煤层气抽采地质条件的模糊综合评价方法研究 豫西地区煤层气资源评价

倪小明¹　接铭训²　王延斌¹　吴建光²

（1.中国矿业大学资源与安全工程学院 北京 100083；2.中联煤层气有限责任公司 北京 100011）

作者简介：倪小明，1979年生，男，山西临汾人，在读博士生，主要从事瓦斯地质和煤层气地质方面的研究。E-mail：nxm1979@126.com。

摘要 为了减少煤层气地面钻采和井下抽放投资风险，本文应用层次分析法对煤层气开采影响因素进行分析，从而建立了煤层气地面钻采和井下抽放层次知识模型，并根据多层模糊综合评判方法建立了模糊综合评价体系，在此基础上对淮北海孜矿煤层气开采进行模糊评价，评价结果表明该评价方法对减少煤层气开采投资风险起到一定的指导作用。

关键词 煤层气 模糊评价 地面钻采 井下抽放

Study on Comprehensive Fuzzy Evaluation of CBM Exploitation

Ni Xiaoming¹，Jie Mingxun²，Wang Yanbin¹，Wu Jianguang²

（1.School of Resource ＆ Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083；2.China United Coalbed Methane Corp.Ltd.，Beijing 10001 1）

Abstract：In order to reduce investment risk of surface exploitation and underground drainage of CBM，the paper applied the method of level analysis to analyze the influence factors of CBM exploitation and established the level knowledge model of surface exploitation and underground drainage of CBM.Based on the method of multilevel fuzzy evaluation，the system of comprehensive fuzzy evaluation is established.On the basis of the system，the fuzzy evaluation on the exploitation of CBM in Haizi coalmine of Huaibei coalfield was carried out.The results showed that the fuzzy evaluation method is of important conduction to exploitation of CBM.

Keywords：CBM；fuzzy evaluation；Surface mining；underground drainage

引言

中国21世纪能源状况将十分严峻，优质能源供需矛盾将加速激化，燃煤造成的环境压力也要求煤炭占绝对优势比例的不合理能源结构必须得到改善。我国煤层气资源十分丰富，煤层气资源总量达31.46×10¹²m³（中联煤层气有限责任公司，2000），与我国天然气资源总量相近，世界名列第三。因此，开发利用中国丰富的煤层气资源，不仅能够在优化能源结构上有效地增加高效洁净能源供给，直接减少煤矿甲烷排放量以有效缓解温室效应，同时有望从根本上遏制矿井瓦斯灾害以改善煤矿安全生产条件。但煤层气投资风险大，减少投资风险则是煤层气具有滚动开发利用前景的关键。本文从减少投资风险角度出发，应用层次分析法在对煤层气抽采影响因素进行分析的基础上，使用多层模糊综合评判方法建立煤层气地面钻采和井下抽放的模糊评价体系，并通过淮北海孜矿实例对此体系进行了效果检验。

1 煤层气抽采影响因素分析

1.1 煤层气地面钻采影响因素分析

煤层气地面开采是否具有商业价值，取决于产气率大小及是否具有竞争力的市场价格和规模性的产量。而我国目前能源供需矛盾日趋激化，煤层气市场比较乐观。因此，影响煤层气地面开采的关键在于煤层气产率及最终产量。与气产率相关的有两个先决条件：煤储层的渗透能力和地质勘探能力；而规模性的产量则与煤储层含气性悉悉相关。笔者在搜集、整理前入研究成果基础上，归纳、总结出地面开采影响因素知识模型。

1.1.1 煤层气地面抽采的“短路条件”

所谓“煤层气地面抽采的短路条件”是指优先判定条件，就是说只要满足这些条件就可以不考虑其他因素而直接得出结论^[1]。从目前煤层气开发技术水平、经济效益、开采的地质条件、资源状况等方面考虑，有下列情况之一的即认为不适合进行煤层气地面钻采：

（1）储盖层条件。一定的煤层厚度是煤层气储量的基础。煤层太薄，煤层气量太少，不适合煤层气的开发。由于煤层气行业是一新兴行业，对煤层厚度没有明确规定，我国的可采煤层厚度最小值为0.7m，因此把煤层厚度＞0.7m作为煤层气开发的下限；良好的封盖层可以减少煤层气的渗流与散失，当上覆地层有效厚度＜200m 时，不利于煤层气的保存，因此将上覆地层厚度定为200m；从目前的勘探开发水平及勘探费用综合考虑，埋藏深度＜300m 或＞1500m的煤层不予考虑；煤层气的开发是靠降压解吸而实现的，如果压力梯度过低，以目前的勘探开发技术水平使得煤层气采收率太低，经济效益差，根据统计分析，把压力梯度（MPa/100m）0.4作为下限。

（2）含气性条件。一定的含气量是保证煤层气开发的前提，从我国的地质条件、煤储层条件、经济效益等方面综合考虑，当中高煤阶煤的含气量＜4m³/t或低煤阶煤含气量＜2m³/t时，即不予考虑进行煤层气地面开采。

1.1.2 煤层气地面钻采的知识工程

煤层气是否具有地面钻采的商业价值依赖于4个有助于开发这种巨量资源的关键因素，它们是：地质勘探能力；煤储层的含气强度；渗透能力和含气解吸能力。

（1）地质勘探能力。煤层埋藏太深，将不利于煤层气的勘探开发；构造条件复杂，断层发育的地区，不利于煤层气的开发；水动力活动频繁的地区，利于煤层气的运移和扩散，不利于煤层气的保存；因此把埋藏深度、构造条件和水文地质条件作为煤层气勘探能力的影响因素。

（2）煤储层的含气强度。厚煤层和高的含气量是获得高的含气强度的必要条件^[2]。在决定含气强度的两个参数中，煤厚是最重要的，这是因为煤层厚度不仅控制了含气强度还控制了气流量。

（3）煤储层的渗透能力。煤储层的渗透能力是煤层中气体导流能力的反映。煤储层是双孔隙介质，割理发育状况对其渗透性有直接影响；煤层在地史发展过程中，不同程度遭受构造应力的作用，使煤体发生破碎。因此，煤体结构与煤层的渗透性关系密切；一般认为原生结构煤和碎裂煤是煤层气开发中理想的煤体结构类型，而碎粒煤失去了内生裂隙，使渗透性变差，不利于煤层气开发；煤级对煤中内生裂隙发育具有一定影响，内生裂隙一般从长焰煤阶段出现，随着煤级增加内生裂隙逐渐增加，至焦煤最发育，之后逐渐闭合，至无烟煤阶段最低。

（4）含气解吸能力。煤层气的开发是靠降压解吸而实现的，因此吸附时间、临储压力比和含气饱和度都将对含气解吸能力有影响。

根据以上分析，得出煤层气地面钻采的影响因素知识模型，见图1。

图1 煤层气地面钻采影响因素知识模型

1.2 煤层气井下抽采影响因素分析

井下抽放煤层气工程投资较大，因此，评价煤层瓦斯井下抽放的可行性就显得尤为重要。对煤层气进行井下抽放时，研究煤体特征、瓦斯赋存状况以及瓦斯特征是决定煤层气是否能进行井下抽放的关键指标。

（1）煤体特征表述指标。煤体的破坏程度将直接影响煤层气的开发；煤的坚固性系数将影响瓦斯流出即压裂增产技术，它们是煤体特征的重要反映指标。

（2）瓦斯赋存状况表述指标。埋藏深度将影响压力大小，从而影响瓦斯解吸；煤厚变异系数则反映了该区域煤层厚度变化，从而推测出本区域煤层气富集状况；构造状况、水文地质条件则使煤层中瓦斯聚集或逸散；透气性则反映了煤层中瓦斯抽放的难易程度；这些是瓦斯赋存状况的表征指标。

（3）瓦斯特征表述指标。瓦斯压力大小、瓦斯放散初速度、瓦斯透气性、百米钻孔瓦斯资源量则能反映出瓦斯量大小及持续时间长短^[3]，这些可作为瓦斯特征表述指标。

综上可得煤层气井下抽采的影响因素知识模型如图2。

2 煤层气开采模糊综合评判体系

煤层气开采模糊综合评判方法就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑煤层气开采影响因素，对其开采风险进行综合评价^[4～6]。在分析了影响煤层气地面钻采和井下抽放基础上，限于篇幅，以下以地面抽采为例，对煤层气开采风险的模糊综合评价进行论述。

图2 煤层气井下抽放影响因素知识模型

是否采取地面钻采的影响因素集可归纳为：

U=｛地球勘探能力，含气强度，渗透能力，解吸能力}=｛u₁，u₂，u₃，u₄}

为了使评价结果更合理一些，将地面钻采风险分为五个等级，即评价集为：

V=｛好，较好，一般，较差，差}=｛v₁，v₂，v₃，v₄，v₅}

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

影响钻采风险的因素集中的任一指标，属于好与坏的程度构成一个模糊集合，其隶属函数取值于[0，1]区间。根据隶属度的大小，划分为五个等级：

设第i个因素的单因素评价为R_i=（r_i1，…，r_im），它是 U的模糊子集。对于一个区域来说，其煤层气钻采的各指标在不同地区有所不同，设在不同地区共测n次，根据统计原则，确定某一指标在μ_A（u）中各等级中隶属度的次数m，从而确定r_ik=m/n。以此建立了地面钻采的单因素综合评判矩阵，即

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

权重确定：在综合决策中，指标因素的权重处于非常重要的地位，它反映了各个指标因素在综合决策过程中所起的作用，直接影响到综合决策的结果。本文根据专家评分方法结合统计原则，建立了各因素之间的权重分配。将权系数矩阵记为：M=（m₁，m₂，m₃，m₄）；它们之和为1。

然后应用模糊矩阵的复合运算，得到地面钻采的模糊综合评判矩阵为：

中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集

对B进行归一化处理，B＇=（b₁/b，b₂/b，b₃/b，b₄/b）

评语是属模糊性的，为了比较方便，对评语进行量化处理。本文采用百分制，定量评价等级如表1。

表1 煤层气地面钻采等级标准表

B＇与量化值之间矩阵的积得出的数值与等级标准表比较得出多级综合评判结果。

3 实例分析

海孜煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，属淮北煤田临海童矿区，含煤地层为二叠系，可采煤层有自上向下编号为3、4、7、8、9、10 煤层等6层，可采总厚10.23m，占含煤总厚度的71.6%。本文以7^＃煤层为例，简要介绍海孜矿可采煤层煤层气地面钻采和井下抽放模糊评价过程。

根据专家们分别对煤层气开采的影响因素的一级评价指标和二级评价指标进行打分，按照加权平均法对这些分数进行量化处理，即得到各因素子集和各因素的权值，从而分别建立了海孜矿煤层气地面钻采和井下抽放模糊综合评价指标体系，见表2和表3。

表2 煤层气地面钻采模糊综合评价指标体系

表3 井下瓦斯抽放模糊综合评价体系

根据海孜矿不同点各评判指标的实测值，进行加权平均得出各评判指标的平均值，根据隶属度，从而构造出单级评判矩阵。见表4。

表4 海孜矿煤层气开采风险各评价指标加权平均值

根据以上数据，应用模糊综合评判方法，煤层气地面钻采一级指标最终评价得分为：76.2，29.25，66.9，60，可看出该矿区含气强度不高，但有利于煤层气的解吸与勘探。

其综合评价结果得分为：56.34。综合评价结果表明：该矿井不太适合对7^＃煤层进行煤层气地面钻采。

瓦斯抽放一级指标最终得分为：13.75，72.75，78.9，可看出该矿区煤体特征极差，但煤层气赋存较好，利于煤层瓦斯的涌出与扩散，是煤与瓦斯突出危险煤层。其综合评价结果得分为：68.83。综合评价结果表明：该矿井较适合于对7^＃煤层进行煤层气井下瓦斯抽放。

4 结语

应用多级模糊综合评价方法对于煤层气抽采地质条件进行评价，可以将定性分析和定量评价相结合，合理地反映出一个地区进行煤层气地面钻采和井下抽放的适宜程度，便于各个矿井根据评价结果采取相应的煤层气开采措施，减少煤层气投资风险。这种方法简便、可行，具有较强的实用性。

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煤层气综合评价体系和标准~

（一）含气区带综合评价指标体系
根据全国煤层气有利区带综合评价特点，建立全国煤层气有利区带综合评价递阶层次结构指标体系，应用层次分析法（The Analytic Hierarchy Procces，简称AHP法）确定各层次之间的判断矩阵及单项指标在综合评价中所占得权重，综合评价全国煤层气有利区带。
煤层气有利区带综合评价指标体系如表6-32和图6-13所示，在自左而右的层次结构中，指标项层次中8个评价指标是基础，指标层向上组成评价条件层，是分层次从不同方面反映煤层气资源规模及其可采性和开发利用属性的主要因素。该体系中条件、指标的内涵和特征取值、赋值标准如下：
表6-32 煤层气资源综合评价体系及特征分级标准



图6-13 煤层气含气区带综合评价递阶层次结构指标体系

1.资源条件和可采性
资源条件及可采性（B1）主要指煤层气资源规模以及本身固有的采出的难易程度，是决定煤层气经济开发的内在因素。该评价条件由资源丰度（C1）、地质资源量（C2）、可采资源量（C3）、资源类别（C4）和煤系后期改造程度（C5）五个评价指标组成。
2.开发利用条件
开发利用条件（B2）包括市场需求（C6）、地形条件（C7）和基础设施（C8）三个指标，是煤层气经济开采的外在影响因素。市场需求（C6）根据市场对煤层气需求的大小定性赋分；地形条件（C7）根据丘陵、山地、平原等情况进行定性打分；基础设施（C8）根据天然气利用的基础设施的有无或完善程度定性打分。
（二）煤层气区带优选评价指标权重计算
煤层气资源综合评价是一个多因素、多层次、多目标的决策过程。煤层气资源能否经济开发受自身地质条件、开采条件以及利用条件等诸多因素的制约，需要选择科学、简洁、实用的数学模型来分析处理这些繁杂因素。在比较各类评价方法的基础上，针对煤层气资源自身的特点以及本次综合评价目的和任务要求，决定选择层次分析法进行综合评价。
1.层次分析法简介
层次分析法（AHP）是美国匹兹堡大学教授萨迪（T.L Saaty）于20世纪70年代在为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种多层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结果难以直接准确计量的场合。
2.评价指标权重计算
按层次分析原理，图6-13中含气区带综合评价总体目标层为A；标准层为B，包括资源条件及可采性和开发利用条件；C 为指标层。为了得到定量分析和决策判断的结论。根据煤层气项目经济评价指标体系的多层次性，首先需确定各层次的权重。根据含气区带综合评价的特点，由专家评分确定了各层次之间的判断矩阵。关于总目标层与准则层、准则层与指标层之间的判断矩阵如表6-33、表6-34、表6-35所示。
表6-33 总目标层因素相对重要性两两比较表


表6-34 资源条件及可采性因素相对重要性两两比较表


续表


表6-35 开发利用条件因素相对重要性两两比较表


经计算得各指标相对权重计算结果如表6-36：
表6-36 各层次指标权重数值表


经检验，由表6-33、表6-34、表6-35组成各矩阵的最大特征值入max分别为2、5.417和3.086，一致性指标CI分别为0、0.093和0.083，均小于0.1，所以各判断矩阵均具有满意的一致性。

11.5.1 评价思路与原则
在煤层气勘探开发过程中，资源评价是不可或缺的重要工作，贯穿于整个勘探开发过程。通常按勘探开发过程的阶段性将煤层气资源评价分为预评价、勘查评价和试采评价。目前豫西地区煤层气勘探开发还处于选区论证和钻前准备阶段，已往煤层气研究工作所针对的是二1煤层，且研究的区域有限，故不全面、不系统。本次评价的目的就是要从整体上对豫西地区煤层气前景进行评价，优选有利的煤层气勘探开发区块。很显然，本次评价属预评价范畴。其基本的思路是，在全面系统编制煤层气系列图的基础上，以豫西地区石炭系—二叠系所有可采煤层为目标，主要依据煤层含气性、资源量等地质指标和煤层气可采性的概略分析，按统一的原则和方法，分区块进行评价，并优选有利区块，为有关部门进行煤层气勘探开发部署提供依据。
评价所拟解决的核心问题是各区块煤层气商业性开采可行性问题。具体原则是：
（1）煤层气资源量：资源量是勘探开发部署决策的主要基础，区块煤层气总资源量越大，区块内资源强度越高，其商业性开采的可行性就越大。
（2）煤层气可采性：煤层气可采性决定着区块内煤层气资源能否开采出来和开采规模，其影响因素很多，本次主要从煤层储集性能、水文地质条件等基本地质因素加以分析。
11.5.2 煤层气可采性研究
像常规油气一样，并非所有煤层气均能开采出来。不同地区、不同层位的煤层气开采难易程度是不同的。通常，我们将气体从离开煤的内表面到进入井筒这一全过程进行的难易程度定义为煤层气的可采性。由于煤层气的产出是一个与气体解吸、扩散和渗流作用有关的复杂物理化学过程，迄今人们未能找到一个充分反映煤层气可采性的指标，现只能用煤层气井的产量来大致表征。研究证实，影响煤层气可采性的地质参数很多，较为重要的有煤层渗透率、相对渗透率、地层压力、等温吸附线形态和含气饱和度等。这些地质参数实质上受煤体结构、煤层物性特征、构造、水文地质条件等控制。下面就这几方面进行概略的讨论。
11.5.2.1 煤层连续性及煤体结构
豫西地区石炭系—二叠系煤层形成后，经历了海西末期、印支期、燕山期及喜马拉雅期等多期构造运动，构造变形比较显著。在煤系地层中，相对而言，煤层富含有机质，硬度低，是软弱层，构造变形特别是断裂作用对煤层有深刻影响，一是破坏煤层横向分布连续性，二是使煤层结构受到不同程度的改造。
11.5.2.1.1 煤层分布连续性
影响煤层分布连续性的因素主要有两个：构造隆起剥蚀和断裂作用。
构造隆起剥蚀作用主要发生在印支期，当时构造运动形成富淮隆起和南缘伏牛古陆进一步抬升，导致豫西地区中部汝阳县北、郭沟南和长葛西三大块、北部登封—密县一带、南缘韩梁附近C—P煤系大面积剥蚀和禹州矿区云盖山等局部剥蚀，破坏了煤层横向的连片性。
各期构造运动形成的断裂对煤层连续性的破坏作用更为普遍，其对煤层气开采的影响更大，主要是破坏了煤储层的连续性，造成含气性、地应力、渗透性和水文地质条件复杂化，限制了煤层气井的开采控制面积。相对而言，新密矿区、登封矿区断裂最发育，特别是新密矿区，近东西向断裂呈侧列式展布，将煤层切割成若干小块体，严重破坏了煤层横向连续性。临汝矿区南部、平原山-韩梁矿区东北部（冢头一带）、荥巩矿区南缘、新安矿区和陕渑-义马矿区断裂发育中等，煤层连续性受到一定影响，而平顶山-韩梁矿区中东部、荥巩矿区和偃龙矿区深部为宽缓向斜区，断裂相对不发育，煤层连续性好。
11.5.2.1.2 煤体结构
煤体结构指煤层经过地质构造变动所形成的结构特征，包括煤层的赋存状态、构造表象、宏观结构和微观结构等。焦作矿业学院瓦斯地质课题组（1982）将煤体结构分为如表11-4所示四种类型。第Ⅰ类煤原生煤体结构基本未遭破坏，称做原生结构煤。第Ⅱ类至第Ⅳ类煤的原生煤体结构破坏程度逐渐增加，均属构造煤。
表11-4 煤体结构类型表


豫西地区石炭系—二叠系煤几乎均遭一定程度的构造作用的改造，原生结构发生变化，尤以嵩箕滑动构造发育区最为严重。相对而言，二1煤层全区发育，厚度较大，有机质含量高，顶底板为易于形变的砂泥岩，故其煤体结构被构造活动破坏和改造的强度较强。从二1煤层组自然粒级在区域上的变化（表11-5）看，新密、新安、禹州、宜洛、
表11-5 山西组二1煤自然粒级组成变化一览表


陕渑、登封等矿区煤粉一般占20%～30%，更细粒级可达65%～80%，大块不超过10%，说明被破坏和改造的程度高，煤体结构为Ⅲ、Ⅳ类；荥巩矿区煤粉比例降低，为＜20%，大块煤增加，说明被破坏程度有所降低，煤体结构一般为Ⅲ类（偃龙矿区可能与之相似）；平顶山矿区煤粉比例小，块煤增加，特别是深埋向斜区构造的改造作用小，可能以Ⅱ类为主。太原组和上、下石盒子组煤的构造破碎和形变程度相对较弱，前者可能是因为煤层较薄，顶底板为刚性灰岩而不易形变；后者可能是煤层薄且矿物杂质含量较高所致。
煤体结构的改变对煤层气可采性是有影响的。当改变轻微，煤层以块状为主，仅轻微褶皱和破裂，并产生构造裂隙，可使煤层渗透性得到一定改善。但当改变程度较高时，块状煤层破碎成碎粒状、粉末状，煤层割理系统被破坏，导致煤层渗透率严重降低。此外，由于煤层破碎松散，在煤层气井建设中，不利于压裂产生裂隙，大大降低了井控制面积，在煤层气开采过程中也容易产生煤粉堵塞作用，缩短了煤层气井开采周期。
据有关煤矿实际资料总结认为：豫西地区石炭系—二叠系煤层煤体结构改造程度普遍较高，相对而言，平顶山-韩梁矿区中部向斜区以块状、碎块状为主，属Ⅱ类煤体结构，荥巩矿区及偃龙矿区北部向斜区煤体结构程度低，可能以碎块状粉状为主，属Ⅲ类煤体结构，有利于煤层气开采；新密矿区、禹州矿区、登封矿区东部、宜洛矿区、新安矿区、陕渑-义马矿区可能以Ⅲ、Ⅳ类煤体结构为主，最不利于煤层气开采；而其他地区介于二者之间，较有利于煤层气开采。
11.5.2.2 煤层渗透性
11.5.2.2.1 煤层渗透性控制因素
煤层作为储层，具有双重孔隙系统，孔隙和裂缝。煤层孔隙一般很小，为微孔隙，其渗透率很低，煤层的渗透率几乎全为煤层裂缝系统形成的。研究表明，影响煤层渗透性的因素很多，制约关系复杂，现在要把所有因素及其对煤层渗透性的影响作用搞清楚是不可能的，下面仅就几个因素作简要探讨。
割理：煤层的裂缝分两种：一种是由地质构造作用造成的，其力学性质可以是压性、张性或剪性的，称做外生裂隙；另一种是在煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度、压力等因素影响，体积均匀收缩产生内张力而形成的，力学性质是张性的，称做内生裂隙，习惯上称为割理。割理可能以一组或多组产生，其中最早形成的割理称面割理，其后形成的称为端割理。
据张文惠（1995）资料，华北及邻区面割理密度变化主要与煤级和镜质组合含量有关（图11-6）。据此提出了割理发育条件评价标准如下：最有利区（Ⅰ类）：中煤级高镜质组煤区；有利区（Ⅱ类）：中煤级高镜质组煤区、中煤级中镜质组煤区、低煤级高镜质组煤区；较有利区（Ⅲ类）：中煤级低镜质组煤区，低煤级高镜质组煤区、高煤级高镜质组煤区；不利区（Ⅳ类）：其他煤区。
从收集资料看，部分矿区、井田镜质组和半镜质组平均含量：陕渑煤田二1煤层约90%；新密矿区曲梁矿二1煤层为73%，五2煤层为52%，一1煤层为84%；禹州矿区李楼井田二1煤层为81%；平顶山矿区十三矿二1煤层为79%，三9-10煤层为64%，六4煤层为57%；平顶山一四六矿深部扩勘区一5煤层为 84%，二1煤层为 62%，三9煤层为55%，四6-71煤层为59%，五2煤层为44%。总的表现出，同一煤层镜质组和半镜质组含量向北逐渐增加，纵向上，下部煤层含量高于上部煤层的趋势。根据这一规律，结合前面煤质分析结果，可以预测：豫西地区石炭系—二叠系煤层割理发育条件总体趋势是向北变差（图11 7）。割理特征对煤层渗透性的控制作用主要表现为：①割理的平面组合形态不同（通常分网状、孤立—网状、孤立状三种），渗透性好坏有异，网状割理的煤层渗透性好，孤立—网状的中等，孤立状的差；②割理密度越高，煤层渗透性越好，反之越低；③割理裂开程度增加，煤层水平渗透率将迅速增加，据休伊特 帕森斯的研究，煤层水平渗透率与割理宽度的三次方成正比。

图11-6 华北及邻区面割理密度变化趋势图


图11-7 渗透性评价示意图

外生裂隙：一般来说，在断裂两侧、地层急剧弯曲的部位煤层外生裂隙最为发育，在面构造分析基础上，预测豫西地区中部新密矿区、禹州矿区、登封矿区东部、宜洛矿区外生裂隙最发育，其次是平顶山-韩梁矿区南缘和东北部、新安矿区、陕渑-义马矿区西部、偃龙矿区和荥巩矿区南缘，但偃龙矿区和荥巩矿区北部和平顶山-韩梁矿区中部外生裂隙可能相对不发育。
外生裂隙对煤层渗透性的影响作用与割理相同，对于割理不甚发育的煤层，外生裂隙的产生将大大改善煤层渗透性。
有效地应力：为地应力与地层压力之差，其值越高，煤层渗透性越差，反之越好。
11.5.2.2.2 各区块煤层渗透性粗评
本区煤层气钻探工作刚开始，据调查了解，仅郑州天然气公司在荥巩矿区钻了一口井（新1井），美国安然公司与中国煤田地质总局合作在平顶山矿区十一矿深部钻了一口井（1511井），故实测煤层渗透率，只有两个井的数据：新1井（二1煤层）为0.075×10-3μm2，1511井二1煤层为1.0×10-3μm2。另据平顶山矿区十一矿井下采样分析（5个二1煤层样品）得二1煤层渗透率代表值为5.06×10-3μm2。这些数据说明本区煤层渗透性由南向北逐渐变差。根据这些数据和割理、外生裂隙等发育状况，本报告粗略预测：平顶山-韩梁矿区和临汝矿区煤层割理最发育，实测渗透率均大于或等于1.0×10-3μm2，故煤层渗透性最好；禹州矿区和宜洛矿区各煤层割理比平顶山-韩梁矿区稍差，但外生裂隙发育，估计煤层渗透性好；新密矿区、登封矿区、新安矿区及陕渑-义马矿区各煤层割理相对较不发育，而外生裂隙发育，推测煤层渗透性较好；其余地区各煤层割理和外生裂隙均不发育，实测渗透率亦仅为0.075×10-3μm2，无疑煤层渗透性最差。
11.5.2.3 水文地质概况及其对煤层气开发的影响
11.5.2.3.1 水文地质概况
本区水文地质条件受到构造、地貌、大气降水、地表径流等因素控制，总体较为复杂。
主要含水层有①第四系砂、砂砾石、卵砾石及中细砂等松散岩类孔隙含水层；②石炭系—第三系砂砾岩、砂岩、泥质砂岩等碎屑岩类孔隙裂隙含水层；③太原组及其以下层系灰岩、白云质灰岩等碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层。它们被第三系粘土岩类隔水层、二叠系煤组间泥岩隔水层、中上石炭统铝土质泥岩隔水层等分隔，形成各自的水文系统。一般而言，第四系含水层与石炭系—二叠系煤层间隔有较多隔水层，侏罗系—第三系含水层分布局限，对本区石炭系—二叠系煤层气开发影响不大，而影响较大的是石炭系—二叠系内部及下伏寒武系—奥陶系含水层。
含水层主要补给水源有大气降水、河水、人工灌溉水及老窑集水等。基本的补给、径流及排泄模式是：在含水层上倾方向的地层出露区（往往在山区），或因断层勾通和河流下截、人工渠道及老窑开采造成的与水源直接或间接联系区，各种水体渗入含水层，补给区水头高，导致水沿含水层倾向径流，在下倾方向含水层出露区或断裂带排泄，但大部分流至深埋区（往往是向斜区）受阻停滞。
上石炭统—二叠系含水层一般不厚，地表出露有限，补给条件差，故其富水性较差。相对而言，在平顶山-韩梁矿区、禹州矿区，此层系含水层岩性较粗、孔隙裂隙发育，露头区较多（平顶山-韩梁矿区出露于盆边乃至南部低山丘陵地带，禹州出露于南部、西部和北部低山丘陵区），补给条件较好，富水程度高，在中部向斜及其翼部有层间自流水。陕渑-义马、新安、偃龙、荥巩、新密、登封等矿区露头供水区相对局限，富水程度为中等。临汝、宜洛等矿区则为弱富水区。
对于中、上石炭统及其以下的寒武系—奥陶系碳酸盐岩含水层，由于溶蚀孔洞发育和脆性破裂，加之在山区大面积出露地表，补给充分，故是煤矿突水的主要来源。新安矿区西部裂隙水多处于非饱和状态，泉流量3.6～775t/h·m，东部灰岩埋深50～300 m，水位7～58 m，部分自流水头高出地表3.87 m，单位涌水量2.6～5.6t/h·m。陕渑-义马矿区奥陶纪灰岩位于黄河之下，受黄河水影响，单位涌水量0.4～8.5t/h·m。
豫西中部及南部各矿区碳酸盐岩含水层露头近东西向展布，在地势较低的埋藏区，地下水多处于承压状态，构成富水地区，水位一般为1.8～86 m，单位涌水量0.009～59t/h·m。
据现有资料不完全统计，平顶山-韩梁矿区涌水量大，约为7518.5t/h，这是由于矿区南部和中部低山丘陵区大量出露寒武系至二叠系碳酸盐岩类和碎屑岩类含水层，补给较充足，故矿井涌水量大。新密矿区涌水量第二，这可能与矿区南部含水层出露，矿区断裂发育，沟通第四系含水层与古生界含水层的水所致。陕渑-义马矿区涌水量小，仅441.3t/h，可能是补给水源少，断层不大发育，导水性差造成的。
11.5.2.3.2 水文地质条件对煤层气开发的影响
水文地质条件对煤层气开发的影响较为复杂，难以用简单参数来表达和讨论。通常情况下，当上露岩层含水性强，且水的再补给良好时，对煤层的排水降压和煤层气的解吸产出不利，水头压力高时，对煤层气保存和渗透性有利，水头压力低时相对不利。
按照上述关系，笔者对豫西地区各矿区的水文地质条件进行了粗略分析，并对其对煤层气开发的影响作如下评价（图11-8）。

图11-8 豫西地区煤层气开发水文条件评价示意图

平顶山-韩梁矿区构造较简单，中部为向斜区，断裂不太发育，含水层间连续性较弱，各含水层水力系统相对独立简单，南部和中部低山丘陵区水源补给充足，含水层水为承压水，相邻煤层应含可动水，且为饱含水煤，这对煤层气保存有利，同时由于深部含水层水流动较弱，产水量不太大，也有利于排水降压采气，综合为最好有利区。
荥巩矿区和偃龙矿区构造简单，向北之深部为向斜区，断裂不发育，含水层水力系统也相对独立且简单，含水层露头区有限，水源补给不大充分，煤层含水饱和度低，对煤层气保存不太有利，但由于产水量不大，有利于排水降压采气，综合为较有利区。
新密矿区、禹州矿区、登封矿区、新安矿区和宜洛矿区断裂较发育，含水层间纵向勾通，同时各断块间水力系统不同，这些对煤层气开发较不利。
陕渑-义马矿区、临汝矿区水源供给较差，煤层含水性差，对煤层气保存不利，评价为较不利区。
11.5.3 煤层气资源选区评价
煤层气资源评价是一个综合分析问题，涉及到煤层气赋存和可采性两方面诸多地质因素。由于本次评价是预评价，许多因素的变化规律及对煤层气赋存和可采性的控制作用还没完全搞清楚，现今只是一个粗略的模糊的认识，有些参数难以定量，故很难形成一个准确且定量的地质模型，用传统的确定性数学模型难以获得较合理的结果，而用模糊数学方法来研究和评价本区煤层气资源将更符合实际，更贴近地质学家的思维方式。因此，本专著选用模糊集合综合评价法来进行煤层气资源远景区评价。
11.5.3.1 方法原理及基本步骤
利用模糊集合综合评价法进行本区煤层气资源评价的基本原理和步骤如下：
首先是根据评价模型选择n个评价因素，并对评价因素划分出几个评价级别，形成综合评价矩阵；第二是根据每个评价因素对各区块煤层气商业性开采可行性影响作用大小，给各评价因素赋予不同权重，标准化后形成权重集合A；第三是用下述4种算法求得各圈闭综合评价矩阵B=A·R：

油气资源评价方法与实践

第四，依据公式D=B·CT得各区块综合评价值，式中CT是等级矩阵的转置矩阵。最后，根据各区块的D值变化，确定区块煤层气商业性开采可行性评价分级标准，进行分级（归类）。
11.5.3.2 评价参数整理
一般而言，进行煤层气资源选区评价所应考虑的因素多达几十个。在这些参数中，有些是相关的，甚至具有因果联系；尽可能选择相互独立的对各区块煤层气开发影响程度差别较大的参数的原则，从中筛选了含气量等9个参数以进行选区评价，各参数赋值标准如表11-6。
表11-6 评价参数赋值标准


表11-7 豫西地区煤层气资源选区评价结果表


油气资源评价方法与实践


上述各参数对煤层气开发选区并非同等重要。在分析各参数的地质或经济意义、分析各参数的可靠性及权衡各参数在选区评价中的作用基础上，给予不同权系数：含气量为0.15，煤级、资源强度、埋深、连续性、渗透性、水文为0.08，交通地面条件等为0.15，资料信度为0.23。
11.5.3.3 评价结果
豫西地区12个评价区块基本条件见表11-7。根据上述赋值标准整理了各区块评价参数，运用模糊集合综合评价法处理结果如表11-7所示。
最有利区为平顶山煤田区；有利区为荥阳矿区、偃龙矿区和禹州矿区；较有利区有平顶山-韩梁矿区西部、登封矿区、临汝矿区和新密矿区；不利区有冢头区、新安矿区、陕渑-义马矿区、宜洛矿区。

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