鄭凱歌，陳富貴，胡寶林，劉會虎，徐宏杰，劉兵昌（.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安70054；.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，南昌000；.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽淮南00）

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GIS空間疊加下模糊優(yōu)化法的頁巖氣有利區(qū)預測

鄭凱歌1，陳富貴2，胡寶林3，劉會虎3，徐宏杰3，劉兵昌3
（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安710054；2.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，南昌330001；3.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽淮南232001）

摘要：在綜合儲集層、經(jīng)濟效益、資源規(guī)模等因素的基礎上，借鑒北美頁巖氣有利區(qū)勘探相關研究成果，結(jié)合淮南煤田山西組頁巖地球化學、沉積等特征，篩選出8個影響因素作為頁巖氣有利區(qū)評價優(yōu)選指標，并建立相應的頁巖氣有利區(qū)評價模型。通過層次分析方法確定了淮南煤田頁巖氣有利區(qū)評價指標的權(quán)重，采用統(tǒng)計類比法、待定系數(shù)法和模糊優(yōu)化技術，確定各個評價參數(shù)的隸屬度。以模糊優(yōu)化評價方法為基礎，結(jié)合GIS空間疊加技術，對淮南煤田山西組頁巖氣有利區(qū)進行綜合評價和預測。研究結(jié)果表明：淮南煤田山西組頁巖氣有利區(qū)可以分為4類，最終優(yōu)選出研究區(qū)東南區(qū)域、古店鄉(xiāng)—顧橋鄉(xiāng)—桂集鄉(xiāng)—劉集鄉(xiāng)一帶及楊樓鄉(xiāng)一帶為頁巖氣優(yōu)等有利開發(fā)區(qū)。

關鍵詞：淮南煤田；山西組；頁巖氣；有利區(qū)；模糊優(yōu)化法；空間疊加；評價模型

頁巖氣主體上是以吸附和游離狀態(tài)存在于低孔特低滲富有機質(zhì)泥頁巖或高碳泥頁巖中的一種非常規(guī)天然氣[1-2]。頁巖氣儲集層總體致密，孔隙度一般小于10%，滲透率小于1 mD，屬于低孔低滲儲集層[3]。北美頁巖氣從20世紀70年代進入商業(yè)性開發(fā)，為世界頁巖氣的發(fā)展提供了成功的范例。文獻［4］—文獻［6］主要研究了北美頁巖氣形成的地質(zhì)條件和開發(fā)現(xiàn)狀、成藏機理與富集規(guī)律；文獻［7］—文獻［10］探討了頁巖氣資源評價方法和戰(zhàn)略意義；文獻［5］利用控制頁巖氣成藏的內(nèi)部因素（成熟度、裂縫、孔隙度等）和外部因素（深度、溫度和壓力等），篩選出了主控因素，對中國南方頁巖氣有利區(qū)進行了評價和預測；文獻［11］通過對川東南綦江—仁懷地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖與上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的地球化學、礦物成分等全面分析，篩選出了分布面積、有機碳含量、含氣量等7個因素，圈出了仁懷和綦江的頁巖氣有利區(qū)范圍；文獻［12］從垂向上對鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長9段、長7段等含氣段進行了頁巖氣有利區(qū)預測和分析；文獻［13］利用有機碳含量、熱演化程度、烴源巖厚度3個參數(shù)選出了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣勘探有利區(qū)帶；文獻［14］通過對中國南方、華北—東北、西北及青藏四大區(qū)域進行區(qū)塊劃分，提出了運用模糊優(yōu)化的層次分析評價優(yōu)選頁巖氣有利區(qū)的方法。

上述各種頁巖氣有利區(qū)評價方法總體上還局限于對于各個評價參數(shù)的簡單疊加應用。盡管文獻［14］提出了模糊優(yōu)化方法，但仍未能克服應用該方法時人為劃分評價單元導致的結(jié)果誤差。

本文以淮南煤田山西組為例，在總結(jié)國內(nèi)頁巖氣有利區(qū)預測方法的基礎上[15-17]，綜合考慮地質(zhì)條件、經(jīng)濟效益等多方面的因素，建立有利區(qū)評價標準，利用層次分析評價方法，結(jié)合GIS空間疊加技術，對淮南煤田山西組頁巖氣有利區(qū)進行評價和優(yōu)選。

從地質(zhì)構(gòu)造背景來看，淮南煤田東以郯廬斷裂為界，西與周口坳陷相接，北為蚌埠隆起，南部與合肥坳陷相接，地處華北板塊的東南邊緣部，面積2 910 km2（圖1）。研究?區(qū)石炭—二疊系含煤巖系包括上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組和上二疊統(tǒng)上石盒子組。其中，山西組為一套海陸交互相含煤系烴源巖沉積，發(fā)育有多段暗色泥巖、煤層和碳質(zhì)泥巖，具有較好生烴和成氣條件。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造位置

1　評價指標分析

頁巖氣有利區(qū)的評價需要考慮的因素繁多，在一定原則下進行科學選取才能使評價結(jié)果符合實際情況[18]。筆者從儲集層因素、經(jīng)濟效益、資源規(guī)模3個方面，結(jié)合國內(nèi)頁巖氣地質(zhì)條件的特殊性及研究區(qū)山西組頁巖氣的地球化學、沉積等特征，篩選出8個影響因素作為頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選所必需的重要指標（表1）。

通過收集淮南煤田潘集深部、丁集、顧北、新集等17個礦井的鉆孔數(shù)據(jù)及350幅鉆孔柱狀圖、剖面圖等相關地質(zhì)資料，結(jié)合地球化學參數(shù)實驗測試結(jié)果，得到淮南煤田山西組泥頁巖埋深為400～1 600 m，有效泥巖厚度為8.6～67.0 m，泥頁巖厚度一般為30～ 60 m，在研究區(qū)內(nèi)東北部及中南部較厚，其余部分較薄。泥頁巖有機碳含量為0.37%～8.87%，平圩鎮(zhèn)、古溝回族鄉(xiāng)及高皇鎮(zhèn)之間的地區(qū)，有機碳平均含量大于3.15%；鏡質(zhì)體反射率為0.70%～1.32%，處于低成熟—成熟階段，部分地區(qū)達到高成熟。研究區(qū)烴源巖總含氣量為1.05～2.76 m3/t.利用薄片鏡下鑒定和全巖X射線衍射分析，對山西組泥頁巖礦物成分進行定性和定量分析，將其分為3類：脆性礦物（石英、長石）、黏土礦物和自生非黏土礦物（主要是菱鐵礦、黃鐵礦和碳酸鹽礦物），其中脆性礦物含量為30.0%～42.0%，平均34.2%.頁巖孔隙度為1.2%～4.3%.構(gòu)造復雜程度通過網(wǎng)格化分形理論進行整體評價，其分形維數(shù)為1.037～ 1.832，判斷原則為分形維數(shù)越大，代表構(gòu)造越復雜，反之，構(gòu)造越簡單。

表1　研究區(qū)頁巖氣評價指標（據(jù)文獻［18-19］，有修改）

2　評價參數(shù)獲取

2.1權(quán)重的獲取

層次分析法需要確定評價參數(shù)的權(quán)重。首先通過分析評價參數(shù)間的影響關系確定評價層次模型，根據(jù)研究區(qū)頁巖氣有利區(qū)評價需要，本次選出8個評價參數(shù)，并將其按屬性分成3類，即儲集層因素、經(jīng)濟因素及資源規(guī)模因素（圖2）。

圖2　頁巖氣有利區(qū)預測層次

其權(quán)重獲取步驟如下：

（1）構(gòu)造判斷矩陣以A表示目標，bi，b（ji，j=1，2，…，n）表示因素。bij表示j相對于i的作用值，bji表示i相對于j的作用值（表2）。

表2　判斷矩陣的標度及其含義

（2）權(quán)重計算由判斷矩陣可以計算其最大特征值λmax及特征值所對應的特征向量，當判斷矩陣滿足一致性要求時，最大特征值λmax對應的特征向量可根據(jù)|λE-B |=0求得，式中λ為特征值，E為單位矩陣。

但由于實際地質(zhì)情況的復雜性和不確定性，根據(jù)標準構(gòu)建的判斷矩陣只是近似的具有一致性，這時則取特征向量進行歸一化，再對向量Wi=（W1，W2，…，Wm）T進行歸一化，歸一化后的向量作為該層次各指標因素在上一層次中所占的權(quán)重，其中m為評價指標個數(shù)。最后計算最大特征根，n為評價單元個數(shù)。

（3）一致性檢驗首先計算出判斷矩陣最大特征值；其次，計算一致性指標IC=[λmax-n（/n-1）]，式中n為判斷矩陣介數(shù)；最后計算一致性比率CR=IC/IR，其中IR為隨機一致性指標（表3）。如果CR小于0.1時，則判斷矩陣具有滿意的一致性，本次通過計算知CR=0.012，小于0.1，滿足一致性要求。

表3　研究區(qū)頁巖氣有利區(qū)評價指標權(quán)重計算結(jié)果

按上述方法求得研究區(qū)山西組頁巖氣有利區(qū)各個評價參數(shù)權(quán)重（表3）。

2.2隸屬函數(shù)的確定

隸屬度是模糊優(yōu)化評價的基礎參數(shù)，而隸屬度的合理性取決于所建立隸屬度函數(shù)的正確性。評價參數(shù)的隸屬函數(shù)是對模糊優(yōu)化評價的定量描述，隸屬度函數(shù)通過隸屬度來反映各個評價參數(shù)本身及其影響的大小為延展的模糊性。筆者通過對研究區(qū)山西組頁巖氣8個評價參數(shù)對頁巖氣的富集等的影響程度，結(jié)合統(tǒng)計類比法、待定系數(shù)法和模糊統(tǒng)計分析，確定了各評價參數(shù)的隸屬函數(shù)并獲得隸屬度（表4）。

表4　研究區(qū)山西組各評價參數(shù)隸屬度函數(shù)取值范圍

3　GIS空間疊加技術的應用

利用GIS（地理信息系統(tǒng)）空間疊加技術對矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖層進行域與域的疊加及柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖層疊加[19]。本文主要進行微小單元網(wǎng)格劃分，利用圖層空間上以及平面屬性上對頁巖氣有利區(qū)評價參數(shù)進行運算、分類、合并（圖3）。

（1）GIS空間網(wǎng)格劃分根據(jù)淮南煤田山西組泥巖的分布情況，選定了1 000 m的網(wǎng)格間距，建立包含頁巖氣有利區(qū)評價范圍的矩形網(wǎng)格3 682個，并對每個網(wǎng)格單元賦予ID號，以備各參數(shù)的賦值[20]。

圖3　GIS空間疊加柵格數(shù)據(jù)疊加示意

（2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化研究區(qū)山西組頁巖氣有利區(qū)評價數(shù)據(jù)主要包括鉆孔數(shù)據(jù)及實驗測試數(shù)據(jù)，利用Surfer軟件的網(wǎng)格化和轉(zhuǎn)化功能生成[.dat]數(shù)據(jù)文件，并將數(shù)據(jù)處理為Excel格式，利用ID號將各個評價參數(shù)通過GIS的屬性掛接功能賦予各個網(wǎng)格單元。

（3）評價參數(shù)空間疊加將研究區(qū)劃分網(wǎng)格的范圍與包含各個參數(shù)值的矩形網(wǎng)格借助Mapinfo軟件進行空間疊加，將參數(shù)值按照ID號統(tǒng)一賦予對應網(wǎng)格中，并利用輸出功能，統(tǒng)一輸出GIS格式數(shù)據(jù)，并導出屬性Excel表，根據(jù)表4中各參數(shù)隸屬函數(shù)，分別賦予各個評價參數(shù)在各計算網(wǎng)格單元的隸屬度及權(quán)重值。在此基礎上，采用層次模糊計算方法求出各單元的綜合評價值，并利用各個網(wǎng)格ID號，結(jié)合GIS的屬性掛接功能，將各個評價值賦予各個網(wǎng)格單元。

（4）評價結(jié)果等值線圖的獲取利用GIS具有可以運用屬性塊段中某個屬性值的范圍或者具體值統(tǒng)一查找具有該屬性值范圍或該屬性值的區(qū)塊、并能對其進行統(tǒng)一賦予顏色、圖例等屬性的功能，篩選出各個頁巖氣有利區(qū)綜合評價值的網(wǎng)格塊段，將無綜合評價值的網(wǎng)格統(tǒng)一篩選并刪除。據(jù)此，結(jié)合淮南煤田實際情況，確定有利區(qū)綜合評價值，進行頁巖氣有利區(qū)劃分。

4　評價結(jié)果

根據(jù)綜合評價值將研究區(qū)山西組頁巖氣評價區(qū)劃分為4類（表5）：Ⅰ類開發(fā)區(qū)，分布于研究區(qū)東南區(qū)域、古店鄉(xiāng)—顧橋鄉(xiāng)—桂集鄉(xiāng)—劉集鄉(xiāng)一帶及楊樓鄉(xiāng)一帶，該區(qū)域構(gòu)造簡單，可以作為研究區(qū)頁巖氣最有利開發(fā)區(qū)；Ⅱ類開發(fā)區(qū)，分布在研究區(qū)潘集、田集、泥河鎮(zhèn)、山王鎮(zhèn)、朱馬店鎮(zhèn)以及研究區(qū)東西邊緣的中部區(qū)域，為頁巖氣較有利開發(fā)區(qū)；Ⅲ類開發(fā)區(qū)，分布在研究區(qū)朱疃鄉(xiāng)、展溝鎮(zhèn)、古城鄉(xiāng)、江口鎮(zhèn)一帶，關店鄉(xiāng)—賀疃—蘆集一線以及沿安成鎮(zhèn)—平圩—夾溝一線貫通研究區(qū)南北，還有一些零星分布于研究區(qū)各個邊界部分，為研究區(qū)頁巖氣中等有利區(qū)；Ⅳ類非有利區(qū)，分布在研究區(qū)胡集鎮(zhèn)、老廟鎮(zhèn)、新張集鄉(xiāng)及大興集鄉(xiāng)附近，不具備可開采的頁巖氣形成物質(zhì)條件，為頁巖氣非有利區(qū)（圖4）。

表5　研究區(qū)頁巖氣綜合評價劃分結(jié)果

圖4　研究區(qū)山西組頁巖氣有利區(qū)綜合評價結(jié)果

5　結(jié)論

（1）從儲集層因素、經(jīng)濟效益、資源規(guī)模3方面，篩選出8個影響因素作為頁巖氣有利區(qū)的評價參數(shù)，并建立了適合研究區(qū)山西組頁巖氣有利區(qū)的評價標準。

（2）通過GIS與模糊優(yōu)化法的結(jié)合對淮南煤田山西組頁巖氣有利區(qū)進行綜合評價與優(yōu)選，將評價區(qū)分為4種類型，最有利區(qū)為研究區(qū)東南區(qū)域、古店鄉(xiāng)—顧橋鄉(xiāng)—桂集鄉(xiāng)—劉集鄉(xiāng)一帶及楊樓鄉(xiāng)一帶。

（3）結(jié)合GIS的空間疊加技術進行頁巖氣有利區(qū)評價，可快速準確地獲取各個微小網(wǎng)格的屬性，提高各個評價參數(shù)屬性獲取的精度，迅速便捷地計算和劃分出最優(yōu)有利區(qū)范圍，并利用其具有唯一ID號來進行分區(qū)和展布，并且評價體系和方法可操作性強，可根據(jù)不同區(qū)域特征進行改善和優(yōu)化。

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（編輯燕啟勝）

Prediction of Shale Gas Favorable Areas by Fuzzy Optimization Method Based on Spatial Overlay Technology of Geographic Information System

ZHENG Kaige1, CHEN Fugui2, HU Baolin3, LIU Huihu3, XU Hongjie3, LIU Bingchang3
(1.xi'an Research Institute Co., Ltd, China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi’an, Shaanxi 710054, China; 2.Geological Prospecting Research Institute of Jiangxi Coalfield Geology Bureau, Nanchang, Jiangxi 330001, China; 3.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China)

Abstract:On the basis of comprehensive factors such as reservoir, economic benefit and resource scale, etc, this paper refers to the re?search results from North American shale gas favorable areas prospecting, combines with the geochemical and sedimentary characteristics of Shanxi shales in Huainan coalfield, screens out eight influencing factors as the optimum indexes for shale gas favorable areas evaluation, and develops corresponding models for it.By using analytical hierarchy process (AHP), the weights of these evaluation indexes are present?ed, and by means of statistical analogy, undetermined coefficient method and fuzzy optimization technology, the membership values of each evaluation parameter are determined.Finally, the shale gas favorable areas of Shanxi formation in Huainan coalfield are comprehensively evaluated and predicted by fuzzy optimization and geographic information system(GIS) spatial overlay techniques.The results show that the favorable areas can be divided into four categories, of which the southeastern part in the study area, Gudian?Guqiao?Guiji?Liuji rural areas and Yanglou rural area are the most favorable areas for shale gas development.

Keywords:Huainan coalfield; Shanxi formation; shale gas; favorable area; fuzzy optimization approach; spatial overlay; evaluation model

基金項目：國家自然科學基金（41302129）；安徽省公益性地質(zhì)工作項目（2012-g-17）；陜西省工業(yè)科技攻關項目（2015GY112）

作者簡介：鄭凱歌（1988-），男，河南周口人，碩士研究生，礦產(chǎn)普查與勘探，（Tel）18602975228（E-mail）13655617009@163.com.

收稿日期：2015-07-19

修訂日期：2015-11-02

文章編號：1001-3873（2016）01-0046-05

DOI：10.7657/XJPG20160109

中圖分類號：TE121.1

文獻標識碼：A