孙 斌，田文广，杨兆彪，杨敏芳，李存磊
(1.中国石油勘探开发研究院，河北 廊坊 065007；
2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008)
中国西南地区(主要包括川南、滇东和黔西)煤炭和煤层气资源丰富，煤层气地质资源量接近4.2 万亿m3以上，其中，贵州为3.15 万亿m3，云南为0.5 万亿m3，四川为0.6 万亿m3，约占全国煤层气地质资源量的12%，是我国未来重点发展的煤层气产业化后备基地。近5 年来，杨梅参1 井、川高参1 井、文1-2 井等一些日产量在5 000 m3以上的高产井接连刷新本区域最高日产量[1-3]，昭示着该区域有着广阔的煤层气勘探开发前景。其中，川南－滇黔北探区是中石油的重要煤层气探区，川南筠连区块已建成了2.58 亿m3产能，年产量1 亿m3以上。为保证煤层气“增储上产”，下一步需在其外围滇东北和黔西北寻找煤层气有利区，为后期煤层气开发工程部署提供依据。然而，该区构造背景复杂，煤层层数多，煤体结构复杂，含气系统叠置，与已经取得开发成果的华北沁水盆地成藏条件截然不同[4-8]。同时，该地区部分区域，如威信–镇雄–赫章一带，地质评价程度较低，煤层气基本地质条件及资源条件认识不清，无法为后期煤层气勘探开发提供技术支持。
为此，笔者对该区煤层气地质条件、富集规律及其地质控制因素调查研究，构建“多层次模糊数学+关键指标方法”，进行多层合采有利区优选，以期为研究区后续工程部署提供依据。
研究区大部分位于滇东，少部分位于黔西北，由众多中小型向斜组成，包括镇雄–赫章、威信–叙永和塘坝3 个区块，其中，镇雄–赫章区块主要包括可乐向斜、牛场以古向斜和镇雄向斜，威信–叙永区块包括新庄–洛旺–彝良向斜和石坎–马河向斜，塘坝区块包括庙坝向斜、两河向斜和盐津向斜。断层主要以NE 向为主，NW 向次之，发育正断层、逆断层和平移断层(图1)。
图1 研究区构造与沉积相Fig.1 Structure and sedimentary facies map of the study area
晚二叠世研究区大致以赫章–马河–威信为界，上二叠统煤系在西部为宣威组(P3x)，下段发育河流相，上段发育泛滥平原–三角洲沉积体系；
东部逐渐过渡为龙潭组(P3l)–长兴组(P3c)，主要发育潟湖–潮坪和三角洲相(图2)[9-10]。因此，造成研究区不同地带含煤地层发育特征具有较大差异，主力煤层主要位于龙潭组上部或宣威组中上部，长兴组仅研究区中部含少量煤层，东部由于是浅海相兼有潟湖相，覆水很深，几乎没有煤(图2)。研究区C5(M11)煤层形成于最大海泛面处，具有厚度大、分布广的特征[11-12]。研究区煤系厚度总体表现出，由南向北，由东向西减薄的趋势，这与滇东黔西地区受东南方向海侵密切相关(图1)。煤层层数同样由南向北，由东向西，煤层层数减少。
图2 滇黔北探区可乐向斜连井剖面Fig.2 Profile of Kele syncline wells in northern Yunnan-Guizhou exploration area
基于709 个原煤样品统计结果，主力煤层灰分质量分数介于12.72%～41.93%，平均27.73%，属于中灰煤。处于陆相聚煤区的庙坝向斜，洛旺向斜，可乐向斜的辅处探区，主力煤层灰分质量分数一般在30%以上，为高灰煤；
东部的新庄、镇雄等向斜，主煤层灰分质量分数一般低于30%。主力煤层镜质体最大反射率(Rmax)介于1.88%～3.64%，主要为贫煤–无烟煤。其中，可乐、镇雄、牛场–以古、庙坝、新庄等向斜煤级较高，Rmax>2.5%，主要为无烟煤；
其余向斜主要为贫煤。
以往煤层气有利区优选往往指标多而复杂，实际的可操作性较差[13-14]。吴财芳等[15]在分析我国煤层气地质选区发展历程及现状的基础上，针对滇东黔西地区多煤层、高地应力和构造复杂等地质特点，从资源–地质–工程–经济等方面优选了选区关键指标和参考指标，构建了适合滇东黔西地区的煤层气地质选区指标体系，总体具有“层次结构+递阶优选”“关键要素+一票否决”“参考指标+辅助评价”的特点。借鉴其主要思想，针对研究区处于煤层气勘探开发初期的特征，建立基于层次递阶优选的“多层次模糊数学+关键指标法”的薄煤层多层合采有利区优选方法：基于层次递阶优选关键指标，增强方法的可操作性；
总结前人经验，建立合采系数，评价合采效果；
利用最小–最大规范化方法，放大储层特征的差异性；
利用多层次模糊数学，赋予储层评价的科学性。
2.1 层次递阶优选
煤层气勘探开发的最终目的就是要获取商业性气流，开采条件与地质条件同等重要，二者缺一不可[15]。以NB/T10013−2014《煤层气地质选区评价方法》为依据，建立层次递阶结构模型，并得到煤层气选区评价参数及参考权重赋值(图3)。
图3 煤层气选区综合评价层次结构模型及权重赋值(NB/T 10013−2014《煤层气地质选区评价方法》)Fig.3 Hierarchical structure model and weight assignment for comprehensive evaluation of CBM area selection (NB/T 10013−2014 The procedure and method of coalbed methane play evaluation and selection)
2.2 特征参数
从图3 的参数权重可以看出，含气量、渗透率、煤体结构、主力煤层净总厚度的权重较高，其余指标权重较低。含气量是计算煤层气资源储量的重要基础数据，与煤层埋深、构造、水文地质条件、镜质组含量、灰分、含气饱和度、临储比、煤层与围岩的关系有关；
煤体结构反映了储层孔隙–裂隙系统及可改造性，与构造、有效地应力有关。主力煤层净总厚度是资源指标，反映了煤层分布面积、煤层埋深变化、临储比的特征。这三个权重较高的要素之间尽管互有联系，但却无法相互替代。由于研究区为煤层气勘探开发初期阶段，真正进行煤层气勘探开发的试验评价井较少，大多数为煤田勘探孔，渗透率参数获取困难，于是仅提取这3 个权重较高的要素作为关键指标，进行有利区优选，其中，将主力煤层总净厚度进一步量化为符合多煤层区多层合采的“合采系数”。
1) 合采系数
西南多煤层较为发育，单煤层普遍较薄，一般在2 m 左右，其特点决定了单独开发一层煤层，资源性和经济性均不高，多层合采是本区煤层气开发的最佳选择[16]。秦勇等[17]总结了黔西–滇东地区煤层气合采产层组设计与排采管控措施，得出产层组合最大跨度不超过60 m 的结论。同时，毕彩芹等[2,14]以川高参1 井的成功经验得出压裂层位总厚度在5 m 以上最佳。为此，本文以主力煤层为中心煤层，汇总向上或向下扩展60 m 范围内可采煤层总层厚H，定义合采系数C为：
根据滇东黔西实际开发经验，在60 m 跨度内合采煤层至少达到5 m 以上，合采效果一般较好[18]。为此，合采系数C以0.08 为界限，大于0.08 定义为好，小于0.08 定义为差，即理想的跨度内合采煤层厚度越厚越好。
2) 煤体结构
煤体结构是影响煤层气压裂改造的重要因素，碎裂煤和原生结构煤易于改造，而构造煤改造难度较大；
在排采过程中，煤体结构越破碎，煤粉产出越多，裂缝闭合越严重、且易造成排采通道的堵塞。煤体结构可分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒–糜棱煤3 类，其中，碎粒–糜棱煤不利于进行煤层气勘探开发。结合煤心照片、构造活动强度以及煤体特征，参考煤体结构划分标准(GB/T 30050−2013)对研究区煤体结构进行划分。分析研究区煤体结构与测井曲线交会关系发现，随着煤体结构破坏程度的升高，煤层越容易扩径、自然伽马越高，而对于超过一定厚度(H>1.5 m)的碎粒–糜棱煤，自然伽马保持低值不变，井径增大，与前人认识相同[19-21]。据此建立针对研究区的煤体结构判识典型测井图(图4)，并进一步进行了量化：
图4 研究区煤体结构测井判识模板Fig.4 Logging identification template of coal structure in the study area
式中：G为煤体结构判识指数；
CAL 为横向井径，cm；
GR 为自然伽马，API；
ln(LLD)为深侧向电阻率的对数。其中，原生结构煤(G>5)；
碎裂煤(4≤G≤5)；
碎粒–糜棱煤(G<4)。碎粒–糜棱煤往往难以采用传统的水力压裂方式改造，目前储层评价中，碎粒–糜棱煤为最差储层。
3)含气量
煤层含气量是确定煤层气资源量和采收率必不可少的参数。根据杨兆彪等[22]对黔西–滇东地区煤层气多层合采的研究认识以及DZ/T 0216−2017《煤层气资源/储量规范》，将煤层含气量8 m3/t 作为Ⅱ和Ⅲ类煤储集层的含气量分界值；
12 m3/t 作为Ⅰ和Ⅱ类煤储集层含气量分界值，含气饱和度一般可达60%～100%。
2.3 模糊数学综合评价模型
储层综合评价关键在于建立参数评价体系及确定参数权重[22-23]。以煤体结构判识指数、含气量、合采系数作为关键指标(图3)，通过变异系数加权方法设定各参数权重，综合评价储层属性，建立适合于研究区的储层评价参数体系(表1)。为了提高赋权方法的科学性，本文基于95 口评价井及勘探孔关键指标数据，通过求取各参数的变异系数，进而确定储层评价过程中每个参数的权重。
表1 煤层气勘探阶段有利区评价参数Table 1 Evaluation parameters of favorable areas in CBM exploration stage
按照如下步骤来完成储层综合评价：
(1) 选定储层评价涉及的地质参数，构建相关参数综合评价体系。
(2) 采用最小–最大规范化方法，对每个参数进行归一化处理，如下：
主要是为了数据处理方便提出来的，把数据映射到0～1 范围之内处理，更加便捷快速；
把有量纲表达式变成无量纲表达式，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。
将数据归一化到(a,b]区间范围的方法：首先找到样本数据Y的最小值Ymin与最大值Ymax，计算系数为k，最终得到归一化到(a,b]区间的数据Ynor。
(3) 计算每个参数的赋值情况，见表1；
并对层次递阶结构模型得出的各参数权重进行处理，得到各参数权重。
(4) 通过模糊数学评价模型对煤层气勘探潜力指数(Fj)进行评价，Fj越高表示煤层气勘探潜力越大[10]。评价参数xij乘上权重Wi得到Fj，Fj即为各参数运算后获得加权的得分即为储层评分结果：
3.1 关键参数及其分布
1) 合采系数
研究区煤系厚度一般在150 m 左右，其中，可乐向斜、牛场–以古向斜和镇雄向斜煤系较厚在200 m 左右。总体表现出，由南向北，由东向西减薄的趋势，其中在研究区的西部边缘，宣威组已不含煤层，如彝良县城以西地区。煤层数以镇雄向斜、可乐向斜和新庄向斜煤层层数较多，可达到20 层以上，包括龙潭组下部煤线，但主要煤层分布在龙潭组上段和长兴组。同样，由南向北，由东向西，煤层层数减少，可采煤层数一般在3 层左右，主要分布在龙潭组中段和长兴组(图5a)。研究区煤层总厚度一般在6 m 以上，其中镇雄向斜、新庄向斜和石坎向斜煤层总厚度较大，部分可达到9 m 以上；
向西部方向，比如庙坝向斜、马河向斜及可乐向斜的西部煤层总厚度较薄，不到4 m(图5b、表2)。上述向斜平均可采厚度一般在3 m 左右，煤层总厚度较薄的区域，可采煤层总厚度一般较低。研究区C5(M11)煤层具有全区可对比性，在海陆过渡相位于长兴组和龙潭组的分界处，为龙潭组的顶部煤层；
在陆相位于宣威组上段和中段的分界处，为宣威组中段的顶部煤层，为全区主要的主力可采煤层。本文着重分析C5(M11)煤层的储层物性。
图5 研究区可采煤层层数及总厚度等值线Fig.5 Contour maps of the number of coal seams and total thickness in the study area
表2 研究区典型向斜煤层群发育情况统计Table 2 Statistics on the development of typical syncline coal seam groups in the study area
以C5(M11)煤层为主力煤层分别考虑向上合采、向下合采[24]，分别计算了两种合采系数(图6)，C5(M11)向上合采系数C大于0.08 区域主要位于中西部区域即陆相含煤区(图6a)，而C5(M11)向下合采系数C大于0.08 区域主要位于东部区域即海陆过渡相区域(图6b)，这与陆相区域主要为宣威组上段含煤，而海陆过渡相主要为龙潭组含煤相关。
图6 研究区合采系数分布Fig.6 Distribution map of co-mining coefficient in the study area
2) 煤体结构
统计计算研究区18 口评价井+70 余口勘探井煤体结构判识指数(式2)，并采用克里金插值的方法，得到C5(M11)煤层煤体结构平面区域分布特征(图7)。整体而言，碎粒–糜棱煤沿新庄向斜、洛旺向斜、马河向斜及牛场–以古向斜西北部呈条带状分布，推测可能是受中部多条压扭性断层的影响；
研究区西北部、东南部构造复杂程度较低，因而煤体结构也整体较好(图7)。
图7 C5(M11)煤层煤体结构判识指数(G)等值线Fig.7 Isogram of coal structure identification index of seam C5 (M11) in the study area
3) 含气量
根据煤田勘探报告，统计分析了研究区典型向斜主力煤层C5(M11)煤层的含气性。从平均含气量来看，最高的出现在石坎向斜，达到13.58 m3/t，其次为马河向斜为10.37 m3/t，最低的是彝良向斜为7.19 m3/t。由于平均含气量实际上对应的平均深度不一致，平均含气量并不能反映真正的含气量大小，为此可以以平均含气梯度对比不同向斜之间的含气量大小。从平均含气梯度来看，最大的为镇雄向斜，为2.44 m3/(t·hm)，其次为可乐向斜，为2.31 m3/(t·hm)，然后为石坎向斜为1.86 m3/(t·hm)，最低的为彝良向斜，为1.21 m3/(t·hm)(表3)。
表3 主要向斜主力煤层C5(M11)含气性概况(基准：空气干燥基)Table 3 General situation of gas content of main synclinal main seam C5 (M11) (Air dried basis)
以实际测试值投点做了C5(M11)煤层含气量气泡图(图8a)，C5(M11)煤层含气量最高值出现在新庄向斜观音山井田，为30.53 m3/t，其次高值主要集中在石坎向斜，一些高值零星分布于洛旺向斜西段、可乐向斜中段、镇雄向斜和牛场以古向斜，彝良向斜大部分测试结果较低，无大于15 m3/t 以上的测试值。研究区含气量受构造、沉积影响明显，部分含气量较高区域位于压扭性断层附近(图8a)，同时，东部海陆过渡相区域含气量要大于西部陆相区域。进一步结合实际测试结果及含气梯度，推导了各向斜单元的含气量随埋深的变化值，从而做了C5(M11)煤层含气量等值线图。各向斜单元主力煤层含气量展布特征具有向斜控气的特征，随埋深增大含气量增大，向斜核部含气量较高。从含气量等值线图来说，可乐向斜、石坎向斜和新庄向斜含气量较高，深部含气量一般都在20 m3/t 以上。而牛场−以古向斜、彝良向斜，庙坝向斜及其西部向斜由于含气梯度较小，整体含气量均较低。镇雄向斜尽管煤级较高，大部分为无烟煤，含气梯度相对于其他向斜也较高，受限于整体埋深较浅，大部分在800 m 以浅，大于20 m3/t 以上的范围极小(图8b)。
图8 研究区主力煤层含气量气泡图及含气量梯度Fig.8 Bubble map and gradient contour of gas content in main coal seam in the study area
3.2 合采有利区综合评价
基于评价井及煤田勘探孔数据，其中，可乐向斜28 口、镇雄向斜6 口、石坎向斜10 口、庙坝向斜10 口、牛场–以古向斜4 口、彝良向斜5 口、筠连区块3 口、洛旺向斜11 口、新庄向斜18 口，利用式(6)对各参数进行加权计算，获得研究区煤储层的评价结果，并计算各个评价单元得分平均值(表4)。结果表明，不同向斜煤储层综合评价主力煤层向上合采得分范围为16.37～29.72 分，平均得分24.05 分，向下合采得分范围为13.76～33.42 分，平均得分24.23 分。
表4 研究区不同评价单元综合得分Table 4 Comprehensive scores of different evaluation units in the study area
通过图9 和表4 可以看出，向上组合时得分较高的区域位于洛旺–马河–牛场–以古–可乐向斜一带，大部处于研究区中部，少部分位于研究区东部；
向下组合时得分较高的区域位于洛旺–马河–石坎–可乐向斜一带，大部处于研究区东部，少部位于西部。洛旺向斜、马河向斜、石坎向斜、可乐向斜、牛场–以古向斜位于陆相–海陆过渡相交互地带，物源丰富、盖层封闭性较好，因而为研究区开发潜力较高的地区，可以进行进一步煤层气勘探开发。
图9 研究区储层综合得分等值线Fig.9 Study area reservoir comprehensive score contour map
3.3 多层合采优选结果
基于C5(M11)煤层向上、向下合采有利区综合评价，分析显示不同组合Ⅰ类区等在全区各向斜分布较为分散，为了更具有规模意义和指导意义，采用叠合法，可进一步将C5(M11)煤层向上合采、向下合采中一个为Ⅰ类区定义为Ⅰ类区；
将C5(M11)煤层向上合采、向下合采中一个为Ⅱ类区定义为Ⅱ类区；
其余为Ⅲ类区。最终得到研究区煤层气有利区优选结果(图10)。
Ⅰ类区主要位于研究区可乐向斜中西部，牛场–以古向斜南部，镇雄向斜南部，庙坝向斜东南部，洛旺向斜中西部，石坎向斜中西部。Ⅱ类区主要分布于Ⅰ类区周围。其余地区受煤层发育、储层物性、含气性等方面的影响，为Ⅲ类区即开发不利区。其中，盐津向斜、彝良向斜含煤性较差，煤层层数较少，厚度较薄，镇雄向斜北部、新庄向斜煤体结构较差为Ⅲ类区(图10)。
图10 研究区煤层气多层合采有利区分布Fig.10 Distribution of CBM multi-layer co-mining favorable areas in the study area
a.滇黔北探区晚二叠世龙潭组/宣威组煤层最多可达到20 层以上，可采煤层一般3 层左右，煤层总厚度一般在6 m 以上，煤层层数及煤层厚度由东南往西北逐渐减少或减薄。主力煤层大部分区域为C5(M11)煤层，厚度一般在2 m 以上，其灰分质量分数平均为27.73%，为中灰煤，煤级主要为贫煤–无烟煤。各向斜主力煤层含气性差异性较大，含气量最大可达到30.53 m3/t。煤体结构以原生–碎裂结构煤为主。
b.针对多薄煤层储层条件，建立了多层合采有利区优选评价方法：多层次模糊数学+关键指标法。首先，基于层次递阶优选确定关键指标，明确计算合采系数、煤体结构、含气量3 个关键指标及定量评价值；
运用模糊数学的计算公式，得到储层评分结果，最终获得多层合采有利区优选结果。
c.滇黔北探区以C5(M11)煤层分别向上或向下形成2 个合采层段。多层合采Ⅰ类有利区主要位于研究区可乐向斜中西部，牛场–以古向斜南部，镇雄向斜南部，庙坝向斜东南部，洛旺向斜中西部，石坎向斜中西部。
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