煤层气抽采地质条件模糊综合评价方法研究
(1.中国矿业大学资源与安全工程学院，北京100083；2.中国联合煤层气有限责任公司北京100011)
作者简介:倪晓明，出生于1979，男，山西临汾人，在读博士生，主要从事气体地质和煤层气地质研究。电子邮箱:nxm1979@126.com .
为了降低煤层气地面钻井和井下抽采的投资风险，利用层次分析法分析了煤层气开采的影响因素，建立了煤层气地面钻井和井下抽采的层次知识模型，并根据多层次模糊综合评价方法建立了模糊综合评价体系，在此基础上，评价结果表明该评价方法对降低煤层气开采的投资风险具有一定的指导作用。
模糊评价；地面钻采；煤层气地下抽采
煤层气开发模糊综合评价研究
倪晓明1，解明勋2，王彦斌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.北京中联煤层气有限责任公司10001 1)
文摘:为了降低煤层气地面开采和井下抽采的投资风险，应用层次分析法分析了煤层气开采的影响因素，建立了煤层气地面开采和井下抽采的层次知识模型。基于多级模糊评价方法，建立了模糊综合评价体系。在此基础上，对淮北煤田海子煤矿煤层气开发进行了模糊评价。结果表明，模糊评价方法对煤层气开发具有重要的指导意义。
关键词:煤层气；模糊评价；露天采矿；地下排水
介绍
21世纪中国的能源形势将十分严峻，优质能源的供需矛盾将会加剧。燃煤造成的环境压力也要求必须改善以煤炭占绝对优势的不合理能源结构。中国煤层气资源丰富，总量达到31.46×1.01.2m 3(中联煤层气有限责任公司，2000)，接近中国天然气资源总量，居世界第三位。因此，开发利用我国丰富的煤层气资源，不仅可以在优化能源结构中有效增加高效清洁能源的供给，还可以直接减少煤矿甲烷排放量，有效缓解温室效应，同时有望从根本上遏制矿井瓦斯灾害，改善煤矿安全生产条件。但煤层气投资风险高，降低投资风险是煤层气滚动开发利用前景的关键。为了降低投资风险，在运用层次分析法分析煤层气抽采影响因素的基础上，运用多层次模糊综合评价方法，建立了煤层气地面钻井和井下抽采的模糊评价体系，并以淮北海孜矿为例对该体系的效果进行了检验。
1煤层气抽采影响因素分析
1.1煤层气地面钻井生产影响因素分析
煤层气地面开采是否具有商业价值取决于产气率、有竞争力的市场价格和规模化产量。目前我国能源供需矛盾加剧，煤层气市场看好。因此，影响煤层气地面开采的关键在于煤层气的产量和最终产量。与产气量相关的先决条件有两个:煤储层的渗透性和地质勘探能力；然而，大规模生产与煤储层的含气性有关。作者在收集和整理前人研究成果的基础上，归纳和总结了露天开采影响因素的知识模型。
1.1煤层气地面抽采的“短路条件”
所谓“煤层气地面抽采短路条件”是指优先判断条件，也就是说，只要满足这些条件，就可以不考虑其他因素直接得出结论[1]。综合考虑目前煤层气开发的技术水平、经济效益、地质条件和资源条件，认为有下列情形之一的，不适宜进行煤层气地面钻井开采:
(1)储盖条件。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，不适合煤层气开发。由于煤层气产业是新兴产业，对煤层厚度没有明确的规定，我国可采煤层最小厚度为0.7 m，因此煤层厚度> 0.7m是煤层气开发的下限；良好的封闭层可以减少煤层气的渗流和损失，当上覆岩层有效厚度小于200 m时，不利于煤层气的保存，因此上覆岩层厚度定为200m；综合考虑目前勘探开发水平和勘探成本，不考虑埋深< 300 m或> 1500 m的煤层；煤层气的开发是通过降压和解吸实现的。如果压力梯度太低，以目前的勘探开发技术水平，煤层气采收率太低，经济效益差。根据统计分析，压力梯度(MPa/100 m)取0.4为下限。
(2)含气条件。一定的瓦斯含量是保证煤层气开发的前提。综合考虑我国地质条件、煤储层条件和经济效益，中高煤阶煤含气量小于4m3/t或低煤阶煤含气量小于2m3/t的，不考虑煤层气地面开采。
1.1.2煤层气地面钻井与生产知识工程。
煤层气是否具有地面钻井的商业价值取决于有助于开发这一巨大资源的四个关键因素，它们是:地质勘探能力；煤储层含气强度；渗透性和气体解吸能力。
(1)地质勘探能力。煤层埋藏过深，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有利于煤层气的运移和扩散，不利于其保存；因此，埋深、构造条件和水文地质条件被视为煤层气勘探能力的影响因素。
(2)煤储层含气强度。厚煤层和高瓦斯含量是获得高瓦斯含量强度的必要条件[2]。在决定含气强度的两个参数中，煤层厚度最为重要，因为煤层厚度不仅控制含气强度，还控制瓦斯流量。
(3)煤储层的渗透性。煤储层渗透率是煤层中气体传导性的反映。煤储层是双重孔隙介质，割理的发育直接影响其渗透率。在地质历史发展过程中，煤层受到不同程度的构造应力，使煤体破碎。因此，煤的结构与煤层的渗透性密切相关；一般认为，原生构造煤和裂隙煤是煤层气开发的理想煤结构类型，而裂隙煤失去内生裂隙，使渗透性变差，不利于煤层气开发。煤阶对煤中内生裂隙的发育有一定的影响。内生裂纹一般出现在长焰煤阶段，随着煤阶的增加而逐渐增大，直至炼焦煤最发达，然后逐渐闭合，直至无烟煤阶段最低。
(4)气体的解吸能力。煤层气的开发是通过降压解吸实现的，因此吸附时间、暂存压力比和气体饱和度都会影响气体的解吸能力。
根据以上分析，得到煤层气地面钻采影响因素的知识模型，如图1所示。
图1煤层气地面钻井生产影响因素知识模型
1.2煤层气井下抽放影响因素分析
地下煤层气抽采工程投资大，因此评价地下煤层气抽采的可行性尤为重要。煤层气井下抽采时，研究煤体特征、瓦斯赋存和瓦斯特性是决定煤层气能否井下抽采的关键指标。
(1)煤体特征表达指数。煤体的破坏程度将直接影响煤层气的开发；煤的坚固性系数会影响瓦斯流出量，即压裂增产技术，是煤特性的重要反映指标。
(2)瓦斯赋存指示指标。埋深会影响压力，从而影响瓦斯解吸；煤厚变异系数反映了该区煤层厚度的变化，从而推断该区煤层气的富集程度；构造条件和水文地质条件使煤层中的瓦斯聚集或逸出；渗透率反映了煤层瓦斯抽放的难易程度；这些是气体出现的标志。
(3)气体特征表达指数。100m钻孔的瓦斯压力、瓦斯涌出初速度、瓦斯渗透率和瓦斯资源量可以反映瓦斯量和持续时间[3]，可以作为表征瓦斯特征的指标。
综上所述，可以得到如图2所示的煤层气井下抽放影响因素的知识模型。
2.煤层气开采模糊综合评价系统
煤层气开采模糊综合评价法是应用模糊变换原理和最大隶属度原理，考虑煤层气开采的影响因素，对其开采风险进行综合评价[4 ~ 6]。在分析煤层气地面钻井和井下抽采影响的基础上，由于篇幅的限制，以地面抽采为例，探讨了煤层气开采风险的模糊综合评价。
图2煤层气地下抽采影响因素的知识模型
是否采用地面钻井和生产的一组影响因素可以总结如下:
U = {地球勘探能力、含气强度、渗透率和解吸能力} = {U1，u2，u3，u4}
为了使评价结果更加合理，将地面钻采风险分为五个等级，即评价集为:
V = {好，好，一般，差，差} = {v1，v2，v3，v4，v5}
中国煤层气勘探、开发和利用的技术进展:2006年煤层气学术讨论会论文集。
影响钻采风险因素集中度中的任何一个指标都构成一个模糊集，其隶属函数在[0，1]范围内。根据隶属程度，分为五个等级:
设第I个因素的单因素评价为Ri=(ri1，…，rim)，这是u的模糊子集，对于一个地区来说，不同地区的煤层气钻采指标是不一样的，在不同地区* * *设置，测n次。根据统计学原理，确定一个指标在μA(u)中的隶属度的个数m，进而确定rik=m/n。在此基础上，建立了地面钻采单因素综合评价矩阵，即
中国煤层气勘探、开发和利用的技术进展:2006年煤层气学术讨论会论文集。
权重的确定:在综合决策中，指标因素的权重处于非常重要的地位，它反映了各指标因素在综合决策过程中的作用，直接影响综合决策的结果。本文根据专家打分法和统计学原理，建立了各因素之间的权重分配。将权重系数矩阵写成:M=(m1，m2，m3，M4)；他们的总和是1。
然后，应用模糊矩阵的复合运算，得到地面钻井和生产的模糊综合评价矩阵:
中国煤层气勘探、开发和利用的技术进展:2006年煤层气学术讨论会论文集。
规范化b，b' = (b1/b，b2/b，b3/b，b4/b)
评论是模糊的，为了方便起见，我们要量化。本文采用百分制，量化评价等级见表1。
表1煤层气地面钻井和生产等级标准表
b’和量化值之间的矩阵乘积得到的数值与等级标准表进行比较，得到多级综合评价结果。
3实例分析
海子煤矿位于安徽省淮北市濉溪县，属于淮北煤田林海通矿区。含煤地层为二叠系，自上而下共有6层可采煤层，编号为3、4、7、8、9、10。总可采厚度为10.23米，占含煤总厚度的71.6%。以7 #煤层为例，简要介绍了海孜矿可采煤层煤层气地面钻孔和井下抽采的模糊评价过程。
根据专家对煤层气开采影响因素的一级评价指标和二级评价指标的评分，按照加权平均法对这些分值进行量化，即得到各因素的子集和各因素的权重，从而分别建立了海孜煤矿煤层气地面钻井和井下抽采模糊综合评价指标体系，如表2和表3所示。
表2煤层气地面钻采模糊综合评价指标体系
表3井下瓦斯抽采模糊综合评价系统
根据海孜矿不同点各评价指标的实测值，加权平均得到各评价指标的平均值，根据隶属度构造单级评价矩阵。参见表4。
表4海孜煤矿煤层气开采风险各评价指标的加权平均值
根据以上数据，运用模糊综合评价法，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。可以看出，该矿区瓦斯强度不高，但有利于煤层气的解吸和勘探。
综合评价结果得分为:56.34。综合评价结果表明，该矿不适合7 #煤层煤层气地面钻井开采。
瓦斯抽采一级指标最终得分为:13.75，72.75，78.9。可以看出，该矿区煤体特征极差，但煤层气赋存良好，有利于煤层瓦斯的排放和扩散，是煤与瓦斯突出的危险煤层。综合评价结果得分为:68.83。综合评价结果表明，该矿适合7 #煤层的煤层气井下抽采。
4结论
采用多级模糊综合评价方法对煤层气抽采地质条件进行评价，可以将定性分析与定量评价相结合，合理反映一个地区煤层气地面钻井和井下抽采的适宜性，便于各矿井根据评价结果采取相应的煤层气开采措施，降低煤层气投资风险。该方法简单、可行、实用。
参考
[1]汪鸿雁，刘洪林等人，2005年。煤层气富集与整合规律[M].北京:石油工业出版社，134 ~ 143。
泰莉，曾勇。1996.煤层气藏评价及开采技术[M].徐州:中国矿业大学，306 ~ 312。
[3]余不凡. 2000 .煤矿瓦斯灾害防治与利用技术手册[M]，北京:煤炭工业出版社，477 ~ 478。
杨，泰莉，姜波。煤层气项目经济评价的理论与方法研究[M].徐州:中国矿业大学出版社，27 ~ 33。
[5]王，等. 2005 .层次分析法和模糊评价法在煤矿安全评价中的应用[J].煤炭工程，(三)，60 ~ 62
[6]廖江等. 2005 .投标项目风险的模糊综合评价[J].重庆交通大学学报，(3)，109 ~ 111。