摘 要

摘　要：頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊的優(yōu)選是實(shí)施勘探開發(fā)的基礎(chǔ)和前提，以南襄盆地、湘鄂西地區(qū)、渝東等地區(qū)的5個(gè)頁(yè)巖氣試驗(yàn)區(qū)塊為研究對(duì)象，針對(duì)地質(zhì)參數(shù)存在的不確定性和復(fù)雜性，采用區(qū)間數(shù)

摘　要：頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊的優(yōu)選是實(shí)施勘探開發(fā)的基礎(chǔ)和前提，以南襄盆地、湘鄂西地區(qū)、渝東等地區(qū)的5個(gè)頁(yè)巖氣試驗(yàn)區(qū)塊為研究對(duì)象，針對(duì)地質(zhì)參數(shù)存在的不確定性和復(fù)雜性，采用區(qū)間數(shù)灰靶決策的方法對(duì)其開發(fā)潛力進(jìn)行優(yōu)選排序。系統(tǒng)地分析了不同參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣富集程度的作用，并選取頁(yè)巖有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、埋深、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量7項(xiàng)指標(biāo)建立了頁(yè)巖氣勘探開發(fā)優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；運(yùn)用層次分析法和區(qū)間中心點(diǎn)距離法確定各指標(biāo)的組合權(quán)重，修正單一方法確定權(quán)重對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生的影響，使權(quán)重值達(dá)到主觀與客觀的統(tǒng)一。基于灰色系統(tǒng)理論的方法建立的灰靶決策模型，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值為區(qū)間范圍的研究區(qū)的勘探開發(fā)潛力進(jìn)行了排序，初步估算了頁(yè)巖氣資源量。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際勘探開發(fā)信息吻合較好，表明基于組合權(quán)重的區(qū)間數(shù)地質(zhì)參數(shù)特征的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊灰靶決策模型對(duì)頁(yè)巖氣區(qū)塊的可采性進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣  勘探  開發(fā)  區(qū)塊  地質(zhì)參數(shù)  灰靶決策  區(qū)間數(shù)  優(yōu)選  可行性

Application of a grey target decision model based on interval numbers of geological parameters to optimize shale gas exploration and development target zones

Abstract：The optimization of target zones is a premise of shale gas exploration and development．This paper aims to rank the development potential of five shale gas pilot zones in the Nanxiang Basin，western Hunan and Hubci area，eastern Chongqing area，etc．，which were taken as case studies．To achieve this goal，the interval grey target decision was adopted according to the uncertainty and complexity of geological parameters．Through a systematic analysis of different parameters and their impacts on shale gas enrichment，we established an evaluation system for shale gas exploration and development by selecting seven indexes：effective shale thickness．organic matter abundance,burial depth，content of hrittle mineral，porosity，and gas content．Then we determined the combination weight vector of each index by using the analytic hierarchy process(AHP)and interval central point distance method，modifying the impact ofevaluation indexes of one single method to determine weight and make the weighted value up to the unity of subjectivity and objectivity.Based on the grey system theory,a grey target decision model was established to optimize and rank the shale gas exploration and development potential of the above five pilot zones,the evaluation indexes of which are interval numbers.Thus,the shale gas reserves were preliminarily estimated in the studied area.The evaluation results are in good agreement with the real data from practical exploration and development,which proves the feasibility of this study.

Keywords：shale gas,exploration,development,target areas,combinational weight,grey target decision,geological parameter,interval number,optimization,feasibility

我國(guó)頁(yè)巖氣估計(jì)可采資源量為26×10¹²m³，接近常規(guī)天然氣資源儲(chǔ)量^3[1-2]。由于其獨(dú)特的成藏條件和構(gòu)造演化歷史，地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定難以精確量化，具有不確定性和復(fù)雜性的特征。為優(yōu)選最佳區(qū)塊進(jìn)行勘探開發(fā)，針對(duì)頁(yè)巖氣區(qū)塊這種多因素、評(píng)價(jià)指標(biāo)為區(qū)間數(shù)的地質(zhì)參數(shù)特征系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選排序是頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊評(píng)價(jià)的相關(guān)理論研究較少。張金川^[3]、聶海寬^[4]、董大忠^[5]、李延鈞^[6]等學(xué)者曾進(jìn)行相關(guān)研究，然而在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)多局限于某一區(qū)塊定性的勘探評(píng)價(jià)，對(duì)參數(shù)值為區(qū)間數(shù)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)選區(qū)定量評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。我國(guó)頁(yè)巖氣勘探程度低，地質(zhì)條件復(fù)雜，同一區(qū)塊不同井位的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)也存在復(fù)雜的變化，參數(shù)值通常只能給出變化的評(píng)估區(qū)間值，以往利用指標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確值進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法在頁(yè)巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)中已不再適用。筆者參考國(guó)外頁(yè)巖氣指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，選取合理的指標(biāo)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)層次分析法和區(qū)間中心點(diǎn)距離法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重，建市區(qū)間數(shù)灰靶決策模型，對(duì)南襄盆地、湘鄂西與渝東等地區(qū)的5個(gè)頁(yè)巖氣試驗(yàn)區(qū)的可采性進(jìn)行了量化分析，并進(jìn)行優(yōu)選排序。

1　頁(yè)巖氣勘探開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

頁(yè)巖氣藏是典型的自生自儲(chǔ)型氣藏川，其成藏受到許多因素的影響。結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣成功開發(fā)建立的選區(qū)評(píng)價(jià)方法，考慮我國(guó)的實(shí)際情況，選取7個(gè)指標(biāo)作為開發(fā)區(qū)塊評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容。

1．1　頁(yè)巖氣勘探開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1．1．1有效厚度

頁(yè)巖需要達(dá)到一定的厚度才能提供足夠的氣源和儲(chǔ)集空間。富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖厚度越大，頁(yè)巖氣的封蓋能力越強(qiáng)^[8]，對(duì)氣體的保存越有利，頁(yè)巖氣藏的富集程度越高。

1．1．2有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度表示頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量，該參數(shù)值的高低會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖中吸附氣量發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化，最終影響頁(yè)巖氣藏的產(chǎn)氣率。有機(jī)質(zhì)豐度值的大小與甲烷的吸附量成正相關(guān)關(guān)系^[9]。主要原因是在有機(jī)質(zhì)中含有大量微孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)氣體具有較強(qiáng)的吸附能力。若有機(jī)質(zhì)含量較低，吸附的氣體量會(huì)隨之減少，開采效率相對(duì)比較低。

1．1．3熱成熟度

熱成熟度影響頁(yè)巖中能夠被吸附在有機(jī)物質(zhì)表面的氣體的數(shù)量，可以反映有機(jī)質(zhì)是否已經(jīng)進(jìn)入熱成熟生氣階段(生氣窗)。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)進(jìn)入生氣窗后，生氣量劇增，有利于形成商業(yè)性頁(yè)巖氣藏^[10]。

1．1．4埋深

足夠的埋藏深度才能夠提供有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化所必需的溫度和壓力。頁(yè)巖氣藏的埋藏深度變化范圍較大，因此不是頁(yè)巖氣藏發(fā)育的決定因素，而是影響頁(yè)巖氣藏是否具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的因素之一。淺層開采是頁(yè)巖氣的開采主要方式^[11-12]，過(guò)高的埋深會(huì)加大勘探的難度和成本，頁(yè)巖的埋深越淺，越易于開發(fā)。

1．1．5脆性礦物含量

頁(yè)巖的礦物成分在一定程度上影響著裂縫的發(fā)育程度，從而影響頁(yè)巖氣的產(chǎn)能。頁(yè)巖的礦物組成成分較復(fù)雜，除高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物以外，還混雜石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等脆性礦物。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率很低，需要進(jìn)行壓裂，產(chǎn)生足夠的裂縫才能形成工業(yè)產(chǎn)能^[13]。脆性礦物含量高的頁(yè)巖，具備進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造的條件，容易在外力的作用下形成天然裂縫和人工誘導(dǎo)裂縫，有利于氣體的滲流，同等情況下可以采出更多的氣體。

1．1．6孔隙度

孔隙是頁(yè)巖氣賦存的重要儲(chǔ)集空間。通過(guò)對(duì)加拿大下侏羅統(tǒng)頁(yè)巖的孔隙度對(duì)巖石吸附氣量影響的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔隙度由0.5％變?yōu)?span lang="EN-US">4.2％時(shí)，游離氣量占總氣量的比重由5％變?yōu)?span lang="EN-US">50％^[14]?？紫抖扰c頁(yè)巖的氣體總含量之間呈正相關(guān)關(guān)系，頁(yè)巖的孔隙度越大，儲(chǔ)氣能力越強(qiáng)。

1．1．7含氣量

含氣量是衡量頁(yè)巖氣是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值及評(píng)估資源潛力的關(guān)鍵指標(biāo)。頁(yè)巖氣主要以游離氣和吸附氣的形式存在，頁(yè)巖中含氣量越大，儲(chǔ)層的含氣性越好。

1．2　頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊指標(biāo)遴選

按照上述選取的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇南襄盆地、湘鄂西與渝東等地區(qū)的5個(gè)頁(yè)巖氣試驗(yàn)區(qū)塊內(nèi)具有代表性的頁(yè)巖氣勘探指標(biāo)值，作為筆者優(yōu)選排序的指標(biāo)區(qū)間值，具體指標(biāo)值如表l所示^[15-20]。

 

2　頁(yè)巖氣勘探開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

權(quán)重是表示因素重要性的相對(duì)數(shù)值。權(quán)重的確定要遵循數(shù)據(jù)本身的客觀規(guī)律進(jìn)行，同時(shí)又要兼顧專家的意見。筆者對(duì)權(quán)重的確定方法為：①參考專家意見，采用層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重值；②利用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)指標(biāo)值到其中心點(diǎn)的距離，通過(guò)區(qū)間中心點(diǎn)點(diǎn)距離法分析計(jì)算客觀權(quán)重值；③將前兩步的計(jì)算結(jié)果通過(guò)乘法合成法，形成針對(duì)指標(biāo)值的組合權(quán)重。

2．1　層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重

根據(jù)前述選取的指標(biāo)體系，通過(guò)調(diào)查專家意見，并參考專家以前在頁(yè)巖氣選區(qū)時(shí)賦予指標(biāo)不同的權(quán)重值，計(jì)算了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。建立指標(biāo)兩兩判斷矩陣，計(jì)算最大特征值并檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性(表2)。驗(yàn)證結(jié)果表明：矩陣具有滿意的一致性，層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)重為：waj＝(0.174，0.077，0.105，0.313，0.206，0.079，0.047)．

 

2．2　區(qū)間中心點(diǎn)距離法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重

區(qū)間中心點(diǎn)距離法，是基于不同方案下，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)指標(biāo)值到其中心點(diǎn)距離的大小來(lái)反映其變異程度。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算后，區(qū)間變化范圍越大的指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響越大，則權(quán)重越大；反之，權(quán)重越小。即權(quán)重的大小體現(xiàn)了指標(biāo)分辨能力的大小。

首先，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的中心點(diǎn)為：

 

其次，計(jì)算各區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)到中心點(diǎn)的距離(Wj)，反映各指標(biāo)的變異程度。

最后，對(duì)各指標(biāo)的變異系數(shù)歸一化處理，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重(wj)：

 

經(jīng)計(jì)算，區(qū)間中心點(diǎn)距離法測(cè)得各指標(biāo)權(quán)重為：wbj＝(0.187，0.150，0.220，0.056，0.117，0.165，0.105)。

2．3　評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重

為全面反映評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性，將層次分析法確定的主觀權(quán)重與區(qū)間中心點(diǎn)距離法確定的客觀權(quán)重相結(jié)合，確定各指標(biāo)的最終權(quán)重，使權(quán)重值達(dá)到主觀與客觀的統(tǒng)一。采用乘法合成法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)，權(quán)重模型為：

 

最后將乘積進(jìn)行歸一化處理。經(jīng)組合權(quán)重計(jì)算得到的權(quán)重值為：wj＝(0.257，0.091，0.182，0.138，0.190，0.103，0.039)。

3　頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選

3．1　基于評(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)間值的灰靶決策

灰靶決策是采用灰色系統(tǒng)理論解決目標(biāo)優(yōu)選問(wèn)題的主要方法。進(jìn)行頁(yè)巖氣優(yōu)選評(píng)價(jià)時(shí)，往往得到的數(shù)據(jù)非常有限，許多數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，沒(méi)有典型的分布規(guī)律，因此頁(yè)巖氣的優(yōu)選評(píng)價(jià)系統(tǒng)是一種灰色系統(tǒng)，可采用灰靶決策模型進(jìn)行評(píng)價(jià)?；野袥Q策的主要思想是在決策環(huán)境復(fù)雜、不確定的條件下，對(duì)指標(biāo)集進(jìn)行測(cè)度變換得到統(tǒng)一量綱的歐氏空間，即灰靶。所有決策對(duì)象都分布在灰靶上，靶心作為標(biāo)準(zhǔn)模式，通過(guò)比較灰靶中決策點(diǎn)與靶心點(diǎn)之間的距離來(lái)確定排序。對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值為區(qū)間數(shù)的復(fù)雜地質(zhì)參數(shù)特征的頁(yè)巖氣區(qū)塊，灰靶決策^[21-22]步驟如下所述。

3．1．1建立決策矩陣

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，建立待評(píng)價(jià)區(qū)塊7個(gè)指標(biāo)變化的樣本矩陣。決策方案集S＝{S1，S2，…，S5}，由5個(gè)待評(píng)價(jià)區(qū)塊組成；7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)集A＝{a1，a2，…，a7}；方案si對(duì)指標(biāo)aj的屬性值為xij(V)∈[x(ij)-，x(ij)+](0≤xij≤`xij)，方案s集對(duì)指標(biāo)集的決策矩陣為：

 

3．1．2指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于選取的7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)具有量綱、量級(jí)上的差異，無(wú)法直接計(jì)算，需定義區(qū)間灰數(shù)的灰色極差變換。

對(duì)效益型指標(biāo)，包括有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量，希望待評(píng)價(jià)區(qū)塊的樣本值“越大越好”，采用上限效果測(cè)度，計(jì)算公式為：

 

對(duì)成本型指標(biāo)，如埋深，希望樣本值“越小越好”，采用下限效果測(cè)度，計(jì)算公式為：

 

x(ij)+、x(ij)-分別為7個(gè)指標(biāo)區(qū)間變化范圍的最大、最小值；

 

決策矩陣指標(biāo)值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后如表3所示。

 

3．1．3確定灰靶模型正、負(fù)靶心

待評(píng)價(jià)區(qū)塊的實(shí)際情況與2個(gè)靶心的接近程度，決定了區(qū)塊開發(fā)潛力的大小。通過(guò)確定正、負(fù)靶心，以待評(píng)價(jià)區(qū)塊各評(píng)價(jià)指標(biāo)值距離正、負(fù)靶心2個(gè)基準(zhǔn)的距離大小，作為評(píng)價(jià)各頁(yè)巖氣待評(píng)價(jià)區(qū)塊的判斷依據(jù)。

正靶心是灰靶決策矩陣的最優(yōu)效果向量，設(shè)正靶心為x⁺，x⁺由7個(gè)指標(biāo)區(qū)間中最適合勘探開發(fā)的指標(biāo)最優(yōu)值構(gòu)成，即x⁺＝{x1⁺，x2⁺，…，x7⁺}，其中xj⁺＝max{[x(ij)-+x(ij)+]／2ç1≤i≤5}，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化決策值記為[x(ij)-⁺，x(ij)+⁺]，得到正靶心為：x⁺＝{[0.599，1]，

[0.351，0.763]，[0.726，1]，[0.519，0.926]，[0.929，1]，[0.167，1]，[0.852，1]}。

負(fù)靶心是灰靶決策矩陣的最劣效果向量，設(shè)負(fù)靶心x^-＝{x1^-，x2^-，…，x7^-}，由最不適合勘探開發(fā)的指標(biāo)最差值構(gòu)成，xj^-＝min{[x(ij)-+x(ij)+]／2ç1≤i≤5}，其對(duì)應(yīng)的決策值記為[x(ij)-^-，x(ij)+^-]，可得到負(fù)靶心為：x^-＝{[0，0.6583，[0.144，0.247]，[0，0.233]，[0.074，0.815]，[0.054，0.768]，[0，0.417]，[0.223，0.235]}。

3．1．4計(jì)算待評(píng)價(jià)區(qū)塊與正負(fù)靶心之間的靶心距設(shè)正、負(fù)靶心距分別為xij⁺、xij^-。即

 

x⁰為正負(fù)靶心間的距離，即

 

5個(gè)待評(píng)價(jià)區(qū)塊向量距離正、負(fù)靶心之間的距離如表4所示。

 

3．1．5確定綜合靶心距離

待評(píng)價(jià)區(qū)塊的評(píng)價(jià)向量介于正負(fù)靶心之間，待評(píng)價(jià)區(qū)塊指標(biāo)值與正靶心、負(fù)靶心為空間內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)，故其共線或圍成三角形。利用待評(píng)價(jià)區(qū)塊指標(biāo)值到正靶心距離在正負(fù)靶心之間連線上的投影的大小，來(lái)進(jìn)行頁(yè)巖氣待評(píng)價(jià)區(qū)塊的可采性排序。待評(píng)價(jià)區(qū)塊在連線卜投影越短，越接近正靶心，則區(qū)塊開發(fā)潛力越大。由余弦定理可計(jì)算投影長(zhǎng)度為：

 

投影長(zhǎng)度(xij^*)記為綜合靶心距。綜合靶心距計(jì)算結(jié)果如表5所示。由區(qū)間數(shù)灰靶決策模型得到的結(jié)果為：x^*＝min(xij^*)＝0.374。該結(jié)果對(duì)應(yīng)的足區(qū)塊3。因此，區(qū)塊3為資源勘探開發(fā)潛力評(píng)價(jià)最優(yōu)區(qū)塊。

 

3．2　頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選結(jié)果及分析

按表5所示的灰靶決策結(jié)果，對(duì)待評(píng)價(jià)區(qū)塊進(jìn)行排序，由好到差的排序依次為：區(qū)塊3、區(qū)塊1、區(qū)塊2、區(qū)塊5、區(qū)塊4。區(qū)塊3和區(qū)塊l的鉆井已經(jīng)獲得工業(yè)氣流，區(qū)塊2單井日產(chǎn)氣量可達(dá)1.345×10⁴m³，初步估算頁(yè)巖氣資源量為5500×10⁸m³；區(qū)塊3估算頁(yè)巖氣資源量為8055×l0⁸m³，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。

4　結(jié)論

1)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選對(duì)頁(yè)巖氣的開發(fā)具有暈要意義。綜合考慮影響頁(yè)巖氣勘探開發(fā)潛力的多方面因素，選取有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、埋深、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量7個(gè)主要指標(biāo)，建立適合頁(yè)巖氣的資源勘探開發(fā)潛力優(yōu)選評(píng)價(jià)體系。

2)通過(guò)層次分析法得到的權(quán)重結(jié)合區(qū)間中心點(diǎn)距離法得到的權(quán)重，形成組合權(quán)重進(jìn)行灰靶決策，可以修正由單一方法確定權(quán)重對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生的影響，減少主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

3)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選評(píng)價(jià)系統(tǒng)是復(fù)雜的灰色系統(tǒng)，通過(guò)區(qū)間數(shù)灰靶決策方法可以對(duì)頁(yè)巖氣選區(qū)的勘探開發(fā)潛力得出客觀的定量評(píng)價(jià)及優(yōu)選排序。排序結(jié)果與實(shí)際情況相符，說(shuō)明該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，借助該方法可對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值為區(qū)間數(shù)的復(fù)雜地質(zhì)參數(shù)特征的頁(yè)巖氣區(qū)塊進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和優(yōu)選。

 

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本文作者：梁冰  代媛媛  陳天宇  孫維吉  秦冰

作者單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院

  東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院