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1、煤层气储层评价指标及评价方法赵胜绪摘要：本文在总结前人对煤层气储层评价工作的基础上，综述了煤层气储层评价参数组合及获取方法，提出了一套新的煤层气储层评价体系。主要包括以下3大类16项参数：煤层气储层地质参数；煤层气储层物性参数；煤层气储层封盖参数。进而提出了煤层气储层评价标准。又综合对比分析了目前煤层气储层评价使用的评价方法，本文采用了基于GIS的多层次模糊数学综合判别法。该方法突出了层次分析法的系统性优势，与模糊综合评判法巧妙结合，充分发挥GIS技术展示空间数据在综合评价方面的功能优势。但是该方法不可避免地又涉及到赋权问题，客观性在此表现较差。如果将嫡权法的赋权优势与基于GlS的多层次模糊数
2、学综合评价体系相结合，则可创造一种精确度、可信度更高的煤层气储层评价方法。关键词：煤层气储层评价评价参数获取评价指标体系评价方法选择I-JuL-.l-a刖S煤层气产业是近20年在世界上崛起的新型能源产业，我国煤层气的资源量位列世界第三,在深埋2000米以内的煤层气预测总资源量为30万亿至35万亿立方米山。中国的煤炭资源和煤层气资源非常丰富，煤层气勘探开发活动空前活跃。但由于煤储层条件差异变化大，煤层作为储气层与常规天然气储层相比有许多显著的差别。要取得煤层气勘探开发的突破，必须提高煤层气勘探开发工作的决策水平，建立一套适合中国的煤层气储层评价指标体系及评价方法。因此，本文在总结前人对煤层气储层
3、评价工作的基础上，综合分析了目前对煤层气储层评价所建立的评价指标体系及使用的评价方法，建立了一套新的煤层气储层评价指标体系，并对现有的评价方法进行分析对比，提出建设性改进建议。2煤层气储层评价指标体系的建立2.1 煤层气储层评价参数组合及获取方法煤层气储层评价是一项复杂的系统工程，在整个评价过程中，需要地质工程、气藏工程、钻井工程和生产工程技术人员互相配合。在实际工作中，对煤层气储层评价参数的大部分或者全部不可能都进行深入的探索和研究，特别是在煤层气勘探开发初期，由于技术、工程手段、实验方法和仪器等方面的限制，仅能获取有限的煤层气储层评价参数。因此，如何集中有限的资金、设备和技术人员，最大限度
4、的获取煤层气储层评价所必须的主要参数，也是我们在煤层气储层评价研究中遇到的一个难题。根据前人（苏付义，1998；潘和平，2005）的相关研究引,并结合煤层气储层这一特殊储层类型的特点，提出下列煤层气储层评价参数的组合（表1）,其中包括7大类共49项参数，在该表中也提出了某项参数的最佳获取方法。评价关键参数的获得，应充分利用已有地质勘探资料进行筛选。对缺乏资料的含煤区，可运用类比、模拟等方法求得，并根据勘探动态资料不断进行修正。提出该评价参数组合主要依据是：该组合参数能够反映煤层气储层的煤岩特征、储集能力和流动能力的基本面貌;在反映煤层气储层某一方面特征的所有参数中，选择最能反映这一方面特征的参
5、数参与组合，对于相对次要的参数，根据它与其他参数的相互关系进行取舍;本参数组合中的参数是采用目前的测试技术手段能够获得的。分析项目参数常用的获取方法特征参数煤一11云程市一厚度、埋深、分布、产状钻井、测井、地质调查煤岩工宏观煤岩类型、结构、构造煤心描述显微组分鉴定镜质组含量、壳质组含量、惰质组含量、矿物成分含量实验室分析表2-1A煤层气储层特征参数镜质体反射率测定镜质体反射率实验室分析质特征参数工业分析水分、灰分、挥发分、固定碳实验室分析事相对密度测定相对密度实验室分析、测井续表割理密度煤心曲述总孔隙度、割理孔隙度、孔隙体积压缩率实验室测试数值模拟气测渗透率、水测渗透率、气水相对渗透率曲线实验
6、室测试不稳定试井h数值模拟毛细管压力曲线实验室测试数值模拟申损失气量、解吸气量、残余气量.总含气量、井场及实验室测试急、测井吸附时间-4-*4-兰氏体积、兰氏压力、扩散系数实脸室测度储层物性参数孔隙度测定渗透率测定毛细管压力测试储层吸一含气量测定附健：在多集特征参;种获取方法中标*者为曰吸附等温线测定2.2 煤层气储层评价指标为了在煤层气勘探开发的初期对煤层气储层特征有一个定性或半定量的认识和评价，以便确定进一步的工作方向。随着近几年煤层气勘探开发的不断深入，我国已初步具备建立煤层气储层评价指标体系的基本条件。1996年华北石油地质局在淮南地区施工14口勘探试验井并提出一套煤层气储层参数标准，
7、该标准涉及了煤层气储层地质参数、储集参数和物性参数，具有重要的价值。1997年中原石油勘探局依据华北矿区20多口试验井相关资料，也提出过一套煤层气储层参数评价标准，并将资源参数与渗透性参数分别评价，作出了有意义的探索。查阅相关文献，发现以上两套储层参数评价标准存在以下不足之处：没有全面地描述储层特征参数，多侧重于某一方面或某一参数;渗透率级别划分不太适合中国的实际情况；未考虑储层水文地质条件。本文调研相关文献4,吸收常规天然气和美国煤层气勘探开发的可采性评价指标和经验，并结合我国现有技术水平和实际情况，初步建立了一套煤层气评价指标体系（表2）。表2-2煤层气储层评价指标体系分类参数很好较好中等
8、较差很差煤层气储层地质参数目的层厚度（m）88665542.52.52.02.0-1.51.5-1.09595-8585-7575-65250250-200200150150-100100灰分含量（）25煤层气储层物性参数程厚原始濠i秀率（IO-R5511-0.50.5).l5050-4040-3030-201.01.0-0.80.8-0.60.6).42020-1515-1010-88吸附时间（d）10临界解析压力/煤储层压力0.808060.6).30.3.021500煤体结构完整程度结构完整轻度破坏轻度破坏中度破坏严重破坏构造发育情况构造简单构造简单少量断层断层较发育断层严重构造部位背斜
9、轴部枢纽转折部位翼部向斜轴部水文地质条件简单易降压补给源稳定，排水量较大断层影响水层分布含水层厚度变化大，断层较发育断层发育，含水层富水性变化极大3煤层气储层评价方法的选择3.1 煤层气储层评价方法应用现状综述煤层气储层评价对于指导煤层气战略选区和勘探开发具有重要意义。我国的煤层气储层评价选区理论与方法经历了从引进国外经验到针对我国特点考虑问题、从单因素机械叠加到多因素分级综合评价的认识深化过程。调研文献显示，目前中国的研究者大都采取了定性研究，有一定的半定量研究成果，而定量方法开展的深度广度与国外相比有一定的差距。定性的方法即为地质因素分析法。由于煤层气储层地质现象在许多情况下无法用具体的参
10、数值来精确地描述，所以定性的办法有时也非常有效。半定量化的方法是将定性的资料通过一定方式转化成数据显示，常见打分法转换将定性研究问题转化成定量研究，不仅可以提高精确度和可信度，而且提高了评价结果的显示度，也是将技术指标值转换成经济或管理指标值的一种途径。如员争荣等网在研究煤层气储层性能综合评价方法时，不仅将各评价指标根据研究靶区的情况分为3个等级，还根据煤层气储层性能的物性数据赋予不同的分值，以便显示现状特征的差异力。定量的方法首先是使用最多的加权求和法。员争荣等网在新集矿区煤层气研究中评价各个矿带煤层气储层状况时使用该方法。更加准确的定量数学处理方法如模糊数学法9门、聚类分析法口2、灰色关联
11、分析法口3、层次分析M、神经网络系统、烯权法等方法的使用。3.2 煤层气储层评价方法分析对比加权求和法虽是最快捷的方法，但是忽略了煤层气储层各地质状况描述指标对研究目的贡献的差异性，不分层次考虑问题导致准确度精确度都较低。层次分析法解决了加权求和法只能简单处理指标之间的关系的问题，同时也考虑了煤层气储层各地质状况描述指标分层的关系，但是不可避免地又涉及到赋权问题。在赋权时各个评价指标的权重系数大都以经验赋予法为主，所以该方法掺杂了许多人为的主观因素，客观性在此表现较差同时也无法解决加权求和法的其它问题。烯权法在赋权时将指标之间进行两两对比判断其权重差异来获得权重值，减少主观因素的影响，但是该方
12、法也只是解决了赋权问题，其它问题仍然没有解决。模糊数学法、神经网络系统法等也可以减轻赋权问题带来的不准确性问题。模糊综合评判法既可以得到不同指标值的相对大小差异，也可以得到同一个指标在一个确定的判定集中可能的状态表述值。虽然定量数学的评价方法手工处理数据非常麻烦复杂，但是在计算机软件技术的支持下原来使用起来非常麻烦的数学处理过程变得简单，如层次分析法、模糊数学综合评判法等的数据处理可以使用计算机软件自动处理，简化了处理过程，使这些评价方法的推广具有了更大的可能性。另外各种数学方法的综合运用也成为趋势如使用端权法的赋权优势，突出层次分析法的系统性优势，将问题进行分层次说明，再使用模糊综合评判法等
13、其它方法进行评价，这样使得评价结果的精度信度和准确性大大提高。如多层次的模糊数学评价体系18。但是，上述的定量评价煤层气储层的方法都忽略了时间、空间的变化对评价结果的影响,评价结果只呈现一种平面上各“点状”的煤层气储层状态。随着计算机技术的不断发展,通过地理信息系统（GlS）技术充分展示空间数据在综合评价方面的功能优势也开始应用17O最后将不同的评价方法列表如下（表3）,以便根据要求选择相应的评价方法。综上所述，不同的煤层气储层评价方法各有所长，简单的方法使用方便、处理数据便捷、应用面广但精度低、可视性差；而定量程度高的方法处理数据过程复杂，但可以大大提高评价结果的精确度、可信度、可视性等。表
14、3-1煤层气储层评价方法对比表评价方法参数值参数间关系评价等级时间空间加权求和法N层次分析法N嫡权法模糊综合判别法神经网络法NNNNGISNN注：r”表示有，“一”表示无3.3 煤层气储层评价方法选择由上述可知，基于GIS的多层次模糊数学综合判别法，突出层次分析法的系统性优势，将问题进行分层次说明，同时使用模糊综合评判法进行评价，涵盖了时间空间的变化对评价结果的影响，充分发挥地理信息系统(GIS)技术展示空间数据在综合评价方面的功能优势，具有足够的精确度、可信度、可视性。因此，本文采用基&IS的多层次模糊数学综合判别法。下面对该方法进行简要介绍。331模糊评判的基本思想和基本模型in3.3.1
15、.1 单因素模糊评判单独从一个因素出发，评判评价对象对评价某元素的隶属度，称为单因素模糊评判。设对因素集中Ui进行评判，对其评价集中Vj的隶属度为“用模糊集合表示为：Ri=(11i112,in)Ri称为单因素集。以各单因素评价集的隶属度为行组成的矩阵称为单因素矩阵。由于Ru表示UI和Vj之间隶属度，称R为从U到V的模糊关系。RnR12RiRRR21K,八mnJ3.3.1.2 单层次综合评价模型(1)确定评价因素集U=(UlU2.un)其中Ui(i=l,2,.m)评价因素，m是同一层次上单因素的个数，这一集合构成了评价的框架Q确定评价结果集合V=(VIV2Vn)其中VKj=I2,n)是评价结果，
16、n是元素个数，即等级数或评语档次数。这一集合规定了某一评价因素的评价结果的选择范围。结果集合的元素既可以是定性的，也可以是量化的分值。确定隶属度矩阵假设对第I个评价囚素Ui进行单因素评价得到一个相对于Vj的模糊向量：Ri=Til112,.,im),IT,2,皿j=12.,11回为因素Ui从具有Vj的程度，OWrijWL若对n个元素进行了综合评价，其结果是一个n行m列的矩阵，称之为隶属度R。显然，该矩阵中的每一行是对每一个单因素的评价结果，整个矩阵包含了按评价结果集合V对评价因素集合U进行评价所获得的全部信息。确定权重向量W=(Wl,W2,Wn)其中wi(i=l,2,n)表示因素ui(i=l,2
17、,n)的重要程度，即分配到ui(i=l,2,n)的权重，满足znVV.-1i=1(OVWi1)得到最终的评价结果B权重向量A与判断矩阵R的合成就是该事物的最终评价结果，即：B=WXR=(b也，,bm)其中b=z*r,(j=l,2,.,m)j“3.3.1.3多彦次模糊评判模型煤储层评价是一个多因素、多层次的复杂系统，必须用多层次模糊综合评价模型进行处理。多层次模糊综合评价，是以单层次评价为核心，先构成若干个评价小组的单层次评价子集，再以评价小组的评价子集为新的节点，进行高一层次的评价19o次级模糊综合评判时的单因素评判，应为相应的上一级模糊综合评判，故多级(以二级为例)模糊综合评判的单因素评判矩
18、阵，应为:其P于是二级模糊综合评判集为B=AOR=A 2AO&0,二）* R以此类推，可以构成多段模糊评判模型。由于不同层次中节点的权系数、算子模型不同，多层次模糊数学综合评判口并不是单层次的简单叠加。33.1.4多层次综合模糊评价以评价小组为单元所进行的单层次综合评价所获得的评价结果可以做为下一层次上设因素对自身评语的评价，即为所在层次小组的单因素对自身评语评价矩阵中的一个行向量R,故任一层次的评价矩阵可表示为：(U)Ri=(Ri(ui，Ri(u2)，Ri(un)对于给定的权重为：Ai=A,a12,Aln)多层次综合评判即为：Riz=AiRi算法中权重系数和隶属度矩阵的确定流程(如图3-1、
19、3-2所示)。3.3.2.1 评价因素选择影响煤层气资源与开发的地质因素很多，主要包括煤储层地质特征、煤层物性及封盖情况等三个方面。而每项条件的优劣又由许多因素所决定，根据这些因素的相关影响关系可划分3个层次(图3-3)。图3-1多级评价算法中权重的确定煤层厚度3.3.2.2 获取评价参数特征值的原则与方法建立了模糊评价体系后，还需要对各个子函数确定他们各自的评价因素函数和特征值。本次综合评价所用参数包括定量参数和定性参数。定量参数数据采用实测数据块段平均法或加权平均法，对部分无实测数据的块段，主要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。定性参数取值原则上根
20、据各单元已有地质资料和研究成果，经分析、综合和比较而定性地给出全块段的值口9。3.3.2.3 因素隶属度函数的确定（1）煤层厚度（UU）：煤层是煤储层综合评价的物质基础，煤厚的大小直接影响着煤炭储量及含气量。考虑到煤层不仅是储气层，同时也是生气层，本次采用煤系地层煤厚用M（单位：米）作为评价指标。由于沁水盆地地区的煤层厚度一般在12m左右。因此，将煤层厚度分为大于8m的厚煤层、48m的中厚煤层和小于4m的薄煤层。并因此建立如下煤层与煤层气利用综合指标有如下模糊关系：当M8t=lO.2M-0.6,4M8隶属函数定义为：CGM/0.2,4煤变质程度（U2）：镜质组反射率用R值表示。结合不同变质阶段
21、煤的产烧率，得出以下隶属函数：0.2,R0.7U12=10.348R0.044,0.77?3.0（3）煤相（Ug）：根据煤的宏观特征及显微标志等划相标志，煤相可分为四种：干燥泥炭沼泽、森林泥炭沼泽、活水泥炭沼泽及开阔水体相。其中干燥泥炭沼泽以惰性组含量高为特征，生煌能力差，森林泥炭沼泽以基质镜质体和均质镜质体为主要组分，具有较强的生煌能力；活水泥炭沼泽以富脂类组为特征具有很强的生煌能力；开阔水体代表的是深湖环境，由于水体较深，主要由壳质组分为主，虽然有利于生油，但对煤层气的形成不利。评价中以煤相图为基础，在分出的块段中以占块段主要部分的相作为块段的煤相，按各类煤相分别设定如下量化值。煤相类型开
22、阔水体活水泥炭沼泽森林泥炭沼泽干燥泥炭沼泽隶属度0.41.00.60.4（4）镜质组含量（U14）：煤岩三大组分中，壳质组生气率大于镜质组，而镜质组生气率大于惰性组。煤岩显微组分鉴定结果表明，沁水盆地地区煤层中壳质组分含量普遍较低，因此本次以镜质组含量作为评价指标。镜质组含量V（%）表示，其隶属度为：tM=,0.167V-0.5,30V900,V150.04K+0.40vK15U21H0.05K+0.3,6vKv100.2K0.6,3vK60,K3（6）煤储层渗透率（22）：煤层气储层的渗透率是反映煤层中气、水的流体的渗透性能的重要参数，它决定着煤层气的运移和产出。我国煤储层渗透率一般变化在0
23、.002x10-316.7x10叩m2,其中渗透率在0.1XXlo-3LOx10-3Mm2之间的占37%。为此给定隶属度函数如下：21022=11.11拉OOlll,0.0110,v0.85U23二10.533p-3.533,0.7Pi0.850.2,p20伍4=70.0625V-0.25,4V200,V4（9）煤层的埋藏深度（l）:煤层的埋深对煤层气的开发与利用的影响是多方面的，煤层埋藏太浅，煤中甲烷不易保存，而埋藏过深，煤层的渗透性明显变小，不利于煤层气的开采。评价中深度以H表示，单位为IoOm,深度取值为评价块段主力煤层的中值深度。根据本次评价目的层最大深度为1500m,隶属函数为：0.
24、2,H)15,1.534-0.0891HfiH53il0.25-0.5,2vv5、O,HUi3,)式中UUU)3,表示原叠加图形的的属性，f函数取决于各层上的属性与用户所需要的值U之间的关系,可在图层叠加后通过属性数据的运算来实现。利用GIS的煤储层评价方法基于以上思想，其中的UU12,Ui3,为各个评价因素输入层，如煤厚，埋深等因素评价因子图层，这些图层已经在上一步数据建库中准备好。f表示多层次模糊数学方法确定的函数关系，U为输出数据图层即为评价结果图层。由此可见经过叠加分析后，原来的要素分割成新的要素，新要素综合了原来多层要素所具有的属性。这就是叠加的本质。这种新的要素就是我们需要的综合评
25、价值。叠加分析技术是GIS的主要功能之一，可以通过专门的GlS软件开发平台由美国MaPinf。公司开发的M叩infoProfessional来实现叠加分析技术的应用。其主要步骤如下：按精度生成网格图层；网格图层的叠加；综合评价3.5建立煤层气资源综合评价GIS系统基于以上数据库，利用MaPinfO自带的系统二次开发软件MaPBaSiC进行程序设计，建立华北煤层气资源评价地理信息系统（图3-5）。评价系统主要实现数据输入、输出，数据的维护和地图输出的功能，可以在系统下方便的实现各种信息的查询，如各区各种评价因素的特征、区域分布等。可以进行单项因素评价和多项因素结合评价。利用系统可以方便的对单项或
26、单组因素实现评价，如可单独对区域储层物性进行评价等。华北煤层气资源综合评价GIS系统I输入输出II系统维护I评价查询II综合评价II地图输出I打开表运行MB程序煤厚情层地质壬因素专施打开工作空间浏览窗口Ro偌层物性一统讨困全部关闭镜质组含量直方图页面设置3口楂柱图3.6GIS系统下评价价结果的输出，编制预测图件GlS具有强大的地图输出的功能。GlS不仅可以输出全要素地图,也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。在煤层气资源评价中，最直观的表达方式是专题图，专题图有范围图、饼图、直方图、等级符号图、点密度图、独立值图等等。基于GIS的评价，具有数据精确，存储数据量大，维
27、护灵活的特点。依据它强大的数据处理功能，我们可以根据实践中不同的要求输出能更好地反映该特征的特殊的图件。可以在GlS计算煤层气资源量，煤层气资源丰度，对比各区各评价因素状况等。总之，强大的地理信息系统建立后我们不仅可以具有方便的查询功能，能快速地查到所要的信息，还可以适时的更新数据，维护起来灵活、方便。4结语煤层气储层评价不仅需要具体的地质相关数据而且需要全面系统地综合各类方法开展研究。既要根据所研究的区块的特点建立准确、适用、科学的评价体系，又要灵活运用多学科理论方法和技术。因此影响煤层气储层评价结果的精度可信度和准确度的最主要因素是原始数据、评价指标体系和评价方法，这3个因素对煤层气储层评
28、价工作起到支撑的作用。本文为原始数据的获取提供了丰富而有效的技术手段，建立了涵盖了煤层气储层地质特征、物性特征和封盖特征的煤层气储层评价指标体系，对多种评价方法进行综合分析对比，突出层次分析法的系统性优势，将问题进行分层次说明，同时使用模糊综合评判法进行评价，并且充分利用了GIS技术方便快捷的多源数据采集与输入功能、强大的地图编辑与空间数据管理功能、独特的多种空间分析方法，以及直观的图形和属性数据的可视化表达方法，将时间、空间对评价结果的影响考虑在内。但是该评价不可避免地又涉及到赋权问题。因为人为赋权值时，赋权值的水平状态和分布规律与赋值者的主观意识有极大的关系，赋值者的偏好、倾向，对煤层气储
29、层信息的了解程度、评价经验等，将决定各评价指标权值赋予的大小，也反映出他对各指标的看法。所以该方法存在着人为因素的干扰，客观性在此表现较差。而燧权法在赋权时几乎完全无主观因素的干扰，可以大大减少主观因素的影响，增强评价方法的客观性。因此，将熠权法与基于GIS的多层次模糊数学综合评价体系进行优势互补，则可创造一种精确度、可信度更高的煤层气储层评价方法。参考文献U李文阳，等.中国煤层气地质评价与勘探技术新进展ML徐州:中国矿业大学出版社,2001:91-93.苏付义,煤层气储集层评价参数及其组合J.天然气工业,1998；18(4):16-21.A引潘和平.煤层气储层测井评价J.天然气工业,2005
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