煤层气井产出煤粉浓度与地质因素的灰色关联分析_张傲翔.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-09-28 基金项目 国家自然科学基金项目（41402134，41272181） Foundation itemNational Natural Science Foundation of China （41402134，41272181） 作者简介 张傲翔（1989），男，河北廊坊人，博士研究生，从事煤层气开发地质研究. E-mailzhangaoxiang1989 引用格式 张傲翔，曹代勇，魏迎春，等. 煤层气井产出煤粉浓度与地质因素的灰色关联分析［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）76-79. ZHANG Aoxiang， CAO Daiyong，WEI Yingchun，et al. Gray correlation analysis between pulverized coal concentration and geological factors of CBM wells［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）76-79. 文章编号 1001-1986（2016）05-0076-04 煤层气井产出煤粉浓度与地质因素的灰色关联分析 张傲翔，曹代勇，魏迎春，宋 阳，张晓玉 （中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083） 摘要 根据对临汾区块煤层气井产出煤粉情况以及该区块地质条件的研究，确定了临汾区块煤粉 产出的主要地质影响因素，指出煤粉产出主要受煤体结构、煤层厚度、煤层结构和煤层埋深影响。 利用灰色关联分析方法确定了不同地质因素与产出煤粉浓度的相关性，结果表明煤体结构、纯 煤厚度、煤层埋深和煤层结构相关系数分别为 0.909 5、0.685 7、0.627 1 和 0.627 3，分析认为煤 体结构对煤粉产出影响远大于其他影响因素，是影响煤粉产出的最关键因素。 关 键 词煤层气井；煤粉；地质因素；灰色关联分析 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.014 Gray correlation analysis between pulverized coal concentration and geological factors of CBM wells ZHANG Aoxiang， CAO Daiyong， WEI Yingchun， SONG Yang， ZHANG Xiaoyu （State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， China University of Mining Technology， Beijing 100083， China） Abstract According to the research of the pulverized coal output of CBM wells and geological conditions in Linfen block， the major geological factors affecting the output of pulverized coal were confirmed. It was pointed out that the output of pulverized coal is mainly affected by coal structure， coal thickness， buried depth and structure of coal seam. By using the grey correlation analysis ， the correlation between different geological factors and the concentration of pulverized coal was determined. The results show that the corre- lation coefficient of coal structure， coal thickness， coal buried depth and structure of coal seam were respec- tively 0.909 5， 0.685 7， 0.627 1 and 0.627 3. The analysis shows that the effect of coal structure on the output of pulverized coal is much bigger than that of other factors and coal structure is the key factor affecting the output of pulverized coal. Key words CBM wells； pulverized coal； geological factor； gray correlation analysis 我国煤层气勘探开发工作已取得了一定成 果，但是由于我国地质条件的复杂性以及缺乏系 统的开发理论，在煤层气开发过程中遇到了很多 问题［1-5］。煤粉问题是目前影响煤层气开发的主要 问题之一， 煤粉产出影响因素的研究是研究煤粉问 题的关键。 前人对于煤粉产出影响因素做了大量研 究工作［6-10］， 对煤粉产出影响因素已经达成了共识。 目前，弄清各影响因素对煤粉产出的影响程度，找 出影响煤粉产出的最重要因素， 是制定煤粉管控措 施的关键。 1 地质因素 煤粉产出是多因素综合作用的结果， 前人从煤粉 来源，产出位置等角度阐述了煤粉的影响因素［9-13］， 总体上可以归纳为地质因素和工程因素两方面。根 据前人研究成果，影响煤粉产出的地质因素主要有 煤岩组分、煤的变质程度、煤体结构、煤层结构、 煤层厚度、煤层埋深、区域构造和水文地质条件等。 根据临汾区块的实际情况和已获取的资料分析，认 为影响临汾区块煤粉产出的主要因素为煤体结构、 ChaoXing 第 5 期 张傲翔等 煤层气井产出煤粉浓度与地质因素的灰色关联分析 77 煤层厚度、煤层埋深和含矸率。在此基础上，采用 定量化的研究方法阐明煤粉产出情况与各主控地质 因素之间的相关性，找出影响临汾区块煤粉产出的 最关键地质因素。 1.1 煤体结构特征 临汾地区整体上是一个走向 NNE、向 NWW 缓倾的单斜构造［14］。除了发育背斜、挠褶，还有断 层构造特征比较明显。薛关-峪口断层为逆断层， 受该断层的作用，在断层上盘形成背斜，即古驿- 窑渠背斜，呈 NE 向展布。长轴背斜构造两翼构造 线密集，地层倾角陡。在断层以东，地层受挤压而 下拗，向东为单斜构造。临汾地区石炭二叠系受 燕山期构造运动影响最大， 这一时期形成了该地区 的主体构造格局； 喜马拉雅期对区内构造变形的影 响主要表现在叠加原先形成的断层和节理构造； 印 支期影响不明显［15-16］。总体来说，研究区构造煤较 发育（图 1）。 图 1 研究区构造纲要图 Fig.1 Structural outline of the study area 1.2 煤层厚度和结构特征 临汾区块主要含煤地层为石炭-二叠系， 主要发 育 5 号、8 号可采煤层。 5 号煤层全区发育，分布较稳定，煤层总厚度 3～13.5 m。煤层结构较简单，由 2～3 层煤和砂泥岩 夹矸组成。5 号煤层的层位稳定，厚度变化不大， 呈现南厚北薄趋势。 全区穿过该煤层层位的 12 个钻 孔均见煤，见煤率、可采率均 100％［17-18］，属全区发 育，稳定的可采煤层。厚度大于 6 m 的富煤中心分 布在区块中部偏西，厚度普遍超过 3 m。区域上 5 号煤层厚度呈现由东向西逐渐变大的趋势。 8 号煤全区发育，分布稳定，总厚度 3.2～23 m。 煤层结构相对简单，一般为单层煤，不含夹矸［18］。8 号煤层厚度在区内呈现中间薄、向南北增厚，区块 内煤层厚度普遍大于 4 m，厚度大于 6 m 的富煤中 心位于区内中、北部地区。 1.3 煤层埋深特征 煤层埋深对煤储层物性及含气量有重要影响。 区内煤层埋深主要受控于区域构造背景， 即整体上 受西倾单斜构造控制，由东向西煤层埋深逐渐增 大。根据区内钻井成果资料，区内 5 号煤层埋深 895～1 178 m，埋深线总体走向近南北向，与区内 主体构造-宽缓背斜的轴向呈北东-南西向存在一 定的差异［19-21］，说明了煤层的埋深除受构造控制 外，还受地形、地貌特征的影响。8 号煤层埋深为 982～1 247 m，埋藏深度的平面变化特点与 5 号煤层 基本相近。同一地区或同一井点，在纵向上 8 号煤 层比 5 号煤层深 40 ～80 m。 2 地质影响因素关联性分析 2.1 灰色关联法评价原理 灰色关联分析方法，是根据因素之间发展趋势 的相似或相异程度，亦即“灰色关联度” ，作为衡量 因素间关联程度的一种方法。灰色关联分析方法方 便、直观，对样本数量要求低，且对分布规律无要 求。灰色关联度分析法是将研究对象及影响因素的 因子值视为一条线上的点，与待识别对象及影响因 素的因子值所绘制的曲线进行比较，比较它们之间 的贴近度，并分别量化，计算出研究对象与待识别 对象各影响因素之间的贴近程度的关联度，通过比 较各关联度的大小来判断待识别对象对研究对象的 影响程度。其具体计算步骤包括a. 确定反应系统 行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列； b. 对参考数列和比较数列进行无量纲化处理； c. 求 参考数列和比较数列的灰色关联系数；d. 求关联 度；e. 关联度排序。 2.2 灰色关联法的应用 根据临汾区块的煤粉产出情况以及对煤粉产出 影响因素的分析可知，地质因素和工程因素对煤粉 产出均有影响。但仅定性的分析煤粉产出的影响因 素，不能反映出不同因素对煤粉产出的影响程度， 无法认清影响煤粉产出的主要因素，在煤粉管控措 施的制定过程中容易抓不住重点。利用灰色关联法 可以得出各影响因素与煤粉产出的关联度，进而确 定影响煤粉产出的主要因素。但由于工程因素是动 态因素，利用灰色关联理论分析时，准确性较差， ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 44 卷 所以只针对地质因素进行灰色关联分析。 本文选出 5 个能够反应煤粉产出情况的定量评 价指标。这些指标分别为煤粉浓度、构造煤厚度、 纯煤厚度、煤层埋深、含矸率（表 1）。 a. 煤粉浓度是反应煤粉产出的关键因素，构造 煤厚度、纯煤厚度、煤层埋深、含矸率是煤粉产出 的影响因素。因此，以煤粉浓度作为主因素，其余 4个指标作为子因素对煤粉产出影响因素进行评价。 计算子因素对于煤粉浓度的权重值，间接反映出对 煤粉产出的影响。设煤粉浓度 X0为母因素，其余影 响因素为子因素 Xn，即 X0（4.9，4.7，5.0，4.8，5.5，5.2，5.3，3.8，4.2），煤粉浓度； X1（2.1，3.3，3.2，3.4，3.1，3.6，2.3，2.3，2.3），构造煤厚度； X2（11.7，11.8，12.9，11.7，11.7，11.1，11，12.2，11.3），纯 煤厚度； X3（1 010，1 000，1 027，980，1 041，1 051，1 026， 1 197，1 229）， 煤层埋深； X4（0.32，0.09，0.10，0.11，0.19，0.24，0.38，0.16，0.14）， 含矸率； b. 由于各个影响因素的物理意义不同，因此其 原始数据量纲不同，且数量级差距较大。因此采用 标准化方法进行无量纲化处理。 表 1 临汾区块产出煤粉影响因素原始数据 Table 1 The impact factors of coal fines of Linfen block 评价指标 井号 煤粉体积分数/％ 构造煤厚度/m 纯煤厚度/m 煤层埋深/m 含矸率/％ GX3 4.9 2.1 11.7 1 010 0.32 W1 4.7 3.3 11.8 1 000 0.09 WX1 5 3.2 12.9 1 027 0.1 WX2 4.8 3.4 11.7 980 0.11 WX3 5.5 3.1 11.7 1 041 0.19 WX5 5.2 3.6 11.1 1 051 0.24 WX7 5.3 3.3 11.0 1 026 0.38 WX8 3.8 2.3 12.2 1 197 0.16 WX9 4.2 2.3 11.3 1 229 0.14 c. 对于一个参考数列 X0有若干个比较数列 X1， X2，，Xn，各比较数列与参考数列在各个时刻（即曲 线中的各点）的关联系数 ξ（Xi）可由公式算出。 为各比 较数列 Xi曲线上的每一个点与参考数列 X0曲线上 的每一个点的绝对差值，记为 Δ0i（k）。所以关联系数 ξ（Xi）也可简化如下列公式 0 0 （min）（max） （ ）（max） i i k ρ ξ ρ Δ Δ Δ Δ （1） 式中 ρ 为分辨系数，一般为 0～1，通常取 0.5。 d. 关联度 r 的计算公式为 1 1 （ ） N i K i rk N ξ ∑ （2） 式中 N 为样本个数。 e. 由 DPS 软件计算出影响煤粉产出的关联度 系数（表 2），结果为 r1（构造煤厚度）＞r2（纯煤厚度）＞ r4（含矸率）＞ r3（煤层埋深）。 由于各影响因素与煤粉浓 度的关联度均超过 0.5， 故这 4 种因素对煤粉产出都 是有一定影响的。在这 4 种影响因素中，构造煤厚 度是影响煤粉产出的最关键因素，其余地质因素相 较于构造煤厚度对煤粉产出影响较小。 表 2 各影响因素关联系数 Table 2 The correlation coefficient of each influence factor 影响因素 构造煤厚度 纯煤厚度 煤层埋深 含矸率 取值 0.909 5 0.685 7 0.627 1 0.627 3 3 结 语 煤粉产出是多因素综合影响的结果， 其产出机理 与产出过程较复杂。 分析认为影响临汾区块煤粉产出 的主要地质因素包括煤体结构、 纯煤厚度、 煤层埋深 和煤层结构。 产出煤粉浓度与各地质因素的关联系数 分别为 0.909 5、0.685 7、0.627 1 和 0.627 3。煤体结 构对煤粉产出影响远大于其他影响因素， 是影响煤粉 产出的最关键因素。 因此， 在进行煤层气开发选区时， 应尽量避免在构造煤发育的区域进行煤层气勘探开 发工作。 参考文献 ［1］ 曹代勇，袁远，魏迎春，等. 煤粉的成因机制-产出位置综合 分类研究［J］. 中国煤炭地质，2012，24（1）10-12. 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