煤层气排采主控地质因素分析及其地质意义

CI CI 2 CI m RI 1 m
一般当一致性指标 CR
1 2 m
m n 1
n
(4)

CI 0.1 时，认为矩阵 A 的不一致程度在容许范围之内，可 RI
用其归一化向量值作为权向量，否则需重新构造成对比较矩阵，对矩阵 A 加以调整。 （5）计算总权重
尺度 1 3 5 7 9 2、4、6、8 倒数 第 i 个因素同第 j 个因素同样重要 第 i 个因素比第 j 个因素稍微重要 第 i 个因素比第 j 个因素明显重要 第 i 个因素比第 j 个因素强烈重要 第 i 个因素比第 j 个因素极端重要 第 i 个因素比第 j 个因素的影响介于上述两个相邻等级之间 第 i 个因素与第 j 个因素判断值为第 j 个因素与第 i 个因素判断值的倒数 含义
作者简介：秦绍锋，1978 年生，工程师，硕士，毕业于中国石油大学（北京） ，现主要从事煤层气的勘探 开发工作。地址： （100011）北京安外大街甲 88 号。电话：01064298848。E-mail：qincupbj@
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另外，储层压力、含气饱和度、临界解吸压力、原地应力及埋深等都对煤层气井的煤层 气井产气量有着很大的联系。
摘 要： 科学合理地评价地质因素对排采的影响程度是正确认识排采效果的保障，而影响排采的地质因素 众多，关系复杂，对于评价各因素的影响程度有一定的难度。本文以鄂尔多斯盆地某煤层气田为例，采用 层次分析法，把复杂问题简单化，只需两两相比较并赋予尺度值，计算权重并排序，较好地解决了不同地 质因素影响相对重要性的排序问题。研究结果表明，局部构造和水动力背景因素决定了排采对煤层气的释 放程度，综合考虑这两个地质因素，可圈定有利排采区；渗透率、含气量和煤层厚度等储层特性是煤层气 井产气的基础，三者共同决定单井控制范围内储层的产气潜力；在有利排采区内的高产气潜力区部井，是 培育高产煤层气井实现煤层气高效开发的关键。 关键词：煤层气；层次分析法；权重评价；地质因素
图 7 研究区排Βιβλιοθήκη 主控地质因素评价层次结构模型2.3 判断矩阵
判断矩阵是表示针对上一层次中的某一指标而言，其包含的下层指标间的相对重要性， 用成对比较法和 1～9 比较尺度构造成对比较阵。 目标层为排采主控地质因素，包含子集地质背景 V1 和储层特性 V2，依据准则（表 1） 两两相比较，构建判断矩阵 R（式 5） ；二级目标层中，隶属于地质背景 V1 的因素有局部构 造 U1 和水动力 U2，依据准则（表 1）两两相比较，构建判断矩阵 R1（式 6） ；而隶属于储层 特性 V2 的因素有渗透率 U3、含气量 U4、煤层厚度 U5、含气饱和度 U6、储层压力 U7、临界 解吸压力 U8、原地应力 U9、埋深 U10，依据准则（表 1）两两相比较，构建判断矩阵 R2（式 7） 。
1.2 地质背景
但是煤储层产气潜力能够释放的程度受控于具体的局部构造（断裂、褶皱）位置、水动 力背景等敏感性地质因素。 （1）断裂：受到断裂作用的煤层气井，即断裂沟通了上下富水性强的含水层，那么将 对煤层气井的排采造成不利的影响。 断裂由于受规模的限制， 对煤层气井排采生产的影响范 围较小，只局限于断裂附近。据研究区 2007 年～2009 年分布在断裂附近与非断裂附近投产 井的分析统计结果对比显示(图 4)，位于断裂附近煤层气井中高产井比例占断裂附近总井数 的 7%， 中产井占 20%， 而低产井占 73%。 而位于非断裂附近的煤层气井高产井比例占 29%， 中产井比例占 19%，低产井比例占 52%。可见，研究区断裂对煤层气井产量具有较大的影 响，有一部分煤层气井受到了断裂作用，产水量大，产气量小，甚至长期只产水不产气。
1 1 R 1 1 1 2 R1 1 1 2
(5)
(6)
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1 1 1 12 R2 1 3 1 4 1 4 1 4
2.4 权重计算及一致性检验
1 1 1 1 2 1 2 1 3 1 3 1 3
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W第2层1 W11 , W12 , W13 , , W1n
T
W第2层2 W21 , W22 , W23 , , W2 m
T
则最底层次，也就是第二层次 n+m 个因素的总权重为：
W组合 n m W11 W1 , W12 W1 , , W1n W1 , W21 W2 , W22 W2 , , W2 m W2 ,
前 言
位于不同构造位置不同的水动力背景下， 煤层气井排采的效果会有一定差异， 甚至差异 很大； 而相同体积的解吸空间内不同的储层特性也造成不同的排采效果。 地质是煤层气田勘 探开发的基础， 排水采气的效果则是地质的工程延伸。 正确地认识排采效果就必须正确地认 识影响排采的地质因素，而对各因素的影响程度的评价是十分必要的。 国内外很多学者对影响煤层气井产气量的因素做了很多研究， 这些影响因素归纳起来有 煤层厚度、含气量、渗透率、埋深、原地应力、储层压力、临界解吸压力、含气饱和度、 构 [1-4] 造、水动力等 。但由于影响排采效果的因素众多，不同地区各因素的影响程度也不一样， 且影响因素之间的关系复杂，如何科学合理地去评价各个因素的影响程度呢？ 本文以鄂尔多斯盆地某煤层气田为例， 采用层次分析法， 建立了影响排采效果的地质因 素权重评价层次结构模型， 通过简单地将同一层次的因素两两相比较并赋予尺度值， 最后求 出最低层次每个影响因素的总权重并依据大小排序， 排序结果作为评价各个地质因素对煤层 气田排采效果的影响相对重要性， 并建立了各个影响因素之间的量化关系。 通过各个影响因 素权重评价和量化关系的建立， 对该煤层气田排采效果的认识及排采井位的部署都具有十分 重要的指导意义。
图 6 层次分析法基本过程图
（2）构建判断矩阵方法 通过两两因素比较构建判断矩阵， 两两因素比较时， 比较结果用 1～9 尺度表示 （表 1） ， 从而建立目标层与子目标、子目标与子目标分解因素等不同层次之间的判断矩阵。 （3）计算特征值和特征向量 例如构建的判断矩阵为：
A aij n n
i ， j =1，2，3， · · · ， n
i， j =1，2，3， · · · ， n i=1，2，3， · · · ， n
j
T
(1)
aij
(2)
W
n 1
Wi
(3)
计算得到的 W W1 , W2 , W3 , , Wn 即为所求矩阵的特征向量 , 即为该层次各因素的 权重值。
表 1 层次分析法判断矩阵尺度
图 3 研究区典型日产气量与渗透率关系图
图 4 断层与非断层附近井产量分类对比直方图
（3）水动力背景：地下水总是自发地由水势高的地方流向水势低的地方。位于不同水 势区的煤层气井排水产气动态势必受到水势的影响[8-9]。位于高势区的煤层气井相对于低势 区的煤层气井来说，初始见气时间[7]短、初始累计产水量少、日产水量少，排水降压更容易
对于上一层的 n 个因素，将其权重值与本层次 m 个因素对应的相对权重相乘；依次类 推，一层一层自上而下求出最底层次所有因素权重，即为总权重。 例如，有两个层次的层次结构体系，其中第一层次有两个因素，这两个因素的权重为：
W第1层 W1 , W2
T
第二层次中对应第一层次的两个因素分别有 n 个因素和 m 个因素，其权重分别为：
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煤层气田排采主控地质因素权重评价及地质意义
秦绍锋
1
康永尚
2,3
毛得雷
4
王会娟
4
（1 中联煤层气有限责任公司， 北京 100011；2 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验 室，北京 102249；3 中国石油大学(北京), 北京 102249；4 中石油煤层气有限责任公司韩城 分公司，韩城 715400）
a11 a12 a22 a 21 a n1 an 2
a1n a2 n ann
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则计算其特征值和特征向量的步骤如下：
Wi
W
aij
bij
n
a k 1 ij
n j 1
1 排采效果主控地质因素分析
1.1 储层特性
煤层气藏是一种自生自储气藏，决定了煤层气藏的形成必须需要一定厚度的煤层[5-6]。 煤层厚度大可以在一定程度上弥补煤储层含气量的缺陷。 煤层含气量越高， 煤层气资源量越 大，则煤层气井产气量越高。而渗透率是煤储层物性评价中最直接的评价指标，它决定着煤 层气的运移和产出。从图 1～图 3 可以看出，该煤层气田单井典型日产气量[7]与煤层厚度、 含气量、渗透率等储层参数之间都有一定的相关性。
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些，从而高产阶段早比如位于高水势区的 M-4 井很快就见气（图 5） 。
图5
M-4 井生产曲线图
2 排采主控地质因素权重评价
2.1 层次分析法
层次分析法（Analytic Hierarchy Process,简称 AHP）是由美国数学家 T.L.Saaty 在 70 年代提出的。它是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法[10]。通过对将要解 决的问题层次化，把非常复杂的系统问题简化为两两之间的对比判断和简单排序。 （1）层次分析法的基本过程 层次分析法基本过程（图 6） ：
T
计算出各个因素的总权重， 就可以根据其值得大小进行排序， 其值越大表示其在众多因 素中影响因子越大。
2.2 层次结构模型
根据层次分析法的原理， 结合煤层气田排采主控地质因素和研究区实际排采情况， 本文 主要从地质背景因素（V1）和储层特性因素（V2）两个方面去分解目标层（V） ，然后再将 地质背景因素（V1）分解为局部构造（U1,包含断裂和褶皱）和水动力背景（U2） ；将储层特 性因素（V2）分解为煤层厚度（U3） 、含气量（U4） 、渗透率（U5） 、含气饱和度（U6） 、储 层压力（U7） 、临界解吸压力（U8） 、原地应力（U9） 、埋深（U10） 。其建立的层次结构模型 如图 7 所示。
1 1 1 1 2 1 3 1 3 1 3 1 3
2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2
3 3 3 2 1 1 1 1 2 3 2
4 3 3 2 2 1 1 2
图 1 研究区典型日产气量与煤层厚度关系
图 2 研究区典型日产气量与含气量关系
（2）褶皱：a.局部背斜：该部位的煤层气井在排水降压过程中，其煤储层中地下水的 流动趋势与水动力场中“补给区”地下水的流动趋势类似。在这种情况下，如果煤储层与其 它强含水层没有沟通影响，即地下水“只出不进” ，这样只需排出少量的煤储层中的地下水， 就能够在一定范围内产生有效降压体积。因此，煤储层降压快，容易较早获得高产。另外， 由于气水差异原理，在排采过程中，会有一些解吸气沿储层上倾方向运移，从而提高了产气 量。b.向斜部位：该部位的煤层气井在排水降压过程中，其煤储层中地下水的流动趋势与水 动力场中“排泄区”地下水的流动趋势类似，即向斜部位接受来自翼部较高部位煤储层中地 下水的补给，使得煤层气井产水量最大，但较短排采期内产生的压降漏斗范围较小，产气量 低或短期排采无产气量。位于研究区背斜构造位置的 M-1 井、M-2 井，典型日产气量分别 为 2000m3/d、6000m3/d，都为高产井；而位于向斜构造位置的 M-3 井，日产水量为 5m3/d～ 16m3/d，历经 244d 累计排水 1757.2 m3 仍未见气，目前属于低产井。
（4）矩阵一致性检验 检验矩阵一致性指标 CI
n
n 1
。当 CI 0 时，判断矩阵的指标完全一致；否则，用
随机一致性指标 RI 。可随机构造 m 个成对比较矩阵 A1 , A2 , , Am ，则可得一致性指标
CI1 , CI 2 , , CI m ，随机一致性指标 RI 计算如下：