復雜地質條件頁巖氣勘探開發區塊灰關聯度優選

梁 冰,代媛媛,陳天宇,孫維吉,秦 冰

(1.遼寧工程技術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)

復雜地質條件頁巖氣勘探開發區塊灰關聯度優選

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、渝東等地區的5個頁巖氣試驗區塊為研究對象,系統分析了不同地質參數對頁巖氣富集程度的影響,建立了頁巖氣勘探開發評價優選指標體系。運用層次分析法和熵權法確定了各指標的組合權重,在頁巖氣勘探開發指標體系中,各地質參數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、有機質豐度、埋深。針對頁巖氣藏儲層地質參數存在的不確定性和復雜性,基于灰色系統理論,建立了多指標灰關聯度優選模型,對評價指標值為區間范圍的復雜地質參數特征的研究區的勘探開發潛力進行了優選排序。評價結果與實際勘探開發信息吻合較好,說明基于組合權重的復雜地質參數特征的頁巖氣勘探開發區塊灰關聯度優選評價模型對頁巖氣目標區塊的可采性評價是可行的。

頁巖氣;勘探開發區塊;組合權重;區間數;灰關聯度

我國頁巖氣資源儲量巨大,“十二五”規劃中明確要求2015年頁巖氣產量達到65億m3,力爭2020年產量達到600～1 000億m3,但是目前我國頁巖氣開采仍處于勘探開發初期,未能進入大規模的商業化生產階段。建立頁巖氣的評價指標體系和評價方法是合理勘探開發的前提和基礎,頁巖氣區塊的評價和優選可以為頁巖氣勘探開發決策提供重要的依據,對于我國剛起步的頁巖氣勘探開發而言,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、區域性差異大;同時,我國頁巖氣藏的成藏條件和構造演化歷史較為復雜,同一頁巖氣區塊相同地層的地質參數具有不確定性和復雜性,同一區塊的地質參數通常可統計為一個范圍值,難以確定出可以代表整個區塊特征的精確值。優選最佳頁巖氣目標區塊進行勘探開發,必須尋求一種適合中國頁巖氣區塊的多因素、評價指標為區間數的復雜地質參數特征系統的評價方法。

國內對頁巖氣勘探開發區塊評價的相關理論研究較少。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評價,并對有利區塊進行了定性預測[2],董大忠和李延鈞等學者借用國外現有的資源豐度類比法和容積法,對四川盆地西南部地區及威遠氣田區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,并指出發展適合我國的頁巖氣資源潛力評價方法和技術刻不容緩[3－4]。綜上,前人在進行評價時多局限于某一區塊定性的勘探評價,對頁巖氣勘探開發選區定量評價的研究相對較少;而已進行的頁巖氣區塊優選定量評價中,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,地質條件復雜,同一區塊不同井位的頁巖氣儲層地質參數也存在復雜的變化,參數值通常只能給出變化的評估區間值,以往利用指標參數準確值進行評價的方法在頁巖氣選區評價中已不再適用。筆者參考國外頁巖氣評價指標體系,結合我國的實際情況,選取合理的地質參數建立適合我國頁巖氣勘探開發的評價指標體系,通過層次分析法和熵權法確定評價指標的組合權重,運用灰關聯度的區間評價方法,對南襄盆地、湘鄂西、渝東等5個頁巖氣試驗區的可采性進行量化評價研究,并進行優選排序。

1 頁巖氣勘探開發評價指標體系的建立

1.1 勘探開發評價指標體系的構建

頁巖氣是典型的自生自儲式非常規天然氣[5],其富集受到多重因素的影響。根據我國的實際情況,借鑒國外頁巖氣開發選區建立的評價方法,選取7個地質參數作為開發區塊評價的主要指標。

(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)有機質豐度。有機質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量級,最終影響頁巖氣藏的產氣率。有機質中大量的微孔隙結構對氣體具有較強的吸附能力,因此有機質豐度值的大小與甲烷的吸附量呈正相關關系[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表面的氣體數量,可以反映有機質是否已經進入熱成熟生氣階段(生氣窗),有機質進入生氣窗后,生氣量劇增,有利于形成商業性頁巖氣藏[8]。

(4)孔隙度。孔隙是頁巖氣主要的儲集空間,孔隙度是頁巖氣儲層研究中重要的參數,其大小控制著游離態頁巖氣的含量。通過對加拿大下侏羅統頁巖的孔隙度對巖石吸附氣量影響的實驗發現,孔隙度由0.5%變為4.2%時,游離氣量占總氣量的比重由5%變為50%[9]。孔隙度與頁巖氣總含量之間呈正相關關系,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濟開采價值及評估資源潛力的關鍵指標。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],一般認為商業性頁巖氣開發的含氣量下限為1.1 m3/t。

(6)埋深。埋深控制著頁巖氣藏的經濟價值和經濟效益。頁巖氣藏的埋藏深度變化范圍較大,因此不是頁巖氣藏發育的決定因素,而是影響頁巖氣藏是否具有商業開發價值的因素之一。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,影響頁巖氣的開發價值,埋深越淺,越易于開發。

(7)脆性礦物含量。頁巖中脆性礦物的含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發育程度、含氣量的重要因素。由于頁巖儲層基質滲透率很低,需要壓裂產生足夠的裂縫才能形成工業產能。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,對頁巖氣開發越有利。

1.2 頁巖氣開發區塊指標的遴選

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個頁巖氣試驗區塊作為待評價目標區塊。

由圖1可見5個區塊的空間分布情況。區塊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。深凹區是沉降中心,有機質豐度較高,頁巖有效厚度大;區塊2處于揚子板塊中部,頁巖厚度向東逐漸增厚,有機質豐度逐漸降低。區塊3處于揚子板塊上部東南緣,由東向西頁巖厚度逐漸減薄,西部有機質豐度高于東部。區塊2,3緊鄰,構造上位于四川盆地東緣,建始―彭水斷裂以西,跨接川東高陡構造帶與鄂渝過渡構造帶,基本輪廓從南向北表現為NNE—NE—近EW向的弧形褶皺帶;區塊4位于揚子板塊上部,該區褶皺帶是我國著名的NNE—NE向延伸的板內“侏羅山式”弧形褶皺帶,頁巖厚度及有機質豐度分布呈西薄東厚;區塊5位于華北板塊,我國東部郯廬斷裂帶中側西段,印支期以南北擠壓為特征,發育了東西向寬緩褶皺及南北向逆沖斷層;燕山期受郯廬斷裂活動影響,發育近南北走向斷層,先期逆沖斷層反轉,控制半地塹沉積。頁巖厚度及有機質豐度由洼陷中心向外逐漸降低。

根據已有勘探資料,將每個區塊各個勘測點的評價指標進行統計,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]作為本文優選排序的指標區間值,具體指標值見表1。文中選取的7個評價指標值均為區間取值范圍,可以較全面的反應區塊的整體地質參數,比單一值更具有代表性,且有效避免了測試參數的誤差和波動性。

圖1 5個頁巖氣試驗區塊地質參數分布Fig.1 Spatial distribution of 5 shale gas test areas

表1 頁巖氣勘探開發選區評價參數Table 1 Shale gas exploration and development areas evaluation parameter

2 頁巖氣勘探開發評價指標權重的確定

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

2.1 基于層次分析法主觀權重的確定

通過調查專家意見,并參考前人在頁巖氣選區時賦予指標不同的權重值[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、有機質豐度、成熟度、埋深、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量的指標權重為

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

2.2 基于熵權法客觀權重的確定

熵權法是基于各方案區間數指標值的差異程度確定區間數指標權重的分析方法。首先依據客觀賦權的原理和序列信息熵的含義,構造不同指標下各方案區間數指標值的上、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,該指標下各方案區間指標值的偏差越大,則對方案優選的重要程度越大,權重越大[17]。最后確定各指標對優選的重要程度dj,并由此得到區間指標權重wj,即

2.3 組合權重的確定

通過層次分析法與熵權法相結合確定7個指標的組合權重的方法,使權重值達到專家意見與指標區間客觀規律的統一。采用乘法合成法對指標進行組合賦權,權重模型為

歸一化處理后,得到的組合權重值為

根據指標權重計算結果,在勘探開發指標體系中,各地質參數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、有機質豐度、埋深。

3 頁巖氣勘探開發區塊優選

3.1 基于評價指標區間值的灰關聯度優選

灰色系統理論以“部分信息已知,部分信息未知”的系統為研究對象。進行頁巖氣優選評價時,往往得到的數據非常有限,許多數據波動較大,沒有典型的分布規律,因此頁巖氣的優選評價系統是一種灰色系統,可采用灰色理論進行評價。對評價指標值為區間數的復雜地質參數特征的頁巖氣區塊,灰關聯評價[18]步驟如下:

(1)上、下決策矩陣的建立。

根據表1中的數據,建立待評價區塊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間的最大值組成,下界矩陣則由各指標變化區間的最小值組成。

(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塊的判斷依據。理想方案是在下界矩陣條件下假定的最優方案,即在各區塊地質參數為評價指標區間范圍的最差值時,各區間中最適合勘探開發的各指標最優值。負理想方案與之相反,是在上界矩陣的取值范圍內假定的最差方案,即在各區塊地質參數為區間范圍的最大值時,最不適合勘探開發的最差值。這兩種方案在實際中并不存在。待評價區塊的實際情況與兩個虛擬方案的接近程度決定了區塊的開發潛力的大小。

(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)待評價區塊與正、負理想方案間關聯度的計算。

設標準化后的上、下界矩陣第i個區塊、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個指標值的關聯系統為ζi(j),有

其中,ρ為分辨系數,作用是調整比較環境的大小, ρ∈[0,1],當ρ=0時,環境消失;當ρ=1時,環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,作用在于提高關聯系數之間的差異顯著性[20]。經計算得上、下界矩陣的灰色關聯系數矩陣為

當ui越大時,區塊越接近虛擬理想方案,越遠離虛擬負理想方案,區塊的開發潛力越大。根據式(1)進行綜合評價,結果見表4。對目標區塊進行灰關聯度優選的結果u=max(ui)=0.738,該結果對應的是目標區塊2。

表4 區塊灰關聯度區間評價結果Table 4 Gray correlation interval evaluation result

3.2 優選結果及分析

根據灰關聯度分析結果,對目標區塊由好到差的排序依次為:區塊2、區塊1、區塊5、區塊4、區塊3。區塊2鉆井已獲得工業氣流,單井日產氣量可達1.345×104m3,初步估算頁巖氣資源量為5 500× 108m3;區塊1估算頁巖氣資源量為4 320×108m3,評價結果與實際情況基本相符。

4 結 論

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

(2)建立了頁巖氣資源勘探開發潛力優選評價體系,通過層次分析法結合熵權法,將專家意見和數據本身的客觀規律結合起來,修正單一方法確定權重的片面性,得到7個主要指標的組合權重值分別為0.373,0.070,0.165,0.065,0.145,0.081,0.101。由此得出,在頁巖氣勘探開發指標體系中,各地質參數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、有機質豐度、埋深。

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

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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.復雜地質條件頁巖氣勘探開發區塊灰關聯度優選[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