熊德明，張明峰，吳陳君，妥進才

1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000 2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049

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基于模糊層次分析方法的泥質有效低熟氣源巖評價

熊德明1，2，張明峰1，吳陳君1，2，妥進才1

1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000 2.中國科學院大學地球科學學院，北京 100049

在特定地質背景下，低熟氣可以聚集成藏。由于沉積盆地的古環(huán)境、母質類型及有機質演化程度的不同，僅以低熟氣源巖物理化學性質為側重點的烴源巖評價方法很難對不同沉積盆地中的烴源巖的生烴潛力進行相對優(yōu)劣排序。因此，為了快速有效評價低熟氣源巖的生烴潛力，分析了w(TOC)、IH、w(“A”)等10個因素對氣源巖生氣能力的影響，建立有效低熟氣源巖評價指標體系。并運用層次分析法和模糊數(shù)學，建立低熟氣源巖生烴潛力評價模型。應用此模型對烏連戈伊氣田進行了生烴潛力評價，評價結果表明：Achimov氣藏、Bazhenov氣藏、Vasyugan氣藏、Pokur氣藏烴源巖是低熟氣源巖；Neocomian氣藏和Tyumen氣藏烴源巖介于低熟氣源巖和常規(guī)氣源巖之間；Tampey氣藏烴源巖屬于常規(guī)氣源巖。這與Galimov所得結論是完全吻合的，說明模型的評價結果是可靠的，可以實現(xiàn)低熟氣源巖的綜合評價，值得推廣應用。

低熟氣；模糊層次分析方法；有效低熟氣源巖；低熟氣源巖影響因素；氣源巖評價模型;烏連戈伊氣田

0 前言

低熟氣的概念是在生物-熱催化過渡帶氣[1]和早期熱成因天然氣(early thermogenic)[2]概念基礎上演變而來的，是一種新的天然氣成因類型[3-5]。這類氣體的埋深一般在1 000～2 500 m，其氣體組分特征C1/∑C1-5值一般為0.7～0.9，甲烷碳同位素組成為-55‰～-46‰，烴源巖Ro值為0.4%～0.9%[4]。低熟氣是腐殖型有機質在熱演化程度不高的情況下形成的天然氣[1-2, 6-8]，組分以甲烷為主，比生物氣重，含有一定量C2--C4的重烴和非烴類氣體，并常與輕質油或凝析油伴生[9-11]。自從王萬春等[1]和Galimov[2]提出低熟氣概念后，國內外的許多學者都對低熟氣的物理化學性質進行了大量的研究。但是常規(guī)烴源巖評價方法主要側重于氣源巖物理化學性質，很難區(qū)分烴源巖生烴潛力的優(yōu)劣。那么一個重要的問題就擺在人們面前：如何快速有效評價低熟氣源巖的生烴潛力？其主要的影響因素有哪些？采用什么方法進行評價？筆者通過大量的調研對此進行了論述和探討。

1 低熟氣的概念及特征

低熟氣概念是從天然氣的實際勘探中提出的。在“七五”期間，王萬春等[1]在研究遼河、蘇北盆地淺層天然氣時，提出生物-熱催化過渡帶氣概念。在相互獨立研究的情況下，Galimov[2]認為西伯利亞烏連戈伊等巨型氣田不是生物氣而是早期熱成因天然氣。這些認識都強調了有機質在低演化階段，可以形成工業(yè)性的氣田，甚至超級大氣田。自從低熟氣概念提出以后，國內外一些學者或機構[1-3,8-19]陸續(xù)給出了一些低熟氣的判識指標，不同機構不同時期給出的指標會有一些區(qū)別，但總體變化不大，如表1。

表1 國內外低熟氣的判識主要指標

注：Ro為成熟度。

2 低熟有效氣源巖評價方法

有效氣源巖是指在適當?shù)臒岢墒鞐l件下能生成足夠量的氣態(tài)烴類，使巖石的孔隙和表面充分飽和，并能排出氣態(tài)烴類使之形成氣藏的沉積巖，主要有碳酸鹽巖和泥質氣源巖兩種。目前有效氣源巖評價方法并不多，主要有生烴熱模擬實驗[20-23]、圖版法[24-25]、動力學模擬實驗[26-31]、環(huán)境掃描電鏡可視化生氣動態(tài)模擬實驗[32]以及在這些實驗基礎上建立的評價標準[22,26-31,33-36]；然而，低熟有效氣源巖的評價方法非常少，仍處在起步階段，還沒有相應的方法或標準來評價低熟氣源巖。本次通過大量的調研和分析，借鑒陳建平等[27]提出的煤系烴源巖評價指標，建立低熟有效氣源巖評價指標體系，然后通過模糊層次分析方法進行評價。

2.1 模糊綜合評判模型的建立

影響低熟氣源巖生氣能力的因素較多，且影響是整體性的。要對其定量評價，須在多種因素定量化的基礎上綜合研究這些評選參數(shù)對氣源巖有效性的影響，因此，利用模糊數(shù)學和模糊層次分析法，在評價參數(shù)量化研究的基礎上，篩選出一個適合于盆地所有氣源巖有效性的綜合分析理論和方法。

將影響烴源巖生氣能力的因素稱作評價對象。評價結果用評語集表示，記作V=(v1,v2,…,vm)。影響評價結果的所有因素(評價指標)構成的集合稱為因素集，記作U=(u1,u2,…,un)。根據(jù)第i個因素ui對事物做出的評價稱作單因素評價，記作ri=(ri1,ri2,…,rim)。將n個因素的單因素評價向量組成一個矩陣，就是評價對象的多因素評判矩陣，記作R，為了表明各評價因素對評價結果的重要程度，根據(jù)各因素的物理意義，利用層次分析法給出各因素的權重，即權重向量為A=(a1,a2,…,an)。然后通過模糊變換得到評價結果B=A?R= (b1,b2,…,bm)(?表示模糊運算)。B是V上的一個模糊子集，其中bj表示評價對象可以用評語vj來評價的程度。在實際應用中，通常取B中的最大值對應的評語集作為最終評價結果[37-39]。

2.2 權重的確定

各個因素對評價對象的影響程度是不一樣的，因而需要給評價因素賦權重。為了合理確定權重，采用匹茲堡大學著名運籌學家T.L.Saaty[37]提出的層次分析法進行分析。層次分析方法把專家意見、分析者主客觀判斷用數(shù)學方法進行量化分析，判斷因素的重要性，是一種定性定量相結合的方法。其具體步驟為：首先把問題層次化，形成一個多層次的結構模型；然后引入1～9比率標度法，構造判斷矩陣；最后通過計算判斷矩陣的最大特征根及對應的特征向量，得到各評價因素的重要性排序，歸一化后就得到某一層因素相對上一層某一個因素的權重系數(shù)。由于判斷矩陣的確定受到專家知識水平和個人偏好的影響，構造的判斷矩陣一般很難滿足一致性條件。因此為保證評價矩陣的可信度和準確性，必須進行一致性檢驗。引入一致性檢驗指標CI以及對CI進行修正的隨機一致性指標RI[39]。

3 評價指標體系

3.1 低熟氣源巖的有機質豐度

低熟氣源巖有機質豐度是指低熟氣源巖中有機質的富集程度。對于低熟氣源巖來說，最顯著的特點就是有機質豐度高、分布廣、單位產烴潛力低(產氣率)，但是豐度高，總生烴潛力大。目前，對于低熟氣源巖有機質豐度的評價尚無明確的標準，但是對煤系氣源巖的有機質豐度的評價標準認識比較一致[40]。

1)總有機碳(TOC)

在低熟氣源巖有機質豐度評價過程中，總有機碳是非常重要的參數(shù)。關于有效氣源巖總有機碳下限存在兩種觀點：一種觀點[41]認為理論下限是判斷氣源巖有效與否的唯一標準，即生氣源巖的總有機碳超過理論下限就是有效氣源巖；另一種觀點[42]強調只有達到并超過工業(yè)下限的生氣巖才可以算得上是氣源巖，即氣源巖的總有機碳存在一個工業(yè)下限值。后一種認識是在前一種觀點的基礎上，進一步考慮了氣源巖總有機碳的數(shù)量應能滿足形成有工業(yè)價值氣藏的要求。由此可見，總有機碳對氣源巖的有效性起到了決定性的作用。陳建平等[27]認為煤系泥巖的有機碳下限為w(TOC)=0.75%，若w(TOC)>3.00%，則為好烴源巖。盧雙舫等[24]認為氣源巖總有機碳下限為w(TOC)=0.50%，若w(TOC)>1.0%時，氣源巖屬于好的氣源巖。由此可知，低熟有效氣源巖的總有機碳w(TOC)值范圍為0.50%～1.00%，如表2。

表2 泥質低熟有效氣源巖評價指標體系

注：表中量符號含義見正文。

2)氫指數(shù)(IH)

氫指數(shù)是指熱解烴和有機碳含量的比值。IH越大，說明氣源巖的熱解烴所占比例越高。盧雙舫等[24]對泥質氣源巖研究后發(fā)現(xiàn)，同一個烴源巖，IH隨低熟氣源巖的評價參數(shù)成熟度(Ro)增加而減小，如圖1。因此氣源巖處于低熟階段的時候，是可以產生大量烴類物質的。

圖1 有效排氣源巖判識圖版Fig.1 Distinguishing chart of valid gas source rock

對于有效低熟氣源巖而言：當成熟度Ro=0.5%時，IH>530 mg/g；當成熟度Ro=0.8%時，IH>460 mg/g；當成熟度Ro=1.0%時，IH>270 mg/g。對于低熟氣源巖(Ro=0.40%～0.90%)，IH值的范圍是270～460 mg/g，如表2。

3)生烴勢(生烴潛力，w(S1+S2))

生烴潛力是衡量源巖有機質豐度和其生烴能力最實際的指標。不同的學者提出的生烴潛力的界定是不一樣的。陳建平等[27]認為煤系泥巖的生烴潛力為0.5～6.0 mg/g。王東良等[43]認為煤系源巖和湖相泥巖的生烴潛力值差不多。秦建中等[44]認為，與生油巖的排油相比，煤系烴源巖更容易排氣。但是，他們都認為氣源巖生烴潛力下限大于0.5 mg/g。

由王東良等[43]的低熟煤系泥巖和炭質泥巖生烴潛力評價標準可知，當氣源巖處于低熟階段的時候，有效氣源巖的生烴潛力w(S1+S2)值為0.5 ～20.0 mg/g，如表2。

4)氯仿瀝青“A”和總烴(HC)

氯仿瀝青“A”和w(HC)反映烴源巖的液態(tài)烴的生成能力(它們代表飽和烴和芳香烴)。通常情況下，在烴類氣的生成過程中，必然會伴生一定的液態(tài)烴[20]，因此，對于低熟氣有機質豐度的研究必須考慮這兩個參數(shù)影響。但是，煤系烴源巖是腐殖型有機質，主要生成氣態(tài)烴，形成液態(tài)烴的能力差；因而低熟煤系泥巖和炭質泥巖的w(“A”)值和w(HC)值相對較低(與湖相泥巖相比)[43]，即在具備同等生烴潛量的條件下，煤系源巖中可溶有機質含量偏低；另外，低熟氣源巖熱演化程度低也會導致其可溶有機質含量偏低。陳建平等[27]認為煤系泥巖的w(“A”)為0.015%～0.060%，w(HC)值為50×10-6～300×10-6。由王東良等[43]的低熟煤系泥巖和炭質泥巖生烴潛力評價標準可知，當氣源巖處于低熟階段的時候，有效氣源巖的w(“A”)為0.015%～0.150%，w(HC)值為150×10-6～350×10-6，如表2。

3.2 低熟氣源巖的形成機制

低熟氣源巖形成機制是指影響低熟氣形成的主要因素，主要包括有機質成熟度、埋藏深度、地層溫度、產氣率等。從前人成果來看，低熟氣源巖的產氣量并不是隨著成熟度、埋藏深度、溫度等參數(shù)值的增加而增加的，而是存在一個最大產氣點，因此低熟氣源巖有效性評價不僅要考慮有機質豐度的影響，還要考慮氣源巖形成機制的影響。

1)成熟度(Ro)

成熟度是評價低熟氣源巖的重要參數(shù)。從20世紀70年代起，王萬春等[1]和Galimov[2]認為有機質在低演化階段可以形成工業(yè)性的氣田，甚至超級大氣田。自此，國內外學者或機構[1-3,8-19]做了大量的研究，他們認為低熟氣源巖的成熟度Ro=0.40%～0.90%。并且低熟氣源巖的單位產氣量隨Ro值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，如圖2。從圖2可以看出，當Ro為0.67%時產氣量最大。從而可知,成熟度Ro>0.40%時，氣源巖為低熟有效氣源巖。

CH4(H).腐殖型干酪根的甲烷產生率；CH4(S).腐泥型干酪根的甲烷產生率。為單位時間內甲烷產氣率。據(jù)文獻[12]修改。圖2 低熟氣源巖生氣能力曲線圖Fig.2 Gas generating capacity of low-mature gas source rock

2)烴源巖厚度(l)

烴源巖厚度是有效氣源巖評價非常重要的參數(shù)。在其他條件相同的情況下，烴源巖厚度越大，生烴持續(xù)時間越長[45]。從w(TOC)與烴源巖厚度的關系圖[33]可知，隨著烴源巖厚度的增加，烴源巖生烴所需總有機碳下限值(w(TOC)min)在減少(參見文獻[33]圖4-1)。因此，在氣源巖一定的情況下，烴源巖厚度越大，生烴潛力越大。從塔里木石炭系烴源巖生烴過程的評價標準[45]可知，烴源巖厚度大于100 m就是有效烴源巖。與石炭系烴源巖相比，單位體積的泥質氣源巖含有更多的有機質，有效氣源巖的厚度可適當降低為小于100 m，初步確定為50 m，如表2。

3)烴源巖埋藏深度(h)

烴源巖埋藏深度也是有效氣源巖評價非常重要的參數(shù)。埋藏深度越深，生烴率越高[46]，烴源巖生烴量和排烴量越大[47]，有機質轉化為油氣的比例越高，烴源巖生烴量也就越大。

一般情況下，成熟規(guī)模性天然氣藏形成的地層深度為2 500 m以上[48]。從國內外低熟氣氣藏的實際資料可知，低熟氣形成的地層深度一般為1 000～2 500 m，如烏連戈伊氣田波庫爾組的地層深度為700～2 200m，遼河和蘇北氣田深度1 000～2 000 m，吐哈盆地為1 084～2 000 m。因此，低熟有效氣源巖的埋深為1 000～ 2 500 m，如表2。

4)烴源巖地層溫度(t)

據(jù)文獻[33]修改。圖3 各生氣階段甲烷生成強度模式圖Fig.3 Effective methane yield in different gas generating stage

根據(jù)經典成油理論，天然氣形成存在多階性。當溫度小于50 ℃時，以生物氣為主；當溫度在50～100 ℃時，基本沒有甲烷生成；當溫度在100～150 ℃時，是熱成因氣的主要生成階段(參見文獻[33]圖4-1)。但是，Galimov[2]認為腐殖型有機質在較低溫度下(t=50～100 ℃)也可以生成大量甲烷氣，如圖3。Rainer G. Schaefer等[49]通過生烴模擬實驗和全盆地模擬證實有機質在低溫階段可以生成天然氣，并認為烏連戈伊氣田的天然氣就是低熟氣。他們認為低熟氣的產氣高峰的溫度為80～130 ℃。而R. Littke等[50]對北西伯利亞盆地低熟氣樣品進行了開放式熱模擬實驗，證實波庫爾(Pokur)組產氣溫度不超過100 ℃。由此說明腐殖型干酪根在低溫階段可以形成天然氣，它的產氣溫度區(qū)間為50～130 ℃，見表2。

5)產氣率(Q氣)

IH=400 mg/g。據(jù)文獻[24]修改。圖4 泥巖產氣率Q氣與埋藏深度h的關系曲線Fig.4 Relationship between production rate and burial depth of the argillaceous rocks

產氣率即氣源巖的生氣能力。通常采用干酪根的氣產率指數(shù)來計算氣源巖的產氣能力；也有學者[51]利用干酪根H/C比和基于溶解理論的生烴、排烴模型[52]確定了干酪根生氣能力。多數(shù)學者采用實驗方法來確定氣源巖的產氣率。比如：蔣少斌和宋澤元[20]對準噶爾盆地的未熟-低熟氣源巖做了實驗，從實驗結果看累計產氣率為10～60 mL/g；謝增業(yè)等[31]對不同類型的氣源巖進行了全盆地模擬，發(fā)現(xiàn)煤系泥巖或炭質泥巖產氣率為0.11～7.28 mL/g；盧雙舫等[24]對塔里木泥質氣源巖研究后發(fā)現(xiàn)，有效泥質氣源巖(w(TOC)=0.5%～1.0%)的產氣率為1.80～4.00 mL/g，如圖4。Rainer G. Schaefer等[49]通過生烴模擬實驗和全盆地模擬證實烏連戈伊氣源巖產氣率為0.08～1.40 mg/g。

有效氣源巖即熱解氣量大于巖石最大吸附氣量。M Whiticar[53]認為泥巖的最大吸附氣量為0.15 mL/g。李劍等[28]通過大量實驗發(fā)現(xiàn)泥巖的最大吸附量變化范圍為0.12～0.15 mL/g。因此，烴源巖的產氣率必須大于吸附氣量，即大于0.15 mL/g。從而可以獲得低熟有效氣源巖產氣率范圍為0.15～4.00 mL/g(表2)。

3.3 低熟有效氣源巖評價指標體系及權重

通過對影響低熟氣源巖生氣能力的分析和研究，筆者提取了10個指標進行評價，這10個指標的性質對目標氣源巖的生氣能力起著決定性作用，其中有機質豐度、形成機制分別有5個評價指標。在量化目標氣烴源巖過程中，參考前人所建立的標準[22,26-31,33-35]進行指標量化。從而建立氣源巖生氣能力評價指標體系，如表3。

關于目標氣源巖參數(shù)的權重，需要確定反映同一氣源巖不同參數(shù)的相對重要性的權重。本次采用層次分析法來確定權重。各個參數(shù)的權重如表3。最后通過模糊變換得到評價結果。

4 實例應用

西西伯利亞盆地是全球最大的陸相沉積盆地，盆地面積為3.4×106km2，盆地的天然氣可采儲量為(40～50)×1012m3，相當于世界上1/3的天然氣儲量。在這些氣田中，包含了很多超大型或巨型氣藏，烏連戈伊氣田就是其中最大的一個。西西伯利亞的大量天然氣(約65%)主要儲存在塞諾曼階油藏的淺層中(800～ 1 200 m)。Galimov等[2]認為該地區(qū)天然氣是早期熱成因天然氣，主要來源于阿普第階--塞諾曼階氣藏的波庫爾組。本次研究選用了俄羅斯西西伯利亞盆地烏連戈伊氣田的7個比較重要的低熟氣藏(早期熱成因氣藏)進行評價[50-51]，其目的是想驗證方法的可靠性和實用性。

根據(jù)表3所列的10個評價指標重要性，確定各個評價指標因素的權重，其次確定各個評價因素的隸屬函數(shù)，從而得出各個因素的隸屬度；再次選取合適的計算模型，作模糊變換；最后采用VB語言計算評價結果，如表5。

表3 泥質低熟有效氣源巖評價主要指標權重

表4 烏連戈伊氣田有效低熟氣源巖參數(shù)

表5 烏連戈伊氣田各氣藏烴源巖評價結果

根據(jù)最大隸屬度原則， 可得出：Achimov氣藏、Bazhenov氣藏、Vasyugan氣藏的烴源巖是低熟氣源巖；Pokur氣藏烴源巖采用較小參數(shù)值時屬于非氣源巖，采用較大參數(shù)值時屬于低熟氣源巖；Neocomian氣藏和Tyumen氣藏烴源巖采用較小參數(shù)值時屬于低熟氣源巖，采用較大參數(shù)值時屬于常規(guī)氣源巖；Tampey氣藏烴源巖屬于常規(guī)氣源巖。這一結果和Galimov所得結論是完全吻合的，說明采用該方法來評價低熟氣源巖是可行的。

5 結論

近年來，低熟氣的研究和勘探成為當前油氣地學的熱點之一；但是目前還沒有一種方法可以快速有效評價低熟氣源巖，本次通過分析影響低熟氣源巖的各種因素，建立低熟有效氣源巖評價指標體系，并運用VB語言進行計算，由此得出如下結論：

1)確定了影響低熟氣源巖生氣能力的主控因素及其取值范圍。

2)運用層次分析法確定了w(TOC)、IH等10個因素的權重系數(shù)。

3)運用模糊數(shù)學對各種影響因素的進行了數(shù)字化處理，并建立了模糊評價模型。

4)從烏連戈伊氣田評價結果來看，Achimov，Bazhenov，Vasyugan，Pokur的烴源巖屬于低熟氣源巖；Neocomian和Tyumen烴源巖介于低熟氣源巖和常規(guī)氣源巖之間；Tampey烴源巖屬于常規(guī)氣源巖。這Galimov所得結論是完全吻合的，該方法具有一定的普適性。

5)在低熟氣源巖評價過程中，可以根據(jù)實際的計算情況對各個參數(shù)的權重進行調整，以適應低熟氣源巖實際情況。但是，在調整過程中不能采用簡單歸一化來處理，必須對整體權重進行一個調整，以減少因參數(shù)不全所導致的誤差。

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Evaluation Method of Terrestrial Low-Mature Gas Source Rocks by Fuzzy AHP

Xiong Deming1,2, Zhang Mingfeng1, Wu Chenjun1,2,Tuo Jincai1

1.GansuProvincialKeyLaboratoryofPetroleumResources;KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences;Lanzhou730000,China2.CollegeofEarthScience,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Under certain geological conditions, low-mature gas can accumulate to a gas reservoir. In the past, the evaluation of terrestrial low-mature gas source rock was only focused on the study of the physical and chemical properties. Due to the limitation of the current exploration and analyzing techniques, it is difficult to objectively evaluate the potential of the low-mature gas source rocks and their relative merits as source rocks. After reviewing the current research status of terrestrial low-mature gas source rocks, we build a new evaluation index system through analyzing 10 influencing factors and the range of each parameter. Based on the above, we build a new evaluation model for the terrestrial low-mature gas source rock by fuzzy analytic hierarchy process(AHP). With this new evaluation model, we can avoid the paradox in the evaluation of the low-mature gas source rocks and the blindness of selecting parameters; also we can improve the evaluation efficiency. The evaluation results agree with the analysis in Urengoy gas field. Based on the evaluation, the source rocks of Achimov, Bazhenov, Vasyugan, and Pokur are low-mature; Neocomian’s and Tyumen’s are in between of low-mature and mature; while Tampey’s is mature. The method is provedto be practical and reliable in application.

low-mature gases; fuzzy analytic hierarchy process; low-mature gas source rocks; influence factor of gas source rocks; evaluation model of gas source rocks；Urengoy gas field

10.13278/j.cnki.jjuese.201506106.

2015-01-05

中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-EW-104);中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3-12)

熊德明(1984--)，男，博士研究生，主要從事天然氣地質和油氣地球化學研究，E-mail:xiongdeming2004@126.com

妥進才(1962--)，男，研究員，博士生導師，主要從事石油與天然氣地質和有機地球化學應用基礎理論研究，E-mail:jctuo@lzb.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506106

P618.13

A

熊德明，張明峰，吳陳君，等. 基于模糊層次分析方法的泥質有效低熟氣源巖評價.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(6):1620-1630.

Xiong Deming, Zhang Mingfeng, Wu Chenjun，et al.Evaluation Method of Terrestrial Low-Mature Gas Source Rocks by Fuzzy AHP.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1620-1630.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506106.