0 引 言
寻找煤层气富集高产区是煤层气高效开发的核心目标。然而，受取心成本、成功率等因素影响，无法保障每口井每一层位上都能取全评价参数，给煤层气有利区评价带来了极大的难度。因此，通过优选有利区评价主控因素，构建主控因素预测方法，建立主控因素评价模型开展评价，实现煤层气有利区快速、合理的评价。
前人对该区煤层气已经开展了较详实的研究，对煤层气地质特征、煤层气甜点预测、煤层气主控因素、开发及产能有利区等方面进行了研究。在煤层气有利储层预测技术方面，前人也尝试了不同的探索。孙强等[1]通过地质勘查数据和重大专项工程实践获取的资料分析了该区煤层气地质特征；王存武等[2]提出了分频属性反演技术和频谱成像技术预测了煤层厚度与含气量，并结合钻井获取的其他煤储层评价参数，采用多层次模糊评价方法预测了该区3号煤煤层气地质甜点；陶传奇等[3]基于柿庄北区块3号煤层气井测井、钻井地质资料和试验测试数据，探讨了煤层埋深、沉积作用、地质构造作用和水动力条件耦合作用对煤层气富集的控制影响；吴见等[4]通过分析区块3号煤层特征，提出一套新的煤储集层定量表征方法，利用潜在产气效率指数预测了该区块煤层气开发有利区。刘大锰[5]采用基于GIS多层次模糊数学评价方法对安鹤煤田储层特征与有利区分布进行了预测；吕玉民[6]基于测井信息建立寿阳区块煤层气有利区综合评价模糊，识别出区块不同开发层系单采、合采的有利区分布；徐刚[7]将D-S证据理论引入煤层气储层评价中，解决了评价过程中的不确定性问题。然而，针对具体区块评价参数不足的情况，如何通过优选主控因素有效地开展煤层气富集高产区评价仍未得到充分重视和深入研究。
笔者以沁水盆地南部柿庄南区块2区、3区、5区为研究对象，通过灰色关联分析法确定煤层气产量的主控因素，利用层次分析法确定主控因素评价权重，再充分利用测井资料、压裂数据及生产数据等动静态参数，构建主控因素预测方法，建立主控因素评价模型进行有利区综合评价，并对评价结果与生产效果进行验证分析，进而划分出三级开发地质单元指导生产。
1 区块地质概况
柿庄南区块位于沁水盆地南部，其具有东西分带的构造格局，断层走向以NE向为主。石炭系上统太原组和二叠系下统山西组是主要含煤层系，其中山西组3号煤层是主力开发层系。3号煤层顶面整体呈东南高、西北低的构造格局。3号煤层埋深一般在400～1 200 m，平均900 m；厚度为2.5～14.0 m，平均厚度6.0 m；含气量为8.0～20.0 m3/t，平均11.8 m3/t。煤层直接顶底板主要以泥岩为主，局部发育泥质砂岩或致密粉砂岩，整体保存条件较好。注入/压降测试渗透率一般在(0.01～0.84)×10-3 μm2。截至目前，全区共钻井1 386口，排采井数共928口，见气井数701口，单井平均日产气量487.89 m3/d，单井平均日产水量5.24 m3/d(图1)。
图1 柿庄南区块位置
Fig.1 Position map of Shizhuangnan Block
2 主控参数优选与权重确定
地质参数是影响煤层气产能的基础性关键因素，也是煤层气富集高产区评价核心内容。影响煤层气生产效果的地质因素很多，诸如煤层渗透率、煤层几何特征、煤阶、含气量、沉积环境、构造应力、水动力条件等。这些地质参数中对煤层气有利区评价及产能影响程度大的为主控因素[8-9]。通过评价优选出的主控因素，可以快速、准确的进行有利区评价。
2.1 优选评价主控参数
为了分析影响煤层气有利区的主控因素，引入灰色关联分析方法，定量地确定各影响因素与产能之间的关联度，以客观地评价各地质因素对煤层气井产能的影响程度。
灰色关联分析是灰色系统理论的重要组成部分，基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度判断其联系是否紧密：曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小。主要分为2个计算过程：
1)关联系数计算。以产能变化为母数列{x0(n)}，各地质因素为子数列{xi(n)}，则在时刻n=k时， {x0(k)}与{xi(k)}的关联系数ε0i(k)用下式计算，即
(1)
其中：Δmax、Δmin分别为序列绝对差中的最大值与最小值，因为进行比较的序列在经数据变换后互相相交，所以一般取Δmin=0;ρ为分辨系数；Δ0i(k)为k时刻2个序列的绝对值差，即
Δ0i(k) =| x0(k)-xi(k) |
(2)
2)关联度计算。两序列的关联度可用两比较序列各个时刻的关联系数的平均值(反映过程的关联程度)表示，即
(3)
式中：r0i为子序列i与母序列0的关联度；N为序列的长度，即数据个数。
此次评价为排除生产时间及排采连续性对产能的影响，筛选出385口井进行产能主控因素灰色关联分析评价。评价的基本原则和依据是：①开发层位相同，全部为山西组3号煤层；②投产时间大于3年，研究认为该区煤层气井经过3年的排采时间，基本上经历了排水降压单相流阶段和气水同出产气上升阶段，进入稳定产气阶段；③生产时率在85%以上；④开发井型为直井。
从灰色关联分析的计算结果见表1，影响气井产能的因素从大到小依次为：含气量>渗透率>临储比>煤体结构>夹矸>煤厚>灰分>储层压力>镜质组反射率Ro。在众多参数中，关联度大于0.5的参数对产能影响较大，Ro和储层压力对产能影响较小。
表1 主控参数与产量灰色关联度
Table 1 Grey correlation degree between main control parameters and output
影响因素关联度关联排序厚度0.502 26临储比0.620 33煤体结构0.617 54渗透率0.663 12含气量0.718 41夹矸0.593 15灰分0.501 27Ro0.215 99储层压力0.308 98
2.2 确定主控参数权重
为客观且量化确定主控参数权重，通过构建两两比较判断矩阵的方法来得到各主控参数的权重。通过计算比较各个方案属性决策向量中的分量，形成权重判断矩阵，最后利用求解该矩阵最大特征值对应的特征向量的方法来求得主控参数的权重，计算结果见表2。
表2 主控参数权重
Table 2 Weight of main control parameters
主控参数含气量渗透率临储比煤体结构夹矸厚度灰分权重0.2540.2460.2030.1470.060.060.03
3 主控参数特征及评价
3.1 主控参数特征
1)煤层几何特征。煤层厚度大小、夹矸厚度及灰分含量共同决定储集空间性能。区内3号煤层全区发育稳定，厚度主要为5.0～7.0 m，平均6.0 m；3号煤层下部发育一套厚度较小且稳定的夹矸，厚度在0.2～0.6 m，平均厚度0.5 m(图2a)。3号煤层灰分为12.0%～18.0%，平均15.0%(图2b)。结合前人研究及煤岩灰分等级划分标准，将煤层厚度6.0 m和4.0 m，夹矸厚度0.5 m和1.0 m，灰分为15.0%和25.0%作为分界临界点。
2)煤体结构。基于不同煤体结构测井响应特征建立评价模型，对3号煤层煤体结构进行识别与划分。3号煤主要以原生结构煤为主，碎裂结构和碎粒结构次之。研究区中部原生结构煤比率为40%～80%，煤体结构整体较好(图2c)。原生结构比率越高，越有利于煤层气生产。依据前人研究成果和生产经验将40%和80%作为分界临界点[10-11]。
3)含气量。煤层含气量是煤层有利储层预测重要参数之一。鉴于现场解吸测试数据较少，此次利用生产数据，结合兰氏方程建立含气量预测模型，准确地评价含气量分布特征。生产过程中见气时井底流压可近似等于临界解吸压力，首先建立27口探井含气量与见气时井底流压关系得到式(4)，然后将生产井见气时井底流压代入式(4)即可反算出含气量。即有
y=26.323x/(1.646+x)，R2=0.87
(4)
式中：y为含气量，m3/t；x为见气时井底流压，MPa。
3号煤层含气量主要分布在8.0～20.0 m3/t，平均为11.8 m3/t。平面上含气量大于12.0 m3/t的区域主要分布在由西南角向北部的中间条带和东北角，其他部分含气量相对较低(图2d)。依据前人经验和区块生产经验，将15.0 m3/t和8.0 m3/t作为临界分界点[12-13]。
4)临储比。临储比代表煤储层能量的强弱，较高临储比反映出较强的地层能量和驱动能力[14]。通过生产数据将见气时井底流压近似等于临界解吸压力。分析认为：3号煤层临储比为0.2～0.8，平均0.6，整体较高；临储比大于0.6的高值区主要分布在区块中部和东北角。低值区主要分布在区块东南角和西北角，一般低于0.3(图2e)。依据临储比与产气量关系，平均日产气量大于1 000 m3/d的井，临储比大于0.6；当临储比小于0.4时，平均日产气量多数小于200 m3/d，因此将0.6和0.4作为临界分界点。
5)渗透率。渗透率高低决定生产排水降压和压降漏斗扩展的难易程度[15-17]。一般情况下渗透率主要是通过注入/压降试井法获得。此次利用小型水力压裂数据计算地应力，建立地应力与渗透率的关系公式，即
y=9.093 6e-0.264x,R2=0.643 3
(5)
式中：y为渗透率，10-3 μm2；x为最小水平主应力，MPa。
区块3号煤层渗透率主要分布在(0.1～1.0)×10-3 μm2，平均0.6×10-3 μm2，属于低渗储层。东南角渗透率最大，大于1.0×10-3 μm2，随着向西北角埋深逐渐增加，地应力逐渐增强，渗透率降低到0.1×10-3 μm2以下[18](图2f)。依据前人研究结果和生产经验将1.0×10-3 μm2和0.1×10-3 μm2作为分界临界点。
图2 主控参数等值线分布
Fig.2 Contours distribution of main control parameters
3.2 有利区评价模型
多层次模糊综合评价是进行有利区综合客观评价的有效方法，目前该方法已大量应用于油气资源战略选区评价，包括勘探早期的全国煤层气资源战略选区工作[19-20]。
基于上述研究，本次评价选取煤岩几何特征、含气量、渗透率、临储比和煤体结构等5个主控因素进行有利区综合评价，其中煤岩几何特征包括煤层厚度、夹矸比例和灰分产率；构建评价模型见表3。
表3 煤储层有利区评价模型
Table 3 Coal reservoir favorable area evaluation model
评价参数Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类含气量/(m3·t-1)≥158^15<8渗透率/10-3 μm2≥1.00.1^1.6<0.1临储比≥0.60.4^0.6<0.4煤体结构比率/%≥8040^80<40煤岩几何特征煤层厚度/m≥64^6<4夹矸厚度/m≤0.50.5^1.0>1.0灰分产率/%≤1515^25>25
4 评价结果与验证分析
评价结果显示，3号煤层的Ⅰ类储层主要集中在中部地区，沿NNE向呈条带状分布，Ⅲ类储层则分布于北部和南部地区，其他地区为Ⅱ类区(图3)。
图3 3号煤储层有利区分布与产量叠合
Fig.3 Favorable area distribution and yield overlap diagram of No.3 coal reservoir
为了验证评价结果，对柿庄南区块的产气效果与煤储层有利区评价结果进行了验证分析。按照产气量大小将煤层气井进行产能划分，>1 000 m3/d的煤层气井为高产气井，500～1 000 m3/d的为中产气井，<500 m3/d的为低产气井。
从产气效果看，74%的高产气井和60%的中产气井集中分布在Ⅰ类煤储层有利评价区；17%高产气井和35%的中产气井分布在Ⅱ类煤储层有利评价区，中高产气井的分布特征显示煤层气井的产气效果与煤储层有利区评价结果具有很好的吻合性(图4)。
图4 柿庄南区块煤储层有利区内产能特征分析
Fig.4 Coal reservoir favorable zone capacity characteristic analysis
5 地质单元划分及应用
根据构造特征、储层评价特征，对柿庄南区块3#煤层进行三级地质单元划分。其中，一级地质单元以区块级构造(如寺头大断层)为划分依据，划分为3个一级地质单元；二级地质单元则在此基础上以局部区域构造(如次级背、向斜构造)为划分依据，划分为9个二级地质单元；而三级地质单元则在二级划分基础上根据储层评价结果，划分为23个三级地质单元(图5)。
图5 柿庄南区块3号煤层地质单元分区示意
Fig.5 Zoning sketch of No.3 coal seam geological unit in Shizhuangnan Block
对比一级地质单元的东部缓坡区、中部有利区和西部深埋区可以发现：中部有利区具有渗透率较大、含气量高、临储比大、夹矸薄等特征，煤层气地质条件较好；西部煤层埋深大，含气量较高，但其渗透率很低、临储比偏小，开发难度较大；东部煤层埋深浅，渗透率较大，但其含气量、临储比偏低。
分类对比中部有利区的三级地质单元内渗透率、含气量和临储比3大煤储层关键参数可以发现：中部Ⅰ类区内的渗透率、含气量和临储比均明显优于Ⅲ类区的相关参数，表明中部Ⅰ类区煤层气地质条件较好，有利于煤层气勘探开发。对比落实C-I1、C-I2、C-I3和C-I4地质单元为该区块煤层气提产有利区。
6 结 论
1)采用动静态煤储层参数评价方法精细预测了煤层气有利区评价参数，该方法适合于参数井资料较少，具有一定勘探开发程度的区块，具有部分工程工艺资料，既能弥补参数井资料少带来的误差，又能提高煤层气有利区预测的精度。
2)以沁水盆地柿庄南区块3号煤层为例，采用多层次模糊综合评价方法，构建模糊数学评价模型进行有利区预测。评价结果表明：3号煤层的Ⅰ类储层主要集中在中部地区，沿NNE向呈条带状分布，Ⅲ类储层则分布于北部和南部地区，其他地区为Ⅱ类区。
3)在煤层气有利储层综合评价基础上，结合区域构造特征，划分3个一级地质单元、9个二级地质单元和23个三级地质单元，落实研究区中部C-I1、C-I2、C-I3和C-I4开发地质单元为煤层气提产有利区。
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