張勇昌，楊永國

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型及實(shí)證研究

張勇昌1，2，楊永國1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤層氣開發(fā)項(xiàng)目的高風(fēng)險(xiǎn)制約著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為此，通過對煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素的分析，構(gòu)建由7個一級指標(biāo)和36個二級指標(biāo)構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。提出基于期望值的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣的方法，對煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵因素進(jìn)行數(shù)量上的表述，估計(jì)其權(quán)重的相對大小，并確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬度，建立煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型。最后，以沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣井為例驗(yàn)證模型的可行性和可靠性。結(jié)果表明，影響煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵因素風(fēng)險(xiǎn)由高到底依次為：地質(zhì)資源、工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營、政策法規(guī)、安全保障、組織管理和社會環(huán)境；煤儲層的非均質(zhì)性及開發(fā)地質(zhì)條件的不確定性是造成地質(zhì)資源風(fēng)險(xiǎn)偏高的主要原因，但此類風(fēng)險(xiǎn)無法直接控制，建議通過提高排采技術(shù)來盡量減弱其造成的風(fēng)險(xiǎn)。

煤層氣；三角模糊數(shù)；互補(bǔ)判斷矩陣；風(fēng)險(xiǎn)因素；評價(jià)模型

煤層氣開發(fā)是一項(xiàng)多工種的系統(tǒng)工程，其高投入，高風(fēng)險(xiǎn)，周期長的特點(diǎn)，使得對煤層氣項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)顯得非常重要[1]。分析國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前有關(guān)煤層氣風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)方面的問題比較突出。首先，影響煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素定性指標(biāo)較多，而且評價(jià)指標(biāo)在項(xiàng)目開發(fā)過程中的實(shí)時變化情況無法具體量化。其次，同一層次的評價(jià)指標(biāo)之間由于不易判斷其重要程度，很難給出相對權(quán)重。再次，估計(jì)評價(jià)指標(biāo)各自的真正原始值很困難，一般都是定性的評價(jià)研究。為避免傳統(tǒng)評價(jià)方法對不確定因素定量分析誤差過大的不足，結(jié)合模糊數(shù)方法，提出基于期望值的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣的方法，對煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面、定量化地分析。

三角模糊數(shù)能更好地反映主觀判斷的模糊性，克服層次分析法的局限性[2]。荷蘭學(xué)者Van Laargoven于1983年首次提出用三角模糊數(shù)確定指標(biāo)權(quán)重排序的計(jì)算方法[3]。運(yùn)用三角模糊數(shù)的綜合評價(jià)方法分析影響煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的眾多因素，將專家用自然語言對煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)做出的模糊評價(jià)數(shù)字化，并對其評價(jià)因素的權(quán)重做出估計(jì)，很好地解決了模糊信息的處理和計(jì)算問題[4]。

1　煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的首要問題是建立合適的評價(jià)指標(biāo)體系。理論上講與煤層氣生產(chǎn)運(yùn)營有關(guān)的任何因素都可能引起煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，但不是所有風(fēng)險(xiǎn)因素都會造成顯著影響。指標(biāo)體系的選擇原則是：單個指標(biāo)的代表性、指標(biāo)體系整體構(gòu)造的合理性和指標(biāo)的可驗(yàn)證性[5]。根據(jù)此原則，從項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)源的角度按照外部風(fēng)險(xiǎn)和內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)初步歸納出五類主要風(fēng)險(xiǎn)因素。外部風(fēng)險(xiǎn)主要包括地質(zhì)資源、政策法規(guī)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素屬于不可控因素[6]，內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)包括工程技術(shù)、組織管理、安全保障、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營，這類風(fēng)險(xiǎn)因素所包含的變量屬于可控變量。

地質(zhì)資源風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)資源因素對煤層氣開發(fā)起著決定作用。儲層構(gòu)造、孔隙度、煤層厚度、煤層深度及水文地質(zhì)條件決定了煤層氣的含氣量、采收率及滲透率，直接影響煤層氣開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

工程技術(shù)因素，煤層氣排采工程技術(shù)因素是影響煤層氣井產(chǎn)能最直接的因素。煤層氣井采用的鉆井、完井技術(shù)，壓裂工藝直接影響煤層氣的產(chǎn)量[8]。排采制度的不合理常造成儲層應(yīng)力敏感性傷害，導(dǎo)致作用在煤儲層上的有效應(yīng)力增大，使割理、微裂隙和孔隙壓縮，滲透率降低[9]。排采技術(shù)落后，開采設(shè)備陳舊，都將導(dǎo)致煤層氣生產(chǎn)效率低下，安全事故頻發(fā)。另外，煤層氣價(jià)格過低、經(jīng)銷商選擇不當(dāng)都可能使得煤層氣開發(fā)投資收益低于預(yù)期。

組織管理風(fēng)險(xiǎn)，組織管理是企業(yè)組織經(jīng)營的核心。組織方式?jīng)Q定企業(yè)發(fā)展命運(yùn)，組織管理結(jié)構(gòu)性不足可能給煤層氣開發(fā)企業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)[10]。

安全保障因素，煤層氣開發(fā)過程涉及內(nèi)容廣，環(huán)節(jié)多，作業(yè)程序復(fù)雜，安全監(jiān)管跨度大，安全保障是貫穿煤層氣開發(fā)全過程的關(guān)鍵因素，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能造成煤層氣開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

政策法規(guī)風(fēng)險(xiǎn)，國家對資源稅征收的調(diào)整將直接影響煤層氣開發(fā)企業(yè)的利潤，并且隨著我國環(huán)保力度的加大，以及對風(fēng)能、太陽能等新能源開發(fā)的扶持，勢必會影響煤層氣的供需關(guān)系，另外宏觀經(jīng)濟(jì)不景氣也會給煤層氣企業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)[12]。

綜合上述分析，借鑒天然氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系[13-14]，結(jié)合煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)特征，在企業(yè)問卷調(diào)查結(jié)果的分析基礎(chǔ)上，建立包含7個一級指標(biāo)和36個二級指標(biāo)的煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1　煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

2　煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)三角模糊數(shù)評價(jià)

在煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素專家調(diào)查分析中，采用帶語言變量的評價(jià)值來度量指標(biāo)性能，如：使用“一般”，“好”，“很好”等詞語，而這些語言評價(jià)值取值于事先定義的語言值評價(jià)集合，沒有明顯的界限劃分，僅限于定性分析。本文運(yùn)用三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣排序法將模糊不確定的語言變量轉(zhuǎn)化為確定數(shù)值的定量評價(jià)。

2.1三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣

確定評語等級論域，建立評價(jià)集。

2.2三角模糊數(shù)互補(bǔ)評判及定權(quán)

(1)

(2)

第三步，求歸一化的指標(biāo)排序權(quán)重向量Wi，見式(3)。

(3)

2.3煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型

模糊綜合評判的結(jié)果是獲得表示評價(jià)體系中各級模糊子集隸屬程度的模糊向量。為進(jìn)一步量化風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果，便于劃分風(fēng)險(xiǎn)等級，用標(biāo)準(zhǔn)化的不同數(shù)值區(qū)間來表示評價(jià)集中的風(fēng)險(xiǎn)等級，用區(qū)間中位數(shù)表征其所代表的風(fēng)險(xiǎn)大小，從而得到風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的具體數(shù)值。煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，見式(4)。

(4)

式(4)中C為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級中位數(shù)向量，由風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級量化表獲得，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級量化表如表2所示。B′為模糊綜合評價(jià)向量，見式(5)。

(5)

B′是B由(5)式歸一化的結(jié)果。

3　煤層氣開發(fā)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)實(shí)例

以沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊8口煤層氣井為例，對其進(jìn)行開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評價(jià)，以驗(yàn)證模型的可行性和可靠性。沁水盆地南部地區(qū)自2004年起開始大規(guī)模開發(fā)以來，該氣田積累了大量的煤層氣井早期生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料。柿莊南區(qū)塊位于山西省東南部，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層底板起伏幅度小，煤層傾角小，割理較發(fā)育，對應(yīng)力較敏感。水文地質(zhì)條件簡單，含水層層間水力聯(lián)系不強(qiáng)，富水性弱。具體數(shù)據(jù)見表3。

表2　風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級量化表

表3　柿莊南區(qū)塊煤層氣井測試數(shù)據(jù)

3.1模糊綜合評價(jià)基本步驟

根據(jù)煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)要求，對表1所示的各因素指標(biāo)由煤層氣風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)專家組進(jìn)行權(quán)重分析。據(jù)專家對影響煤層氣開發(fā)的各風(fēng)險(xiǎn)因素重要性進(jìn)行判斷，得到其判斷矩陣。

建立評價(jià)指標(biāo)在專家評語集中的得分比重向量。設(shè)U為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)集，Ui為一級指標(biāo)，Uij為二級指標(biāo)，m為專家有效問卷數(shù)，yijn為對二級指標(biāo)Uij作出第n級評語的專家人數(shù)，rijn為二級指標(biāo)在專家評語集5集評語中的得分比重。則

(6)

據(jù)此構(gòu)造包含k個二級指標(biāo)的單因素評判矩陣Ri，見式(7)。

(7)

式中，Ri的第j行是二級指標(biāo)Uij對于評價(jià)集中各等級的隸屬程度，第n列是Ui中Uij分別取評價(jià)集中第n個等級的程度。

向量Bi，見式(8)。

(8)

Wi為二級指標(biāo)的權(quán)重集。

同理得到一級指標(biāo)模糊綜合評價(jià)向量B。

返回(5)式求出B′，再代入(4)式求得E。

3.2三角模糊綜合評價(jià)計(jì)算

表4　判斷矩陣標(biāo)度量表及含義

利用式(6)、式(7)構(gòu)建一級指標(biāo)地質(zhì)資源的單因素專家評判矩陣R1。

代入(8)式得

同理可得其他各一級指標(biāo)中二級指標(biāo)的模糊評價(jià)結(jié)果。

運(yùn)用式(5)對二級指標(biāo)模糊評價(jià)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，再代入式(4)，即可得到二級指標(biāo)對應(yīng)的一級指標(biāo)地質(zhì)資源的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)值為0.61。同理可得其它各一級指標(biāo)所屬二級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)值。

根據(jù)多級模糊綜合評價(jià)規(guī)則，一級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)可由二級指標(biāo)的模糊綜合評價(jià)結(jié)果計(jì)算獲得，一級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度即為二級指標(biāo)的模糊綜合評價(jià)結(jié)果。據(jù)此綜合得到一級指標(biāo)的系數(shù)評價(jià)矩陣：w=(0.158，0.165，0.135，0.139，0.126，0.159，0.116)。

對一級指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評價(jià)運(yùn)算：B=w*R=(0.113，0.251，0.361，0.286，0.069)。將B標(biāo)準(zhǔn)后，引入本文中位數(shù)向量得到最終評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)值：E=CB′=0.521。

對照風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級量化表，可以判斷E值介于0.4～0.6之間，該煤層氣開發(fā)項(xiàng)目評價(jià)等級屬于一般風(fēng)險(xiǎn)。同理分析得其它煤層氣井風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級，對應(yīng)本文設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)等級量化表，可得評價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1　柿莊南區(qū)塊8口煤層氣井風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級

3.3結(jié)果分析

利用本文所建立的煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊8口煤層氣井進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)果顯示，研究區(qū)塊煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等級基本為一般，只有SJ3號井開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較高，分析其原因主要是由于水文地質(zhì)條件影響的結(jié)果。SJ3井處于徑流水區(qū)，水流引起的煤層壓力變化較大，煤層氣解吸量大，使得大部分煤層氣甲烷逸散，造成此煤層氣井不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)量產(chǎn)。

再對評價(jià)的各一級指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在煤層氣開發(fā)過程中，其風(fēng)險(xiǎn)影響關(guān)鍵因素是地質(zhì)資源因素。由于我國煤儲層的非均質(zhì)性強(qiáng)，且存在低壓、低滲、低飽和度的問題[15]，開發(fā)地質(zhì)條件復(fù)雜、開發(fā)過程易遭受高溫和高壓等不穩(wěn)定因素影響，造成煤層氣開發(fā)過程中地質(zhì)資源風(fēng)險(xiǎn)因素的影響最大。其次為工程技術(shù)因素，如煤層氣項(xiàng)目開采過程中壓裂效果不佳、排采制度不合理、排采技術(shù)落后、設(shè)備不足等。其它各風(fēng)險(xiǎn)因素的影響基本相當(dāng)，依次為經(jīng)濟(jì)運(yùn)營、政策法規(guī)、安全保障、組織管理和社會環(huán)境。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，單個因素的影響在某一煤層氣開發(fā)項(xiàng)目中所起的作用可能是至關(guān)重要的，但對多數(shù)煤層氣項(xiàng)目而言，煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)取決于各類主要控制因素的綜合影響。在對煤層氣開發(fā)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)時應(yīng)綜合考慮各風(fēng)險(xiǎn)影響因素的作用，才能得出科學(xué)有效的結(jié)論。同樣在風(fēng)險(xiǎn)防控時，要在抓住關(guān)鍵影響因素的基礎(chǔ)上，綜合分析各個風(fēng)險(xiǎn)影響因素的相互作用，制定切實(shí)有效的防控策略。

4　結(jié)　論

1)對影響煤層氣開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，構(gòu)建由7個一級指標(biāo)，36個二級指標(biāo)組成的煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。

2)運(yùn)用基于三角模糊數(shù)互補(bǔ)矩陣的權(quán)重計(jì)算

方法，得出具有全面性和可驗(yàn)證性的權(quán)重值，有效解決了AHP主觀隨意性和一致性驗(yàn)證的問題，使得評價(jià)計(jì)算結(jié)果更為合理可靠。

3)對煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行定性和定量的分析，據(jù)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果得到關(guān)鍵因素影響權(quán)重大小。構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，形成風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，為煤層氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和防控提供科學(xué)依據(jù)。

4)通過選取煤層氣開發(fā)井對評價(jià)模型進(jìn)行實(shí)證研究，驗(yàn)證模型的可行性及可靠性。模型能綜合的對煤層氣開發(fā)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，對煤層氣開發(fā)項(xiàng)目的科學(xué)實(shí)施具有一定的實(shí)際價(jià)值。

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Risk evaluation model and empirical research for CBM development

ZHANG Yong-chang1，2，YANG Yong-guo1

(1.Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir Formation Process of Ministry of Education，School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China)

The high risk of CBM development project restricts the development of CBM industry in China.Therefore，based on the analysis of main risk factor for the CBM development，we established the index system for CBM development risk evaluation.The index system consists of 7 level indicators and 36 secondary indicators.Considering to the disadvantages of determining factor weight by traditional analytic hierarchy process，the method of determining risk factors weight based on triangular fuzzy numbers is proposed by fuzzy mathematics.The memberships of qualitative and quantitative risk factors are determined.The risk evaluation model for CBM development project is established.A case study using the CBM well data observed from Qinshui basin verifies the applicability of the proposed model.The results indicate that the value for the risk factors of CBM project ranked in descending order：geological resource；technical；economic；political and legal；security；organizational and managerial；social environment.The main reason of the high risk of geological resources is caused by the heterogeneity of coal reservoir and the uncertainty of geological conditions，but such risks can not directly control，it is recommended by improving the drainage technology to try to reduce the risk caused by the geological resources.

coalbed methane(CBM)；triangular fuzzy number；reciprocal judgment matrix；risk factor；evaluation model

2015-12-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：41202236;41402291);國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目資助(編號：2011ZX05034-005);江蘇省高級訪問學(xué)者項(xiàng)目資助(編號：201414)

張勇昌(1980-),男,甘肅天水人,副教授,博士研究生, 主要從事煤層氣方面的研究工作。E-mail:yczhang2008@163.com。

楊永國(1962-),男,浙江新昌人,教授,博士生導(dǎo)師, 主要從事煤層氣方面的研究工作。E-mail:ygyang88@cumt.edu.cn。

TE27

A

1004-4051(2016)08-064-05