水文地质条件（C2）为例，分别展示定量参数与定性参数隶属度函数的确定过程。
煤层气风化带（A4） 煤层气风化带深度（H）对煤层气资源量计算与开发方案的制定至关重要。本文運用“甲烷含量≥1 m3/t且氮气浓度≤20%”对准南地区煤层气风化带进行定量判识[6]。热成因煤层气，煤层气风化带越浅，煤层气勘探潜力越大。结合准南地区煤层气勘探实践，建立热成因煤层气风化带深度的隶属度函数（公式1）。对生物成因煤层气，由于浅部煤层存在现今次生生物气的补给且渗透率较高，煤层气风化带对生物成因煤层气勘探潜力的影响相对较弱，建立生物成因煤层气风化带边界的隶属度函数（公式2）。
水文地质条件（C2） 水文地质条件对煤层气形成与富集成藏过程影响极大，且水文地质条件对不同成因煤层气影响明显不同。对于热成因煤层气，水文地质条件具双重效应，既可起水动力封堵作用、亦可产生水动力逸散效应[15]。一般来说，水动力越滞缓、矿化度越高，越易于煤层气富集成藏与开发过程中降压解吸。对于生物成因煤层气，水文地质条件不仅影响其富集成藏过程，还决定煤层生物气能否形成（即，较低的矿化度有利于产甲烷菌生存及产甲烷活动）[16]。因此，低矿化度、水动力弱径流区有利于中-低煤阶煤次生生物气富集成藏。水文地质条件对煤层气勘探潜力的控制作用，可采用定性判别方式（表2）。需注意，准南米泉地区的生物成因气可能形成于较早地质时期，缺乏现今生物气大量补给[17]，只需考虑现今保存条件，采用热成因气的判别标准。
2.4 数学评价模型建立
在求得不同评价单元不同评价指标的权重与隶属度值之后，可对准南地区开展勘探阶段的煤层气选区评价工作。为最大程度反映煤层气勘探潜力，并展现出各项评价指标的真实影响，本文建立了准南地区勘探阶段煤层气选区评价数学模型（表3），有利于实现对各评价单元的煤层气勘探潜力的定量排序与有利区的优选。
3 煤层气勘探有利区预测
为定量评估煤层气勘探潜力在区域上的变化规律，本文将准南地区划分为乌苏、玛纳斯、呼图壁、硫磺沟、米泉、阜康、吉木萨尔及后峡等8个评价单元。基于早期煤田勘探与现今煤层气勘探成果，将不同评价单元、不同评价指标信息代入对应定量参数隶属度函数或定性参数隶属度取值表，求得不同评价单元不同评价指标的隶属度值。随后，将隶属度值代入上述数学评价模型，求得准南地区不同评价单元内煤层气勘探潜力的定量值。即，乌苏（Ui=0.584）、玛纳斯（Ui=0.638）、呼图壁（Ui=0.667）、硫磺沟（Ui=0.729）、米泉（Ui=0.749）、阜康（Ui=0.754）、吉木萨尔（Ui=0.746）及后峡（Ui=0.657）。最后，按Ui值的大小将准南地区煤层气勘探潜力划分为3类，即，Ui<0.60为较差、0.60
4 结论
（1） 选用“一票否决+模糊数学层次分析”的研究思路，结合准南地区煤层气勘探开发实践成果，优选出不同层次煤层气选区评价指标;基于不同层次选区评价参数的权重与隶属度函数确定，建立勘探阶段煤层气选区评价数学模型;结合早期煤田勘探与现今煤层气勘探开发成果，划分煤层气勘探潜力等级，准确预测准南地区煤层气勘探有利区。
（2） 准南地区煤层气勘探潜力由好到差可划分为3个层次，即，I类煤层气勘探区块：阜康、米泉、吉木萨尔、硫磺沟;II类煤层气勘探区块：呼图壁、后峡、玛纳斯;III类煤层气勘探区块：乌苏。分析认为，除已取得勘探突破的阜康与米泉地区外，吉木萨尔与硫磺沟可作为准南地区未来煤层气勘探开发的重点突破区块。
参考文献
[1] 包书景，李世臻，徐兴友，等.全国油气资源战略选区调查工程进展与成果[J].中国地质调查，2019，6（2）：1-17.
[2] 单衍胜，袁远，张家强，等.准南玛纳斯地区低阶煤储层特征及压裂改造效果研究[J].地质论评，2018，64（5）：1277-1284.
[3] 张开军，张强，魏迎春，等.准噶尔盆地南缘硫磺沟地区水文地质特征及其对煤层气富集的影响[J].煤田地质与勘探，2018，46（1）：61-65.
[4] 蒲一帆，汤达祯，陶树，等.阜康地区多煤层组合条件下开发层段评价优选[J/OL].煤炭学报， 2020，1-10.
[5] 王刚，杨曙光，舒坤，等.新疆乌鲁木齐河东矿区煤系气的地质特征及气测录井评价方法[J].地质科技情报，2018，37（6）：148-153.
[6] 杨曙光，许浩，王刚，等.准南乌鲁木齐矿区低煤阶煤层气甲烷风化带划分方法及影响因素[J/OL].煤炭学报， 2020，1-9.
[7] Fu， H.J.， Tang， D.Z.， Pan， Z.J.， et al. A study of hydrogeology and its effect on coalbed methane enrichment in the southern Junggar Basin， China. APG Bulletin， 2019， 103（1）， 189-213.
[8] 胡宝林，杨起，刘大锰，等.鄂尔多斯盆地煤层气资源多层次模糊综合评价[J]. 中国煤田地质，2003，15（2） ： 16-19.
[9] 陳晓智，汤达祯，许浩，等.低、中煤阶煤层气地质选区评价体系[J].吉林大学学报（地球科学版），2012，42（S2）：115-120.
[10] Meng， Y.J， Tang D.Z， Xu， H.， et al. Geological controls and coalbed methane production potential evaluation： A case study in Liulin area， eastern Ordos Basin， China[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2014，95-111.
[11] Fu， H.J， Tang.， D.Z.， Xu. H.， et al. Geological characteristics and CBM exploration potential evaluation： A case study in the middle of the southern Junggar Basin， NW China[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2016， 557-570.
[12] 侯海海，邵龙义，唐跃，等.基于多层次模糊数学的中国低煤阶煤层气选区评价标准——以吐哈盆地为例[J].中国地质，2014，41（3）：1002-1009.
[13] Rightmire， C. T.， Eddy， G. E.， Kirr， J. N. Coalbed methane resources of the United States： AAPG Studies in Geology series 17. Tulsa， Oklahoma. USA： AAPG， 1984，1-14.
[14] Rice， D. D. Composition and origins of coalbed gas. In： Law B E， Rice D D， eds. Hydrocarbons From Coal： AAPG studies in Geology Series 38 Tulsa， Oklahoma. USA： AAPG，1993，159-184.
[15] 甘华军，王华，严德天.高、低煤阶煤层气富集主控因素的差异性分析[J].地质科技情报，2010，29（1）：56-60.
[16] 苏现波，徐影，吴昱，等.盐度、pH对低煤阶煤层生物甲烷生成的影响[J].煤炭学报，2011，36（8）：1302-1306.
