楊曙光 伏海蛟 王剛 嚴(yán)德天 李躍國 姚程鵬 張娜

摘? 要：新疆準(zhǔn)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(jìn)展較緩慢，建立合適的煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)體系并對(duì)有利區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變得尤為重要。為解決上述問題，選用“一票否決+模糊數(shù)學(xué)層次分析”的研究思路，結(jié)合該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)進(jìn)展，優(yōu)選不同層次的選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如將煤層氣資源條件、煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件及煤層氣保存條件選為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo);綜合不同層次選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重與隸屬度函數(shù)確定，建立準(zhǔn)南地區(qū)勘探階段煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型;將不同評(píng)價(jià)單元、不同評(píng)價(jià)指標(biāo)信息代入數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，確定煤層氣勘探潛力等級(jí)劃分，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層氣勘探有利區(qū)。結(jié)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(zhǔn)南地區(qū)未來煤層氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)突破區(qū)塊。

關(guān)鍵字：準(zhǔn)南地區(qū)：煤層氣;選區(qū)評(píng)價(jià);模糊數(shù)學(xué)層次分析;有利目標(biāo)

準(zhǔn)噶爾盆地為煤層最發(fā)育地區(qū)之一，準(zhǔn)南地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的中-低煤階煤層氣資源，預(yù)測(cè)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(zhì)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(zhì)調(diào)查局油氣中心等單位在準(zhǔn)南地區(qū)開展煤層氣勘探工作，相繼在烏魯木齊河?xùn)|、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(zhǔn)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(gè)煤層氣開發(fā)利用先導(dǎo)性示范工程在阜康白楊河礦區(qū)建成，產(chǎn)能達(dá)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(duì)比分析可知，準(zhǔn)南地區(qū)構(gòu)造較復(fù)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(zhì)特征，明顯區(qū)別于國內(nèi)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(píng)價(jià)方案不適用于準(zhǔn)南地區(qū)，缺乏針對(duì)性的選區(qū)評(píng)價(jià)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(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐成果，優(yōu)選不同層次選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合“一票否決+模糊數(shù)學(xué)層次分析”的選區(qū)評(píng)價(jià)思路，構(gòu)建了適合于準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣選區(qū)的評(píng)價(jià)體系，劃分了煤層氣勘探潛力等級(jí)，圈定了下一步勘探開發(fā)的目標(biāo)區(qū)。

1? 煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)特征

以二疊系沉積時(shí)構(gòu)造格局為基礎(chǔ)，將準(zhǔn)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(gè)一級(jí)構(gòu)造單元（圖1）。準(zhǔn)南地區(qū)主體位于北天山山前沖斷帶，具體為準(zhǔn)噶爾盆地南部、依連哈比爾尕山北側(cè)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(gè)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(xué)者針對(duì)準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣開展研究，對(duì)該區(qū)煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)特征認(rèn)識(shí)如下[6-7]：①煤層層數(shù)多，總厚度大;②含氣性相對(duì)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?dú)鉂舛犬惓８?④煤層氣風(fēng)化帶區(qū)域上變化明顯，與區(qū)域水動(dòng)力場和次生生物氣補(bǔ)給相關(guān);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(duì)較弱，八道灣組煤與西山窯組煤差別明顯;⑦儲(chǔ)層壓力梯度明顯偏小，嚴(yán)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(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，局部地區(qū)發(fā)育構(gòu)造煤;⑩構(gòu)造條件變化較快，局部地區(qū)發(fā)育復(fù)合褶皺;11水動(dòng)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(guān)。

2? 煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)體系

2.1? 選區(qū)評(píng)價(jià)方法概述

“一票否決+模糊數(shù)學(xué)層次分析”被選為準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探階段選區(qū)評(píng)價(jià)的具體實(shí)施方案?；诿簩託饪碧綄?shí)踐成果，下列指標(biāo)被選為準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探階段一票否決性指標(biāo)（表1）。一票否決指符合上述任何一條者，認(rèn)為不具有煤層氣勘探開發(fā)價(jià)值，應(yīng)予以放棄。具勘探開發(fā)價(jià)值的前提下，可進(jìn)行下一階段模糊數(shù)學(xué)層次分析選區(qū)評(píng)價(jià)工作。模糊數(shù)學(xué)層次分析法（AHP）是一種基于數(shù)學(xué)模型組織與分析復(fù)雜問題、值得信賴的數(shù)學(xué)方法，它可以幫助決策者按優(yōu)先級(jí)將相關(guān)參數(shù)多重屬性進(jìn)行排序，并對(duì)一個(gè)復(fù)雜問題的定量與定性兩方面屬性進(jìn)行綜合性研究[8-9]。開展準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)工作，不能簡單參考煤層厚度、含氣量與埋深等地質(zhì)參數(shù)，應(yīng)基于煤層氣區(qū)塊的實(shí)際地質(zhì)情況，盡量多參考能反映煤層氣勘探潛力的地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)層次分析法建立定量化數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)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(quán)重確定

為實(shí)現(xiàn)找出煤層氣勘探有利區(qū)的目的，本文構(gòu)建了準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣多層次選區(qū)評(píng)價(jià)體系（圖2）。即，將煤層氣勘探潛力（Ui）作為評(píng)價(jià)體系的終極目標(biāo)，將煤層氣資源條件（A）、煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件（B）、煤層氣保存條件（C）作為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將煤層含氣量（A1）、煤層總厚度（A2）、甲烷濃度（A3）、煤層氣風(fēng)化帶（A4）及儲(chǔ)層滲透率（B1）等12個(gè)參數(shù)確定為體系中的三級(jí)參數(shù)。各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定后，需對(duì)其權(quán)重進(jìn)行賦值，權(quán)重的賦值主要運(yùn)用判斷矩陣計(jì)算特征向量求得，具體計(jì)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(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)具相互獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行對(duì)比，需開展均一化處理。準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)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(fēng)化帶、儲(chǔ)層滲透率、蘭氏體積、儲(chǔ)層壓力梯度、含氣飽和度）主要采用實(shí)際數(shù)據(jù)取平均法，對(duì)部分無實(shí)際數(shù)據(jù)的區(qū)塊，根據(jù)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法求得，或在相應(yīng)的參數(shù)平面等值線圖中求得;定性參數(shù)（即，煤體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件、頂?shù)装灞４鏃l件）的取值，原則上參考各地質(zhì)單元已有地質(zhì)資料與研究成果，經(jīng)系統(tǒng)分析、經(jīng)驗(yàn)性的給出不同地質(zhì)條件下的定量賦值（表2）。需注意，準(zhǔn)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(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)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(shí)[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(fēng)化帶（A4）與水文地質(zhì)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(fēng)化帶（A4）? 煤層氣風(fēng)化帶深度（H）對(duì)煤層氣資源量計(jì)算與開發(fā)方案的制定至關(guān)重要。本文運(yùn)用“甲烷含量≥1 m3/t且氮?dú)鉂舛取?0%”對(duì)準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣風(fēng)化帶進(jìn)行定量判識(shí)[6]。熱成因煤層氣，煤層氣風(fēng)化帶越淺，煤層氣勘探潛力越大。結(jié)合準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探實(shí)踐，建立熱成因煤層氣風(fēng)化帶深度的隸屬度函數(shù)（公式1）。對(duì)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(bǔ)給且滲透率較高，煤層氣風(fēng)化帶對(duì)生物成因煤層氣勘探潛力的影響相對(duì)較弱，建立生物成因煤層氣風(fēng)化帶邊界的隸屬度函數(shù)（公式2）。

水文地質(zhì)條件（C2）? 水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣形成與富集成藏過程影響極大，且水文地質(zhì)條件對(duì)不同成因煤層氣影響明顯不同。對(duì)于熱成因煤層氣，水文地質(zhì)條件具雙重效應(yīng)，既可起水動(dòng)力封堵作用、亦可產(chǎn)生水動(dòng)力逸散效應(yīng)[15]。一般來說，水動(dòng)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(duì)于生物成因煤層氣，水文地質(zhì)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(dòng)）[16]。因此，低礦化度、水動(dòng)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(zhì)條件對(duì)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(zhǔn)南米泉地區(qū)的生物成因氣可能形成于較早地質(zhì)時(shí)期，缺乏現(xiàn)今生物氣大量補(bǔ)給[17]，只需考慮現(xiàn)今保存條件，采用熱成因氣的判別標(biāo)準(zhǔn)。

2.4? 數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型建立

在求得不同評(píng)價(jià)單元不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與隸屬度值之后，可對(duì)準(zhǔn)南地區(qū)開展勘探階段的煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)工作。為最大程度反映煤層氣勘探潛力，并展現(xiàn)出各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的真實(shí)影響，本文建立了準(zhǔn)南地區(qū)勘探階段煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型（表3），有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)各評(píng)價(jià)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(yù)測(cè)

為定量評(píng)估煤層氣勘探潛力在區(qū)域上的變化規(guī)律，本文將準(zhǔn)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(gè)評(píng)價(jià)單元?；谠缙诿禾锟碧脚c現(xiàn)今煤層氣勘探成果，將不同評(píng)價(jià)單元、不同評(píng)價(jià)指標(biāo)信息代入對(duì)應(yīng)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(píng)價(jià)單元不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值。隨后，將隸屬度值代入上述數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，求得準(zhǔn)南地區(qū)不同評(píng)價(jià)單元內(nèi)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(zhǔn)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(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探潛力由好到差可劃分為3個(gè)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。基于此，本文認(rèn)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(zhǔn)南地區(qū)未來煤層氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)突破區(qū)塊。

4? 結(jié)論

（1） 選用“一票否決+模糊數(shù)學(xué)層次分析”的研究思路，結(jié)合準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐成果，優(yōu)選出不同層次煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo);基于不同層次選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重與隸屬度函數(shù)確定，建立勘探階段煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型;結(jié)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(jí)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探有利區(qū)。

（2） 準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探潛力由好到差可劃分為3個(gè)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(rèn)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(zhǔn)南地區(qū)未來煤層氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)突破區(qū)塊。

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