煤層氣有利區(qū)潛力評(píng)價(jià)及勘查安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

郭紅

（山西潞安金源煤層氣開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 概 況

山西省襄垣縣王村—夏莊南區(qū)域煤層氣勘查區(qū)位于沁水盆地中部，勘查區(qū)東西長(zhǎng)平均7 km，南北寬6 km，勘查區(qū)44.566 km2。王村—夏莊南區(qū)域煤層氣勘查區(qū)位于沁水盆地中部，勘查區(qū)所處沁水盆地位于山西地層分區(qū)，除華北區(qū)整體缺失地層（上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭系） 外，其余時(shí)代地層發(fā)育完全。勘查區(qū)區(qū)內(nèi)廣為第四系掩蓋，僅在沖溝河床兩岸有零星基巖出露。勘查區(qū)位于沁水盆地的東翼中段，晉—獲褶斷帶和武鄉(xiāng)—陽(yáng)城凹褶帶之間，所在的大地構(gòu)造Ⅱ級(jí)區(qū)劃為華北斷塊，Ⅲ級(jí)區(qū)劃為呂梁太行斷塊，Ⅳ級(jí)區(qū)劃為沁水塊坳，全區(qū)共發(fā)育褶曲3 條，其中背斜2 條，向斜1 條。

勘查區(qū)主要在山西組及太原組的煤層中，3、8、15-1、15-2 號(hào)煤層為可采煤層，總厚度為9.99 m，其中3 號(hào)煤層和15-2 號(hào)煤層為該區(qū)域的主要可采煤層，3 號(hào)煤層厚6.72 m、15-2 號(hào)煤層厚4.27m，綜合以往地質(zhì)資料和前期煤層氣勘查工作，勘查區(qū)主力煤層為3 上、3、8、15-1、15-2 號(hào)煤層，3 上+3 號(hào)煤層厚度最大，其煤層氣資源潛力較大，另外8、15-1、15-2 號(hào)煤層厚度薄很多，但煤層相對(duì)穩(wěn)定，可選擇較有利區(qū)進(jìn)行勘查。

2 煤層開發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

煤層氣開采模式評(píng)判方法就是在對(duì)其影響因素的隸屬度規(guī)劃基礎(chǔ)上，通過專家確定的各影響因素的權(quán)重，利用模糊變換原理結(jié)合矩陣運(yùn)算，從而確定各個(gè)影響因素的分值，劃分出不同等級(jí)，最終確定出煤層氣開發(fā)的有利區(qū)[1-3]。

由于煤儲(chǔ)層的富集高產(chǎn)能力受多方面因素的控制，且地質(zhì)因素具有本身的復(fù)雜性與不可預(yù)見性，因此，前人對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)的地質(zhì)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了大量的探索，現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的方法是模糊數(shù)學(xué)以及其引申出來的方法，權(quán)重問題對(duì)模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性起著決定性的作用，現(xiàn)階段最常用的方法是專家打分與層次分析法。

通過對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)影響因素的分析，可得出煤層氣資源條件、產(chǎn)出條件、開發(fā)條件、地質(zhì)條件等幾項(xiàng)關(guān)鍵引出，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模糊評(píng)價(jià)的方法，通過矩陣運(yùn)算，專家打分量化各因素對(duì)研究區(qū)富集高產(chǎn)的貢獻(xiàn)分值和權(quán)重，進(jìn)行計(jì)算得出有利區(qū)帶。

首先將各因素進(jìn)行集合歸類：

表征為：

其次確定各個(gè)指標(biāo)好壞程度，劃分為：

將其隸屬函數(shù)取值為0~ 1，并根據(jù)隸屬度量化等級(jí)，從上到下依次為好、較好、一般、較差、差5 個(gè)等級(jí)，即：

然后可建立單因素的綜合評(píng)價(jià)矩陣：

式中：Ri為U 的模糊子集。若各指標(biāo)在不同地區(qū)共測(cè)n次，確定某一指標(biāo)在UA（u） 中各等級(jí)中隸屬度的次數(shù)m，確定rik=m/n。

進(jìn)一步可確定權(quán)重系數(shù)矩陣：

式中：m1+m2+m3+m4=1；應(yīng)用模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算，得到煤層氣開發(fā)高產(chǎn)富集區(qū)的模糊綜合評(píng)判矩陣：

將其進(jìn)行歸一化處理得：

此次權(quán)重主要根據(jù)專家打分方式確定。

2.2 評(píng)價(jià)體系

根據(jù)影響煤層氣富集高產(chǎn)的因素分析，將其具體劃分為二個(gè)一級(jí)指標(biāo)和七個(gè)二級(jí)指標(biāo)，一級(jí)指標(biāo)分別為，資源條件、產(chǎn)出動(dòng)力條件等[4-6]。二級(jí)指標(biāo)分別為，煤層厚度、含氣量；儲(chǔ)層壓力梯度、含氣飽和度、煤體結(jié)構(gòu)、滲透率、臨儲(chǔ)壓力比等，具體評(píng)價(jià)體系及相應(yīng)權(quán)重見表1。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過綜合分析勘查區(qū)煤層氣富集成藏因素，基于層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法計(jì)算，認(rèn)為王村—夏莊南區(qū)域勘查區(qū)3 號(hào)煤層，2 套斷層中北部為煤層氣開發(fā)有利區(qū)，斷層附近煤層含氣量較低、滲透率較差；15 號(hào)煤層中北部為煤層氣開發(fā)有利區(qū)，東南部滲透率高，含氣量多，煤層氣富集條件好，也為煤層氣開發(fā)有利區(qū)。

3 煤層氣賦存特征勘查分析

3.1 勘查方案

為掌握王村夏店南區(qū)煤層氣賦存情況，基于《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》 《油氣勘查實(shí)施方案編寫大綱》，設(shè)計(jì)此次勘查技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 勘查技術(shù)路線Fig.1 Exploration technical route

勘查步驟為：①收集以往煤層氣、煤炭地質(zhì)勘查成果；②開展二維地震及地震資料解釋；③根據(jù)布井計(jì)劃開展鉆探工作；④對(duì)鉆井進(jìn)行測(cè)井、氣測(cè)錄井、固井、試井、礦巖測(cè)試、壓裂、排采等工作；⑤完成王村—夏莊南區(qū)域勘查區(qū)勘查評(píng)價(jià)工作。

勘查區(qū)域內(nèi)進(jìn)行鉆井時(shí)，基于以往地質(zhì)資料知該區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于Ⅰ類構(gòu)造類型。目標(biāo)煤層厚度有一定變化，但僅局部地段出現(xiàn)少量的減薄，沒有尖滅，穩(wěn)定程度屬于Ⅱ型。因此，鉆井按Ⅰ類Ⅱ型部署。總體以不大于2~3 km 井距，在前期施工煤層氣參數(shù)井的基礎(chǔ)上再部署煤層氣參數(shù)井3 口，生產(chǎn)試驗(yàn)井井組2 個(gè)，包括8 口垂直井，設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)見表2。

表2 設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)Table 2 Design drilling parameters

具體各個(gè)鉆井布置方式如圖2 所示。

圖2 鉆井布置位置平面示意Fig.2 Plane indication of drilling layout position

根據(jù)勘查區(qū)地質(zhì)和地層情況，考慮勘查區(qū)鉆孔采用二開井井身結(jié)構(gòu)，鉆井和壓裂設(shè)備施工主要采用TSJ-2600 水源鉆機(jī)和SYN5410TYL 壓裂車。一開采用φ311.1 mm 鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)入穩(wěn)定基巖風(fēng)化帶30 m 后，下入φ244.5 mm 表層套管，注水泥固井返至地面。二開采用φ215.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)，鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深后，下入φ139.7 mm 生產(chǎn)套管完井，注水泥至少上返至最上層煤層以上200 m，最下層目標(biāo)煤層留底板不少于50 m 的口袋，具體井身結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Wellbore structure

勘查設(shè)計(jì)中對(duì)勘查區(qū)內(nèi)3 口煤層氣參數(shù)+排采試驗(yàn)井、8 口生產(chǎn)試驗(yàn)井進(jìn)行射孔壓裂，其中3 口參數(shù)+ 排采試驗(yàn)井和生產(chǎn)試驗(yàn)井WXN2-1、WXN2-2、WXN015-3、WXN015-4 改造3 號(hào)煤層，參數(shù)+排采試驗(yàn)井WXN2 和生產(chǎn)試驗(yàn)井WXN2-3、WXN2-4、WXN015-1、WXN015-2 改造15 號(hào)煤層，共計(jì)改造12 層。

3.2 勘查安全風(fēng)險(xiǎn)分析及管控

勘查區(qū)位于太行山區(qū)，地表?xiàng)l件復(fù)雜，相對(duì)平坦地區(qū)所占比例較小；煤層氣鉆井場(chǎng)布置在40 m×60 m 范圍內(nèi)，鉆井、壓裂等大型設(shè)備設(shè)施多樣復(fù)雜，高壓管線布置緊密；勘查區(qū)古生代地層多為海象，地質(zhì)歷史中經(jīng)歷多次構(gòu)造、斷裂發(fā)育，施工安全風(fēng)險(xiǎn)突出。在勘查施工階段采用預(yù)先危險(xiǎn)性安全評(píng)價(jià)方法（PHA），對(duì)煤層氣勘查施工涉及的周圍地理環(huán)境、工藝、裝置、設(shè)備設(shè)施及能量失控可能導(dǎo)致的后果進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，勘查區(qū)主要存在車輛傷害、卡鉆、埋鉆、有利區(qū)井噴、物體打擊等；主要風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果見表3。

表3 預(yù)先危險(xiǎn)性分析Table 3 Pre-risk analysis

3.3 開發(fā)潛力分析

目前王村夏店南區(qū)煤層氣勘查作業(yè)，完成了全區(qū)二維地震，完成鉆井11 口，完成參數(shù)井采樣測(cè)試，全分析采樣9 層次，試井5 層，完成壓裂和試采11 口井。基于目前勘測(cè)數(shù)據(jù)初步測(cè)算，勘查區(qū)3 號(hào)煤層煤層氣資源量達(dá)46.98×108 m3，15 號(hào)煤預(yù)測(cè)資源量為21.01×108 m3，具有一定開發(fā)前景。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)王村夏店南區(qū)的地質(zhì)和工程條件，采用層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法計(jì)算得出，勘查區(qū)3 號(hào)煤層的開發(fā)有利區(qū)為2 套斷層中北部；15 號(hào)煤層開發(fā)有利區(qū)為煤層中北部為煤層；設(shè)計(jì)勘查技術(shù)路線和方案，采用預(yù)先危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法對(duì)勘查施工中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控，勘查區(qū)施工主要存在車輛傷害、卡鉆、埋鉆、有利區(qū)井噴、物體打擊等風(fēng)險(xiǎn)類型；基于目前勘查結(jié)果可知南區(qū)3 號(hào)和15 號(hào)煤層的煤層氣具有一定的開發(fā)前景。