复杂地质条件页岩气勘探开发区块灰关联度优选

梁 冰,代媛媛,陈天宇,孙维吉,秦 冰

(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新 123000;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110004)

复杂地质条件页岩气勘探开发区块灰关联度优选

梁 冰1,代媛媛1,陈天宇2,孙维吉1,秦 冰1

(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新 123000;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110004)

以南襄盆地、湘鄂西、渝东等地区的5个页岩气试验区块为研究对象,系统分析了不同地质参数对页岩气富集程度的影响,建立了页岩气勘探开发评价优选指标体系。运用层次分析法和熵权法确定了各指标的组合权重,在页岩气勘探开发指标体系中,各地质参数的重要性依次为有效厚度、热成熟度、脆性矿物含量、含气量、孔隙度、有机质丰度、埋深。针对页岩气藏储层地质参数存在的不确定性和复杂性,基于灰色系统理论,建立了多指标灰关联度优选模型,对评价指标值为区间范围的复杂地质参数特征的研究区的勘探开发潜力进行了优选排序。评价结果与实际勘探开发信息吻合较好,说明基于组合权重的复杂地质参数特征的页岩气勘探开发区块灰关联度优选评价模型对页岩气目标区块的可采性评价是可行的。

页岩气;勘探开发区块;组合权重;区间数;灰关联度

我国页岩气资源储量巨大,“十二五”规划中明确要求2015年页岩气产量达到65亿m3,力争2020年产量达到600～1 000亿m3,但是目前我国页岩气开采仍处于勘探开发初期,未能进入大规模的商业化生产阶段。建立页岩气的评价指标体系和评价方法是合理勘探开发的前提和基础,页岩气区块的评价和优选可以为页岩气勘探开发决策提供重要的依据,对于我国刚起步的页岩气勘探开发而言,合理的页岩气评价指标和方法的建立显得尤为重要。

我国页岩气藏类型多、层系多、区域性差异大;同时,我国页岩气藏的成藏条件和构造演化历史较为复杂,同一页岩气区块相同地层的地质参数具有不确定性和复杂性,同一区块的地质参数通常可统计为一个范围值,难以确定出可以代表整个区块特征的精确值。优选最佳页岩气目标区块进行勘探开发,必须寻求一种适合中国页岩气区块的多因素、评价指标为区间数的复杂地质参数特征系统的评价方法。

国内对页岩气勘探开发区块评价的相关理论研究较少。张金川提出了页岩气评价的指标体系[1],聂海宽采用类比法进行了中国页岩气藏综合地质评价,并对有利区块进行了定性预测[2],董大忠和李延钧等学者借用国外现有的资源丰度类比法和容积法,对四川盆地西南部地区及威远气田区的页岩气资源进行估算,认为国外方法只可以概略评价我国页岩气资源潜力,并指出发展适合我国的页岩气资源潜力评价方法和技术刻不容缓[3－4]。综上,前人在进行评价时多局限于某一区块定性的勘探评价,对页岩气勘探开发选区定量评价的研究相对较少;而已进行的页岩气区块优选定量评价中,多为直接借鉴国外已有的评价方法,其中的评价指标多为某固定值。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评价指标体系,结合我国的实际情况,选取合理的地质参数建立适合我国页岩气勘探开发的评价指标体系,通过层次分析法和熵权法确定评价指标的组合权重,运用灰关联度的区间评价方法,对南襄盆地、湘鄂西、渝东等5个页岩气试验区的可采性进行量化评价研究,并进行优选排序。

1 页岩气勘探开发评价指标体系的建立

1.1 勘探开发评价指标体系的构建

页岩气是典型的自生自储式非常规天然气[5],其富集受到多重因素的影响。根据我国的实际情况,借鉴国外页岩气开发选区建立的评价方法,选取7个地质参数作为开发区块评价的主要指标。

(1)有效厚度。页岩气具有短距离运移的特性,在较厚的储层中易于富集成藏[6]。页岩储层达到一定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,页岩的生烃能力和封盖能力越强,页岩气藏的富集程度越高。

(2)有机质丰度。有机质丰度是评价烃源岩的重要指标,其高低会改变页岩中吸附气量的数量级,最终影响页岩气藏的产气率。有机质中大量的微孔隙结构对气体具有较强的吸附能力,因此有机质丰度值的大小与甲烷的吸附量呈正相关关系[7],直接影响开采效率。

(3)热成熟度。热成熟度用来评价烃源岩的生烃能力,其大小影响吸附在页岩中有机质表面的气体数量,可以反映有机质是否已经进入热成熟生气阶段(生气窗),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[8]。

(4)孔隙度。孔隙是页岩气主要的储集空间,孔隙度是页岩气储层研究中重要的参数,其大小控制着游离态页岩气的含量。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%[9]。孔隙度与页岩气总含量之间呈正相关关系,孔隙度越大,储气能力越强。

(5)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,含气量越高,储层含气性越好[10],一般认为商业性页岩气开发的含气量下限为1.1 m3/t。

(6)埋深。埋深控制着页岩气藏的经济价值和经济效益。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。页岩气的开采主要方式是浅层开采[11],过高的埋深会加大勘探的难度,影响页岩气的开发价值,埋深越浅,越易于开发。

(7)脆性矿物含量。页岩中脆性矿物的含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气量的重要因素。由于页岩储层基质渗透率很低,需要压裂产生足够的裂缝才能形成工业产能。页岩的矿物组成中,石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物含量越高[12],可压裂性越好,易于形成天然裂缝和诱导裂缝,对页岩气开发越有利。

1.2 页岩气开发区块指标的遴选

按照上述选取的主要评价指标,选择南襄盆地、湘鄂西、渝东、滇黔北、东营凹陷5个页岩气试验区块作为待评价目标区块。

由图1可见5个区块的空间分布情况。区块1位于秦岭褶皱带和扬子地台北缘块断带之上,是燕山晚期发育起来的山间断陷盆地,主要受北西西向的唐河—栗园断裂和北东向的栗园—泌阳断裂共同控制形成的扇状断陷,凹陷自北而南分为北部斜坡带、中部凹陷带和南部陡坡带。深凹区是沉降中心,有机质丰度较高,页岩有效厚度大;区块2处于扬子板块中部,页岩厚度向东逐渐增厚,有机质丰度逐渐降低。区块3处于扬子板块上部东南缘,由东向西页岩厚度逐渐减薄,西部有机质丰度高于东部。区块2,3紧邻,构造上位于四川盆地东缘,建始―彭水断裂以西,跨接川东高陡构造带与鄂渝过渡构造带,基本轮廓从南向北表现为NNE—NE—近EW向的弧形褶皱带;区块4位于扬子板块上部,该区褶皱带是我国著名的NNE—NE向延伸的板内“侏罗山式”弧形褶皱带,页岩厚度及有机质丰度分布呈西薄东厚;区块5位于华北板块,我国东部郯庐断裂带中侧西段,印支期以南北挤压为特征,发育了东西向宽缓褶皱及南北向逆冲断层;燕山期受郯庐断裂活动影响,发育近南北走向断层,先期逆冲断层反转,控制半地堑沉积。页岩厚度及有机质丰度由洼陷中心向外逐渐降低。

根据已有勘探资料,将每个区块各个勘测点的评价指标进行统计,去除异常勘测点,挑选具有代表性的页岩气勘探指标值[13－16]作为本文优选排序的指标区间值,具体指标值见表1。文中选取的7个评价指标值均为区间取值范围,可以较全面的反应区块的整体地质参数,比单一值更具有代表性,且有效避免了测试参数的误差和波动性。

图1 5个页岩气试验区块地质参数分布Fig.1 Spatial distribution of 5 shale gas test areas

表1 页岩气勘探开发选区评价参数Table 1 Shale gas exploration and development areas evaluation parameter

2 页岩气勘探开发评价指标权重的确定

评价指标权重是表示指标相对重要性的数值。权重的确定要遵循指标本身的客观规律,同时又要兼顾专家的意见。本文权重的确定方法为:首先,参考专家意见,采用层次分析法计算主观权重值;然后,利用区间数指标值上、下界序列的信息熵,通过熵权法计算客观权重值;最后,将前两步的计算结果通过乘法合成法,做为最后的指标值组合权重。

2.1 基于层次分析法主观权重的确定

通过调查专家意见,并参考前人在页岩气选区时赋予指标不同的权重值[3]及重要性分析[2,9],确定各指标间的相对重要程度。其中,热成熟度、有机质丰度及含气量3个因素对页岩气赋存和富集的影响较大。

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,层次分析法得到有效厚度、有机质丰度、成熟度、埋深、脆性矿物含量、孔隙度、含气量的指标权重为

表2 指标判断矩阵及权重向量Table 2 Judgement matrix and weights

2.2 基于熵权法客观权重的确定

熵权法是基于各方案区间数指标值的差异程度确定区间数指标权重的分析方法。首先依据客观赋权的原理和序列信息熵的含义,构造不同指标下各方案区间数指标值的上、下界序列的信息熵,通过和的平均值Ej来反映各方案指标值序列的偏差程度,Ej值越小,该指标下各方案区间指标值的偏差越大,则对方案优选的重要程度越大,权重越大[17]。最后确定各指标对优选的重要程度dj,并由此得到区间指标权重wj,即

2.3 组合权重的确定

通过层次分析法与熵权法相结合确定7个指标的组合权重的方法,使权重值达到专家意见与指标区间客观规律的统一。采用乘法合成法对指标进行组合赋权,权重模型为

归一化处理后,得到的组合权重值为

根据指标权重计算结果,在勘探开发指标体系中,各地质参数的重要性依次为有效厚度、热成熟度、脆性矿物含量、含气量、孔隙度、有机质丰度、埋深。

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关联度优选

灰色系统理论以“部分信息已知,部分信息未知”的系统为研究对象。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,可采用灰色理论进行评价。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,灰关联评价[18]步骤如下:

(1)上、下决策矩阵的建立。

根据表1中的数据,建立待评价区块7个指标变化的上界矩阵和下界矩阵,上界矩阵由各指标变化区间的最大值组成,下界矩阵则由各指标变化区间的最小值组成。

(2)虚拟理想方案与负理想方案的确定。

通过建立虚拟理想、负理想方案,以靠近虚拟理想方案和负理想方案两个基准作为评价各页岩气待评价区块的判断依据。理想方案是在下界矩阵条件下假定的最优方案,即在各区块地质参数为评价指标区间范围的最差值时,各区间中最适合勘探开发的各指标最优值。负理想方案与之相反,是在上界矩阵的取值范围内假定的最差方案,即在各区块地质参数为区间范围的最大值时,最不适合勘探开发的最差值。这两种方案在实际中并不存在。待评价区块的实际情况与两个虚拟方案的接近程度决定了区块的开发潜力的大小。

(3)指标标准化。

表3 上、下界矩阵评价指标标准化Table 3 Normalizations of upper and lower bounds matrix evaluation index

(4)待评价区块与正、负理想方案间关联度的计算。

设标准化后的上、下界矩阵第i个区块、第j个指标值xij与对应的虚拟负理想、虚拟理想方案的第j个指标值的关联系统为ζi(j),有

其中,ρ为分辨系数,作用是调整比较环境的大小, ρ∈[0,1],当ρ=0时,环境消失;当ρ=1时,环境被原封不动的保持着[19]。ρ值越小,分辨力越大,一般按最少信息原理取0.5,作用在于提高关联系数之间的差异显著性[20]。经计算得上、下界矩阵的灰色关联系数矩阵为

当ui越大时,区块越接近虚拟理想方案,越远离虚拟负理想方案,区块的开发潜力越大。根据式(1)进行综合评价,结果见表4。对目标区块进行灰关联度优选的结果u=max(ui)=0.738,该结果对应的是目标区块2。

表4 区块灰关联度区间评价结果Table 4 Gray correlation interval evaluation result

3.2 优选结果及分析

根据灰关联度分析结果,对目标区块由好到差的排序依次为:区块2、区块1、区块5、区块4、区块3。区块2钻井已获得工业气流,单井日产气量可达1.345×104m3,初步估算页岩气资源量为5 500× 108m3;区块1估算页岩气资源量为4 320×108m3,评价结果与实际情况基本相符。

4 结 论

(1)我国页岩气勘探程度低,地质条件复杂,同一区块同一储层不同井位的页岩气储层地质参数通常只能统计出区间值,难以确定具有代表性的精确值,必须建立基于地质参数为区间数的区块评价和优选方法。

(2)建立了页岩气资源勘探开发潜力优选评价体系,通过层次分析法结合熵权法,将专家意见和数据本身的客观规律结合起来,修正单一方法确定权重的片面性,得到7个主要指标的组合权重值分别为0.373,0.070,0.165,0.065,0.145,0.081,0.101。由此得出,在页岩气勘探开发指标体系中,各地质参数的重要性依次为有效厚度、热成熟度、脆性矿物含量、含气量、孔隙度、有机质丰度、埋深。

(3)针对页岩气藏储层地质参数存在的不确定性和复杂性,基于灰色系统理论,建立多指标灰关联度优选模型,对评价指标值为区间范围的复杂地质参数特征的研究区的勘探开发潜力进行优选排序。排序结果区块2为最优区块,区块2＞区块1＞区块5＞区块4＞区块3,与实际情况相符,说明区间数的灰关联度分析方法具有较强的实用性,可对具有复杂地质参数特征的评价值为区间数的页岩气目标区块进行系统的定量评价和优选排序。

[1] 张金川,林腊梅,李玉喜,等.页岩气资源评价方法与技术:概率体积法[J].地学前缘,2012,19(2):184－191.

Zhang Jinchuan,Lin Lamei,Li Yuxi,et al.The method of shale gas assessment:Probability volume method[J].Earth Science Frontiers, 2012,19(2):184－191.

[2] 聂海宽,唐 玄,边瑞康.页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[J].石油学报,2009,30(4):484－491.

Nie Haikuan,Tang Xuan,Bian Ruikang.Controlling factors for shale gas accumulation and prediction of potential development area in shale gas reservoir of South China[J].Acta Petrolei Sinica,2009,30 (4):484－491.

[3] 董大忠,程克明,王世谦,等.页岩气资源评价方法及其在四川盆地的应用[J].天然气工业,2009,29(5):33－39,136.

Dong Dazhong,Cheng Keming,Wang Shiqian,et al.An evaluation method of shale gas resource and its application in the Sichuan Basin [J].Natural Gas Industry,2009,29(5):33－39,136.

[4] 李延钧,刘 欢,刘家霞,等.页岩气地质选区及资源潜力评价方法[J].西南石油大学学报(自然科学版),2011,33(2):28－34.

Li Yanjun,Liu Huan,Liu Jiaxia,et al.Geological regional selection and an evaluation method of resource potential of shale gas[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2011,33(2):28－34.

[5] 孟召平,刘翠丽,纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析[J].煤炭学报,2013,38(5):728－736.

Meng Zhaoping,Liu Cuili,Ji Yiming,et al.Geological conditions of coalbed methane and shale gas exploitation and their comparison analysis[J].Journal of China Coal Society,2013,38(5):728－736.

[6] 王 阳,陈 洁,胡 琳,等.沉积环境对页岩气储层的控制作用——以中下扬子区下寒武统筇竹寺组为例[J].煤炭学报, 2013,38(5):845－850.

Wang Yang,Chen Jie,Hu Lin,et al.Sedimentary environment control on shale gas reservoir:A case study of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Middle Lower Yangtze area[J].Journal of China Coal Society,2013,38(5):845－850.

[7] Bowker K A.Barnett Shale gas production,Fort Worth Basin:Issues and discussion[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):523－533.

[8] 《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会.中国页岩气地质研究进展[M].北京:石油工业出版社,2011.

[9] Ross D J K,Bustin R M.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin:Application of an integrated formation evaluation[J].AAPG Bulletin,2008,92(1):87－125.

[10] 徐 波,李敬含,李晓革,等.辽河油田东部凹陷页岩气成藏条件及含气性评价[J].石油学报,2011,32(3):450－457.

Xu Bo,Li Jinghan,Li Xiaoge,et al.Evaluation of hydrocarbon accumulation conditions for shale gas from the Eastern Sag of the Liaohe Oilfield and its gas-bearing properties[J].Acta Petrolei Sinica,2011,32(3):450－457.

[11] 王冕冕,郭 肖,曹 鹏,等.影响页岩气开发因素及勘探开发技术展望[J].特种油气藏,2010,17(6):12－17.

Wang Mianmian,Guo Xiao,Cao Peng,et al.Influence factors on shale gas development and prospect of its exploration and development technology[J].Special Oil and Gas Reservoirs,2010,17(6): 12－17.

[12] 胡 琳,朱炎铭,陈尚斌,等.中上扬子地区下寒武统筇竹寺组页岩气资源潜力分析[J].煤炭学报,2012,37(11):1871－1877.

Hu Lin,Zhu Yanming,Chen Shangbin,et al.Resource potential analysis of shale gas in Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Middle&Upper Yangtze region[J].Journal of China Coal Society, 2012,37(11):1871－1877.

[13] 李 政.东营凹陷页岩气勘探潜力初步评价[D].成都:成都理工大学,2011.

[14] 王 佳.湘鄂西、渝东地区下古生界页岩气勘探前景分析[D].成都:成都理工大学,2012.

[15] 陈 祥,严永新,章新文,等.南襄盆地泌阳凹陷陆相页岩气形成条件研究[J].石油实验地质,2011,32(2):137－141,147.

Chen Xiang,Yan Yongxin,Zhang Xinwen,et al.Generation conditions of continental shale gas in Biyang Sag,Nanxiang Basin[J].Petroleum Geology&Experiment,2011,32(2):137－141,147.

[16] 梁 兴,叶 熙,张介辉,等.滇黔北坳陷威信凹陷页岩气成藏条件分析与有利区优选[J].石油勘探与开发,2011,38(6): 693－699.

Liang Xing,Ye Xi,Zhang Jiehui,et al.Reservoir forming conditions and favorable exploration zones of shale gas in the Weixin Sag,Dianqianbei Depression[J].Petroleum Exploration and Development,2011,38(6):693－699.

[17] 郭秀英.区间数指标权重确定的熵值法改进[J].统计与决策, 2012(17):32－34.

Guo Xiuying.Interval of index weight determining entropy value method improvement[J].Statistics and Decision,2012(17):32－34.

[18] 李伟军,叶 飞.基于灰色关联度的区间评价方法探讨[J].系统工程与电子技术,2001,23(2):55－57.

Li Weijun,Ye Fei.Interval appraise method based on grey relation[J].Systems Engineering and Electronics,2001,23(2):55－57.

[19] 邓聚龙.灰色控制系统[M].武汉:华中理工大学出版社,1985: 309－316.

[20] 邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉:华中科技大学出版社, 2005:82－85.

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,陈天宇,等.复杂地质条件页岩气勘探开发区块灰关联度优选[J].煤炭学报,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 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项基金资助项目(2011ZX05040－005)

梁 冰(1962—),女,辽宁大洼人,教授,博士生导师,博士。Tel:0418－3351517,E－mail:lbwqx@163.com