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1、第 3 3卷 第 3期 2 0 0 5年 6月 煤 田地质与勘探 C QA L G EO 1 0GY E P I DRA 1 1 O N V o 1 3 3 No 3 J u n 2 O O 5 文章 编 号:1 0 0 1 1 9 8 6(2 O 0 5)o 3-0 0 2 2-0 4 基 于 多元逐 步 回归分 析 的煤储 层含气 量预 测模 型 以 沁水 盆 地 为 例 李贵红,张 泓,崔永君,张培河,董敏涛(煤炭科学研究总院西安分院,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘要:以沁水盆地为例,运用多元逐步回归分析方法,建立 了以 L a n g m u i r 体积和含 气饱和度为参数
2、的含气量预测模型;复相关系数、F检验、t 检验结果表明,该模型满足线性与方差齐性的假设,拟合 效果较好。运用此模型,结合 多因素权重分析确定的含气饱和度和实测的 L a n g m u ir 体积数据,实现 了沁水盆地山西组主煤层含气量预测。对比分析显示,该含气量预测模型有一定的可行性。关键词:煤储层;含气量;多元逐步回归分析;预测模型;沁水盆地 中图分类号:P 6 1 8 1 l 文献标识码:A A p r e d i c t i v e mo d e l o f g a s c o n t e n t i n c o a l r e s e r v o i r s b a s e d o
3、n mu l t i p l e s t e p wi s e I e a n a l y s i s:a c a s e s t u d y f r o m Qi n s h u i B a s i n L I G u i h o n g,Z H A N G H o n g,C U I Y o n g j u n,Z H A N G P e i h e,D O N G Min ta o (X i a n B r a n c h,C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t it u t e,X i a n 7 1 0 0 5 4,Chi na)Ala S
4、a c t:T a k e n Q i n s h u i B a s i n a s a l l e x a m p l e a p r e d i c ti v e m o d e l o f g a s c o n t e n t i s e s t a b l i s h e d b y m u l ti p l e s t e v w l s r e g r e s s i o n a n a l y s i s-u s i n g L a n g mu i r v o l u m e a n d g a s s a t u r a ti o n a s i t s p a r a
5、me t e r s T h e r e s u l t o f m u l ti p l e c o r r e l a ti o n c o e ff i c i e n t t est -F t e s t i l and t-t e s t i n g i n d i c a t es t h a t t h e mo d e l me e t s t h e h y p o thesi s t e s ti n g o fl i n e a r i t y a n d i t s ma t c h i n g e ff e c t i s p r e f e r a b l e B
6、a s e d o nt h e mo d e l an d c o mb i n e d w i th g a s s a t u r a ti o n d e t e r mi n e d b y the mu h i f a c t o r w e i g h t a n a l y s i s and t est ed L a n g mu i r v o l u me d a t a t h e g a s c o n t e n t o f m a i n c o a l f r o mthe S h a n x i F o r ma ti o ni ntheQ i r h u i
7、 B a s i ni s p r e d i c t ed s u c c e s s h d l y The c o m p a r a t i v e r e s u l t i n dic a t e s t h a t t h e mo d e l i s f e a s i b l e t o$o l n e e x t e n t Ke y :c o a l r e s e r v o i r;g a s con t e n t;m u l ti p l e s t e p wis e reg r e s s i o n a n a l y s i s;p r e d i c t
8、i v e m o d e l;Q h u i B a s i n 1 引言 含气量是煤储层评价最为重要的一个参数,但 在实际工作中,由于含气量数据太少,需进行含气量 预测,来指导有利区块的初选。目前 国内外煤层含 气量预测方法主要有:含气量一梯度法L 1 、煤级一 灰分一含 气 性 类 比法 1 、综 合 地 质 条 件 分 析 法 1 、等温吸附曲线法L4 、相对瓦斯涌出量法 J、数学模 型预测法6“等。含气量一梯度法,主要是 根据一个地区有限的含气量数据,来推测含气量在 平面和垂向上的变化,J R K e l a f a n t 和 C M B o y e r 以 美国阿帕拉契亚盆地 中
9、部 6 1 个煤样的含气量数据,得出 3 种煤级煤的含气量与煤层埋深的关系曲线。煤级 一 灰分 一含气性类 比法,主要是基于含气性受 控于煤级和煤质分布特征的认识,进而将预测区的 煤级和煤质与参照区进行类 比。综合地质条件分析 法,是在基本没有含气性和煤质资料的情况下,通过 对预测区的构造特点、煤层赋存特征及煤层埋藏、热 演化 一生烃 一烃类保存历史的分析,结合不同参照 区地质条件的类 比,来推断预测区的含气性。等温 吸附曲线法,是根据少量的含气量数据和煤的等温 吸附曲线、储层压力梯度、煤的水分、灰分数据,来预 测未知区含气量的一种方法。我国大多煤矿都有完 整的瓦斯资料,在缺乏含气量数据的地方
10、,多用回收 率校正后的相对瓦斯涌出量法来预测含气量。数学 模型预测法,是近年来兴起的一种方法,它主要是运 用数学统计原理,通过分析各种影响含气量的地质 因素,得出主控因素与含气量的关系式,建立预测含 气量的数学模型。上述预测方法都包含着一定程度的综合地质条 件分析。本文以沁水盆地为例,在进行逐步多元回 归分析的基础上,建立煤层含气量预测模型,并对预 测结果进行对比分析。2 基本 思路和预测模 型 2 1 预测参数的选择 沁水盆地是我国目前煤层气地质研究与勘探最 为活跃的地区9-1 1 ,煤层气测试资料比较齐全,这些 收稿 日期:2 0 0 4-1 O-2 8 基金项 目:国家重点基础研究发展计
11、划(9 7 3 计划)项 目(2 0 0 2 C B 2 1 1 7 0 3)和科技部社会公益专项资金项 目(2 0 0 1 D I A l 0 0 1 6)作者简介:李贵红(1 9 r 7 6 一),女,山西大同人,煤炭科学研究总院西安分院博士研究生,从事煤与煤层气地质研究 维普资讯 http:/ 第 3 期 李贵红,张 泓等:基于多元逐步回归分析的煤储层含气量预测模型 2 3 资料多是在阳泉、寿阳、屯留 一安泽、大宁 一潘庄 一 樊庄等地的煤层气勘探试验井获得的。沁水盆地本 身的地质构造和水文地质条件相对简单,煤层倾角 较小,煤体结构以原生结构为主,宏观煤岩类型以光 亮型煤、半亮型煤 占主
12、导地位,煤层顶底板岩性以泥 岩、粉砂岩居多。影响煤储层含气量的因素很多。煤层厚度、埋 深、煤的变质程度、灰分产率(A )、水分含量(M)、镜质组含量、煤的等温吸附常数、储层原地应力、渗 透率、压力、储层温度和含气饱和度等地质参数,对 含气量的影响程度是不同的。如果将这些参数都作 为自变量进行逐步回归分析,可能会影响到分析结 果的客观性。所以,要首先将那些与含气量线性关 系不显著的因素剔除。在这里,通过作各参数与含 气量的散点图来判别它们的相关性。沁水盆地煤层含气量与其影响因素的相关性表 明,煤层厚度、埋深、水分、固定碳含量、L a n g m u i r 压 力、储层压力、渗透率、地应力、储层
13、温度这些参数与 含气量的线性关系较差,相关系数的平方均在 1 甚 至是 1 数量级。因此,这些参数不参与逐步回归分 析,仅选取煤镜质体反射率、挥发分、灰分、L a n g n m i r 体积、含气饱和度、镜质组含量等有效参数作为 自变 量,含气量作为因变量进行逐步回归分析。然后再结 合盆地内各煤层气勘探试验井的实测数据,运用逐步 回归分析方法建立煤层含气量数学模型。2 2 预测模型的建立和检验 运用 S P S S 统计软件对上述相关参数进行逐步 回归,最终得到如下回归方程:G=一1 7 4 8 4+0 1 2 4 S+0 4 9 6V L,(1)式中 G代表含气量(m 3 t);S为含气饱
14、和度();L是 L a n g m u i r 体积(m 3 t)。最终回归方程的复相关 系数 R 为 0 7 1 6,说 明 在因变量变化中,有 7 1 以上的偏差可以用含气饱 和度和 I_a n g n u i r 体积来解释,有不到 2 9 偏差属于 目前无法解释的随机误差。消除 自变量个数影响 R 的修正值为 0 6 8 9,能较确切地反映拟合度,这表 明该模型的拟合度较好。为确证这个方程的可靠性和应用价值,需要用 F 检验来对方程进行显著性检验,进而判断 回归模 型整体的显著性。拟合过程中,每一步的方差分析 结果表明,当回归方程包含不同的变量时,其显著性 概率均小于 0 0 0 1,
15、拒绝总体 回归系数均为 0的原假 设。因此,回归方程应包括含气饱和度、I _a n g n u i r 体 积这两个 自变量,认为回归效果显著。当置信概率 为 9 5 时,统计量 t i 取值超出双侧临界值 t。范 l O O 瓣 孽 0 7 5 :睇 墨 IIl 0 5 0 墨 0 25 0 O 2 5 0 5 0 O 75 1 0 0 观 测 累计 概 率 图 1 残差累计概率分布图 F i g 1 Th e d i s t r i b u t i o n 0 f r e s i d u a l e r r o r c u mu v e p r o b a b i l i t y 图 2
16、含 气量 预测 值 与学 生化 残 差 的散 点 图 F i g 2 Di a g r a m s I l(i l 1 g t h e r e l a ti o n s h i p b e t w e e n p r e d i c t e d g a s c o n t e n t v a l u e a n d r e s i d u a l e r r o r 围的概率为0 0 2 5,凡统计量数值 t 所对应的尾概率值 s ig 小于0 0 2 5,其对应的自变量作用是显著的,s ig (常 数项系数除外)均为零,小于 0 0 2 5,认为回归方程中自 变量 I a 唧 m ir 体积
17、和含气饱和度的作用是显著的。容 忍度(T o le r a n c e)大小适中,方差膨胀因子()数值不 大,从而拒绝它们之间的共线性假设。残差累计概率分布图(图 1)上,观测数据的残 差在假设直线(正态分布)周围的分布说 明,残差基 本上符合正态分布。在含气量预测值和学生化残差 散点图(图 2)上来看,残差随机分布在一条穿过零 点的水平直线两侧,说明方差的分布是常数,与 自变 量或者因变量无关。因此,该 回归方程满足线性与 方差齐性的假设,且拟合效果较好。3 预 测结果及其评价 为了检验建立的回归模型的合理性,下面运用 回归方程对沁水盆地山西组主煤层含气量进行预 测,并与以往的含气量预测结果
18、进行了比较。3 1 L a n g mu i r 体积和含气饱和度的确定 在应用最终 回归方程时,应首先确定 L a n g m u i r 体积和含气饱和度。这里使用的 L a n g n,m i r 体积是来 自大宁、寿阳、屯 留、潞安、樊庄等地 2 0余 口煤层气 井的相关煤层等温吸附实验数据(图 3):含气饱和 度是在综合分析各种地质因素的基础上,用给定权 维普资讯 http:/ 2 4 煤 田地 质 与勘探 第 3 3卷 5 0 4 0 昌 3 O 2 0 l O O 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 压力 MP a 图3 沁水盆地山西组不同煤级煤的等温吸附曲线分布范围 F
19、 i g 3 R a n g e o f a d s o r p ti o n i s o t h e r ms(a t r e s e r v o i r t e mp e rat u r e)o f c o a l s a m p l e s f l D m t h e S h a n x i F o r m a ti o n i n t h e Q i n s h u i B a s i n 重(表 1)的方法确定的。实际操作过程 中,在详细 分析影响含气饱和度的各种地质 因素的基础上,首 先将沁水盆地全区分为 2 0 个区块,再对各区块结点 参数进行 评分,算 得各结 点 的含气饱 和
20、度 值,将 L a n g m u i r 体积和含气饱和度带人回归方程,得到该 结点的含气量,然后利用 s u r f e r 软件得到图 4 a 所示 的预测含气量等值线图。3 2 预测结 果 从图 4 a中可以看出,山西组主煤层(3 号煤)含 表 1 沁水盆地影响含气饱和度地质 因素权t分配衰 Ta b l e 1 W e i g h t c o dl i c l e m 0 ft h e g e o l o g k a l f a c t o r s m 啊 g a s l t I 咂 m t h e Q i mh l d B a s i n 气量最高的地区位于沁水盆地南部,即屯留、枣
21、 园、潘庄、沁水、安泽、沁源附近所围限的区带;盆地北部 的 阳泉 一寿阳地区含气量也较高;太原西山煤田中 图 4 沁水盆地 山西组主煤层预测含气量等值线 图 F i g 4 Ma p s h o w i n g p r e d i c t e d g a s c o n t e n t i s o l i n e o f m a i n c o a l s e a n f l D m t h e S h a n fi F o r m a t i o n i n t h e Q i n h u i B a s i n (a)基于回归分析预测结果;(b)先前预测结果;1 断层;2 煤层露头线;3
22、含气量等值线(m 3 t)维普资讯 http:/ 第 3期 李贵红,张 泓等:基于多元逐步回归分析的煤储层含气量预测模型 2 5 部含气量较上述两地稍低,成为沁水盆地含气量较 高的第 3区块;而盆地周边和中部地带的煤层含气 量要低一些。3 3 对 比分析 图 4 b 是沁水盆地山西组主采煤层含气量早期 预测结果(煤炭科学研究总院西安分院 我国煤层气 富集成藏规律与勘探开发有利地区优选研究,2 0 0 3 年)。其中,中深部是按照含气量与煤层埋深的线性 关系预测的。从图中可以看出,位于沁水盆地中深 部煤层的含气量较高,显示埋深越大,煤层含气量越 高。将图 4 a 和图 4 b略加对 比就可看出:
23、含气量变 化趋势基本上相似,即盆地南部以及盆地北部 阳泉 一寿阳地区含气量较高。从地质条件来看,沁水盆 地南部 3 号煤层分布稳定,平均厚度 5 m,埋深不超 过 1 5 0 0 m,一般为 3 0 0 m一1 0 0 0 m;煤层底板为具菱 铁质结核的泻湖沼泽相泥岩,有时相变为粉砂岩,一 般厚 1 0 m,直接顶板多为三角洲分流间湾相的含菱 铁质结核的泥岩、粉砂岩,厚度变化较大,一般在 3 m左右;区内地质构造相对简单,断层稀少,地层产 状平缓且连续完整;水文地质条件简单,在潘庄附近 是一个地下水局部“低洼”滞流区,深部地下水径流 很弱,煤层气侧向和垂向运移微弱,形成地下水圈闭 和煤层气的富
24、集成藏;煤层处于正常压力或微超压 状态 1。因此,煤层气的保存条件比较有利,含气饱 和度较高。两次预测的沁水盆地高含气量区带与上 述地下水滞流区都大体吻合。所不同的是,图 4 a 显 示含气量随埋深增加缓慢,在盆地中深部含气量较 图 4 b 低很多。事实上,利用不同的模型或方法预测气含量时,出现不同的结果是很 自然的事。用梯度法(或含气 量 一 深度关系法)完成的含气量预测,是建立在含气 量与煤层埋深呈简单线性关系基础之上 的。但用 L a n g m u i r 方程描述的煤层气储集机理表明,煤层的 吸附容量随压力(深度)的增大而增加,当煤层埋藏 到达一定深度(或达到一定压力)之后,煤层含气
25、量 将不再增加。这就是说,梯度法只能用于预测浅部 煤层的含气量。然而,由于地质条件的多变性 以及 煤层含气量控制 因素的复杂性,沁水盆地浅部(8 0 0 m)煤层的含气量与埋深也不是简单 的线性关系(图 5)。因此,预测结果出现一定的偏差是不可避 免的。基于逐步 回归分析预测 的煤层含气量(图 4 a)考虑了多种因素,可能更接近真实情况。但是,用该 方法建立的预测模型中,含气饱和度是受各种地质 3 5 3 O -一 25 三 2 O 1 5 把1 0 5 O 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 深度 m 图 5 沁水盆地煤层埋深与含气量关系图 F i g 5 R
26、e l a ti o n s h i p b e t we e n t h e a e p t h a n d g a s c o n t e n t o fthe c o a l b e d s i n th e Q i n s h u i B a s in 因素影响(表 1)的一个变量,如何在未知 区合理地 确定含气饱和度,是含气量预测正确与否的核心问 题。在影响含气饱和度的地质因素中,有些因素(如 围岩封闭性、构造条件、水文地质条件)是难于量化 的。因此,在分配权重时难免会出现人为的误差,进 而导致含气量预测结果的偏差。总之,含气量预测是一个极为复杂的问题,不同 的预测方法和预测模型都有
27、合理 的一面,但也有一 定的局限性。本文的研究证 明,利用多元逐步 回归 方法建立煤储层含气量模 型,预测含气量在一定程 度上是可行的,但仍需进一步完善。致谢:成文过程 中,使用了本单位积 累的资料。张群和李建武研究员在学术思想方面给予指点,姜 在炳高级工程师在 多元回归分析方法的应用方面给 予帮助,谨 此致谢。参考文献 1 K e l a f a n t J R,B o y e r C M A g e o l o g i c t 0 f n a t u r a l g a s f r o m c o a l s e a n l s i n t h e c e n t r a l A p 1)
28、a l 丑 c l l i 丑 n C o a l 1 3 in J G a s R e s I n s t To p i c a l R印 1 9 8 8,GRI 一 8 8 0 3 02,C h i c a g o,I L,8 6 秦 勇,刘焕杰,桑树勋等 山西南部上古生界煤层含气性研 究:I,推定区煤层含气性评价 J 煤 田地质与勘探,1 9 9 7,2 5 (4):25 3 0 秦 勇,刘焕杰,范秉恒等 山西南部上古生界煤层含气性研 究:,推断区与预测 区煤层 含气性 预测 J 煤 田地 质与勘 探,1 9 9 7,2 5(6):1 8 2 2 李 静,李小彦,杨利军等 煤层含气量预测
29、方法 J 煤 田地质 与勘探,1 9 9 8,2 6(2):3 1 3 3 四达公司矿业开发部 矿井煤层气储量计算方法 A 中国煤 层气(第二届全国煤层气学术研讨会论文专辑)c ,1 9 9 6(2),1 0 2 1 0 5 王全生 井田煤层甲烷含量的定量预测 J 煤炭工程师,1 9 9 7,4:3 9-4 2 张子戌,张许 良,袁崇孚等 瓦斯地 质数 学模型软件 的开发 J 煤 田地质与勘探,2 0 0 1,3 0(2):2 9 3 0 吴财芳,曾 勇,张子戌等 瓦斯含量地质预测的 自适应神经 网 络技术研究 J 矿业安全与环保,2 O 0 3,3 0(3):1 7 1 9 刘焕杰,秦 勇,桑树勋 山西南部煤层气地质 M 徐州:中国 矿业大学出版社,1 9 9 8 张建博,王红岩 山西沁水盆地煤层 气有利区预测 M 徐 州:中国矿业大学出版社,1 9 9 9 樊生利 沁水盆地煤层气勘探成果与地质分析 J 天然气工 业,2 0 0 1,2 1(4):3 5 3 8 叶建平,武 强,叶贯钧等 沁水盆地南部煤层气成藏动力学 机制研究 J 地质评论,2 0 0 2,4 8(3):3 1 9-3 2 2 纠 纠 副 引 m n r L r r r;r L 维普资讯 http:/
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