我国2 000 m以浅的煤层气地质资源量十分丰富，达36.81×1012m3[1-3]。目前规模性开发主要集中在沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘[4-5]，从“十三五”开始，开发区域逐渐向滇东黔西多煤层地区和新疆准噶尔盆地低煤级等地区扩展，同时开发方向也由原来的单纯煤层气开发逐渐向煤系气开发延伸。滇东黔西地区作为我国煤层气勘探开发后备基地，具有丰富的煤层气资源，埋深在200～1 500 m的煤层气地质资源量达2.9×1012m3[6]，具备规模性开发的资源条件。
地质选区是煤层气开发的前提条件，只有首先优选出煤层气开发有利区，才有可能实现煤层气的规模性整体开发。现阶段，我国的地质选区标准主要是针对沁水和鄂东两个规模性开发盆地，而滇东黔西地区地质条件及煤层赋存条件与上述两大盆地均有巨大差异，主要表现为该区煤层层数多，可达几十层，且层间距小，煤层单层厚度小，地应力高，构造复杂程度高等[7-8]，垂向上存在多个独立的含气系统[9]，开发方式均为多层合层开发，不匹配的垂向层段组合会造成严重的层间干扰，致使产气量甚低。因此，在滇东黔西多煤层发育区进行煤层气地质选区时，不仅要进行平面有利区优选，而且要考虑垂向层段的组合优选。虽然已有学者针对滇东黔西地区的煤层气地质选区开展了研究，并运用基于成藏动力学的煤储层能量选区方法、模糊优选法和主成分分析法等方法进行了有利区优选[10-14]，但所选用的指标多为传统平面选区指标，缺乏代表性，且常常忽略了垂向有利层段评价指标。因此，对于滇东黔西多煤层地区特殊地质条件如何有序的进行煤层气有利区、段优选，尚未形成一套系统的针对性强的选区指标体系。
1 煤层气地质选区方法发展历程
针对我国复杂的地质条件，诸多研究人员提出了多种区块优选评价技术和方法。概括起来，我国煤层气选区评价技术主要经历了3个发展阶段(图1):从第1阶段单因素的机械叠加逐渐发展到多因素分级综合评价，从引进美国经验，考虑单因素的罗列叠加，到第2阶段建立起“一票否决+递阶优选”的有利区带优选方法，再到第3阶段基于煤层气成藏动力学分析的地质选区理论与评价方法[15]。经历了从定性到半定量再到定量的发展阶段，层次分析、灰色聚类和主成分分析等数学方法在煤层气地质选区过程中得以应用[11,16]。目前，“一票否决+递阶优选”的选区方法已被广泛使用，基于煤层气成藏动力学的煤储层能量体系选区方法已在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘和织纳煤田等多个区域取得了良好效果。无论是那种选区方法，最终目的都是为了优选出最有利的煤层气开发区域，虽然不同的选区方法得出的结果具有差异性，但最终决定选区效果核心的不是选区方法的选择，而是针对不同地区的选区指标体系差异，同样的方法在不同的选区指标体系下可能得出不一样的结果。
图1 我国煤层气地质选区方法发展历程[13]
Fig.1 Development process of CBM geological selection method in China[13]
2 滇东黔西多煤层地区地质选区面临的主要问题
根据我国的煤层气地质特点，有利于煤层气开发的区域有限，有利于实现煤层气高产的区域更加有限。笔者将有利于煤层气开发的区域称之为有利区，主要是指“有利向斜或含煤盆地”，在滇东黔西众多含煤次级向斜或盆地中进行优选，涉及整个云南东部和贵州西部地区，区域大，范围广;将有利于实现煤层气高产的区域称之为甜点区，主要是指“靶区或有利建产区”，在上述优选出的其中一个或几个有利向斜中进行评价，再选区，区域和范围较小，仅限于一个小的次级向斜或盆地内部;将有利于煤层气开发的垂向层段称之为甜点段，是在甜点区的范围内进行优选，主要指“有利目的层段或开发层段”。
滇东黔西地区是我国典型的多煤层发育区，平面上分布有众多次级向斜且煤层气赋存条件差异明显，垂向上存在几十层煤层且分属不同的流体压力系统，兼具地应力高，构造复杂程度高等特点[17]。这些特点给煤层气有利区优选增加了难度，使其与单煤层开发地区的有利区优选思想具有较大差异。在单煤层开发过程中，前人重点关注的是平面富集高渗区的优选，不涉及层间干扰和垂向选段的问题;相比滇东黔西地区，沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘构造相对简单，煤体结构相对完好，煤层气目的层均为该地区的主采煤层，基础地质参数容易获取。因此，从单煤层开发区域过渡到多煤层开发区域，将主要面临如下关键问题:在滇东黔西众多的次级向斜中，哪些是煤层气开发的有利区，有利区中哪些是煤层气开发的甜点区，甜点区垂向上的甜点段或有利层段如何分布？具有针对性的有利区、甜点区和甜点段的开发指标如何确定？针对以上关键问题，笔者将围绕滇东黔西地区的特殊地质条件构建煤层气地质选区指标体系，以期为建立具有区域特色的煤层气地质选区评价理论提供基础。
3 滇东黔西多煤层地区地质选区体系构建
3.1 有利区优选指标体系
有利区优选是指从滇东黔西地区众多的次级向斜或含煤盆地中优选出有利于煤层气开发的向斜或盆地，所涵盖的范围非常广，不同向斜或盆地之间的地质条件、煤层赋存及煤层物性等方面差别也较大，且勘探程度各不相同，除了资源条件外，其他大量选区指标无法或很难获得统一。因此，在有利区优选阶段主要以资源条件为主，这不仅可以侧面体现某一区域的开发潜力，也能够决定该区域的开发规模。
资源条件主要体现在资源量和资源丰度，资源量一般是根据体积法进行计算，资源丰度是单位面积中富集的资源量，表现的是资源量的富集程度。根据资源量和资源丰度的计算方法可知，2者中已经包含了煤厚、含气量和含气面积等基础参数。资源量和资源丰度中既包含着地质的也包含着可采的，地质资源量和地质资源丰度主要体现着某区域的开发潜力。而在现有条件下能够开采出来的资源量，即可采资源量，决定着后期的开发规模，可采资源量主要是通过采收率计算获得，采收率主要与渗透率、临界解吸压力、储层压力、兰氏体积和兰氏压力等参数相关。因此，资源条件也从侧面体现着煤储层的其他基本参数。根据以上分析，笔者将地质资源量、地质资源丰度和可采资源量作为煤层气有利区优选的3个关键指标。同时，如果某一区域的开发潜力很小，那么后期的开发规模就无从谈起，因此，将决定开发潜力的地质资源量和地质资源丰度作为一票否决的指标，将两者都很低的次级向斜或含煤盆地首先排除。
此外，考虑到滇东黔西地区煤层气地质资源量计算的深度一般为2 km以浅，而实际的开发深度一般在1 km以浅，个别井可能超过1 km，因此，在进行煤层气有利区优选过程中，将1 km以浅的可采地质资源量作为辅助指标或参考指标进行考虑。综合以上分析，最终形成了有利区优选指标体系，见表1。
表1 滇东黔西地区煤层气有利区优选指标体系
Table 1 Optimization index system for favorable area of CBM in eastern Yunnan and western Guizhou
3.2 甜点区优选指标体系
甜点区优选是从已有的有利区内再选有利区块，即在煤层气开发有利区范围内寻找“靶区”，该“靶区”为后期煤层气井井位的部署区域。由于前一阶段已经根据资源条件优选了有利区，在该阶段，资源条件可以不再考虑。进一步结合滇东黔西高应力和构造复杂等地质条件，甜点区优选应重点考虑煤层气后期开发的相关条件。
构造条件方面，由于构造复杂程度与煤体结构、地应力和渗透率等均密切有关，煤体结构又决定着后期储层可改造性的难易程度，地应力与煤体结构均对煤层的渗透率具有重要影响，因此，构造简单区域最有利于煤层气开发，随构造复杂程度的增加，开发难度也相应增加。构造的复杂程度主要是通过断层和褶皱表现出来，断层和褶皱影响着煤层气的富集和渗透性。根据前人研究，断层的复杂程度可以根据分形计算得出断层分维值来定量表征[14,18]，褶皱可以根据构造曲率来定量表征。对于断层发育特别密集的区域，断层分维值往往也较高，该区域对煤层气的开发工程非常不利，可以将其排除，因此断层分维值可以作为一票否决的指标。图2为滇东老厂矿区的断层分维值与断层的分布关系，断层越密集，分维值越大，当分维值大约在1.3以上时，断层非常密集，不适合煤层气开发，可将断层分维值大于1.3的区域一票否决，但针对其他向斜或盆地，一票否决值的大小需要根据研究区断层发育实际情况进行确定。
图2 滇东老厂矿区断层分维值与断层分布关系[12]
Fig.2 Relationship between fault fractal dimension and fault distribution in Laochang area of eastern Yunnan[12]
地应力和渗透率的高低对煤层气后期开发影响巨大，但是由于现场实测数据非常有限，根据实测值对两者进行定量评价非常困难。而煤层的底板等高线资料往往较为充足，根据煤层底板等高线可得到煤层的构造曲率分布情况，构造曲率是构造应力场直接作用的结果[19]，其与地应力和渗透率的关系非常密切，可以用构造曲率来对2者进行评价:当构造曲率的绝对值过大时，说明煤层弯曲幅度较大，地应力往往较高，煤体结构较破碎，渗透率也较低;当构造曲率的绝对值适中时，地应力适中，渗透率也相对较高，对煤层气开发较为有利[14,20-22]。图3(a)为滇东老厂矿区的构造曲率与最小主应力的关系，随构造曲率绝对值的降低，最小水平主应力也随之降低;图3(b)为滇东老厂矿区构造曲率与渗透率的关系，构造曲率在一定范围内，渗透率最高，因此，可用构造曲率来反映煤层的地应力状态及其渗透性。埋深影响着地应力状态和渗透率等的变化，一般而言，随埋深的增大，渗透率降低，地应力也呈增大趋势[23]，开发的成本也将显著增加。目前，滇东黔西地区煤层气开发基本均在1 km以浅，少部分开发井超过1 km，因此，埋深是平面甜点区优选的关键指标，但不能作为一票否决指标。
图3 滇东老厂矿区构造曲率与地应力和渗透率的关系[12]
Fig.3 Relationship between tectonic curvature and crustal stress,permeability in Laochang area of eastern Yunnan[12]
此外，在后期煤层气井位部署过程中，不但要考虑上述指标中的最优区，还需要考虑施工的难易程度，而滇东黔西地区，地形变化较大，若煤层气井位部署不当，可能造成后期无法施工或增加经济支出，所以，在以上指标的基础上，在确定井位时需要将地形地貌作为参考指标。
根据以上分析，在平面甜点区优选过程中，将断层分维值、构造曲率和埋深3者作为关键指标，将地形地貌作为参考指标，其中，断层分维值具有一票否决的作用(表2)。
表2 滇东黔西地区煤层气甜点区优选指标体系
Table 2 Optimization index system of CBM dessert area in eastern Yunnan and Western Guizhou
3.3 甜点段优选指标体系
甜点段优选是滇东黔西多煤层地区特别新增的一个优选体系，以优选出的甜点区为基础，在垂向上优选有利层段。所以其优选指标应主要考虑工程条件和开发条件，如煤体结构、储层可改造性、储层压力差异、临界解吸压力差异、层间距、渗透率差异等，其他指标在前述的有利区、甜点区优选中已经考虑，仅作为辅助指标参考。
由于滇东黔西为多煤层发育区，煤层气排采过程中，一般均为多层煤合压合采或分压合采。由于储层自身渗透率很低，需要进行规模性的压裂改造，这就对煤储层的煤体结构及力学性质提出了要求，原生结构煤和碎裂煤最有利于煤储层的改造，碎粒煤和糜棱煤对储层改造最为不利，因此，在选择合采层段时，首先需将煤体结构破碎的煤层排除;煤储层与顶底板的力学性质差别需根据不同的需求进行选择，若只压裂煤层，控制裂缝在煤层中延伸，那么煤层与顶底板力学参数比值要较大，若顶底板含气性较好，需将顶底板与煤层一起压裂，则煤储层与顶底板的力学参数比值接近1最好，因此，煤层及顶底板的力学性质可作为参考指标。
煤层气井排采是排水降压解吸的过程，至临界解吸压力后，煤层气开始解吸产出，在单层开采中，要尽量保证煤层处于液面以下，以避免煤层的过早暴露对储层造成伤害。同理，对多层开采，也要保证煤层尽量在井筒液面之下，与之不同的是要保证组合开发层段中的所有煤层都尽可能处于井筒液面以下，因此，就涉及到临界解吸压力差值的问题。在一个组合层段中，首先要保证当井筒液面降低至最上部煤层时，组合层段中的所有煤层均已开始产气。如图4所示，以3层煤为例，当井筒液面降低至煤层1顶部时，组合层段中的煤层1、煤层2和煤层3均要全部开始解吸，即组合层段中的煤层临界解吸压力差值需要满足式(1)，最优的解吸顺序是煤层1、煤层2和煤层3依次解吸，且当井筒液面降低至煤层1顶部时，3层煤均已解吸一定时间。
ρgΔh>ma|ΔPcij|
(1)
式中，ρ为井筒中液柱的密度;g为重力加速度;Δh为井筒液面距煤层1的距离;ΔPcij为3层煤中任意两层煤的临界解吸压力差值，其中，i和j取1，2，3且i≠j。
图4 组合层段示意
Fig.4 Sketch map of a composite layer
在保证组合层段中的煤层气临界解吸压力差值满足条件之后，还需要考虑组合层段中储层压力梯度差值大小，在同一组合层段内，储层压力梯度差值不能过大，若组合层段内煤层的储层压力梯度差值过大，则会造成储层流体的倒灌，阻碍储层压力梯度低的煤层流体产出[24-25]。前人对不同储层压力梯度差下的压降漏斗变化模拟显示随差值减小，倒灌现象减弱，最理想的状况为一个组合层段内的储层压力梯度差值为0，根据前人模拟结果，推测储层压力梯度差值最大值要在0.15 MPa/hm[24]。如图4所示，设组合层段内3层煤的储层压力梯度依次为W1,W2和W3，则组合层段内煤层的储层压力梯度差值要满足:
ma|ΔWij|<ΔWmax
(2)
式中，ΔWmax为组合层段内允许的最大储层压力梯度差值;ΔWij为3层煤中任意两层煤的储层压力梯度差值，其中，i和j取1，2，3且i≠j。
同理，对渗透率差异较大的储层，高渗储层会屏蔽低渗储层[26]，由于滇东黔西地区煤储层渗透率普遍偏低，储层改造前的渗透率差别不大[23]，煤层气开发过程是针对改造之后的储层，因此，渗透率比值可作为一个参考指标。同时，储层压力差值与层间距具有密切联系，层间距的大小取决于临界解吸压力和储层压力间的匹配度，当煤层间的临界解吸压力和储层压力匹配度较高时，组合层段的最大层间距可以适当增大，反之，则组合层段的最大层间距要减小，可将最大层间距作为一个参考指标。此外，在组合层段内部，可能会存在部分煤层含气量较低的情况，若层间距较大，对这部分煤层进行射孔和压裂改造经济价值不高，鉴于此，在垂向组合层段优选中可以将单层含气量作为参考指标加以考虑。根据以上分析，甜点段优选指标体系见表3。
综上所述，滇东黔西地区的煤层气地质选区流程及指标体系如图5所示。该指标体系针对滇东黔西地区多煤层、高应力和构造复杂等地质条件，从煤层气有利区优选到甜点区优选，再到甜点段优选，层层递进，环环相扣，总体具有“层次结构+递阶优选”、“关键要素+一票否决”、“参考指标+辅助评价”的特点。同时，也可以为地质选区之后即将进行的煤层气压裂和排采组合优化提供理论支撑。
表3 滇东黔西地区煤层气甜点段优选指标体系
Table 3 Optimization index system of CBM vertical dessert in eastern Yunnan and Western Guizhou
图5 滇东黔西地区煤层气地质选区指标体系
Fig.5 Index system of CBM geological selection in eastern Yunnan and Western Guizhou
4 结 论
(1)在分析我国煤层气地质选区发展历程及现状的基础上，针对滇东黔西地区多煤层、高应力和构造复杂等地质特点，从资源-地质-工程-经济等方面优选了选区关键指标和参考指标，从有利区-甜点区-甜点段，从整体到局部，从大区到小点，从平面到垂向，层层递进，环环相扣，构建了适合滇东黔西地区的煤层气地质选区指标体系，总体具有“层次结构+递阶优选”、“关键要素+一票否决”、“参考指标+辅助评价”的特点。
(2)根据滇东黔西地质特点，在有利区、甜点区和甜点段3个阶段均给出了关键指标和参考指标，以及具有一票否决权的指标。有利区优选中，关键指标为煤层气地质资源量、地质资源丰度和可采资源量，煤层气地质资源量和地质资源丰度具有一票否决权;甜点区优选中，关键指标为断层分维值、构造曲率和埋深，断层分维值具有一票否决权;甜点段优选中，关键指标为煤体结构、临界解吸压力差和储层压力梯度差，煤体结构具有一票否决权。
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