Entropy-Kmeans 方法在煤层气开发前景评价中的应用_张嘉睿.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 Entropy-Kmeans 方法在煤层气开发前景 评价中的应用 张嘉睿 1， 夏玉成1， 李 涛 2， 王 锐 1 （1.西安科技大学 地质与环境学院， 陕西 西安 710054； 2.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院， 贵州 六盘水 553000） 摘要 以彬长矿区某井田 4煤为例， 通过综合分析确定了影响煤层气开发前景的主要因素， 建 立了该井田低煤阶煤层气开发前景评价体系。 在此基础上利用熵权法 （Entropy ） 确定各影 响因素的权重， 通过 K 均值聚类法对评价结果进行划分， 运用 MapGIS 圈定不同类型开发前景分 区， 从而克服了现行煤层气开发前景评价方法的某些局限性， 提高了开发有利区域预测的准确 性。 研究认为 影响该井田 4煤煤层气开发前景的主要因素是资源条件 （含气量、 灰分、 煤层净厚 度） 、 赋存条件 （构造位置、 顶板厚度） 、 开发条件 （渗透率、 埋深） ； 开发前景分为 5 类极有利区、 有利区、 较有利区、 中等区和不利区， 有利区域主要分布在井田东北部。 关键词 煤层气； 开发前景评价； 熵； 评价指标； K 均值聚类 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0158-06 Application of Entropy-Kmeans in uation of Coalbed Methane Development Prospect ZHANG Jiarui1, XIA Yucheng1, LI Tao2, WANG Rui1 （1.College of Geology and Environment, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China;2.College of Mining and Civil Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553000, China） Abstract This paper takes No.4 coal in a mine field in Binchang Mining Area as an example, the main factors affecting the development prospect of coalbed methane are determined through comprehensive analysis, and the uation system of the development prospect of coalbed methane is established. Based on that, entropy is used to determine the weight of each influencing factor, the uation results are divided by the K-means clustering , and MapGIS is used to delineate different types of development prospect, thereby overcoming some limitations of the current uation s of coalbed methane development prospect, and improving the accuracy of prediction of favorable areas for development. The research believes that the main factors affecting the development prospect of the No.4 coalbed methane are resource conditions （gas content, ash content, net thickness of coal seam）, occurrence conditions（tectonic location, roof thickness）, and development conditions（permeability, burial depth） ; development prospect are divided into 5 categories extremely favorable area, favorable area, relatively favorable area, medium area and unfavorable area. The favorable areas are mainly distributed in the northeast of the mine field. Key words coalbed methane; development prospect uation; entropy; uation index; K-means clustering DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.035 张嘉睿， 夏玉成， 李涛， 等.Entropy-Kmeans 方法在煤层气开发前景评价中的应用 ［J］ .煤矿 安全， 2020， 51 （8 ） 158-163. ZHANG Jiarui, XIA Yucheng, LI Tao, et al. Application of Entropy -Kmeans in uation of Coalbed Methane Development Prospect［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 158-163. 移动扫码阅读 基金项目 中国博士后基金资助项目 （2017M623327XB ） ； 贵州省教 育厅青年科技人才成长资助项目 （黔教合 KY 字 ［2018］ 376，黔教 合 KY 字 ［2018］ 386， 黔教合 KY 字 ［2017］ 383 号） ； 六盘水师范学 院重点学科资助项目 （LPSSYZDXK201802） 煤层气开发前景评价直接关系到煤层气勘探开发效率，是煤层气勘探开发研究最基础的工作。开 发前景评价指标及方法的合理、准确选取，直接影 响到评价结果的正确性[1]。所以煤层气开发前景评 价必须立足于研究区煤层气资源的基本特征，展开 综合地质研究与评价。我国低煤阶煤层气资源丰 应用 实践 158 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1井田构造示意图 Fig.1Structural sketch map of the mine field 富，但含煤盆地煤层气开发仍处于试验研究阶段， 尚未形成高产稳产的商业开发区，未能建立较为完 善的煤层气开发前景评价体系[2]。以陕西黄陇煤田 彬长矿区某井田 4煤为例，前人运用了加权求和 法、层次分析法、模糊综合评判法等多种方法进行 煤层气开发评价[3-5]， 其中加权求和法、 层次分析法 的指标权重受人为主观因素影响较大，降低了评价 结果的准确性；模糊综合评判法也存在自身的局限 性[6]， 评价过程复杂， 评价结果的准确程度有所欠 缺。 在此背景下， 熵权法 （Entropy） 的赋权优势 得以体现，该方法根据数据变异程度大小，充分利 用数据自身的差异性进行客观赋权[6]。在深入研究 4煤煤层气开发主要影响因素的基础上，将熵权法 与 K 均值聚类法结合， 进行煤层气开发前景综合评 价和有利区预测。在评价过程中，前期运用熵权法 处理数据，得出各影响因素的权重，减少了主观因 素对赋权的干扰；后期利用 K 均值聚类法分区， 通 过 MapGIS 圈定了开发有利区块，为研究区煤层气 商业开发提供了地质依据。将熵权法与 K 均值聚类 法结合， 可充分发挥这 2 种方法的各自优势， 提高评 价结果的准确度和可信度。 1熵权法特点及计算过程 熵权法的核心在于通过计算熵值来判断指标的 变异程度，分析各项指标的贡献度差异，进而分配 权重。 一般来说， 信息熵 Ej较小的指标， 数据的变异 程度较大，在综合评价中能提供更多的信息量， 对 该指标赋权相应较大。 反之， 信息熵 Ej较大的指标， 其权重相应较小。 熵权计算过程如下 1） 对原始数据进行正规化变换。假定有 n 个数 据点， 每个数据点提取 m 个指标的数据， 则原始数 据集 X 为 X X ij， i1， 2， ， n； j1， 2， ， ｛｝m 经正规化变换 Yij Xij-min （Xj） max （Xj） -min （Xj） （1） 式中 Xij为原始数据； Yij为正规化数据， max （Xj） 、 min （Xj） 分别是第 j 个指标的最大值和最小值。 2） 计算信息熵。1 组数据的信息熵计算如下 Ej-ln （n） -1 n i 1 Σpijlnpij（2） 式中 Ej为第 j 个指标的熵； pij为第 j 个指标下 第 i 个数据点的贡献度， pijYij/ n i 1 ΣYij，如果 pij0， 则定义lim pij0 pijlnpij0。 3） 分别计算各指标的权重 Wj Wj 1-Ej m-ΣEj （j1， 2， ， m）（3） 式中 Wj为第 j 个指标的权重。 2开发前景评价指标及其权重 2.1研究区地质背景 研究区位于陕西黄陇煤田彬长矿区，主体构造 位于安化向斜区南翼， 向南跨越彬县背斜[7]， 地表大 面积被黄土覆盖。位于延安组下部的 4煤为煤矿主 采煤层， 煤层中节理、 裂隙发育程度高。 该井田 4煤 的煤层气符合低变质煤含气量低， 渗透性好的特点[7]， 虽含气量低，但煤层煤厚较大，因此煤层气资源丰 富， 且渗透性好利于开采[8]。 井田构造示意图如图 1。 2.2评价指标体系 煤层气开发前景评价指标的选择， 因不同开发阶 段而异[1]， 对于开发初期的低煤阶开发区， 应反映煤 层的生气潜力、 储集性能和保存条件， 包括煤层厚 度、 含气量、 灰分含量、 顶板岩性及厚度等指标[7,9-10]。 选择评价指标应遵循全面性、 客观性、 代表性和具有 现实意义的原则[4] 选择范围应全面涵盖上述 3 个 评价条件； 优先选择关联度较强、 普遍适用的基本指 标； 在相互影响密切的指标之间， 如在含气量与资源 量中选择更具代表性的因素， 取一即可； 同时排除差 异性过小的因素。在此原则下，基于井田煤层气资 源的基本特征，通过对已施工煤层气井钻孔资料和 实验数据分析，系统地总结了影响煤层气开发潜力 159 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 1煤层气开发前景评价指标体系及其量化标准 Table 1uation system and quantification standard of coalbed methane development prospect 一级指标二级指标指标量化 资源条件 赋存条件 开发条件 含气量 Q / （m3 t-1） 灰分 Ad/ 煤层净厚度 M/m 构造位置 顶板厚度 T /m 渗透率 v/10-3μm2 埋深 H /m Q≤1 1＜Q＜3 Q≥3 Ad≥20 10＜Ad＜20 Ad≤10 M≤2 2＜M＜17 M≥17 翼部 向斜轴部 背斜轴部 T ≤0.5 0.5＜T ＜6.5 T ≥6.5 2≤v 2＜v＜10 10≥v H≥700 300＜H＜700 H≤300 0.4 0.3Q0.1 1 0.4 0.6 1 0.4 0.04M0.32 1 0.7 0.8 1 0.7 0.05T 0.675 1 0.6 0.05v0.5 1 0.6 -0.001H1.30 1 和产能的主要影响因素， 选取资源条件 （含气量、 灰 分、 煤层净厚度） 、 赋存条件 （构造位置、 顶板厚度） 、 开发条件 （渗透率、 埋深） 作为评价指标， 得到该井 田 4煤煤层气开发前景评价指标体系， 煤层气开发 前景评价指标体系及其量化标准见表 1。 1 ） 资源条件。①含气量 含气量是煤层储集性 能的基本指标，是煤层气开发前景评价中的充分条 件，高含气量地区往往是煤层气开发有利区，根据 该井田钻孔资料， 4煤的含气量在 0.29～3.64 m3/t， 平均含气量为 2.21 m3/；②灰分灰分属于无机组 分，不利于煤层气的形成，灰分升高使煤层气吸附 量下降， 不利于煤层气的吸附、 储存， 因而灰分产率 与含气量呈负相关关系[4]， 根据现有的钻孔资料， 该 井 田 4煤的 灰分 在 11 ～28.1 ， 平 均 灰 分 为 16.42； ③煤层净厚度 煤层是生烃的物质基础， 煤 层越厚则生烃条件越好，煤储层可看作一种高度致 密的低渗透性岩层，对煤层气有强烈的封盖作用， 煤储层厚度越大， 对煤层气的保存就越有利[11-12]； 根 据已有的钻孔资料，该井田 4煤的净厚度为 0.95～ 19.02 m， 平均 10.79 m。 2） 赋存条件。 ①构造位置 该井田范围内构造相 对简单， 以平缓褶皱构造为主， 有利于煤层气的保存 和富集， 研究表明背斜、 向斜同受挤压应力形成， 背 斜是良好的储气构造，含气量高，向斜核部应力集 中， 封闭良好， 含气量较高[13-14]， 褶皱两翼应力相对 核部较低， 含气量次之； ②顶板岩性及厚度 煤层顶 板岩性致密有利于气体的积聚与赋存，岩层越厚对 煤层气富集越有利[15]； 4煤煤层顶板岩性多为砂质 泥岩、 泥岩及粉砂岩， 均为封闭性良好的致密岩层， 根据现有的钻孔资料，该井田 4煤的顶板厚度为 0.2～19.19 m， 平均 2.77 m， 顶板厚度变化较大。 3） 开发条件。 ①渗透率 煤层渗透率是进行煤层 气商业开发的重要参数，制约着煤层气的运移与开 发[16-17]， 根据现有的钻孔资料， 该井田 4煤的渗透率 为 0.0110-3～40.8710-3μm2，平均渗透率为 8.76 10-3μm2， 井田 4煤煤储层渗透率主要处在 210-3～ 1010-3μm2之间； ②埋深 埋深较大的地区， 煤储 层压力相对较大， 使得煤层气解吸困难， 渗透率降 低[18]， 结合现有的钻孔资料， 4煤层埋深 283.1～ 724.2 m， 平均埋深为 470.8 m。 基于研究区内各项指标的分布情况，结合前人 在该区域的研究，进一步分析各评价指标对煤层气 开发的影响程度。由表 1 中给出的评价指标的量化 标准可知， 对定性指标 （如构造位置） ， 根据定性判 断， 分别赋值量化； 对有连续数据的定量指标， 按取 值区间进行了离散量化。 2.3熵权法计算权重 选取该井田 60 口钻井的 4煤原始钻孔资料， 通过分别统计量化，获得含气量、灰分、煤层净厚 度、 构造位置、 顶板厚度、 渗透率、 埋深等 7 项评价 指标的原始数据集 X X ij， i1， 2， ， 60； j1， 2， ， ｛｝7 应用式 （1 ） 进行正规化变换后， 得到正规化数据 集 Y Yij， i1， 2， ， 60； j1， 2， ，｛ ｝ 7 。 根据式 （2 ） 计算第 j 个指标的信息熵 Ej， 各评价 指标信息熵见表 2； 再根据式 （3） ， 可以得到各个指 标的权重 Wj， 各评价指标权重见表 3。 表 2各评价指标信息熵 Table 2Ination entropy of uation indicators 影响因素 含气量灰分 煤层净 厚度 构造位 置 顶板厚 渗透率 埋深 信息熵 Ej0.9520.9650.9510.9510.9480.9550.994 160 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 3各评价指标权重 Table 3Weight of uation indicators 影响因素 含气量灰分 煤层净 厚度 构造位 置 顶板厚 渗透率 埋深 权重 Wj0.1680.1230.1730.1720.1850.1590.020 图 24煤含气量单因素分析图 Fig.2Single factor analysis of gas content of No.4 coal 图 34煤灰分单因素分析图 Fig.3Single factor analysis of ash content of No.4 coal 图 44煤煤层净厚度单因素分析图 Fig.4Single factor analysis of net thickness of No.4 coal 图 54煤构造位置单因素分析图 Fig.5Single factor analysis of tectonic location of No.4 coal 理论上， 1 组原始数据对应唯一的熵权法计算 结果， 所以表 3 中权重 Wj仅适用于该区域煤层气选 区评价， 具有唯一性。对于其它煤层或区域， 每次评 价应需要结合相应数据重新计算分析。 针对本次评价，在该区域内分布差异性越大的 指标， 为综合评价提供的信息量越大， 贡献度越高， 赋权相对较大。该区域内含气量、渗透率等指标分 布较稳定，为了在综合评价中更好地表现开发前景 的差异性， 因此本次评价中该权重略微弱化。 3煤层气开发前景分区评价预测 3.1单因素 为了便于比较， 将原始数据标准化处理， 转化为 无量纲的纯数值， 统一映射到 ［0， 1］ 区间上。运用 MapGIS 建立井田 4煤煤层含气量、 灰分、 煤层净厚 度、 顶板厚度、 渗透率、 埋深的单因素分析图， 直观 表现出各项指标在井田内分布情况及渐变性。以 4 煤含气量单因素分析图为例，数值越接近 1 代表含 气量富集程度越高， 反之则含气量富集程度越低。 1） 含气量。4煤高含气量地区主要集中在井田 东部， 井田西部相对较低， 整体趋势是东高西低， 西 部仅局部富集程度较高， 向西南边缘部逐渐减少。 4 煤含气量单因素分析如图 2。 2） 灰分。灰分越高， 则有机碳含量越低， 产气能 力越差。由单因素分析结果可知， 井田范围内， 煤灰 分西南部最高，整体上西部大于东部，说明在灰分 影响条件下，井田西部产气能力相对较差。4煤灰 分单因素分析如图 3。 3） 煤层净厚度。 4煤为主采煤层， 位于延安组下 部， 厚度变化较大， 但大部分地区表现稳定。井田范 围内，煤层净厚度的分布具有一定渐变性。井田东 部煤层最厚， 中部次之， 西部最薄， 西南部向边缘逐 渐变薄至最低可采厚度，体现出由东向西煤厚变薄 的规律和趋势。 4煤煤层净厚度单因素分析如图 4。 4） 构造位置井田总体构造为一向北倾斜的单斜 构造， 由于受同沉积构造作用的影响， 井田内由北向 南依次有安化向斜、 祁家背斜、 师家店向斜[19]。图中 深色区域呈线状分布， 其位置正是祁家背斜， 位于井 田中部， 轴向近东西向。相对其余向斜区域， 煤层气 的保存和富集程度较高。4煤构造位置单因素分析 如图 5。 5） 顶板厚度。封闭较好的盖层可有效减少煤层 气渗流、 扩散和运移， 维持较高的地层压力， 保持煤 层最大的吸附量[20]。4煤层顶底板以泥岩、 砂质泥 岩、 粉砂岩为主， 除局部地区处于古风化壳附近外， 大部区域封闭性能良好。4煤顶板厚度单因素分析 如图 6。 6） 渗透率。4煤渗透率呈现为由中东部向西逐 161 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 9煤层气开发前景分区预测 Fig.9Regional prediction of coalbed methane development prospect 表 5开发前景分区及其占比 Table 5Division and proportion of development zones 占比/0.519.9424.7445.0119.8 开发前景分区极有利区有利区较有利区中等区不利区 表 4最终聚集中心 Table 4Ultimate aggregation center 1234 分值/10-42.647 54.063 85.731 27.674 7 最终聚集中心 图 64煤顶板厚度单因素分析图 Fig.6Single factor analysis of roof thickness of No.4 coal 图 74煤渗透率单因素分析图 Fig.7Single factor analysis of permeability of No.4 coal 图 84煤埋深单因素分析图 Fig.8Single factor analysis of burial depth of No.4 coal 渐减小； 受井田 EW 方向间列的背向斜构造的影响， 主裂隙方向为 NE-NW，祁家背斜的轴部位置渗透 率相对较高，向南北两侧向斜部位逐渐减小。表明 构造对煤层气高渗富集区的控制作用，构造抬升导 致煤层渗透率的增大，有利于煤层气的运移。4煤 渗透率单因素分析如图 7。 7） 埋深。 4煤层在井田西部埋深较大， 东部埋深 较浅。在埋深较大的地区，煤层气运移至地表的距 离增大；并且由于较大的地应力降低了围岩的透气 性，这种变化有利于煤层气封存，不利于煤层气开 发。4煤埋深单因素分析如图 8。 3.2综合评价 根据熵权法计算得到的权重， 根据式 （4） 将对象 映射到距离空间， 计算其欧氏距离 Li（Wj， j） 7 j 1 ΣW 2 j Y 2 ij ■ （4） 式中Li（Wj， j） 为第 i 个对象映射的距离空间。 将计算结果数据归一化处理， 得到最终评价值。 再对煤层气开发前景最终评价值进行 K 均值聚类。 该方法是一种迭代求解的聚类分析算法，其步骤是 随机选取 K 个对象作为初始的聚类中心， 然后将每 个对象分配给与其最近的聚类中心，反复迭代计算 直至满足条件， 产生最终聚集中心为最优解。 K 均值 分类具有科学性， 客观性， 广泛应用于多种领域。现 通过该方法对最终评价值进行聚类处理，产生 4 个 最终聚集中心， 最终聚集中心见表 4。 根据最终聚集中心分值将该井田煤层气开发前 景分为 5 类 ①不利区 （＜2.647 5 ） ； ②中等区 （2.647 5～ 4.063 8） ； ③较有利区 （4.063 8～5.731 2） ； ④有利区 （5.731 2～7.674 7） ； ⑤极有利区 （＞7.674 7） 。开发前 景分区及其占比见表 5。 煤层气开发前景分区预测如图 9，整体表现为 井田内开发前景东强西弱， 西部局部突出， 该趋势与 其它评价方法结论大致相符。东部煤层整体含气量 高， 厚度大， 渗透性好， 且灰分低， 埋深浅， 因此开发 条件较好， 其预测结果符合客观事实。 极有利区和有利区主要分布于分布于井田的中 东部， 面积较小； 较有利区主要分布于井田东部， 在 中西部局部也有分布； 中等区主要位于井田中西部， 有一定商业开发潜力；不利区主要位于井田西南部 162 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 作者简介 张嘉睿 （1996） ， 陕西宝鸡人， 在读硕士研 究生， 主要从事煤田地质研究。 （收稿日期 2019-12-05； 责任编辑 王福厚） 与北部边缘地带，煤层气商业开发潜力小，不建议 进行商业开发。 4结论 1 ） 基于煤层气赋存地质背景、 钻孔资料和实验 数据，分析了影响煤层气开发前景的主要因素， 建 立了由含气量、 灰分、 煤层净厚度、 构造位置、 顶板 厚度、 渗透率、 埋深等 7 项指标构成的， 适用于该井 田低煤阶煤层气开发前景评价的指标体系。 2） 利用熵权法计算分析各影响因素对煤层气开 发前景的贡献度差异，较客观地确定了各影响因素 在煤层气开发前景综合评价中的权重，避免了人为 主观因素对赋权的干扰。 3） 利用 K 均值聚类法， 结合 GIS 平台， 通过单 因素分析和综合评价， 圈定了该井田 4煤层的煤层 气开发极有利区、 有利区、 较有利区、 中等区、 不利 区的范围。 4） Entropy-Kmeans 方法充分发挥熵权法和 K 均值聚类法的优势，能克服现行煤层气开发前景预 测评价方法的某些局限性，可以成为较准确地评价 预测煤层气开发前景的技术方法。 参考文献 ［1］ 陈晓智， 汤达祯， 许浩， 等.低、 中煤阶煤层气地质选区 评价体系 ［J］ 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