基于AHP的煤層氣儲層改造影響因素分析

(鄭州大學管理工程學院 河南 鄭州 450001)

引言

煤層氣是儲存于煤層及周邊巖層中的一種清潔能源，若能得到合理有效的開發，即可變為安全高效的清潔能源。相關國內外學者對煤層氣儲層改造相關方面進行了研究：Zhang J等[1]提出了雙孔介質兩相三維流動水力壓裂模型，并成功應用于煤層氣儲層，提升單井產氣量；Huang W等[2]通過分析煤層氣儲層改造損害因素，采用潤濕性調節劑、抑制劑等添加劑對壓裂液系統進行優化，以減少煤層氣儲層巖心損害程度；畢彩芹等[3]在分析了六盤水3口煤層氣井儲層物性、含氣性等特征基礎上，進行儲層改造，并取得了良好的改造效果；趙春[4]在煤炭特征、含氣性等儲層參數分析的基礎上，對成莊區3號煤層進行人工儲層改造，提高煤層氣井產氣率。在前人研究基礎上，運用層次分析法對煤儲層改造影響因素指標進行研究，篩選出重要煤儲層影響因素，以幫助煤層氣企業提高煤層氣井的產氣效率。

一、煤儲層改造影響因素模型構建

(一)指標體系的構建

首先，通過分析現有相關文獻，篩選出來影響煤儲層改造的因素有壓裂強度(z1)、壓裂規模(z2)、壓裂工藝(z3)、壓裂選點(z4)；其次，進一步到煤層氣開采現場進行觀察、走訪，增加相關煤儲層改造影響因素有壓裂液(z5)、支撐劑(z6)、填充氣體(CO2等)(z7)、壓裂液添加劑(z8)；然后，將收集的影響因素交給相關專家進行審閱，在審閱過程中專家認為還應增加爆破強度(z9)、鉆孔深度(z10)、振動頻率(z11)為煤儲層改造的影響因素。最終，在遵循科學性、系統性的原則基礎上，從壓裂(y1)、氣體及液體劑(y2)、其他(y3)等三方面構建煤儲層改造的影響因素指標(x)。

(二)模型構建

AHP(層次分析法)是一種定性與定量相結合的方法，能夠將復雜問題分解為若干因素，然后通過各因素之間的相互比較，得到各自不同權重，為方案的抉擇提供依據[5]。具體步驟如下：

1.建立兩兩比較的判斷矩陣

為了能定量描述因素之間的比較度，采用1-9的標度方法對不同情況下的評比給出數量標度：若相互比較的兩個因素同等重要，則標度為1；若其中一個因素比另一個略微重要則標度為3；若一個因素比另一個因素較為重要，則標度為5，以此類推。根據影響因素指標建立好判斷矩陣之后，專家根據標度方法對判斷矩陣中兩兩因素之間的相互比較度進行打分，并將最后的分值取算術平均值。以準則層y(y1，y2，y3)為例，準則層y是一個3×3的判斷矩陣，且判斷矩陣中的標度應滿足以下關系：

aij>0；aii=1；aij=1/aji；aij=aik/ajk

(1)

2.層次單排序確定各因素權重

本文采取和積法的方式計算判斷矩陣各因素的特征向量(權重)，具體操作如下所示：

①將判斷矩陣y的每一列作歸一化處理，得到以下結果：

(2)

(3)

③將向量Wi=(W1,W2,…,Wn)t作歸一化處理，得到如下結果：

(4)

3.判斷矩陣一致性檢驗

一致性檢驗可以判定判斷矩陣是否偏離邏輯，可檢查計算出的各因素權重是否合理。

首先計算判斷矩陣的最大特征根λmax。

(5)

其次，計算判斷矩陣一次性指標CI，如下所示：

(6)

式(6)中的n為判斷矩陣的階數。CI計算出來后，引入平均隨機一致性指標RI(RI可查閱隨機一致性指標表)以及隨機一致性比率CR：

(7)

二、模型識別及應用

筆者利用上述構建的模型對河南某煤層氣企業的煤儲層改造影響因素重要度進行分析求解。首先，邀請相關專家對各個影響煤儲層改造的因素進行打分；其次，將打分結果取其算數平均值并建立相應的判斷矩陣；然后，對判斷矩陣進行層次單排序以確定各因素權重；最后，對所得的因素權重值進行一次性檢驗。檢驗合格后，根據此標準權重求解出各個因素指標相較于目標層的最終權重值，見表1。

根據表1的數據結果，不難發現在影響企業煤儲層改造的因素中，氣體及液體劑權重為0.42，最為重要，說明企業應多從添加氣體或液體劑的角度出發對煤層氣儲層進行改造。而在氣體或液體添加劑里面，壓裂液和支撐劑所占權重較大，達到0.26，反應出企業應高度重視這一點，通過購買壓裂液和支撐劑可有效改造煤儲層，提升煤層氣開采效益。壓裂影響因素的權重為0.34，相較于氣體及液體劑的重要性稍微小一點，但也是企業應注重的一部分，應適當改變壓裂力度及方式來提升煤儲層改造效果。在壓裂影響因素中，壓裂強度和壓裂規模較為重要，占據0.21，由此企業可通改變壓裂強度和壓裂規模來改造煤儲層，提高其煤層氣開采效率。最后，其他影響因素所占權重較小，為0.24，說明企業可適當把這些因素作為非重點來對待，但也不可完全忽視其作用性，在特殊情況下，不同的爆破強度、鉆孔深度和振動頻率也會對煤儲層改造造成不小影響。

表1 因素指標最終權重

z20.1089z90.0809z30.0715z100.1001z40.0527z110.0582

三、結語

通過分析現有文獻及實地走訪的方式，構建煤層氣儲層改造的影響因素指標體系，在此基礎上，以河南省某煤層氣企業為例，通過系統工程的方式用層次分析法對其煤儲層改造影響因素的重要度進行分析，并有針對性地提出指導性的建議和措施，對于企業有效改造煤儲層、提高煤層氣開采效率具有一定的現實意義。

但本文仍有不足之處，煤儲層改造影響因素指標體系的構建尚不全面，一些指標還需更新彌補；此外，本文所使用的是層次分析法來確定指標權重，存在一定的主觀性。下一步，如何能夠更加準確地確定指標權重是研究的重點。