煤矿区煤层气评价参数

1. 煤矿区煤层气评价参数

（一）煤炭储量
矿井煤层气资源计算时，采动区采用保有储量，未采动区采用煤炭探明储量，保有储量具有动态变化特征。保有储量根据“三量”的动态变化求得，即：
M保有＝M探明—M产量—M损失
式中：
M保有——煤炭保有储量，t;
M探明——煤炭探明储量，t;
M产量— —来自计算单元的煤炭累计产量，t;
M损失——煤炭损失量，t。
（二）采动区动态含气量
1.数值模拟
煤矿井巷开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场、流体压力场，打破了煤层内游离气、吸附气和水溶气之间的动态平衡关系。煤矿采动区因为煤层卸压，裂隙张开或形成新的裂隙；因为矿井通风，井巷瓦斯与暴露煤壁瓦斯间连续出现瓦斯压力差和甲烷浓度差，煤层气发生解吸，并在浓度梯度、压力梯度作用下向巷道或工作面扩散、渗流。随着巷道和采煤工作面的连续推进，采动区内煤层的含气量、透气性、储层压力等均呈现出动态变化特征。本次煤矿区煤层气资源评价基于矿井瓦斯涌出量、瓦斯抽放、瓦期压力测定及有限元数值模拟等有关研究成果，对煤矿采动区内煤层动态含气量进行了数值模拟。
煤矿采动区可划分为本煤层采动影响区（水平采动影响区）、邻近层采动影响区（垂向采动影响区）和煤炭资源残留区。
（1）本煤层采动影响区
本煤层采动影响区包括掘进巷道和采煤工作面导致的采动影响区。影响区内煤层动态含气量与煤壁暴露时间（或采煤工作面推进速度）和距暴露煤壁的距离有关，任何一点的流速、流向和瓦斯压力均随时间的变化而变化，即为非稳定流场，往往采用数值模拟的方法来近似地估算。
1）有限元法。
据弹性力学有关研究成果，采动影响区最多涉及巷道宽度的5倍，据采矿界数十年来的经验，巷道周围的裂隙和卸压区最终约等于巷道宽度的3～4倍。本煤层采动影响区内煤层残余瓦斯含量是地应力、煤层透气性系数、距暴露煤壁的距离及煤壁暴露时间的函数。
据丁广骧有限元模拟结果（1996），采动影响区内某时刻压力分布与距暴露煤面之间距离的拟合关系为对数衰减形式：

全国煤层气资源评价

式中：
L— —某点距暴露煤面的距离，m;
a2、b2——拟合系数，P0、Pi意义同前。
根据瓦斯压力由兰格缪尔方程可计算得到动态瓦斯含量。
2）瓦斯涌出量法。
实测暴露煤壁瓦斯涌出系数与时间的关系为：

全国煤层气资源评价

式中：
CQ0、CQt——煤壁瓦斯涌出初始强度系数和t时间后煤壁瓦斯涌出系数m3/m2·d;
t——煤壁暴露时间，d；
α——时间因次系数；
β——与煤类、透气性等有关的系数。
3）瓦斯压力测试法。
据实测瓦斯卸压带内煤中某点的原始瓦斯压力和不同时间的残余瓦斯压力，由朗缪尔方程计算原始瓦斯含量和残余瓦斯含量，通过数值模拟回归出煤层瓦斯排放率随暴露时间和距暴露煤壁距离的关系，在某一时刻，煤壁卸压区瓦斯排放率与距暴露煤壁距离的关系呈指数衰减形式，即：

全国煤层气资源评价

式中：
n——本煤层瓦斯排放率，%;
a3、b3——拟合系数，其中b3又称为衰减系数；
L——距暴露煤壁的距离，m。
（2）邻近层采动影响区
受煤层开采的卸压作用，邻近层煤层气会不同程度地发生解吸，在矿井瓦斯抽放中用排放效率来度量，排放效率受多种因素的影响，有距开采层的距离、开采层的工作面采高、工作面采长、层间岩石性质、地应力等。邻近层瓦斯的排放程度与层间距成反比，上邻近层排放范围可波及到170m，下邻近层排放范围可至50m。经回归分析，上、下邻近层煤层瓦斯排放率与层间距（h）的关系为：
η上＝-53.481n(h)＋275.01
η下＝-40.191n(h)＋157.62
(3）煤炭资源残留区
在采空区煤层顶部残留、煤层底部残留和安全煤柱中，由于卸压和煤壁充分暴露，煤层气发生了大量解吸成为风排消耗资源量的一部分，并被通风排出了矿井。但是，煤层含气量中的残留气部分仍会残存在煤炭损失量中。
本次工作中用含气量测定中的碎前脱气量与碎后脱气量之和近似表达含气量中的残留气。当有解吸法煤层含气量数据资料时，采空区煤炭资源残留区动态含气量等于煤层含气量中碎前脱气量与碎后脱气量之和；无解吸法煤层含气量数据资料时，采空区煤炭资源残留区动态含气量等于含气量乘以残留气经验系数，残留气经验系数为已知资料区同煤级煤层统计结果（表4-10）。
表4-10 不同煤级煤层残留气经验系数


在建筑物下、道路下、水体下等的大型煤柱体中，其残余含气量可依据本煤层或邻近层采动影响区有关方法进行相应数值模拟。
2.经验外推法
利用揭露煤层不同时间井下钻孔获得的煤芯实测含气量，通过经验关系外推出动态含气量，其数学模型为：
C动态＝f(C实测，t）
式中：
C动态——煤层动态含气量，m3/t;
C实测——特定时间井下钻孔煤芯实测含气量，m3/t;
t——时间，月。

2. 煤层气区带优选评价指标权重计算

煤层气资源综合评价是一个多因素、多层次、多目标的决策过程。煤层气资源能否经济开发受自身地质条件、开采条件以及利用条件等诸多因素的制约，需要选择科学、简洁、实用的数学模型来分析处理这些繁杂因素。在比较各类评价方法的基础上，针对煤层气资源自身的特点以及本次综合评价目的和任务要求，决定选择层次分析法进行综合评价。
（一）层次分析法简介
层次分析法（AHP）是美国匹兹堡大学教授萨迪（T.L.Saaty）于20世纪70年代在为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种多层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结果难以直接准确计量的场合。
（二）层次分析法原理及步骤
1.原理
层次分析法从本质上讲是一种思维方式，它把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总的排序。整个过程体现了人的决策思维的基本特征，即分解、判断、综合。
2.基本步骤
（1）建立层次结构模型。在确定系统总目标的前提下，将系统包含的因素划分为不同层次，如目标层、准则层、指标层、方案层等，用框图形式说明系统的递阶层次结构。递阶层次结构可以分为三个类型：完全相关性结构、完全独立性结构和混合结构。鉴于本轮煤层气资源评价实际情况，采用完全独立性结构（图8-2）。
（2）构造两两比较判断矩阵。对同一层次的各因素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构成判断矩阵。一般采用数字1～9及其倒数作为重要性标度，其含义详见表8-2。

图8-2 完全独立性结构图

表8-2 判断矩阵中因子标度含义


当有n个指标时，就构成n×n阶矩阵An×n

全国煤层气资源评价

矩阵An×n有如下特征：
aji=1(i=1,2，…，n），aij=1/aji(i,j=1,2，…，n i≠j)
（3）计算权重向量。目前常见的计算因素排序权重向量的方法主要有：和积法、方根法、特征根法、最小二乘法和对数最小二乘法等几种。本文采用方根法计算权重向量为W=(w1,w2，…，wn），步骤为：
a.计算判断矩阵An×n每行所有元素的几何平均值，得到向量M＝(m1,m2，…，mn），其中：

全国煤层气资源评价

b.对列向量M作归一化处理，得到相对权重向量W=(w1,w2，…，wn），其中：

全国煤层气资源评价

利用AW＝λmaxW，解出λmax所对应的特征向量W;
（4）判断矩阵的一致性检验。计算出的单层排序权值是否合理，需要进行一致性检验。因为在构造判断矩阵时，由于客观事物的复杂性，会使我们的判断带有主观性和片面性。
判断矩阵一致性的过程为：先通过权重向量W右乘判断矩阵An×n得到的列向量AW中的第i个分量，可以计算出判断矩阵的最大特征值：

全国煤层气资源评价

然后利用判断矩阵的一致性检验公式进行检验：

全国煤层气资源评价

式中：
CR— —一致性比例；
RI— 平均一致性指标。其数据见表8-3。
CI— —一致性指标；
表8-3 平均一致性指标RI值


当CR≤0.1时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性。否则，就必须重新调整判断矩阵中的元素直至判断矩阵具有满意的一致性为止。
（5）计算各层元素对目标层的合成权重W(k）并进行排序。设W(2）是第二层上元素对系统目标的排序向量，设第k层上nk个元素对k—1层上以第i个元素为准则的排序权重向量 ，

全国煤层气资源评价

这是nk×nk-1的矩阵，则第k层上元素对系统目标的合成排序向量的总排序为
W(k）:P(k)W(k-1)＝P(k)P(k-1)…W(2)
根据合成权重，可对最底层中各评价区带相对于总目标的潜势进行最终排序。
（三）评价指标权重计算
按层次分析原理，图8-1中含气区带综合评价总体目标层为A；标准层为B，包括资源条件及可采性和开发利用条件；C为指标层。为了得到定量分析和决策判断的结论。根据煤层气项目经济评价指标体系的多层次性，首先需确定各层次的权重。根据含气区带综合评价的特点，由专家评分确定了各层次之间的判断矩阵。关于总目标层与准则层、准则层与指标层之间的判断矩阵如表8-4、表8-5、表8-6示。
表8-4 总目标层因素相对重要性两两比较表


表8-5 资源条件及可采性因素相对重要性两两比较表


表8-6 开发利用条件因素相对重要性两两比较表


经计算得各指标相对权重计算结果如表8-7：
表8-7 各层次指标权重数值表


经检验，由表8-4、表8-5、表8-6组成各矩阵的最大特征值λmax分别为2、5.417和3.086，一致性指标CI分别为0、0.093和0.083，均小于0.1，所以各判断矩阵均具有满意的一致性。

3. 煤层气资源评价和选区

相对于常规天然气资源，煤层气资源评价范围较局限，评价精度较低。国外和我国不同机构进行过多轮的煤层气资源评价，本节资料主要根据张新民等(2002，2008)的研究成果综述而成。
一、煤层气资源评价
根据国际能源机构(IEA)的统计资料和有关数据，估测全球煤层气资源量可达256.1×1012m3，主要分布在12个国家中(表4-6)。从表4-6中可以看出，煤炭资源大国同时也是煤层气资源大国。俄罗斯煤炭资源量为6.5×1012t，煤层气资源量为(17～113)×1012m3，居世界第一位。
表4-6 世界主要产煤国的煤层气资源和煤炭资源统计


自20世纪80年代以来，国内许多单位及个人在不同时期为在国家层面上摸清我国煤层气的资源家底，对全国煤层气资源进行过多次预测，获得了相应的成果，具体如表4-7所示。根据最新预测结果，中国煤层气资源量为32.86×1012m3，超过美国，居世界第三位。俄罗斯、加拿大、中国、美国等前4个国家的煤层气资源量共计243×1012m3，约占全世界煤层气资源量的90%。我国煤层气勘探程度较低，根据2009年统计，全国煤层气探明地质储量达到1781×108m3，年产量达7×108m3，产能达25×108m3。近年来，随着我国对煤层气开发的投入加大，煤层气产业正进入一个快速发展的阶段。
表4-7 全国煤层气资源量估算结果


(据张新民等，2008)
二、煤层气资源分布
我国地质历史上聚煤期有14个，其中主要的聚煤期有7个，分别为早石炭世、石炭-二叠纪、晚二叠世、晚三叠世、早-中侏罗世、白垩纪、古近纪和新近纪。对不同成煤时代的煤层气技术可采资源量进行统计，结果表明，在参与计算的7个聚煤期中，石炭-二叠纪、晚二叠世、早-中侏罗世和白垩纪4个聚煤期煤层气技术可采资源量为138140.08×108m3，占99.39%，其他3个聚煤期仅为836.67×108m3，占0.6%。其中，早-中侏罗世煤层气技术可采资源量最大，为72940.67×108m3，占52.48%;石炭-二叠纪次之，为47783.1×108m3，占34.38%;其他成煤时代的煤层气技术可采资源量较小，仅为18252.98×108m3，占13.13%。
受煤炭资源分布的影响，我国的煤层气资源在地区分布上差别显著，煤层气技术可采资源的分布也极不均衡。统计结果显示，我国的煤层气资源量和技术可采资源量分布一致，主要集中在中部和西部地区，东部地区规模较小，华南地区稀少。中部的晋陕蒙含气区煤层气技术可采资源量最大，为66541.85×108m3，占全国技术可采资源量的47.88%;西部的北疆含气区次之，为37501.34×108m3，占26.98%;华南含气区最小，为475.22×108m3。晋陕蒙含气区和北疆含气总计为104043.19×108m3，占全国的75%，其他6个含气区仅为34933.56×108m3，占25%。
我国不同煤盆地的煤层气技术可采资源量差别显著。按盆地进行统计，煤层气技术可采资源量大于1×1012m3的盆地有4个，分别为鄂尔多斯盆地、沁水盆地、吐哈盆地和准噶尔盆地，这4个盆地煤层气技术可采资源量总计为85825.9×108m3，占总量的61.8%，其他盆地(或地区)仅为53150.8×108m3，占38.2%。在所有煤盆地中，鄂尔多斯盆地煤层气技术可采资源量最大，为42346.78×108m3，占全国煤层气技术可采资源量的30.47%;沁水盆地次之，为15939.60×108m3，占11.47%;吐哈盆地处于第三位，为14275.56×108m3，占10.27%;准噶尔盆地为13263.96×108m3;松辽盆地最少，仅为12.6×108m3。各盆地煤层气技术可采资源量情况见表4-8。
表4-8 我国各煤层气盆地(地区)煤层气技术可采资源量统计


(据张新民等，2008)
煤层资源量的计算在深度区带上按照1000m以浅、1000～1500m和1500～2000m三个区带进行。煤层埋深小于1000m范围是我国目前及未来很长一段时间煤层气勘探开发的有利深度区带，该区的煤层气技术可采资源量最大，为53206.88×108m3，占总量的38.28%，这也是我国煤层气勘探开发的一大优势。煤层埋藏1000～1500m和1500～2000m深度区带的煤层气技术可采资源量为85769.87×108m3，占61.72%。其中，1000～1500m深度范围为40686.01×108m3，占29.28%;1500～2000m埋深范围为45083.86×108m3，占32.44%。在目前的经济及技术条件下，1000～1500m和1500～2000m深度区带的煤层气勘探开发的难度较大，短时间内不会投入较大的经费和工作量，只可作为煤层气勘探开发的资源备用区带。
根据煤的变质程度，将煤层气划分为褐煤、低变质、中变质和高变质4类煤层气资源。低变质煤层气技术可采资源量规模最大，为81699.14×108m3，占58.79%;其次为中变质煤层气，为30682.13×108m3，占22.08%;褐煤煤层气技术可采资源量规模最小，为6381.96×108m3，占4.59%;高变质气技术可采资源量为20213.52×108m3，占14.54%。
三、煤层气勘探选区

图4-25 中国煤层气资源分区

张新民等(2002，2008)对我国煤层气进行了资源评价，研究中将煤层气评价区从大到小依次分为含气区、含气带和富集区，其中富集区为煤层气勘探开发目标区。
我国煤层气资源分区主要分8个含气区58个含气带(图4-25)(张新民等，2002)，分别为:东部的黑吉辽(包括三江-穆棱河、延边、浑江-辽阳、抚顺、辽西、松辽东部和西南部7个含气带)、冀鲁豫皖(包括冀北东部、京唐、太行山东麓、冀中平原、豫北鲁西北、鲁中、鲁西南、豫西、豫东、徐淮和淮南11个含气带)、华南(包括鄂东南赣北、长江下游、苏浙皖边、赣浙边、萍乐、湘中、湘南和桂中北8个含气带);内蒙古东部、中部的晋陕蒙(包括冀北西部、大宁、沁水、霍西、鄂尔多斯盆地东缘、渭北、鄂尔多斯盆地北部、鄂尔多斯盆地西部、桌-贺、陕北、黄陇11个含气带)、云贵川渝(包括华蓥山、永荣、雅乐、川南黔北、贵阳、六盆水和渡口楚雄7个含气带);西部的北疆(包括吐哈、三塘-淖毛湖、准噶尔南、准噶尔东、准噶尔北、伊犁、尤尔都斯和焉耆8个含气带)、南疆-甘青(包括蒙甘宁边、西宁-兰州、河西走廊、柴达木北、塔里木东和塔里木北6个含气带)。
以上58个含气带中，京唐、太行山东、沁水、鄂尔多斯东缘、徐淮、三江-穆棱河、松辽-辽西、浑江-辽阳、准噶尔南、滇东-黔西含气带地质条件较优越。
张新民等(2008)在含气带基础上，将全国细分为115个富集区，富集区的面积介于10～19070km2之间，平均为1095km2;资源丰度为(0.06～8.77)×108m3/km2，加权平均为1.16×108m3/km2。根据我国煤层气富集区资源量规模分类标准(叶建平等，1998)，并以上述加权平均值作为全国煤层气评价资源丰度，得到200km2和900km2两条富集区评价面积界线，并结合0.5×108m3/km2和1.5×108m3/km2两条资源丰度界线，将全国115个煤层气富集区归纳为9类。
富集区主要分布在华北和华南地区，二者占总数的81.74%。对埋深小于1500m的煤层气富集区进行评价，优选出韩城、阳泉-寿阳、峰峰-邯郸、淮北、平顶山、离柳-三交、晋城、开滦、淮南、吴堡、安阳-鹤壁、焦作、红阳、抚顺富集区作为近期煤层气的勘探目标区。

4. 煤层气综合评价体系和标准

（一）含气区带综合评价指标体系
根据全国煤层气有利区带综合评价特点，建立全国煤层气有利区带综合评价递阶层次结构指标体系，应用层次分析法（The Analytic Hierarchy Procces，简称AHP法）确定各层次之间的判断矩阵及单项指标在综合评价中所占得权重，综合评价全国煤层气有利区带。
煤层气有利区带综合评价指标体系如表6-32和图6-13所示，在自左而右的层次结构中，指标项层次中8个评价指标是基础，指标层向上组成评价条件层，是分层次从不同方面反映煤层气资源规模及其可采性和开发利用属性的主要因素。该体系中条件、指标的内涵和特征取值、赋值标准如下：
表6-32 煤层气资源综合评价体系及特征分级标准



图6-13 煤层气含气区带综合评价递阶层次结构指标体系

1.资源条件和可采性
资源条件及可采性（B1）主要指煤层气资源规模以及本身固有的采出的难易程度，是决定煤层气经济开发的内在因素。该评价条件由资源丰度（C1）、地质资源量（C2）、可采资源量（C3）、资源类别（C4）和煤系后期改造程度（C5）五个评价指标组成。
2.开发利用条件
开发利用条件（B2）包括市场需求（C6）、地形条件（C7）和基础设施（C8）三个指标，是煤层气经济开采的外在影响因素。市场需求（C6）根据市场对煤层气需求的大小定性赋分；地形条件（C7）根据丘陵、山地、平原等情况进行定性打分；基础设施（C8）根据天然气利用的基础设施的有无或完善程度定性打分。
（二）煤层气区带优选评价指标权重计算
煤层气资源综合评价是一个多因素、多层次、多目标的决策过程。煤层气资源能否经济开发受自身地质条件、开采条件以及利用条件等诸多因素的制约，需要选择科学、简洁、实用的数学模型来分析处理这些繁杂因素。在比较各类评价方法的基础上，针对煤层气资源自身的特点以及本次综合评价目的和任务要求，决定选择层次分析法进行综合评价。
1.层次分析法简介
层次分析法（AHP）是美国匹兹堡大学教授萨迪（T.L Saaty）于20世纪70年代在为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种多层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结果难以直接准确计量的场合。
2.评价指标权重计算
按层次分析原理，图6-13中含气区带综合评价总体目标层为A；标准层为B，包括资源条件及可采性和开发利用条件；C 为指标层。为了得到定量分析和决策判断的结论。根据煤层气项目经济评价指标体系的多层次性，首先需确定各层次的权重。根据含气区带综合评价的特点，由专家评分确定了各层次之间的判断矩阵。关于总目标层与准则层、准则层与指标层之间的判断矩阵如表6-33、表6-34、表6-35所示。
表6-33 总目标层因素相对重要性两两比较表


表6-34 资源条件及可采性因素相对重要性两两比较表


续表


表6-35 开发利用条件因素相对重要性两两比较表


经计算得各指标相对权重计算结果如表6-36：
表6-36 各层次指标权重数值表


经检验，由表6-33、表6-34、表6-35组成各矩阵的最大特征值入max分别为2、5.417和3.086，一致性指标CI分别为0、0.093和0.083，均小于0.1，所以各判断矩阵均具有满意的一致性。

5. 煤矿区煤层气评价方法

（一）煤层气地质资源量评价
1.采动区煤层气地质资源量计算
煤矿采动区煤层气地质资源量计算采用动态体积法。
（1）煤层气地质资源量
煤层气地质资源量是生产矿井煤层未采动前煤层中原位煤层气的总量。随着煤炭资源和煤层气资源的开发，煤层气地质资源量被分为消耗资源量和剩余资源量两部分。消耗资源量越来越多，剩余资源量越来越少。对于边界明确、地质勘探程度一定的生产矿井，尽管煤层气地质资源量的值一定，但消耗资源量和剩余资源量的值一直在变化，从此意义上讲，生产矿井煤层气地质资源量具有动态特征。
煤层气地质资源量的计算采用体积法。但由于情况不同，所采用的具体计算公式也不同。
当矿井各可采煤层的煤炭储量和含气量资料已知时，计算公式为：

全国煤层气资源评价

式中：
Gi采动——第i个计算单元（矿井）的采动区煤层气地质资源量，m3;
Cij——第i个矿井第j个煤层的含气量，m3/t,108t;
Mij— —第i个矿井第j个煤层的煤炭探明储量，t。
当矿井煤炭储量和含气量已知但各可采煤层的煤炭储量和含气量资料未知时，计算公式为：
Gi采动＝∑Mij×Ci
式中：
Gi采动——第i个矿井（计算单元）的煤层气地质资源量，m3;
Mij——第i个矿井第j个煤层的煤炭储量，t;
Ci——第i个矿井煤层的含气量，m3/t。
（2）煤层气剩余资源量
采动区煤层气剩余资源量由煤炭资源残留区煤层气资源量和非残留采动影响区煤层气资源量两部分组成，即
Gi剩余采动＝Gi残留＋Gi非残留
式中：
Gi剩余采动——矿井i采动区煤层气剩余资源量，m3;
Gi残留——矿井i残留区煤层气资源量，m3;
Gi非残留——矿井i非残留采动影响区剩余煤层气资源量，m3。
残留区煤层气资源量等于煤炭损失量与残留区煤层含气量的积，即
Gi残留＝Mi损失×Ci残留
式中：
Gi残留——矿井i残留区煤层气资源量，m3;
Mi损失——矿井i煤炭损失量，t;
Ci残留——矿井i煤炭残留区煤层含气量，m3/t。
非残留区剩余煤层气资源量可以根据本煤层采动影响区、邻近层采动影响区动态含气量和非残留采动影响区煤炭保有储量来计算，公式为
Gi非残留＝Mi保采动×Ci非残留
式中：
Gi非残留——矿井i非残留区剩余煤层气资源量，m3;
Mi保采动——矿井i采动区煤炭保有储量，t;
Ci非残留——矿井i煤炭采动非残留区煤层动态含气量，m3/t。
对于开采历史较短、消耗煤层气资源量（抽放量、风排量）数据翔实的矿井，煤层气剩余资源量等于煤层气地质资源量与消耗资源量之差。
2.未采动区煤层气地质资源量计算
煤矿未采动区煤层气资源计算采用静态体积法，即煤炭探明储量与煤层含气量之积。计算采用下列公式：

全国煤层气资源评价

式中：
Gi未采动——第i个矿井未采动区煤层气地质资源量，m3;
Cij——第i个矿井第j个可采煤层原地基平均含气量，m3/t;
Mij——第i个矿井第j个可采煤层煤炭探明储量，t;
n——评价矿区的生产矿井（含在建矿井）总数。
3.矿井煤层气资源量计算
（1）煤层气地质资源量
矿井煤层气地质资源量等于采动区煤层气地质资源量与未采动区煤层气地质资源量之和，即
Gi=Gi采动＋Gi未采动
Gi——第i个矿井煤层气地质资源量，m3;
Gi采动——第i个矿井采动区煤层气地质资源量，m3;
Gi未采动——第i个矿井未采动区煤层气地质资源量，m3。
（2）煤层气剩余（地质）资源量
矿井煤层气剩余地质资源量等于采动区剩余资源量与未采动区煤层气地质资源量之和，即
Gi剩余＝Gi剩余采动＋Gi未采动
式中：
Gi剩余——第i个矿井煤层气剩余地质资源量，m3;
Gi剩余采动——第i个矿井采动区煤层气剩余资源量，m3;
Gi未采动——第i个矿井未采动区煤层气地质资源量，m3。
（二）煤层气消耗资源量评价
1.煤层气消耗资源量计算
煤层气消耗资源量由风排消耗资源量和抽放消耗资源量两部分组成。对于煤炭开发历史较长的矿井，要获得自建井以来系统全面的风排瓦斯资料非常困难，尽管瓦斯抽放数据一般保留较为详细。此时，无法直接获得煤层气消耗资源量，但可以通过计算获得，公式为：
Gi采出＝Gi采动—Gi剩余采动
式中：
Gi采出——矿井i煤层气消耗资源量，m3;
Gi采动——矿井i采动区煤层气地质资源量，m3;
Gi剩余采动——矿井i采动区煤层气剩余资源量，m3。
对于煤炭开发历史较短，矿井瓦斯、通风和抽放资料记录系统详尽的矿井，可以用风排消耗资源量和抽放消耗资源量直接求取煤层气消耗资源量，计算公式为：
Gi采出＝Gi风排＋Gi抽放
式中：
Gi采出——矿井i煤层气消耗资源量，m3;
Gi风排——矿井i煤层气抽放消耗资源量，m3;
Gi抽放——矿井i煤层气抽放消耗资源量，m3。
2.煤层气抽放消耗资源量计算
抽放消耗资源量就是矿井各煤层工作面、掘进头历年瓦斯抽放量的累积，计算公式如下：

全国煤层气资源评价

式中：
Gi抽放——第i个矿井抽放消耗的煤层气资源量，m3;
Gij抽放——第i个矿井第j个煤层累积抽放瓦斯量，t;
n——矿井中可采煤层总数。
3.煤层气风排消耗资源量计算
对于开发历史较短的矿井，瓦斯通防管理相对规范，资料保存完整，可以根据实际风量和瓦斯监测资料直接得到煤层气风排消耗资源量。
但对于大多数矿井来说，煤层气风排瓦斯量要通过煤层气消耗资源量减去抽放消耗资源量来计算得到，具体公式
Gi风排＝Gi采出—Gi抽放
式中：
Gi风排——第i个矿井煤层气风排消耗资源量，m3;
Gi采出——第i个矿井煤层气消耗资源量，m3;
Gi抽放— —第i个矿井抽放消耗资源量，m3。
（三）煤层气可采资源量评价
1.适合于井下抽放矿井煤层气可采资源量计算
该类矿井煤层气可采资源量采用煤层井下瓦斯抽放率计算，若缺乏抽放实测数据，可采用相似地质条件矿井的类比法取得。计算公式为：
GRi=ni×Gi
式中：
GRi——第i矿井煤层气可采资源量，m3；
ηi——第i个矿井煤层平均瓦斯抽放率，%;
Gi——第i个矿井煤层气地质资源量，m3。
2.适合于地面抽放矿井煤层气可采资源量计算
该类矿井煤层气可采资源量采用地面井煤层气可采系数计算，若缺乏相关实验数据，可采用相似地质条件煤储层开发的类比法取得。计算公式为：
GRi=Ri×Gi
式中：
GRi—第—i个矿井煤层气可采资源量，m3;
Ri—第i个矿井煤层气平均可采系数，%;
Gi— —第i个矿井煤层气地质资源量，m3。
3.矿井煤层气剩余可采资源量计算
对于瓦斯抽放和煤炭开发同步进行的矿井，煤层气剩余可采资源量等于可采资源量去除抽放消耗资源量，计算公式为：
GRi剩余＝GRi-Gi抽放
式中：
GRi剩余——第i个矿井煤层气剩余可采资源量，m3;
GRi——第i个矿井煤层气可采资源量，m3;
Gi抽放——第i个矿井煤层气抽放消耗资源量，m3。
对于煤炭开发较早、瓦斯抽放开展较晚或尚未开展的矿井，煤层气剩余可采资源量等于非残留采动区和未采动区保有储量乘以可采系数，计算公式为
GRi剩余＝(Mi保有－Mi损失）×ni
或
GRi剩余＝(Mi保有—Mi损失）×Ri
式中：
GRi剩余——第i个矿井煤层气剩余可采资源量，m3;
Mi保有——第i个矿井煤炭保有储量，t;
Mi损失——第i个矿井煤炭损失量，t；
ηi——第i个矿井平均井下瓦斯抽放率，%;
Ri— —第i个矿井平均地面井煤层气可采系数，%。

6. 煤层气选区评价原则与程序

煤层气地质选区评价主要考虑地质条件、资源量、供气环境及下游工程等因素；在目标评价上充分考虑构造、煤层埋深、含气量与吸附饱和度、渗透率等条件。在总结中国30多个地区1200多口煤层气井的经验和教训基础上，根据中国煤层气高产富集特点，对煤层气选区提出如下评价原则：
一、选区评价原则
（1）处于大型盆地浅部斜坡带或埋深适中的向斜区。
（2）煤层厚、分布广，煤层气远景资源量大于1000×108m3。
（3）避开城市又不远离城市，有利于环境保护和开发利用。
（4）靠近天然气输气管网，有利于下游工程建设。
（5）靠近天然气供需矛盾突出的地区，有利于开拓下游市场。
二、目标评价原则
（1）煤层埋深在200～1200m左右为最佳，避开氧化散失带和煤层低渗带。
（2）煤层总厚度大于10m，单层厚度不小于0.6m。
（3）煤层渗透率（注入/压降法）大于0.1×10-3μm2。
（4）煤层可解吸气量大，吸附饱和度大于60%。
（5）最大解吸压力接近原始地层压力。
（6）处于承压区的水压封堵气藏和高压气藏最佳。
（7）煤阶以割理发育且生气量较大的气煤—无烟煤3号为最佳（RO为0.7%～4.0%），具高渗、高吸附饱和度的低煤阶（RO为0.3%～0.6%）区也可作为有利勘探目标。
（8）煤层顶、底板有大于10m的封闭性直接盖层，目标区内煤层段无剥蚀现象，纵向上主力煤层距古剥蚀面厚度大于200m，并具有厚度大、分布稳定的区域性盖层。
在具体选区中，不同地区的影响因素不同，选区评价时考虑的条件亦有所侧重。因此，在具体应用以上各项普遍原则时，应灵活掌握，具体问题具体分析，以便更好地完成选区评价工作。
三、选区和目标评价程序
在通常情况下，煤层气地质评价工作可分为大区评价、选区评价、目标评价和区块评价4个阶段。
（一）大区评价
主要对五大聚煤区按盆地进行煤层气资源评价，分析不同盆地的煤层气勘探开发前景，并确定勘探方向和有利选区。
（二）选区评价
本阶段以煤层气地质理论为基础，充分利用以往勘探资料，运用地质分析的方法，在选区评价原则的指导下，完成煤层气地质研究的任务，整体评价有利区带的煤层气勘探开发潜力，对勘探前景进行评估。其主要任务是确定勘探方向和有商业性开采价值的勘探目标。具体程序和内容如下：
（1）资料收集与采集。资料收集应围绕煤层分布、水文地质和储层特征等方面进行。资料包括区域地质调查资料、地震和非地震资料、钻井试气和煤孔资料、遥感和航磁资料、油气勘探分析化验资料、煤田勘探分析化验资料、水文调查资料、煤矿采矿资料等。此外，还要进行必要的地面地质调查、矿井井下调查，并采集煤样进行必要的实验分析。
（2）资料的整理和归纳。获得的各种资料应进行认真整理和归纳，从中提取与含气性和可采性有关的地质评价参数，对反映煤层气地质特征的各项地质参数进行系统整理、深化研究，编制分析图件，建立系统剖面，建立符合研究区特点的区域性煤层气预测评价模式（原则、参数、标准）。
（3）初步分析评价。根据选区评价原则，进行煤层气勘探开发潜力综合评价，预选出煤层气形成地质条件较好的有利勘探目标。一般综合评价包括以下内容：①确定主力煤层的分布、厚度、埋深、煤阶；②确定煤层含气量，做等温吸附特征及其他分析化验资料分析；③圈定煤层气氧化散失带、生物降解带、饱和吸附带和低解吸带范围；④预测煤层渗透率，其手段包括矿井及岩心割理观察测量、裂缝充填程度及充填物观察、测井曲线分析、构造曲率分析、构造应力分析、孔隙结构分析等；⑤进行顶底板及煤层含气性分析、物性分析；⑥进行封盖条件分析，研究煤层气保存条件；⑦进行水文地质条件分析，包括含煤地层水化学特征、水动力状况、与上下地层水文地质关系等；⑧进行成藏条件分析，初步确定煤层气藏类型；⑨圈定可能的气藏范围并计算远景资源量；⑩综合评价、优选有利勘探目标，提出目标钻探资料井井位。
（三）目标评价
目标评价是在煤层气资料井（预探井）钻探后，优选出最有利目标，可以通过部署评价井以获取更多、更可靠的地质评价参数，也可以通过单井试气，求出稳定产量，寻找高产富集区块，对煤层气开发潜力作出进一步评价。
目标评价除了地质研究要求的任务外，还要着重做好以下研究工作：
（1）利用煤孔、地震资料及野外踏勘查明构造、断裂系统，确定评价井位。
（2）利用绳索取心工具取全目的煤层煤心、顶底板岩心，进行含气量、气组分、同位素、等温吸附线、镜煤反射率、煤的工业分析、显微组分、封盖层突破压力、扩散系数、孔隙度、渗透率等项目分析工作。
（3）利用组合测井资料精确地确定煤层及厚度、深度、密度、孔隙度、灰分含量、吸附饱和度等项数据及地应力、突破压力、孔隙压力、弹性模量、泊松比、坍塌压力、破裂压力等的处理解释。
（4）采用微型压裂法求取煤层及其相邻岩层的原地应力、煤层破裂压力、闭合压力等资料。
（5）利用注入/压降试井求取可靠的渗透率、地层压力和地层温度数据。
（6）利用大地电位法裂缝监测及CT测试搞清煤层压裂裂缝方位及长度。
（7）通过单井抽排，系统求出产气量、产水量和压力变化，取得稳定产能和流体性质，并通过地层水Cl-同位素分析确定煤层水性质和进入煤层的时代。
（8）利用试气产能及储层数值模拟预测产量变化，确定下一步试验井组试采的合理井距、井网几何系统及试气方案，提交煤层气控制储量和预测储量，作出经济评价。
除对煤层进行上述作业、分析外，必要时还应对主要含水层进行取心和渗透率测试，以了解地下水的流动能力。
在上述工作的基础上，根据新获得的可靠资料，对探区煤层气的开发潜力和经济效益作出进一步的评价。本阶段还可将各种评价参数输入计算机中，运用储层模拟技术进行煤层气产量预测，对煤层气开发潜力进行定量评价，还可对各种主要评价参数进行敏感性分析，以找出影响煤层气产量的因素，指导下一步的勘探和评价。
当目标评价结果认为该区具有较好的开发潜力，并优选出区内最有利区块时，即可进入下一个评价阶段——区块评价阶段。
（四）区块评价
煤层气的开采与常规天然气不同。当产层打开后，要经过一段时间的排水，使煤储层压力下降到煤层临界解吸压力以后，煤层气才能逐渐解吸产出。随着排水作业的连续进行，降压幅度和降压范围不断扩大，煤层气产出量就越来越大。从排水降压到气的产出有时长达数月，有时长期排水仍无法使储层充分降压。因此，仅根据勘探阶段获得的评价参数如含气量、渗透率等，尚不能充分可靠地评价煤层气开发潜力，需要通过小规模的长期试采，以确认煤层气稳定的生产能力。结合这些资料，对重点区块展开全面、深入的勘探和评价，为投入开发作准备，这就是区块评价的主要目的。
确定完井方式、压裂措施也是区块评价的重点之一。煤层气开采井通常都进行强化作业，如压裂、洞穴完井等。上述作业完成后，即可进行排采试验。试采周期与井距、储层渗透性有关。
总之，煤层气井需要长期排采实现井间干扰，以使煤层在一定面积内整体降压，直到取得试验区长期、稳定的气、水产量数据。
区块评价的具体任务基本与选区地质研究任务相同，更突出的是成图要求更精确，地质认识更深入，对试气特别是试验井组试采资料更了解，并取得区块单井稳定产能，其工作重点如下：
（1）通过井组试验对各煤层分布、煤层气藏类型、成因类型、可商业性开采范围、煤层含气量、渗透率、层间水化学特征及动力条件、封盖条件及产能等情况基本清楚，确定下一步投入开发的合理井距、增产措施、抽排方式及稳定产量。
（2）通过井组试验进行长期连续排采和产能动态监测，获取各项数据，建立气、水产量与生产压力和时间关系曲线，确认实际气、水产量及开采特点。
（3）进行干扰试井，了解储层连通情况及渗透率方向性。只有实现井间干扰的产量才能认识区块将来大规模开采的开发潜力，准确搞好产能预测。
（4）根据储层参数和试采生产数据，运用储层模拟技术，进一步进行合理井距、井网、完井方式等敏感性分析，以确定气田生产策略，预测生产历史。
（5）进行下游工程调研和市场调查的前提下，搞好气田开发利用的经济敏感性分析（即经济评价），以确定是否进行商业性开发。
（6）准确计算各类储量，为煤层气田开发和滚动勘探开发提出战略性规划。

7. 煤层气开发目标区的煤储层评价

与建立勘探目标区煤储层评价体系的方法类似，笔者建立了开发目标区煤储层评价体系。该评价体系的建立是基于对我国重点煤层气开发区块，如郑庄、樊庄、韩城、柳林等中高煤阶煤层气开发区的煤层气的产能影响因素和产气特征分析后得出的，鉴于本书篇幅所限，这些内容并未全部列出。
高煤阶开发区块优选煤储层综合评价体系，如图6.11所示。为了实现煤层气开发区优选的目标（U），共建立了煤层气资源潜力、成藏条件、孔渗特征和开发地质四项评价准则（U1，U2、U3和U4），四项准则层又进一步划分为11个方案层和19项评价参数，最终建立了四层次的煤储层模糊综合评价体系，按照这个评价体系逐级对煤储层进行评价。
煤储层评价时遵循从底层到顶层逐级评价的方法。首先对第四层（即次级方案层）进行评价，将评价结果作为第三层（即方案层）的值。以两个次级方案层“目标煤层厚度”和“主煤厚稳定性”的评价为例，两个次级方案层的隶属度值分别为0.7和0.3。这样只要将获得的“目标煤层厚度”和“主煤厚稳定性”值分别与它们的隶属度相乘，之后再求两者之和，即可获得第三层“煤层厚度”的评价值。其次，按照同样的方法，通过对第三层“煤层厚度”和“含气条件”两个评价参数进行评价，即可获得第二层，即准则层“资源潜力”的评价值。第三，按照类推方法通过对“资源潜力”、“成藏条件”、“孔渗特征”和“开发地质”的评价，即可获得目标层（高煤级开发区块煤储层综合评价指数）的值。最后，根据获得的目标层“高煤级开发区块煤储层综合评价指数”的值的大小对煤储层的有利程度进行评价。高煤级煤储层综合评价指数值在0～1之间，其值越高，煤储层越有利。因此根据评价区内各评价块段单元评价值的大小即可划分有利煤储层的分布区带。

图6.11 高煤阶开发区块优选煤储层评价体系

根据6.2节中所建立的各参数评价函数，借助于美国地理信息系统平台软件MapInfo professional实现计算机下储层综合评价的实现，其具体方法是：
首先，对各评价参数图层进行矢量化。将含气量、储层压力梯度、临储压力比和渗透率等评价参数在MapInfo professional下矢量化，分别做出各参数的等值面图，并赋值。
其次，在MapInfo professional下建立网格单元并赋值。本次评价中采用300m×300m的网格单元，如图6.7所示。网格单元建立后，将网格单元图层与各评价参数进行矢量叠加，叠加完成后每个网格单元中便包含了各个评价参数值。

图6.12 产气量和综合评价值关系图

最后，根据各参数的权重系数计算出每个网格中的综合评价值。
算出综合评价值之后，根据综合评价值的大小，确定出不同的煤层气开发区类型。但是，综合评价值在多大范围内，代表了有利开发区，这里在评价时采用了与勘探目标区评价不同的方法。在勘探区评价时，因为没有生产井做验证，因此只能通过人为设定有利区块类型的评价得分范围，这就带有一定的主观性，使得一个区域的评价结果与其他区域的可比性较差。然而，在对开发目标区评价时，由于在评价区内已有部分煤层气勘探井，获得了一些基本储层地质参数，部分煤层气井已经开展了煤层气生产，可以得到少量的生产数据信息，因此在对开发目标区块评价时，采用试采井产气量标定综合评价值的方法，定量的确定了有利开发区的综合评价值。
以郑庄区块评价为例进行说明。读取各个试采井所在网格处的综合评价值，然后绘制和产气量之间的关系图。结果表明，产气量和综合评价值呈明显的线性关系。因此，通过划分产气量区间，可以确定对应的综合评价值区间（图6.12）。采用的划分标准为：Ⅰ类区产气量在2000m3/d，属于高产开发区，对应的综合评价值为0.6～0.8；Ⅱ类区产气量在1000～2000m3/d之间，属于中产开发区，对应的综合评价值为0.41～0.6；Ⅲ类区产气量在500～1000m3/d之间，属于低产开Ⅰ发区，对应的综合评价值为0.32～0.41；Ⅳ类区产气量<500m3/d，属于极低产开发区，对应的综合评价值<0.32。
对郑庄区块煤层气后续开发目标区进行综合评价，结果如图6.13所示。高产开发区主要分布在区块的北部和东南部，面积约199.78km2；中产开发区面积较大，为271.29km2，分布在Ⅰ类区周围；低产开发区主要分布在区块的西南部，面积为198.90km2；极低产开发区主要分布在区块东部，寺头断裂带附近地区，分布面积较小，为27.23km2。
值得指出的是，这里仅仅提供了一个进行煤层气储层综合评价的理论体系和方法，而本文建立的评价体系还需要随着煤层气勘探和开发的进行不断的补充、完善和修改。另外，煤储层综合评价必须跟现阶段的煤层气钻、完井，排采工艺以及煤层气产能动态变化相结合，必须考虑一些与开发条件密切相关的储层参数，同时针对不同煤级的储层（特别是低煤级储层）进行相应的技术研发与改进。受目前我国煤层气开发实践的阶段和步伐所限，虽然本章在很多地方都没有系统、透彻地分析这些开发地质因素，但该评价体系产生的评价结果可初步用于指导我国目前中高煤阶煤区的煤层气勘探和开发实践，同时可为后续的储层评价提供重要基础和依据。

图6.13 郑庄区块3＃煤有利区综合评价图

8. 评价矿区煤层气开发模式选择

对22个矿区煤层气资源评价基础上，根据煤层气开发模式的适应性，选择了不同矿区煤层气开发的优先技术方法。
（1）对于煤层气剩余地质资源量和可采资源量较大且煤层结构较为完整的矿区，重点实施“地面开采＋井下抽放”的开采模式，如柳林、阳泉等矿区。
（2）对于煤层气剩余地质资源量和可采资源量较大但煤层结构破坏严重的矿区，重点实施“井下抽放＋地面开采”的开采模式，如淮南、平顶山、韩城、盘江、水城等矿区。
（3）对于煤层气剩余地质资源量较大但可采资源量相对较小的矿区，主要采用“井下抽放”的煤层气开采模式，如永城、焦作、峰峰、鹤岗等矿区。
（4）对于残留区煤层气资源相对较大的矿区，注重应用“采空区抽放”的模式，如淮南、永城、焦作、安阳、鹤壁、鹤岗、峰峰、阳泉、二道岭、汝箕沟、淮北、平顶山、水城等矿区（表7-27）。