馮玉龍，周林元，王 乾，劉程瑞

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.新疆工程學院 能源工程學院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830023)

中國具有豐富的煤層氣資源，賦存于2 000 m以淺的原位煤層氣資源量可達32.86×1012m3，位居世界第三位[1]。自20世紀80年代以來，中國煤層氣開發(fā)已跨過了40余年的歷程，隨著煤層氣勘探開發(fā)理論和工程技術的不斷發(fā)展，煤層氣選區(qū)評價體系也在持續(xù)進步。多層次模糊數(shù)學方法集層次分析法與模糊數(shù)學法于一體，通過對決策系統(tǒng)劃分層次，建立多層次結構模型，并利用數(shù)學方法將各指標量化，為決策提供判別依據(jù)[2]。該方法集定性定量分析、數(shù)學處理和基于實踐經(jīng)驗的主觀判斷于一體，能夠有效地分析目標準則體系層次間的非序列關系，可將復雜問題中的定性與定量因素統(tǒng)一處理，在國內(nèi)的煤層氣有利區(qū)預測[3-5]、接替區(qū)優(yōu)選[6-7]中取得了良好的應用效果。

前人利用多層次模糊數(shù)學法對國內(nèi)部分礦區(qū)及煤層氣區(qū)塊開展的有利區(qū)預測與優(yōu)選評價工作集中在煤層氣的勘探開發(fā)潛力評價[2,8]、有利區(qū)預測[9-11]、可采性評價[12]三方面，但預測結果僅用于區(qū)分研究區(qū)內(nèi)不同塊段之間產(chǎn)能的相對高低情況，而且評價指標也主要集中在煤厚、含氣量、滲透率、含氣飽和度、臨儲比、構造發(fā)育情況等資源條件和儲層條件兩方面，而對產(chǎn)能影響很大的改造工藝卻未包含在內(nèi)，其評價模型很難對實際產(chǎn)能作出有效預測。因此，筆者在前人的研究基礎上，利用所收集到的相關煤儲層參數(shù)及改造工藝參數(shù)資料建立了包含資源條件、儲層條件及改造工藝在內(nèi)的3級評價模型，并對國內(nèi)的15個煤層氣目標區(qū)塊進行綜合評價，結合各區(qū)塊實際產(chǎn)量對評價結果進行驗證分析，以期為煤層氣甜點區(qū)優(yōu)選及產(chǎn)能預測提供重要手段。

1 多層次模糊綜合評價模型

1.1 模型構建

煤層氣井產(chǎn)能影響因素眾多，大致可分為地質(zhì)因素和工程因素兩大類。其中，地質(zhì)因素包括煤層含氣量、煤厚、煤體結構、地下水動力條件等；工程因素包括壓裂、排采等。各影響因素之間相互關聯(lián)，僅通過單參數(shù)難以客觀評價產(chǎn)能高低。因此，為了定量評價各區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)能，采用多層次模糊綜合評價法，將各影響因素按照權重和隸屬度函數(shù)進行綜合評價，得到各區(qū)塊產(chǎn)能的綜合評價值，該值越大，產(chǎn)能越高。

在借鑒前人的研究成果[2-8,13]的基礎上，構建了包含資源條件、儲層條件及改造工藝三方面在內(nèi)的3級評價模型，其中資源條件包括資源豐度、煤層累計厚度和含氣量，儲層條件包括地下水動力條件、煤體結構、含氣飽和度和地應力，改造工藝包括壓裂液類型、累計泵注壓裂液總量、泵注壓裂液的排量(表1)。

表1 煤層氣井產(chǎn)能綜合評價體系Table 1 Comprehensive evaluation system of CBM well productivity

1.2 各層次指標權重的確定

采用0～4標度對同一層次內(nèi)各指標的相對重要性進行比較，構建判斷矩陣，經(jīng)計算得到判斷矩陣的最大特征根λmax與特征向量，最終得到各層次指標的權重(表2)，為保證計算結果的可靠性，還需對矩陣進行一致性檢驗，具體方法參見文獻[4-6]。待一致性檢驗通過后，利用指標層對應的權重和準則層對應的權重加權綜合，得到指標層相對于目標層的權重系數(shù)(表3)。

1.3 隸屬函數(shù)與隸屬度的確定

通過對各指標構建隸屬函數(shù)來確定不同指標的隸屬度，根據(jù)各指標性質(zhì)的不同，可分為定量指標和定性指標兩類[2]。

1.3.1 定量指標

定量指標包括含氣量、煤厚、含氣飽和度等，采用分段線性函數(shù)的方法確定隸屬度。

表2 各指標層相對于目標層的重要性系數(shù)表Table 2 The importance of each indicator layer relative to the target layer

表3 各層次總排序系數(shù)表Table 3 Total ranking coefficient of each level

①資源條件 良好的資源條件是煤層氣井高產(chǎn)的基礎保障，受煤厚及含氣量影響。一般來說，當資源豐度大于1.0×108m3/km2時才具備商業(yè)開發(fā)價值[6]。資源豐度、煤厚、含氣量分別采用式(1)、式(2)和式(3)表示。

式中：f為資源豐度，108m3/km2；D為煤厚，m；V為含氣量，m3/t。

②含氣飽和度 煤層含氣飽和度越大，煤層氣越容易解吸，氣井穩(wěn)產(chǎn)效果越好[13]，含氣飽和度采用式(4)、式(5)表示。

式中：Sg為含氣飽和度，%。

③地應力 在高地應力作用下，氣井排采階段儲層裂縫容易發(fā)生支撐劑鑲嵌、裂縫閉合，引發(fā)儲層應力敏感傷害，根據(jù)以往學者對地應力的評判標準[14]，當最小水平主應力＞18 MPa時，屬于強應力區(qū)，當最小水平主應力＜10 MPa時，屬于弱應力區(qū)，因此，選擇18 MPa和10 MPa作為地應力強弱的邊界條件。地應力采用式(5)表示。

式中：σ為最小水平主應力，MPa。

④累計泵入壓裂液量與泵注排量 在壓裂施工過程中，壓裂液量和泵注排量越大，說明所形成的裂縫規(guī)模和有效滲流面積越大，生產(chǎn)效果越好[15]。壓裂液量和泵注排量分別采用式(6)、式(7)表示。

式中：L為累計泵入壓裂液總液量，m3；Q為泵注排量，m3/min。

1.3.2 定性指標

對于煤體結構、地下水動力條件、壓裂液類型等難以定量的指標，采用定性方法處理，根據(jù)實際需要分更多層次，以突出各屬性的區(qū)別。各定性指標的隸屬度見表4。

①煤體結構 根據(jù)煤體的破壞程度可以把煤體結構劃分為原生結構煤(Ⅰ類)、碎裂煤(Ⅱ類)、碎粒煤(Ⅲ類)和糜棱煤(Ⅳ類)4種[16]。其中，碎粒煤和糜棱煤變形嚴重，滲透性極差，水力壓裂難以實現(xiàn)造縫增透，因此，軟煤(Ⅲ、Ⅳ類)不能直接進行改造，故其評分最低。而相較于原生結構煤，碎裂煤中裂隙更為發(fā)育，原始滲透率較高，有利于氣體產(chǎn)出，故評分最高。

②地下水動力條件 當煤層通過水力裂縫或斷層、陷落柱溝通含水層后，容易導致氣井變?yōu)樗?，一方面大量液體滯留于儲層，容易引發(fā)嚴重的儲層水鎖傷害；另一方面過高的產(chǎn)水量使得儲層氣相相對滲透率低，阻礙了氣體的產(chǎn)出。因此，根據(jù)地下水動力條件的復雜程度分為簡單、較簡單、中等和復雜四級，評分依次降低。

③壓裂液類型 活性水壓裂液是煤層氣井改造中最常用的壓裂液，然而其具有較高的表面張力和較差潤濕性，一方面容易產(chǎn)生極高的孔隙毛管壓力，引發(fā)儲層水鎖傷害，阻礙煤層氣的解吸并降低儲層滲透率[17]；另一方面煤粉等微粒懸浮于液體中并隨之發(fā)生運移，增大速敏傷害的幾率[18]。通過向活性水壓裂液中添加適當?shù)谋砻婊钚詣軌蛴行Ы档鸵后w的表面張力和孔隙毛管壓力，并提升液體的潤濕能力，促使微?？焖俪两?，對儲層水鎖傷害和速敏傷害具有抑制作用[19]。故將壓裂液區(qū)分為添加表面活性劑的壓裂液和無表面活性劑添加的壓裂液兩類。

表4 定性指標隸屬度Table 4 Qualitative index membership

2 產(chǎn)能評價結果與驗證分析

基于文獻[5,20-41]，收集了國內(nèi)15個煤層氣區(qū)塊的地質(zhì)參數(shù)、壓裂施工參數(shù)及排采2～5 a以上的平均產(chǎn)量(表5)，并結合該評價模型進行評價，最終計算出各區(qū)塊產(chǎn)能的綜合評分(表6)。

評價結果(表 6)顯示，首山一礦因其極差的煤體結構與較差的資源條件而綜合評分最低，僅為0.365 7，其平均產(chǎn)氣量僅157 m3/d。潘莊區(qū)塊得益于其良好的資源條件及儲層條件因而整體評分最高，為0.713 7，且其平均產(chǎn)量最高，為3 500 m3/d。另外，平均產(chǎn)量小于600 m3/d的區(qū)塊評分相對集中，均在0.64以下，而高產(chǎn)區(qū)的評分相對集中在0.66之上。

導致評分較低的原因不盡相同：如①山西古交、趙莊、寺家莊區(qū)塊主要是由于其資源條件較差導致的，資源條件得分分別為0.120 9、0.131 3、0.116 2，遠低于平均值0.222 0；②恩村、馬廠、柳林、韓城、柿莊南、鄭莊區(qū)塊則是由于其較差的儲層條件所導致的，如恩村、馬廠的煤體結構較差，同時馬廠又存在地下水動力條件復雜及地應力過大的情況，柳林、韓城、大寧吉縣區(qū)塊則因為地下水動力條件較差所致，同時韓城區(qū)塊還存在地應力過大的情況；③鄭莊區(qū)塊主要是由于其較大的地應力導致的。

在改造工藝的選擇上，除古交和趙莊區(qū)塊外，各區(qū)塊基本都采用了“活性水壓裂、5～9 m3/min排量、300～700 m3壓裂液量”，改造模式單一，且極易引發(fā)嚴重的水鎖、速敏傷害，同時還存在改造規(guī)模較小、儲層改造不徹底等問題。因此，在壓裂方面，所有目標區(qū)塊整體評分均較低(<0.166 2)，這也是我國煤層氣井產(chǎn)量低的重要原因之一。

將各目標區(qū)塊的綜合評分依次排序后，結合實際開發(fā)效果繪制了各區(qū)塊平均日產(chǎn)量與綜合評分的關系(圖1)。由圖中可以看出，除馬廠與恩村區(qū)塊異常外：馬廠MC-01井因直接溝通了煤層頂板大占砂巖含水層，導致氣井變水井，產(chǎn)量幾乎為零；而恩村區(qū)塊因直接對改造性極差的軟煤進行改造，導致其整體平均產(chǎn)量極低，評價結果與單井平均日產(chǎn)量總體上表現(xiàn)出相同的變化趨勢且具有較高的一致性，二者呈冪函數(shù)關系，說明該模型對氣井的產(chǎn)能評價結果是準確的。結果顯示，當評分<0.65時，隨著評分的增加，產(chǎn)量變化并不明顯；當評分>0.65以后，產(chǎn)量迅速增長，根據(jù)預測結果可知，當綜合評分超過0.660 6時，平均產(chǎn)量將超過1 000 m3/d。

3 結論

a.在綜合考慮煤層氣資源條件、儲層條件和壓裂施工等因素的基礎上，建立了煤層氣井產(chǎn)能評價模型。應用該模型進行區(qū)塊評價，評分與各區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣量呈冪函數(shù)關系，相關性高，表明評價模型具有良好的適用性，能夠為日后煤層氣井產(chǎn)能預測、井位優(yōu)選、開發(fā)工藝制定提供依據(jù)。

b.評價結果顯示，大部分單井平均產(chǎn)氣量低于600 m3/d的區(qū)塊評分相對集中在0.64以下，這主要是由于較差的儲層條件和不合理的改造工藝所致；根據(jù)預測結果，當綜合評分超過0.660 6時，單井平均日產(chǎn)氣量將超過1 000 m3。由此得出，煤層氣的開發(fā)一方面要加強對地質(zhì)因素的評價，優(yōu)選開發(fā)有利區(qū)，另一方面要打破以往相對單一的儲層改造模式，采用先進的儲層改造技術，以推動我國煤層氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)化進程。

表5 煤層氣目標區(qū)塊地質(zhì)特征及壓裂施工參數(shù)Table 5 Geological characteristics and fracturing construction parameters of coalbed methane target block

圖1 各區(qū)塊綜合評分與平均產(chǎn)氣量關系Fig.1 Relationship between the comprehensive score and the average output of each block