梁 冰,代媛媛,陳天宇,孫維吉,秦 冰

(1.遼寧工程技術(shù)大學力學與工程學院,遼寧阜新 123000;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧沈陽 110004)

復雜地質(zhì)條件頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選

梁 冰1,代媛媛1,陳天宇2,孫維吉1,秦 冰1

(1.遼寧工程技術(shù)大學力學與工程學院,遼寧阜新 123000;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧沈陽 110004)

以南襄盆地、湘鄂西、渝東等地區(qū)的5個頁巖氣試驗區(qū)塊為研究對象,系統(tǒng)分析了不同地質(zhì)參數(shù)對頁巖氣富集程度的影響,建立了頁巖氣勘探開發(fā)評價優(yōu)選指標體系。運用層次分析法和熵權(quán)法確定了各指標的組合權(quán)重,在頁巖氣勘探開發(fā)指標體系中,各地質(zhì)參數(shù)的重要性依次為有效厚度、熱成熟度、脆性礦物含量、含氣量、孔隙度、有機質(zhì)豐度、埋深。針對頁巖氣藏儲層地質(zhì)參數(shù)存在的不確定性和復雜性,基于灰色系統(tǒng)理論,建立了多指標灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選模型,對評價指標值為區(qū)間范圍的復雜地質(zhì)參數(shù)特征的研究區(qū)的勘探開發(fā)潛力進行了優(yōu)選排序。評價結(jié)果與實際勘探開發(fā)信息吻合較好,說明基于組合權(quán)重的復雜地質(zhì)參數(shù)特征的頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選評價模型對頁巖氣目標區(qū)塊的可采性評價是可行的。

頁巖氣;勘探開發(fā)區(qū)塊;組合權(quán)重;區(qū)間數(shù);灰關(guān)聯(lián)度

我國頁巖氣資源儲量巨大,“十二五”規(guī)劃中明確要求2015年頁巖氣產(chǎn)量達到65億m3,力爭2020年產(chǎn)量達到600～1 000億m3,但是目前我國頁巖氣開采仍處于勘探開發(fā)初期,未能進入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)階段。建立頁巖氣的評價指標體系和評價方法是合理勘探開發(fā)的前提和基礎(chǔ),頁巖氣區(qū)塊的評價和優(yōu)選可以為頁巖氣勘探開發(fā)決策提供重要的依據(jù),對于我國剛起步的頁巖氣勘探開發(fā)而言,合理的頁巖氣評價指標和方法的建立顯得尤為重要。

我國頁巖氣藏類型多、層系多、區(qū)域性差異大;同時,我國頁巖氣藏的成藏條件和構(gòu)造演化歷史較為復雜,同一頁巖氣區(qū)塊相同地層的地質(zhì)參數(shù)具有不確定性和復雜性,同一區(qū)塊的地質(zhì)參數(shù)通?？山y(tǒng)計為一個范圍值,難以確定出可以代表整個區(qū)塊特征的精確值。優(yōu)選最佳頁巖氣目標區(qū)塊進行勘探開發(fā),必須尋求一種適合中國頁巖氣區(qū)塊的多因素、評價指標為區(qū)間數(shù)的復雜地質(zhì)參數(shù)特征系統(tǒng)的評價方法。

國內(nèi)對頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊評價的相關(guān)理論研究較少。張金川提出了頁巖氣評價的指標體系[1],聶海寬采用類比法進行了中國頁巖氣藏綜合地質(zhì)評價,并對有利區(qū)塊進行了定性預測[2],董大忠和李延鈞等學者借用國外現(xiàn)有的資源豐度類比法和容積法,對四川盆地西南部地區(qū)及威遠氣田區(qū)的頁巖氣資源進行估算,認為國外方法只可以概略評價我國頁巖氣資源潛力,并指出發(fā)展適合我國的頁巖氣資源潛力評價方法和技術(shù)刻不容緩[3－4]。綜上,前人在進行評價時多局限于某一區(qū)塊定性的勘探評價,對頁巖氣勘探開發(fā)選區(qū)定量評價的研究相對較少;而已進行的頁巖氣區(qū)塊優(yōu)選定量評價中,多為直接借鑒國外已有的評價方法,其中的評價指標多為某固定值。我國頁巖氣勘探程度低,地質(zhì)條件復雜,同一區(qū)塊不同井位的頁巖氣儲層地質(zhì)參數(shù)也存在復雜的變化,參數(shù)值通常只能給出變化的評估區(qū)間值,以往利用指標參數(shù)準確值進行評價的方法在頁巖氣選區(qū)評價中已不再適用。筆者參考國外頁巖氣評價指標體系,結(jié)合我國的實際情況,選取合理的地質(zhì)參數(shù)建立適合我國頁巖氣勘探開發(fā)的評價指標體系,通過層次分析法和熵權(quán)法確定評價指標的組合權(quán)重,運用灰關(guān)聯(lián)度的區(qū)間評價方法,對南襄盆地、湘鄂西、渝東等5個頁巖氣試驗區(qū)的可采性進行量化評價研究,并進行優(yōu)選排序。

1 頁巖氣勘探開發(fā)評價指標體系的建立

1.1 勘探開發(fā)評價指標體系的構(gòu)建

頁巖氣是典型的自生自儲式非常規(guī)天然氣[5],其富集受到多重因素的影響。根據(jù)我國的實際情況,借鑒國外頁巖氣開發(fā)選區(qū)建立的評價方法,選取7個地質(zhì)參數(shù)作為開發(fā)區(qū)塊評價的主要指標。

(1)有效厚度。頁巖氣具有短距離運移的特性,在較厚的儲層中易于富集成藏[6]。頁巖儲層達到一定厚度才能提供足夠的氣源和儲集空間。富含有機質(zhì)的頁巖厚度越大,頁巖的生烴能力和封蓋能力越強,頁巖氣藏的富集程度越高。

(2)有機質(zhì)豐度。有機質(zhì)豐度是評價烴源巖的重要指標,其高低會改變頁巖中吸附氣量的數(shù)量級,最終影響頁巖氣藏的產(chǎn)氣率。有機質(zhì)中大量的微孔隙結(jié)構(gòu)對氣體具有較強的吸附能力,因此有機質(zhì)豐度值的大小與甲烷的吸附量呈正相關(guān)關(guān)系[7],直接影響開采效率。

(3)熱成熟度。熱成熟度用來評價烴源巖的生烴能力,其大小影響吸附在頁巖中有機質(zhì)表面的氣體數(shù)量,可以反映有機質(zhì)是否已經(jīng)進入熱成熟生氣階段(生氣窗),有機質(zhì)進入生氣窗后,生氣量劇增,有利于形成商業(yè)性頁巖氣藏[8]。

(4)孔隙度?？紫妒琼搸r氣主要的儲集空間,孔隙度是頁巖氣儲層研究中重要的參數(shù),其大小控制著游離態(tài)頁巖氣的含量。通過對加拿大下侏羅統(tǒng)頁巖的孔隙度對巖石吸附氣量影響的實驗發(fā)現(xiàn),孔隙度由0.5%變?yōu)?.2%時,游離氣量占總氣量的比重由5%變?yōu)?0%[9]?？紫抖扰c頁巖氣總含量之間呈正相關(guān)關(guān)系,孔隙度越大,儲氣能力越強。

(5)含氣量。含氣量是衡量頁巖氣是否具有經(jīng)濟開采價值及評估資源潛力的關(guān)鍵指標。頁巖氣主要以游離氣和吸附氣的形式存在,含氣量越高,儲層含氣性越好[10],一般認為商業(yè)性頁巖氣開發(fā)的含氣量下限為1.1 m3/t。

(6)埋深。埋深控制著頁巖氣藏的經(jīng)濟價值和經(jīng)濟效益。頁巖氣藏的埋藏深度變化范圍較大,因此不是頁巖氣藏發(fā)育的決定因素,而是影響頁巖氣藏是否具有商業(yè)開發(fā)價值的因素之一。頁巖氣的開采主要方式是淺層開采[11],過高的埋深會加大勘探的難度,影響頁巖氣的開發(fā)價值,埋深越淺,越易于開發(fā)。

(7)脆性礦物含量。頁巖中脆性礦物的含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣量的重要因素。由于頁巖儲層基質(zhì)滲透率很低,需要壓裂產(chǎn)生足夠的裂縫才能形成工業(yè)產(chǎn)能。頁巖的礦物組成中,石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物含量越高[12],可壓裂性越好,易于形成天然裂縫和誘導裂縫,對頁巖氣開發(fā)越有利。

1.2 頁巖氣開發(fā)區(qū)塊指標的遴選

按照上述選取的主要評價指標,選擇南襄盆地、湘鄂西、渝東、滇黔北、東營凹陷5個頁巖氣試驗區(qū)塊作為待評價目標區(qū)塊。

由圖1可見5個區(qū)塊的空間分布情況。區(qū)塊1位于秦嶺褶皺帶和揚子地臺北緣塊斷帶之上,是燕山晚期發(fā)育起來的山間斷陷盆地,主要受北西西向的唐河—栗園斷裂和北東向的栗園—泌陽斷裂共同控制形成的扇狀斷陷,凹陷自北而南分為北部斜坡帶、中部凹陷帶和南部陡坡帶。深凹區(qū)是沉降中心,有機質(zhì)豐度較高,頁巖有效厚度大;區(qū)塊2處于揚子板塊中部,頁巖厚度向東逐漸增厚,有機質(zhì)豐度逐漸降低。區(qū)塊3處于揚子板塊上部東南緣,由東向西頁巖厚度逐漸減薄,西部有機質(zhì)豐度高于東部。區(qū)塊2,3緊鄰,構(gòu)造上位于四川盆地東緣,建始―彭水斷裂以西,跨接川東高陡構(gòu)造帶與鄂渝過渡構(gòu)造帶,基本輪廓從南向北表現(xiàn)為NNE—NE—近EW向的弧形褶皺帶;區(qū)塊4位于揚子板塊上部,該區(qū)褶皺帶是我國著名的NNE—NE向延伸的板內(nèi)“侏羅山式”弧形褶皺帶,頁巖厚度及有機質(zhì)豐度分布呈西薄東厚;區(qū)塊5位于華北板塊,我國東部郯廬斷裂帶中側(cè)西段,印支期以南北擠壓為特征,發(fā)育了東西向?qū)捑忨薨櫦澳媳毕蚰鏇_斷層;燕山期受郯廬斷裂活動影響,發(fā)育近南北走向斷層,先期逆沖斷層反轉(zhuǎn),控制半地塹沉積。頁巖厚度及有機質(zhì)豐度由洼陷中心向外逐漸降低。

根據(jù)已有勘探資料,將每個區(qū)塊各個勘測點的評價指標進行統(tǒng)計,去除異常勘測點,挑選具有代表性的頁巖氣勘探指標值[13－16]作為本文優(yōu)選排序的指標區(qū)間值,具體指標值見表1。文中選取的7個評價指標值均為區(qū)間取值范圍,可以較全面的反應區(qū)塊的整體地質(zhì)參數(shù),比單一值更具有代表性,且有效避免了測試參數(shù)的誤差和波動性。

圖1 5個頁巖氣試驗區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)分布Fig.1 Spatial distribution of 5 shale gas test areas

表1 頁巖氣勘探開發(fā)選區(qū)評價參數(shù)Table 1 Shale gas exploration and development areas evaluation parameter

2 頁巖氣勘探開發(fā)評價指標權(quán)重的確定

評價指標權(quán)重是表示指標相對重要性的數(shù)值。權(quán)重的確定要遵循指標本身的客觀規(guī)律,同時又要兼顧專家的意見。本文權(quán)重的確定方法為:首先,參考專家意見,采用層次分析法計算主觀權(quán)重值;然后,利用區(qū)間數(shù)指標值上、下界序列的信息熵,通過熵權(quán)法計算客觀權(quán)重值;最后,將前兩步的計算結(jié)果通過乘法合成法,做為最后的指標值組合權(quán)重。

2.1 基于層次分析法主觀權(quán)重的確定

通過調(diào)查專家意見,并參考前人在頁巖氣選區(qū)時賦予指標不同的權(quán)重值[3]及重要性分析[2,9],確定各指標間的相對重要程度。其中,熱成熟度、有機質(zhì)豐度及含氣量3個因素對頁巖氣賦存和富集的影響較大。

建立指標兩兩判斷矩陣,計算最大特征值并檢驗判斷矩陣的一致性(表2),驗證結(jié)果表明矩陣具有滿意的一致性,層次分析法得到有效厚度、有機質(zhì)豐度、成熟度、埋深、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量的指標權(quán)重為

表2 指標判斷矩陣及權(quán)重向量Table 2 Judgement matrix and weights

2.2 基于熵權(quán)法客觀權(quán)重的確定

熵權(quán)法是基于各方案區(qū)間數(shù)指標值的差異程度確定區(qū)間數(shù)指標權(quán)重的分析方法。首先依據(jù)客觀賦權(quán)的原理和序列信息熵的含義,構(gòu)造不同指標下各方案區(qū)間數(shù)指標值的上、下界序列的信息熵,通過和的平均值Ej來反映各方案指標值序列的偏差程度,Ej值越小,該指標下各方案區(qū)間指標值的偏差越大,則對方案優(yōu)選的重要程度越大,權(quán)重越大[17]。最后確定各指標對優(yōu)選的重要程度dj,并由此得到區(qū)間指標權(quán)重wj,即

2.3 組合權(quán)重的確定

通過層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合確定7個指標的組合權(quán)重的方法,使權(quán)重值達到專家意見與指標區(qū)間客觀規(guī)律的統(tǒng)一。采用乘法合成法對指標進行組合賦權(quán),權(quán)重模型為

歸一化處理后,得到的組合權(quán)重值為

根據(jù)指標權(quán)重計算結(jié)果,在勘探開發(fā)指標體系中,各地質(zhì)參數(shù)的重要性依次為有效厚度、熱成熟度、脆性礦物含量、含氣量、孔隙度、有機質(zhì)豐度、埋深。

3 頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選

3.1 基于評價指標區(qū)間值的灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選

灰色系統(tǒng)理論以“部分信息已知,部分信息未知”的系統(tǒng)為研究對象。進行頁巖氣優(yōu)選評價時,往往得到的數(shù)據(jù)非常有限,許多數(shù)據(jù)波動較大,沒有典型的分布規(guī)律,因此頁巖氣的優(yōu)選評價系統(tǒng)是一種灰色系統(tǒng),可采用灰色理論進行評價。對評價指標值為區(qū)間數(shù)的復雜地質(zhì)參數(shù)特征的頁巖氣區(qū)塊,灰關(guān)聯(lián)評價[18]步驟如下:

(1)上、下決策矩陣的建立。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),建立待評價區(qū)塊7個指標變化的上界矩陣和下界矩陣,上界矩陣由各指標變化區(qū)間的最大值組成,下界矩陣則由各指標變化區(qū)間的最小值組成。

(2)虛擬理想方案與負理想方案的確定。

通過建立虛擬理想、負理想方案,以靠近虛擬理想方案和負理想方案兩個基準作為評價各頁巖氣待評價區(qū)塊的判斷依據(jù)。理想方案是在下界矩陣條件下假定的最優(yōu)方案,即在各區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)為評價指標區(qū)間范圍的最差值時,各區(qū)間中最適合勘探開發(fā)的各指標最優(yōu)值。負理想方案與之相反,是在上界矩陣的取值范圍內(nèi)假定的最差方案,即在各區(qū)塊地質(zhì)參數(shù)為區(qū)間范圍的最大值時,最不適合勘探開發(fā)的最差值。這兩種方案在實際中并不存在。待評價區(qū)塊的實際情況與兩個虛擬方案的接近程度決定了區(qū)塊的開發(fā)潛力的大小。

(3)指標標準化。

表3 上、下界矩陣評價指標標準化Table 3 Normalizations of upper and lower bounds matrix evaluation index

(4)待評價區(qū)塊與正、負理想方案間關(guān)聯(lián)度的計算。

設(shè)標準化后的上、下界矩陣第i個區(qū)塊、第j個指標值xij與對應的虛擬負理想、虛擬理想方案的第j個指標值的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)為ζi(j),有

其中,ρ為分辨系數(shù),作用是調(diào)整比較環(huán)境的大小, ρ∈[0,1],當ρ=0時,環(huán)境消失;當ρ=1時,環(huán)境被原封不動的保持著[19]。ρ值越小,分辨力越大,一般按最少信息原理取0.5,作用在于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性[20]。經(jīng)計算得上、下界矩陣的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

當ui越大時,區(qū)塊越接近虛擬理想方案,越遠離虛擬負理想方案,區(qū)塊的開發(fā)潛力越大。根據(jù)式(1)進行綜合評價,結(jié)果見表4。對目標區(qū)塊進行灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選的結(jié)果u=max(ui)=0.738,該結(jié)果對應的是目標區(qū)塊2。

表4 區(qū)塊灰關(guān)聯(lián)度區(qū)間評價結(jié)果Table 4 Gray correlation interval evaluation result

3.2 優(yōu)選結(jié)果及分析

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果,對目標區(qū)塊由好到差的排序依次為:區(qū)塊2、區(qū)塊1、區(qū)塊5、區(qū)塊4、區(qū)塊3。區(qū)塊2鉆井已獲得工業(yè)氣流,單井日產(chǎn)氣量可達1.345×104m3,初步估算頁巖氣資源量為5 500× 108m3;區(qū)塊1估算頁巖氣資源量為4 320×108m3,評價結(jié)果與實際情況基本相符。

4 結(jié) 論

(1)我國頁巖氣勘探程度低,地質(zhì)條件復雜,同一區(qū)塊同一儲層不同井位的頁巖氣儲層地質(zhì)參數(shù)通常只能統(tǒng)計出區(qū)間值,難以確定具有代表性的精確值,必須建立基于地質(zhì)參數(shù)為區(qū)間數(shù)的區(qū)塊評價和優(yōu)選方法。

(2)建立了頁巖氣資源勘探開發(fā)潛力優(yōu)選評價體系,通過層次分析法結(jié)合熵權(quán)法,將專家意見和數(shù)據(jù)本身的客觀規(guī)律結(jié)合起來,修正單一方法確定權(quán)重的片面性,得到7個主要指標的組合權(quán)重值分別為0.373,0.070,0.165,0.065,0.145,0.081,0.101。由此得出,在頁巖氣勘探開發(fā)指標體系中,各地質(zhì)參數(shù)的重要性依次為有效厚度、熱成熟度、脆性礦物含量、含氣量、孔隙度、有機質(zhì)豐度、埋深。

(3)針對頁巖氣藏儲層地質(zhì)參數(shù)存在的不確定性和復雜性,基于灰色系統(tǒng)理論,建立多指標灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選模型,對評價指標值為區(qū)間范圍的復雜地質(zhì)參數(shù)特征的研究區(qū)的勘探開發(fā)潛力進行優(yōu)選排序。排序結(jié)果區(qū)塊2為最優(yōu)區(qū)塊,區(qū)塊2＞區(qū)塊1＞區(qū)塊5＞區(qū)塊4＞區(qū)塊3,與實際情況相符,說明區(qū)間數(shù)的灰關(guān)聯(lián)度分析方法具有較強的實用性,可對具有復雜地質(zhì)參數(shù)特征的評價值為區(qū)間數(shù)的頁巖氣目標區(qū)塊進行系統(tǒng)的定量評價和優(yōu)選排序。

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Grey correlation optimization for shale gas exploration and development areas of complicated geological parameter features

LIANG Bing1,DAI Yuan-yuan1,CHEN Tian-yu2,SUN Wei-ji1,QIN Bing1
(1.School of Mechanics and Engineering Sciences,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110004,China)

Took 5 shale gas test areas in Nanxiang Basin,western Hubei,Hunan-eastern Chongqing and other regions as the research objects,on the basis of systematic analysis of different parameters impactd on enrichment degree of shale gas,and shale gas exploration and development optimization evaluation system was established.Applying analytic hierarchy process(AHP)and entropy weight method to determine the combination weight vector.In the index system of shale gas exploration and development,the geological parameters order of importance is as follow:effective thinkness, buried,content of brittle mineral,gas content,porosity,organic matter abundance,depth.For the uncertainty and complexity of shale gas reservoir geologic parameter,based on the grey system theory,establishment of multi-objective gray relational optimization model,the exploration and development potential of research areas which evaluation indexes is interval number can be optimized and ranked.The evaluation results are in good agreement with the actual development information,which indicates the shale gas development potential grey correlation optimization model based on combination weight for recoverability evaluation of shale gas target areas is feasible.

shale gas;exploration and development areas;combinational weight;interval;grey correlation

P618.13

A

0253－9993(2014)03－0524－07

梁 冰,代媛媛,陳天宇,等.復雜地質(zhì)條件頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)選[J].煤炭學報,2014,39(3):524－530.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0391

Liang Bing,Dai Yuanyuan,Chen Tianyu,et al.Grey correlation optimization for shale gas exploration and development areas of complicated geological parameter features[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):524－530.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0391

2013－03－29 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項基金資助項目(2011ZX05040－005)

梁 冰(1962—),女,遼寧大洼人,教授,博士生導師,博士。Tel:0418－3351517,E－mail:lbwqx@163.com