多层次模糊数学法在湘西北页岩气有利区块优选中的应用_肖正辉.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY 2.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南湘潭411201 摘要湘西北下寒武统牛蹄塘组海相页岩热成熟度高，且经历了多期复杂构造运动，这种有机质 高热演化程度及复杂构造条件下的页岩气有利区块优选面临挑战．本研究对影响页岩气勘探开发 潜力的各种因素进行了综合研究，确定了页岩气勘探开发潜力评价的4个二级指标（生成条件、储 集条件、保存条件和综合配套条件）及相应的三级指标．采用模糊数学方法对各级因素指标赋予了 权重，建立了用于页岩气勘探开发潜力评价的多层次模糊数学评判模型．利用该模型，综合评价 湘西北地区鹤峰复背斜、桑植复向斜、古丈隆起、玩麻盆地和洞庭拗陆5个皿级构造单元的页岩 气资源勘探开发潜力．研究表明，桑植复向斜最具勘探开发潜力，其次是鹤峰复背斜，沃，麻盆地、 古丈隆起与洞庭场陷则相对最差．建立的评价体系，可以作为有机质高热演化程度及复杂构造条 件下的页岩气资源开发潜力评价的参考体系。 关键词页岩气；模糊数学法；勘探开发潜力；有利区块；湘西北 中图分类号P618.ll;P628 文献标识码ADOI 10.3969/j .issn.100 l-1986.2015.03.007 Application of multi-layered fuzzy mathematics in selecting the favorable areas of shale gas in northwestern Hunan XIAO Zhenghui 1气NINGBowen1, YANG Rongfeng1, HUANG Yanran1, WANG Zhaohui1, DENG Yi1 1. Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Coal Resour℃es Clean-utilization and Mine Environment Protection, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China Abstract Marine shale in Lower Cambrian Niutitang ation of northwestern Hunan, with high thermal maturity, experienced mult卜periodm阳时户ovementin geologic history, resulting in challenges on selecting the favorable areas of shale gas. The influencing factors of shale gas exploitation potential were investigated. Four second-order in- dices, including ation conditions, reservoir conditions, storage conditions and integrated matching conditions, and their coπesponding third-order indices for assessment of the shale gas exploitation potential were established. The weight values of all second and third-order indices were determined by the fuzzy mathematics and the multi-layered fuzzy mathematics model for uation of shale gas exploration potential were set up. The multi-layered fuzzy mathematics model was applied to uate comprehensively也eexploration potential of shale gas in the third-order tectonic units, including Hefeng anticlinorium, Sangzhi synclinorium, Guzhang uplift, Yuanma basin and Dongting depression. The results showed that Sangzhi synclinorium has the best potential for shale gas exploitation, followed by Hefeng anticlinoriurn. The assessment system established can be regarded as a reference model in shale gas exploita- tion potential assessment of shale gas with high thermal maturity and complex geological structures. Key words shale gas,“zzy mathematics; exploitation and development potential; favorable area; northwestern Hunan 页岩气是一种以“自生自储”方式赋存在页岩层中 的非常规天然气，具有含气面积广、资源量大和开采 收稿日期2014-03帽05 周期长等优点。近年来，页岩气资源已引起我国油气 界广泛而密切的关注，受到国家层面的高度重视［l-3）。 基金项目湖南省科技厅重大专项（2011FJ1009,2012FJ1006）；湖南省科技厅科技计划项目（2013SK3163 作者简介肖正辉（1973一），男，湖南隆回人，博士，副教授，从事非常规天然气研究.E-mail xiaozhenghui2003 引用格式肖正辉，宁博文，杨荣丰，等．多层次模糊数学法在湘西北页岩气有利区块优选中的应用［J］.煤田地质与 勘探，2015,433 33- 37. ChaoXing 34 煤田地质与勘探第43卷 湘西北下寒武统牛蹄塘组蕴藏着丰富的石煤资 源，也是湖南页岩气赋存的主要层位之一，其黑色 泥页岩分布面积广、厚度大、有机碳含量高、有机 质类型好，具有良好的页岩气形成条件［4）。目前， 四川、重庆的页岩气资源勘探工作已取得突破性进 展［5-6），而湘西北地区则相对滞后。自20世纪70年 代以来，国内学者对湘西北下寒武统黑色岩系进行 了沉积学、生态学、地球化学、矿床地球化学、成 矿作用、控矿因素等方面的研究［7-11），取得了太量 研究成果，但有关页岩气的研究则相对较少。 我国的页岩气勘探开发才刚起步，应首选有利 的“甜点”地区开发（12）。国内外众多学者从富有机质 页岩厚度、有机质含量、有机质成熟度、脆性矿物 含量、页岩气储层物性等方面提出页岩气勘探开发有 利区块的优选标准（13-15）。由于各含气盆地的沉积特 征、构造背景及其演化特征等均存在一些差异，因此 这些标准的适用性和可操作性均会受到不同程度的 影响。模糊数学法可充分考虑页岩气赋存的地质条 件，在此基础上定量评价不同区块的页岩气勘探开发 潜力。目前，模糊数学法己广泛用于常规油气、煤层 气等勘探开发有利区块优选中（16-17），但应用于页岩气 的研究则相对少见。本研究在系统分析湘西北下寒武 统牛蹄塘组页岩气赋存的地质特征的基础上，采用多 层次模糊数学法优选其页岩气勘探开发的有利区块。 1 研究区地质概况 湘西北地区处于扬子准地台东南缘上扬子台裙 带与江南地轴结合部位的武陵榴断束内（图118）。区 内出露的地层比较齐全，除缺失上志留统和下泥盆 统外，从中元古界冷家溪群至第四系的其他地层都 有分布［19］。其中，下寒武统牛蹄塘组为研究区页岩 气赋存的主要层位。在梅树村期、纬竹寺期，研究 区下寒武统牛蹄塘组为深水陆棚相、热水深水陆棚 相和斜坡相的沉积序列和古地理格局［20-21］。 研究区受控于NNE向花垣慈利基底大断裂， 区内黑色岩系可能是受该深大断裂控制而形成［22］。 按大地构造单元划分，研究区可分为鹤峰复背斜、 桑植复向斜、古丈隆起、玩麻盆地和洞庭蝴陷五个 皿级构造单元。与四川盆地类似，湘西北海相页岩 具有时代老、多期复杂构造运动、破坏强度大，热 演化史复杂、成熟度高等特点［23］。根据众多学者以 往的研究结果［7斗I］及泥页岩样品测试结果［24］，不同 E级构造单元内黑色泥页岩厚度、有机碳含量 TOC）、有机质类型、热演化程度（Ro）、埋深、孔隙 度、渗透率、吸附含气量、脆性矿物含量、有效厚 度、断裂破坏程度、盖层以上不整合数、剥蚀程度 以及其他条件汇总如表l。 。邵阳10湘四北与湘中界线 0 I级大地构造单元分界线 12] IJ级大地构造单元分界线 lam级大地构造单元分界线 B省界线仁3湘西北研究区 I l一扬子准地台；Ii一华南裙皱带；E，－八面山梢皱带；几一 江南地轴；因l一鹤峰复背斜；囚z一桑植复向斜；皿3-I临湘复向 斜；皿4一古丈隆起；囚5一沉麻盆地；因6一新晃隆起；皿7一洪 江隆起；皿8一黔j除鞍部构造；IIl9－一冷家溪隆起；因10一洞庭拗 陷；四川一幕阜山隆起；因12一宁乡凹陷 图1湘西北地区区域构造单元划分 Fig. I Regional tectonic units in northwestern Hunan 表1研究区不同构造单元内页岩气的生储盖条件汇总表 Table 1 Generating, reserving and capping conditions of shale gas in the different tectonic units 研究区构造单元 参数 鹤峰桑植7可丈沉麻洞庭 复背斜复向斜隆起盆地拗陷 泥页岩厚度Im220 180 160 120 110 TOC/ 2.0 5.0 6.0 5.0 4.0 有机质类型I, II, I. rr, I . n, I, n, I. II, R。／2.6 3.2 2.9 3.2 3.6 埋深Im2 500 3 000 I 500 I 600 4 000 孔隙度／1.0 6.0 2.0 0.6 。.6 渗透率／103m2 0.025 0.06 0.035 0.006 0.005 吸附气／（旷C1.5 2.5 4.0 2.5 2.0 脆性矿物／50 65 80 65 55 有效厚度Im95 100 90 105 85 断裂破坏程度较强弱强较强弱 盖层以上不整合数2 3 3 3 3 剥蚀程度弱弱强较强强 交通条件较差较差较差较差中等 地形条件较差较差较差较差中等 水资源等条件较好好好好好 2 湖西北下寒武统牛蹄塘组页岩气地质选区模 糊综合评价 2.1 评价指标的选取 国内外研究和实践表明，页岩气能否被开采出 来，很大程度上由页岩气的生成、储集、保存和综合 ChaoXing 第3期肖正辉等多层次模糊数学法在湘西北页岩气有利区块优选中的应用 35 配套条件决定。在参考国外页岩气勘探实践和评价标 准的基础上，结合湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气 赋存的地质特征及页岩气储层特点等，选取泥页岩 厚度、有机碳含量（TOC、有机质类型、热演化程 度（R。）、埋藏深度、孔隙度、、渗透率、吸附含气量、 脆性矿物含量、有效厚度、断裂破坏程度、盖层以 上不整合数、剥蚀程度、交通条件、地形条件及水 资源等其他条件作为研究区页岩气地质选区的评 价指标（表2）。 2.2 评价指标权重的确定 湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩厚度大，有机质 含量高，热演化程度高，具有良好的页岩气生成条 件（25］。但是，区内经历了多期复杂构造运动，页岩 气的保存面临挑战，因此页岩气保存条件是区内页 岩气勘探开发有利区块优选必须优选考虑的问题。 不仅如此，页岩气储层具有低孔低渗特征，其储集 条件也是区内页岩气可采性的重要指标。考虑到页 岩气开采的经济性，页岩埋藏深度也是衡量区内页 岩气可采性的重要指标之一。此外，湘西北地区山 高沟深，交通不便，这些综合配套条件同样是区内 页岩气可采性必须考虑的问题。基于区内页岩气可 采性需重点考虑的这些影响因素，依据T.L.Saaty的 九级标度法，通过对同层次指标的两两比较，构成判 别矩阵（表3）。借助Matlab软件，计算出判别矩阵的 最大特征根λmax及其对应的特征向量，得到各指标层 和准则层的判断矩阵及相对重要性系数（表3）。 通过指标层各指标的重要性系数与准则层对应 的重要性系数的加权综合，得到相应的各层次总排 序，即指标层相对于目标层的权重（表的。 2.3 隶属度矩阵的确定 从表1可知，评价因素论域斗泥页岩厚度，TOC, 有机质类型，儿，埋深，孔隙度，渗透率，吸附含气 表2湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气地质选区的评价指标体系 Table 2 Parameter system of geologic uation of shale gas in Lower Cambrian Niutitang ation, northwestern Hunan 评价指标 湘西北下寒武统牛蹄搪组页岩气勘探开发潜力A 生成条件B1储集条件B2保存条件B3综合配套条件＆ 厚度C11/m埋深C21/m有效厚度C11/m交通条件C41 TOC C12/ 孔隙度C22/断裂破坏程度Cn地形条件C42 评价参数有机质类型C11渗透率C23/mD盖层以上不整合数Cn水资源等其他条件C41 R。C14/ 吸附含气盘C24/m3t 1 剥蚀程度C14 脆性矿物含量C2sl 表3评价指标的重要性系数表 Table 3 Weight coefficient of the uation inds 评价指标及矩阵特征向盘最大特征根Am.，随机一致性比率CR. A B1 B2 Bi B4 Wa B1 飞1/31/4 1/2 0.09 A-B 82 3 1/2 2 0.27 4.05 0.02 Bi 4 、24 0.49 B‘ 2 1/2 l/4 0.15 B, C11 C,2 C,1 C14 Wei C11 3 2 2 0.43 C,2 1/3 2 2 0.25 4.22 0.08 C,1 1/2 1/2 2 0.19 B,-C, c,4 1/2 1/2 1/2 0.13 B2 C2, C22 C23 C24 C2s Wα C2, 3 3 2 2 0.36 C22 1/3 2 l/2 1/2 0.11 C21 1/3 1/2 1/2 0.11 5.07 0.02 82C2 C24 1/2 2 2 1/2 0.18 C2s 1/2 2 2 2 0.24 Bi C11 Cn C11 C14 Wα Ci, 1/3 1/2 1/4 0.1 Cn 3 2 1/2 0.29 4.05 0.02 C11 2 1/2 1/2 0.18 BiCi C14 4 2 2 。.43 B4 C41 C42 C咀Wc4 C41 2 3 0.54 C42 1/2 2 0.3 3.00 0.008 B4c4 C41 1/3 l/2 0.16 ChaoXing 36 煤田地质与勘探第43卷 表4评价指标及评价参数权重表 评价指标权重评价参数 Table 4 Weights of the uation inds and parameters 厚度C11/m 生成条件B10.09 TOC C12/ 有机质类型C13 R。C14/o/o 埋深C21/m 孔隙度C22 渗透率C23/mD 吸附含气量C2Jm3C1} 脆性矿物含量C2sl 有效厚度C31/m 断裂破坏程度C33 盖层以上不整合数C34 剥蚀程度C34 交通条件C41 地形条件C42 7.）（资源等其他条件C43 储集条件B20.27 保存条件B30.49 综合配套条件B40.15 权重 0.04 0.02 0.02 0.01 0.10 0.03 0.03 0.05 0.06 0.05 0.14 0.09 0.21 0.08 0.05 0.02 量，脆性矿物含量，有效厚度，断裂破坏程度，盖层 以上不整合数，剥蚀程度，交通条件，地形条件，其 他条件｜，包括有正、负指标和非定量指标。其中，正 指标和负指标分别依据式1）和式（2）进行无量纲化处 理。对于难以定量的指标，按照其对页岩气有利区块 优选中的影响程度，按照好、较好、中等、较差、差 5个层次分别赋值1、0.8、0.6、0.4、0.2。依据无量纲 化及非定量指标的赋值结果，利用表l中的数据，便 可得到式3所示的隶属度矩阵。 X- mm x aυ＝ ν ，芸主jnν ’max x,, -min x,, l委主jn, l罢王j运n, m缸xiJ-xiJ I电，运 a .. . ., . ’max x,, -m.tn x,, tJ三n I运j运n., 0.64 0.45 0.09 0 0 0.75 1 0.75 0.5 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0 0.6 0.3 0.6 1 0.8 0.8 0.2 0.4 0.2 0.07 1 0.26 0 0 0.36 1 0.55 0.02 0 0 0.4 1 0.4 0.2 RI 0 0.5 1 0.5 0.17 0.5 0.75 0.25 1 0 0.4 1 0.2 0.4 0.6 0.2 0.2 0.2 0.2 1 1 0.2 0.4 0.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0.8 1 1 2.4 评价结果 通过上述构建的模糊综合评判模型，结合表4 中各评价指标的权重，可以得出湘西北地区不同皿级 构造单元的综合排序序数（表5）。 表5模糊综合评价结果表 Table S Results of fuzzy comprehensive uation 方案层相对指标层的权系数 指标权重鹤峰桑植古丈沉麻洞庭 复背斜复向斜隆起盆地拗陷 C11 0.04 0.04 0.025 6 0.018 0.003 6 0 C12 0.02 0 0.015 0.02 0.015 0.01 C1i 0.02 0.016 0.016 0.016 0.016 0.016 c 14 o.oi o 0.006 0.003 0.006 0.01 C 21 0.1 0.08 0.08 0.02 0.04 0.02 C 22 0.03 0.002 I 0.03 0.007 8 0 0 C23 0.03 0.010 8 O.o3 0.016 5 0.000 6 0 CCCCCC 0.05 0.06 0.05 0.14 0.09 0.21 0 0 0.025 0.056 0.054 0.21 0.02 0.05 0.02 0.01 O.o3 0.06 0.03 0.010 2 0.037 5 0.012 5 0.05 0 0.14 0.028 0.056 0.14 0.018 0.018 0.018 0.018 0.21 0.042 0.084 0.042 C 41 0.08 0.032 0.032 0.032 0.032 0.048 C 42 0.05 0.02 0.02 0.02 0.02 O.o3 C 43 0.02 0.016 0.02 0.02 0.02 0.02 综合排序系数0.561 9 0.760 1 0.383 8 0.41 l 2 0.374 2 、－zJ tA ，，‘、 不难发现，湘西北地区下寒武统牛蹄塘组海相页 岩厚度大，有机质含量高，有机质类型为I型和III 型，有机质热演化程度高［4,25］，具有良好的页岩气生 成条件。但是，湘西北地区的地形和交通条件、页岩 气保存条件及其储层物性总体较差（表1），致使区内 不同田级构造单元的综合排序系数较低（表5）。与湘 西北地区相比，四川盆地下古生界页岩气储层的有机 碳与脆性矿物含量相对较低，但其保存条件与储层物 性相对较好［4品27］。可能正是这种良好的页岩气保存 条件与储层物性，致使四川、重庆的页岩气资源勘探 工作进展更迅速、更顺利。相比较而言，研究区桑植 复向斜构造单元的综合排序系数最大，为0.7601（表匀， 表明其页岩气勘探开发潜力相对最大。其次是鹤峰复背 斜，综合排序系数为0.561,9（表匀，沉麻盆地、古丈隆 起和洞庭塌陷的综合排序系数相对最小（表匀，表明其 勘探开发潜力也相对最小。 2.5 桑植复向斜勘探开发潜力 桑植复向斜由一系列北东向至东西向背斜、向斜 组成，总体上呈南北凹、中间隆的构造形态，地层保存 较为完整，断层不发育［28］。桑植复向斜内出露的地层 2 3 ChaoXing 第3期肖正辉等多层次模糊数学法在湘西北页岩气有利区块优选中的应用 37 主要为下志留统、中－上泥盆统、二叠系和三叠系，缺 失前志留系、上志留统、下泥盆统和石炭系［28］。 桑植复向斜下寒武统牛蹄塘组泥页岩厚度为 180 m左右，泥页岩有机碳5左右，有机质类型I 型和IIl型（表1），有机质热演化程度高，具有良好的 页岩气生成条件。不仅如此，桑植复向斜泥页岩脆性 矿物含量较高，平均65左右（表1）。已有研究表明， 湘西北地区构造裂缝发育处，下寒武统页岩气储层往 往有着更高的孔隙度和渗透率［句，即更好的储层物 性。桑植复向斜榴皱构造发育，在应力集中处往往会 发育大量构造裂缝，因此其页岩气储层物性可能相对 较好。桑植复向斜泥页岩埋深较大，平均3000 m左 右，由南往北埋深逐渐增大［28］，再加上区内断裂构 造不发育，有利于页岩气保存。区内地形条件总体较 差，但在永Ji田、慈利等县城、乡镇所在地及其周边地 区的地形高差相对较小，交通较方便，有利于页岩气 的开发利用。此外，渲水、楼水等横穿全境，水资源 丰富，同样有利于页岩气的开发利用。总之，湘西北 地区桑植复向斜下寒武统牛蹄塘组页岩气勘探开发 潜力相对较大。 3结论 a.本研究确定了湘西北地区有机质高热演化程 度及复杂构造条件下页岩气的生成条件、储集条件、 保存条件和综合配套条件作为其勘探开发潜力评价的 二级指标，同时建立了相应的三级指标，并采用模糊数 学方法对各级因素指标赋予了权重，建立了用于页岩气 勘探开发潜力评价的多层次模糊数学评判模型。 b.多层次模糊数学法评价结果表明，湘西北地 区桑植复向斜最具勘探开发潜力，其次是鹤峰复背 斜，玩麻盆地、古丈隆起与洞庭塌陷相对最差。 参考文献 川董大忠，程克明，王玉满，等中国上扬子区下古生界页岩气 形成条件及特征［巧石油与天然气地质，2010,313 288- 299. 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