摘 要

摘　要：页岩气开发区块的优选是实施勘探开发的基础和前提，以南襄盆地、湘鄂西地区、渝东等地区的5个页岩气试验区块为研究对象，针对地质参数存在的不确定性和复杂性，采用区间数

摘　要：页岩气开发区块的优选是实施勘探开发的基础和前提，以南襄盆地、湘鄂西地区、渝东等地区的5个页岩气试验区块为研究对象，针对地质参数存在的不确定性和复杂性，采用区间数灰靶决策的方法对其开发潜力进行优选排序。系统地分析了不同参数对页岩气富集程度的作用，并选取页岩有效厚度、有机质丰度、热成熟度、埋深、脆性矿物含量、孔隙度、含气量7项指标建立了页岩气勘探开发优选评价指标体系；运用层次分析法和区间中心点距离法确定各指标的组合权重，修正单一方法确定权重对评价指标产生的影响，使权重值达到主观与客观的统一。基于灰色系统理论的方法建立的灰靶决策模型，对评价指标值为区间范围的研究区的勘探开发潜力进行了排序，初步估算了页岩气资源量。评价结果与实际勘探开发信息吻合较好，表明基于组合权重的区间数地质参数特征的页岩气勘探开发区块灰靶决策模型对页岩气区块的可采性进行评价是可行的。

关键词：页岩气  勘探  开发  区块  地质参数  灰靶决策  区间数  优选  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

我国页岩气估计可采资源量为26×10¹²m³，接近常规天然气资源储量^3[1-2]。由于其独特的成藏条件和构造演化历史，地质参数的测定难以精确量化，具有不确定性和复杂性的特征。为优选最佳区块进行勘探开发，针对页岩气区块这种多因素、评价指标为区间数的地质参数特征系统进行优选排序是页岩气勘探开发的关键技术。

国内对页岩气勘探开发区块评价的相关理论研究较少。张金川^[3]、聂海宽^[4]、董大忠^[5]、李延钧^[6]等学者曾进行相关研究，然而在进行评价时多局限于某一区块定性的勘探评价，对参数值为区间数的页岩气勘探开发选区定量评价的研究相对较少。我国页岩气勘探程度低，地质条件复杂，同一区块不同井位的页岩气储层地质参数也存在复杂的变化，参数值通常只能给出变化的评估区间值，以往利用指标参数准确值进行评价的方法在页岩气选区评价中已不再适用。笔者参考国外页岩气指标统计数据，结合我国的实际情况，选取合理的指标建立评价指标体系，通过层次分析法和区间中心点距离法确定评价指标的组合权重，建市区间数灰靶决策模型，对南襄盆地、湘鄂西与渝东等地区的5个页岩气试验区的可采性进行了量化分析，并进行优选排序。

1　页岩气勘探开发评价指标体系建立

页岩气藏是典型的自生自储型气藏川，其成藏受到许多因素的影响。结合美国页岩气成功开发建立的选区评价方法，考虑我国的实际情况，选取7个指标作为开发区块评价的主要内容。

1．1　页岩气勘探开发评价指标体系

1．1．1有效厚度

页岩需要达到一定的厚度才能提供足够的气源和储集空间。富含有机质的页岩厚度越大，页岩气的封盖能力越强^[8]，对气体的保存越有利，页岩气藏的富集程度越高。

1．1．2有机质丰度

有机质丰度表示页岩中有机质的相对含量，该参数值的高低会导致页岩中吸附气量发生数量级的变化，最终影响页岩气藏的产气率。有机质丰度值的大小与甲烷的吸附量成正相关关系^[9]。主要原因是在有机质中含有大量微孔隙结构，对气体具有较强的吸附能力。若有机质含量较低，吸附的气体量会随之减少，开采效率相对比较低。

1．1．3热成熟度

热成熟度影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的气体的数量，可以反映有机质是否已经进入热成熟生气阶段(生气窗)。因为有机质进入生气窗后，生气量剧增，有利于形成商业性页岩气藏^[10]。

1．1．4埋深

足够的埋藏深度才能够提供有机质向油气转化所必需的温度和压力。页岩气藏的埋藏深度变化范围较大，因此不是页岩气藏发育的决定因素，而是影响页岩气藏是否具有商业开发价值的因素之一。浅层开采是页岩气的开采主要方式^[11-12]，过高的埋深会加大勘探的难度和成本，页岩的埋深越浅，越易于开发。

1．1．5脆性矿物含量

页岩的矿物成分在一定程度上影响着裂缝的发育程度，从而影响页岩气的产能。页岩的矿物组成成分较复杂，除高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物以外，还混杂石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物。由于页岩储层的基质渗透率很低，需要进行压裂，产生足够的裂缝才能形成工业产能^[13]。脆性矿物含量高的页岩，具备进行储层压裂改造的条件，容易在外力的作用下形成天然裂缝和人工诱导裂缝，有利于气体的渗流，同等情况下可以采出更多的气体。

1．1．6孔隙度

孔隙是页岩气赋存的重要储集空间。通过对加拿大下侏罗统页岩的孔隙度对岩石吸附气量影响的实验发现，孔隙度由0.5％变为4.2％时，游离气量占总气量的比重由5％变为50％^[14]。孔隙度与页岩的气体总含量之间呈正相关关系，页岩的孔隙度越大，储气能力越强。

1．1．7含气量

含气量是衡量页岩气是否具有经济开采价值及评估资源潜力的关键指标。页岩气主要以游离气和吸附气的形式存在，页岩中含气量越大，储层的含气性越好。

1．2　页岩气开发区块指标遴选

按照上述选取的主要评价指标，选择南襄盆地、湘鄂西与渝东等地区的5个页岩气试验区块内具有代表性的页岩气勘探指标值，作为笔者优选排序的指标区间值，具体指标值如表l所示^[15-20]。

 

2　页岩气勘探开发评价指标权重确定

权重是表示因素重要性的相对数值。权重的确定要遵循数据本身的客观规律进行，同时又要兼顾专家的意见。笔者对权重的确定方法为：①参考专家意见，采用层次分析法计算主观权重值；②利用各评价指标的区间数指标值到其中心点的距离，通过区间中心点点距离法分析计算客观权重值；③将前两步的计算结果通过乘法合成法，形成针对指标值的组合权重。

2．1　层次分析法确定评价指标的主观权重

根据前述选取的指标体系，通过调查专家意见，并参考专家以前在页岩气选区时赋予指标不同的权重值，计算了各个指标的权重。建立指标两两判断矩阵，计算最大特征值并检验判断矩阵的一致性(表2)。验证结果表明：矩阵具有满意的一致性，层次分析法得到的指标权重为：waj＝(0.174，0.077，0.105，0.313，0.206，0.079，0.047)．

 

2．2　区间中心点距离法确定评价指标的客观权重

区间中心点距离法，是基于不同方案下，各评价指标的区间数指标值到其中心点距离的大小来反映其变异程度。经标准化计算后，区间变化范围越大的指标对综合评价的影响越大，则权重越大；反之，权重越小。即权重的大小体现了指标分辨能力的大小。

首先，确定各评价指标的中心点为：

 

其次，计算各区间数评价指标到中心点的距离(Wj)，反映各指标的变异程度。

最后，对各指标的变异系数归一化处理，计算指标权重(wj)：

 

经计算，区间中心点距离法测得各指标权重为：wbj＝(0.187，0.150，0.220，0.056，0.117，0.165，0.105)。

2．3　评价指标的组合权重

为全面反映评价指标的重要性，将层次分析法确定的主观权重与区间中心点距离法确定的客观权重相结合，确定各指标的最终权重，使权重值达到主观与客观的统一。采用乘法合成法对指标进行组合赋权，权重模型为：

 

最后将乘积进行归一化处理。经组合权重计算得到的权重值为：wj＝(0.257，0.091，0.182，0.138，0.190，0.103，0.039)。

3　页岩气勘探开发区块优选

3．1　基于评价指标区间值的灰靶决策

灰靶决策是采用灰色系统理论解决目标优选问题的主要方法。进行页岩气优选评价时，往往得到的数据非常有限，许多数据波动较大，没有典型的分布规律，因此页岩气的优选评价系统是一种灰色系统，可采用灰靶决策模型进行评价。灰靶决策的主要思想是在决策环境复杂、不确定的条件下，对指标集进行测度变换得到统一量纲的欧氏空间，即灰靶。所有决策对象都分布在灰靶上，靶心作为标准模式，通过比较灰靶中决策点与靶心点之间的距离来确定排序。对评价指标值为区间数的复杂地质参数特征的页岩气区块，灰靶决策^[21-22]步骤如下所述。

3．1．1建立决策矩阵

根据表1中的数据，建立待评价区块7个指标变化的样本矩阵。决策方案集S＝{S1，S2，…，S5}，由5个待评价区块组成；7个评价指标构成指标集A＝{a1，a2，…，a7}；方案si对指标aj的属性值为xij(V)∈[x(ij)-，x(ij)+](0≤xij≤`xij)，方案s集对指标集的决策矩阵为：

 

3．1．2指标标准化

由于选取的7个评价指标具有量纲、量级上的差异，无法直接计算，需定义区间灰数的灰色极差变换。

对效益型指标，包括有效厚度、有机质丰度、热成熟度、脆性矿物含量、孔隙度、含气量，希望待评价区块的样本值“越大越好”，采用上限效果测度，计算公式为：

 

对成本型指标，如埋深，希望样本值“越小越好”，采用下限效果测度，计算公式为：

 

x(ij)+、x(ij)-分别为7个指标区间变化范围的最大、最小值；

 

决策矩阵指标值经标准化处理后如表3所示。

 

3．1．3确定灰靶模型正、负靶心

待评价区块的实际情况与2个靶心的接近程度，决定了区块开发潜力的大小。通过确定正、负靶心，以待评价区块各评价指标值距离正、负靶心2个基准的距离大小，作为评价各页岩气待评价区块的判断依据。

正靶心是灰靶决策矩阵的最优效果向量，设正靶心为x⁺，x⁺由7个指标区间中最适合勘探开发的指标最优值构成，即x⁺＝{x1⁺，x2⁺，…，x7⁺}，其中xj⁺＝max{[x(ij)-+x(ij)+]／2ç1≤i≤5}，对应的标准化决策值记为[x(ij)-⁺，x(ij)+⁺]，得到正靶心为：x⁺＝{[0.599，1]，

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

负靶心是灰靶决策矩阵的最劣效果向量，设负靶心x^-＝{x1^-，x2^-，…，x7^-}，由最不适合勘探开发的指标最差值构成，xj^-＝min{[x(ij)-+x(ij)+]／2ç1≤i≤5}，其对应的决策值记为[x(ij)-^-，x(ij)+^-]，可得到负靶心为：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计算待评价区块与正负靶心之间的靶心距设正、负靶心距分别为xij⁺、xij^-。即

 

x⁰为正负靶心间的距离，即

 

5个待评价区块向量距离正、负靶心之间的距离如表4所示。

 

3．1．5确定综合靶心距离

待评价区块的评价向量介于正负靶心之间，待评价区块指标值与正靶心、负靶心为空间内的3个点，故其共线或围成三角形。利用待评价区块指标值到正靶心距离在正负靶心之间连线上的投影的大小，来进行页岩气待评价区块的可采性排序。待评价区块在连线卜投影越短，越接近正靶心，则区块开发潜力越大。由余弦定理可计算投影长度为：

 

投影长度(xij^*)记为综合靶心距。综合靶心距计算结果如表5所示。由区间数灰靶决策模型得到的结果为：x^*＝min(xij^*)＝0.374。该结果对应的足区块3。因此，区块3为资源勘探开发潜力评价最优区块。

 

3．2　页岩气勘探开发区块优选结果及分析

按表5所示的灰靶决策结果，对待评价区块进行排序，由好到差的排序依次为：区块3、区块1、区块2、区块5、区块4。区块3和区块l的钻井已经获得工业气流，区块2单井日产气量可达1.345×10⁴m³，初步估算页岩气资源量为5500×10⁸m³；区块3估算页岩气资源量为8055×l0⁸m³，评价结果与实际情况基本相符。

4　结论

1)页岩气勘探开发区块优选对页岩气的开发具有晕要意义。综合考虑影响页岩气勘探开发潜力的多方面因素，选取有效厚度、有机质丰度、热成熟度、埋深、脆性矿物含量、孔隙度、含气量7个主要指标，建立适合页岩气的资源勘探开发潜力优选评价体系。

2)通过层次分析法得到的权重结合区间中心点距离法得到的权重，形成组合权重进行灰靶决策，可以修正由单一方法确定权重对评价指标产生的影响，减少主观因素对评价结果的影响。

3)页岩气勘探开发区块优选评价系统是复杂的灰色系统，通过区间数灰靶决策方法可以对页岩气选区的勘探开发潜力得出客观的定量评价及优选排序。排序结果与实际情况相符，说明该方法具有较强的实用性，借助该方法可对评价指标值为区间数的复杂地质参数特征的页岩气区块进行系统的评价和优选。

 

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本文作者：梁冰  代媛媛  陈天宇  孙维吉  秦冰

作者单位：辽宁工程技术大学力学与工程学院

  东北大学资源与土木工程学院