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：[email protected]。
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Ri=（ri1，…，rim），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μA（u）中各等级中隶属度的次数m，从而确定rik=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。
参考文献
[1]王红岩，刘洪林等.2005.煤层气富集成藏规律[M].北京：石油工业出版杜，134～143
[2]秦勇，曾勇.1996.煤层甲烷储层评价及生产技术[M].徐州：中国矿业大学出版杜，306～312
[3]于不凡.2000.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]，北京：煤炭工业出版杜，477～478
[4]杨永国，秦勇，姜波.2001.煤层气项目经济评价理论与方法研究[M].徐州：中国矿业大学出版杜，27～33
[5]王玉怀等.2005.应用层次分析法及模糊评价进行煤矿安全评价研究[J].煤炭工程，（3），60～62
[6]廖江等.2005.投标工程风险的模糊层次综合评价[J].重庆交通学院学报，（3），109～111