董鳳娟，盧學飛，馬永平

(1. 西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2. 西安石油大學理學院，陜西西安 710065；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

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基于TOPSIS法的煤層氣儲層綜合評價

董鳳娟1，盧學飛2，馬永平3

(1. 西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2. 西安石油大學理學院，陜西西安 710065；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020)

煤層氣是一種形成于煤層又儲集于煤層中的非常規(guī)天然氣，有效地開發(fā)利用煤層氣對充分利用能源和改善我國能源結構具有極為重要的意義。本次研究針對沁端區(qū)塊3#儲層受多種地質條件影響這一問題，選取煤層氣含量、煤層厚度、煤層埋深、煤層溫度、煤層壓力、灰分含量、煤密度、煤的鏡質體反射率等8個參數(shù)，運用熵權逼近理想排序法(TOPSIS法)進行了煤層氣儲層綜合評價。研究結果表明，TOPSIS法計算簡便、權重的確定受主觀因素影響小，評價結果與儲層特征相符，為煤層氣儲層的綜合評價提供了一種新的方法、途徑。

煤層氣 儲層 TOPSIS法 綜合評價

Dong Feng-juan, Lu Xue-fei，Ma Yong-ping. Comprehensive Evaluation of Methane Reservoirs Based on TOPSIS[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(3):0587-0591.

0 引言

煤層氣是一種形成于煤層又儲集于煤層中的非常規(guī)天然氣，其主要成分為CH4。有效地開發(fā)利用煤層氣，對于充分利用能源和改善我國能源結構具有極為重要的意義。由于煤體結構的特殊性，瓦斯突出事故高發(fā)，嚴重制約了煤層氣資源的勘探開發(fā)與煤炭開采。目前，煤儲層的評價方法還大部分處于定性階段，主要以含氣量和滲透性為評價依據(jù)。但是，深埋于地表下的煤儲層實際處于一個多因素共同作用的復雜環(huán)境系統(tǒng)中(員爭榮等，2003；楊欣超等，2010)。為了使煤層氣儲層綜合評價結果更具有客觀性，尋求一種計算簡便、權重的確定受主觀因素影響小的決策方法進行煤層氣儲層綜合評價是很有必要的。本次研究以沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層為例，采用熵權逼近理想排序法(TOPSIS法)進行煤層氣儲層綜合評價，并取得了良好的效果。

1 研究區(qū)概況

沁端區(qū)塊位于沁水盆地南部，隸屬于山西省沁水縣，礦區(qū)屬于中聯(lián)煤層氣有限責任公司。本區(qū)構造形態(tài)總體為一走向NNE、傾向NWW的單斜構造。在此基礎上，發(fā)育了一系列近SN-NNE向寬緩褶曲，形成區(qū)內地層的波狀起伏，巖層傾角一般不超過15°，個別地段受構造影響巖層傾角變化大。斷層不發(fā)育，規(guī)模較大的僅一條，其斷距最大達100m?？傮w屬地質構造簡單類(要慧芳等，2009)。

3#煤層位于山西組下部，上距K9砂巖30m，下距K7砂巖8m。厚6.05～6.6m，平均6.24m。底板標高17.10～321.20m。含夾矸0～5層，一般1～3層，夾矸厚度不大，總厚度不超過0.50m，單層厚度小于0.30m，夾矸巖性多為泥巖或粉砂質泥巖，結構為簡單-較簡單型，屬穩(wěn)定煤層。為低-中灰、特低硫無煙煤(全國石油工程設計大賽組委會，2014)。

2 TOPSIS法的基本思想及其步驟

TOPSIS法是一種逼近于理想解的排序法，根據(jù)有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，在現(xiàn)有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價(羅建強等，2008；張守華等，2011)。

2.1 構造初始數(shù)據(jù)矩陣

在沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層綜合評價過程中，用開發(fā)井代表事物，評價因素代表儲層特征，構造，初始指標矩陣為：

(1)

式中：m——開發(fā)井的數(shù)量。n——評價指標的數(shù)量；

2.2 初始數(shù)據(jù)標準化處理

由于代表煤層氣儲層特征的不同參數(shù)，其量綱各不相同，數(shù)值差異大，為了使各參數(shù)具有可比性，首先需要運用(2)式對各參數(shù)進行歸一化處理：

(2)

式中：i——開發(fā)井的數(shù)量，1，…，m；j——評價指標的數(shù)量，1，…，n；xij——第i個開發(fā)井的第j個指標值。

由此可以得到歸一化后的矩陣，見(3)式。

(3)

2.3 指標權重的確定

本次研究引入信息熵的概念來確定指標的權重。熵為信息系統(tǒng)衡量信息不確定性的指標, 熵值越大，表明數(shù)據(jù)分布越分散，其不確定性也越強。應用于權重分析中，第j項指標的指標值分布越分散，相應的指標重要度也就越高。這里有一種極端的情況，即如果指標值都相等，則所有指標絕對的集中于一點，則表明該指標值在儲層綜合評價中不起任何作用。

根據(jù)信息熵值的定義(羅建強等，2008)：

(4)

式中k=(lnm)-1，則有0≤ej≤1。一般，第j項指標的分散程度取決于hj：

(5)

第j項指標的指標值分布越分散,則其相應的hj值也越大,表明第j項指標的重要度也越高。在所有n個指標值中,第j項指標的權重可用(6)式來確定。

(6)

2.4 決策矩陣的確定

首先將沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層每口開發(fā)井各項指標歸一化，然后將各指標歸一化后的值與其對應的權重值相乘,可以得到決策矩陣，見式(7)。

(7)

2.5 確定正理想解集合V+和負理想解集合V-

正理想解是指每個指標最理想的取值,效益型指標最大值為其最理想解；成本型指標最小值為其最理想解。同時,負理想解是指每個指標最不理想的取值，對于效益型指標即為其最小值,成本型指標則是其最大值(羅建強等，2008)。

(8)

(9)

其中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；J1為效益型指標集合,J2為成本型指標集合。

2.6 相對接近度計算

首先，計算每個樣本與其正理想解以及負理想解之間的距離。然后，以其距離正理想解的相對距離為相對接近度,相對接近度越小,即距離正理想解越近,也就是說該類儲層生氣潛力最好。

樣本與正理想解的距離可運用(10)式來確定。

(10)

式中，i=1，2，…，m。

樣本與負理想解的距離可運用(11)式來確定。

(11)

式中，i=1，2，…，m。

每個樣本的相對近似度可運用(12)式來確定。

(12)

由式(12)可以看出,Di越大,該井處的儲層生氣潛力越接近于理想值,則各開發(fā)井處的儲層生氣潛力可根據(jù)Di的大小進行優(yōu)劣排序，然后進行煤層氣儲層綜合評價。

3 評價參數(shù)的選取

在煤層氣儲層綜合評價選取參數(shù)時，既要考慮煤巖層的地質因素，又要考慮煤層氣的特征。本次研究主要考慮以下因素：

3.1 與煤巖層相關的參數(shù)

(1) 煤層厚度：煤層厚度的變化是影響煤礦開采的主要因素之一，嚴重制約采掘工作的正常進行，以及控制煤層氣儲量和產量的變化。通常情況下，煤層厚度越大，其供氣能力就越強，產量也就越大。

(2) 煤層埋深：是控制煤層瓦斯含量總體分布趨勢的主導因素，瓦斯含量隨著煤層埋深的增大而增大。同時，煤層滲透率隨煤層埋深的增加而減小。

(3) 滲透率：滲透率是控制煤層中甲烷開采程度的主要儲層參數(shù)之一。在水飽和條件下，煤層的滲透率對煤層氣井排出水的初始速度起著控制作用。因此，滲透率控制著煤層氣儲層的脫水速度和達到最大采氣量所需的開采時間。

(4) 煤層壓力：是指煤層孔隙中流體所受到的壓力。煤層原始壓力與煤層含氣量有著重要關系，是決定煤層氣井產能的重要地質因素。在一般情況下，煤層原始地層壓力越高，表明其煤層的保存條件好，煤層含氣量就越高，煤層氣井產能也就越高(劉人和等，2008)；否則，反之亦然。同時，壓力也是流體流動的動力，一般來說，煤層所受壓力越大，越有利于氣體排采。

(5) 煤層的直接頂板厚度：煤層上面若有滲透性差的泥巖或灰?guī)r作為蓋層，則可以使煤層氣得以保存。煤層的直接頂板厚度可作為蓋層質量好壞的直接評價指標。

(6) 煤的鏡質體反射率：指由粉煤磨制成的煤光片，在顯微鏡油浸物鏡下，鏡質體拋光面的反射光強度對垂直入射光強度之百分比。它直接反映了煤的變質程度，與煤的揮發(fā)分對應，煤的鏡質體反射率越高，揮發(fā)分就越低。從生氣的角度來看，煤的變質程度越高，累計生成的甲烷就越多，氣源充足有利于煤層吸附更多的甲烷；其次，煤的變質程度影響煤的孔隙內表面積，從肥煤起，隨變質程度的增加，煤的孔隙內表面積逐步增大，使煤對甲烷的吸附能力增加[8]。

3.2 與煤層氣相關的參數(shù)

(1) 煤層氣含量：含氣量決定煤層吸附飽和度。含氣量越高，臨界解吸壓力越高，有效泄氣面積越大，單井產量越高。

(2) 灰分含量：不僅反映煤的純度，吸附氣體的潛力，而且計算和研究煤層含氣量的重要參數(shù)?；曳趾颗c有機質含量呈負相關關系，即灰分含量越高，有機質含量越低，儲氣空間變小，進而影響煤巖吸附能力，致使含氣量降低，滲透性變差(萬金彬等,2012)。

(3) 煤密度：取決于煤巖成分、煤變質程度、煤中所含礦物質的成分和含量。煤的密度與煤層含氣量之間呈反比關系，即：煤密度越低，煤層含氣量越少(徐常忠等，2010)。

4 煤層氣儲層綜合評

本次研究以沁端區(qū)塊為例，根據(jù)對研究區(qū)的研究實踐，確定了9個參數(shù)作為影響煤層氣含量的子因素：煤層氣含量、煤層厚度、煤層埋深、煤層溫度、煤層壓力、灰分含量、煤密度、煤的鏡質體反射率、煤層的直接頂板厚度。表1為沁端區(qū)塊3號煤層各個特性指標的原始數(shù)據(jù)表。

表1 沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層各特性指標的原始數(shù)據(jù)表(全國石油工程設計大賽組委會，2014)Table 1 The original data of characteristic parameters of 3# reservoir in Qinduan block (after The organizing committee of China Petroleum Engineering Design Competition,2014)

在表1中，煤層氣含量、煤層厚度、煤層埋深、煤層溫度、煤層壓力、灰分含量、煤密度、煤的鏡質體反射率、煤層的直接頂板厚度的數(shù)據(jù)均來自本次石油工程大賽基礎數(shù)據(jù)的相關數(shù)據(jù)表。

另外，由于沁端區(qū)塊不同井處3#煤層的直接頂板厚度相同,對煤層氣儲層的好壞影響程度一樣。因此，直接頂板厚度指標在煤層氣儲層綜合評價中不進行考慮。于是，在TOPSIS 法中,m=6,n=8。

(1) 由表1得到初始矩陣

(2) 對上述矩陣進行歸一化處理后,得到矩陣為:

(3) 計算各指標的信息熵值為:

ej=(1.3901.4181.40481.3951.4081.3901.4191.417)

k=(lnm)-1=ln6-1=0.1759

(4) 離散度hj為：

hj=(0.2240.2090.2170.2220.2140.2240.2080.209)

(5) 各指標權重為：

wj=(0.130.1210.1250.1280.1240.1300.1210.121)

(6) 加權規(guī)范后的矩陣為：

8個指標中,含氣量、厚度、滲透率、壓力、鏡質體反射率是效益型指標，其值越大，則儲層生氣潛力越好；而埋深、灰分、密度是成本型指標，其值越低，則儲層生氣潛力越大。在選擇正負理想解集合時,含氣量、厚度、滲透率、壓力、鏡質體反射率這5個指標選擇其最大值,而埋深、灰分、密度這3個指標選擇其最小值。

(7) 正理想解集合V+與負理想解集合V-分別為：

V+=(0.0230.0210.0160.0300.02510.01080.0200.023)

V-=(0.0140.0190.0260.0140.0160.0270.0210.019)

(8) 各井處儲層生氣潛力與正理想解的距離為：

(9) 各井處儲層質量的相對近似度Di為：

Di=(0.5120.3290.2600.2490.1940.246)

因此，應用TOPSIS方法對沁端區(qū)塊6口井的3#煤層的儲層生氣潛力進行綜合評價，并與AHP法對各井處3#煤層的儲層生氣潛力進行綜合評價，得到的排序結果進行比較，其相對排序結果，見表2。

表2 沁端區(qū)塊3#煤層綜合評價結果Table 2 Comprehensive evaluation of No.3 seam in Qinduan block

從表2可以看出，AHP法與TOPSIS法對各井處3#煤層的儲層生氣潛力進行綜合評價均認為方案W1井處生氣潛力要優(yōu)于其它井。但是，TOPSIS法與AHP法得到的評價結果區(qū)別主要在于W5與W2井的排序上，其主要原因是AHM法主要采用專家經驗來確定各指標的相對權重，突出了含氣量對儲層生氣潛力影響的重要性；而輕視了灰分含量是對儲層含氣量和滲透性的影響的重要參數(shù)，其在儲層生氣潛力評價中至關重要。因此，TOPSIS法評價結果更具有客觀性，認為W1井處儲層生氣潛力最好是合理的。

5 不同井的儲層特征分析

通過對沁端區(qū)塊6口井的3#煤層特征進行分析發(fā)現(xiàn)，從煤體結構來看，W1、W2井均為破裂結構，對煤層氣的產出有利；而W3、W4、W5和W6井均為原生結構；從煤層的含氣特征來看，W1、W2、W3井甲烷氣的含量較高，扣空氣后歸一化氣體組分濃度均大于88.76%；而W4、W5、W6甲烷氣的含量較低，扣空氣后歸一化氣體組分濃度在79.42%～90.2%之間；從煤層壓力來看，W1、W2、W3、W6和W4處的原始地層壓力均大于4.48MP，而W5處的原始地層壓力為3.76MP。

6 結論與認識

(1) 煤儲層評價是一個復雜的、多重因素參與的評價過程，通過應用TOPSIS方法，對沁端區(qū)塊3#煤層的各項儲層指標進行分析可知，所選取的8個評價指標對儲層生氣潛力的影響程度依次為：灰分>含氣量>滲透率>埋藏深度>地層壓力>鏡質體反射率>煤層厚度>煤的密度。

(2) 應用TOPSIS方法對沁端區(qū)塊6口井的3#煤層進行綜合評價，可知各井處3#煤層的儲層生氣潛力排序依次為:W1>W2>W3>W6>W4>W5。通過對沁端區(qū)塊6口井的3#煤層特征進行分析發(fā)現(xiàn)，儲層綜合評價結果與儲層特征有較好的一致性。

(3) 通過應用TOPSIS方法對沁端區(qū)塊3#煤層進行綜合評價，其結果具有合理性，說明TOPSIS方法對煤層氣儲層評價行之有效。

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Comprehensive Evaluation of Methane Reservoirs Based on TOPSIS

DONG Feng-juan1, LU Xue-fei2，MA Yong-ping3

(1.Collegeofpetroleumengineering,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an,Shaanxi710065；2.CollegeofSciences,Xi’anPetroleumUniversity,Xi’an，Shaanxi710065；3.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExploration&Development-Northwest,Lanzhou，Gansu730020)

Methane is an unconventional gas which formed and accumulated in coal seams. The effective development and utilization of methane is very important to make full use of energy and improve the energy structure in China. This study focused on the No.3 seam of the Qinduan block which is influenced by many geological conditions. Eight parameters, which are the content of methane, coal thickness, buried depth of coal seam, temperature, pressure of coal seam，ash content of coal seam, density of coal, and coal vitrinite reflectance have been taken as main indexes to be considered. The methane reservoir has been evaluated comprehensively based on the method of TOPSIS. The results indicate that the method TOPSIS is a simple in calculation and easy in operation, and its weight determination is less affected by subjective factors. The evaluation results are in conformity with reservoir characteristics. Thus it is a new approach for evaluation of gas reservoirs in seams.

methane, reservoir, TOPSIS, comprehensive evaluation

2014-09-19；

2014-12-16；[責任編輯]陳偉軍。

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)(2011ZX05044)與國家自然科學基金特低滲透雙重介質砂巖微觀孔隙結構的定量表征(41102081)聯(lián)合資助。

董鳳娟(1980年—)，女，博士，講師，主要從事油氣田地質與開發(fā)方面研究。E-mail：dfj_1222@126.com。

P618.11

A

0495-5331(2015)03-0587-05