臧東升,王嗣敏,柴立滿,王熙瓊,陳家琳
(1.中國石油大學(xué) 盆地與油藏研究中心,北京102249;2.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京102249;3.大慶油田第二采油廠,黑龍江 大慶163414)
層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)是一種實(shí)用的多準(zhǔn)則系統(tǒng)分析方法,綜合定性分析與定量分析,將復(fù)雜的問題用一個邏輯有序的遞階層次結(jié)構(gòu)表示出來,通過經(jīng)驗判斷對決策方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序。建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗是層次分析過程的四個基本步驟[1]。該方法最早由美國著名運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)教授T. L. Saaty 于20 世紀(jì)70 年代中期提出,由于其實(shí)用、簡潔、系統(tǒng)性強(qiáng),能夠迅速簡便地解決復(fù)雜問題,在國防科技、科技成果評價、企業(yè)管理、人才選拔評價等領(lǐng)域均已得到了非常廣泛的應(yīng)用,在礦產(chǎn)能源領(lǐng)域亦有較多涉及[2]。
油頁巖是一種非常重要的非常規(guī)能源,全世界油頁巖資源折算成頁巖油資源量達(dá)4 539 ×108t[3],作為重要替代能源的油頁巖憑借其資源豐富、特性有利和開發(fā)利用可行3 項優(yōu)勢越來越受到廣泛的關(guān)注[4-5]。中國的油頁巖資源豐富,分布在全國20 個省和自治區(qū)、47 個盆地、80 多個含礦區(qū),油頁巖地質(zhì)資源量11 602 ×108t,可回收頁巖油資源量達(dá)160 ×108t[6-7].2003—2006 年“全國油頁巖資源評價”第一次系統(tǒng)和全面地評價了全國的油頁巖資源,比較全面地研究了油頁巖資源評價體系。位于遼寧西部的建昌盆地油頁巖資源豐富,歷經(jīng)多次勘查,目前已發(fā)現(xiàn)油頁巖礦點(diǎn)十多個,僅建昌堿廠、凌源五家子、喀左九佛堂、朝陽七道泉子和敖漢旗大青山五個勘查區(qū)共計油頁巖查明資源157 784 ×104t,油頁巖查明技術(shù)可采資源82 285×104t,頁巖油查明資源8 032 ×104t,頁巖油查明技術(shù)可采資源4 222 ×104t,頁巖油查明可回收資源3 166 ×104t.
由于對油頁巖系統(tǒng)地評價研究工作起步較晚,目前對于油頁巖目標(biāo)區(qū)的優(yōu)選研究成果不甚豐富。有學(xué)者曾以油頁巖含礦區(qū)為評價單元進(jìn)行過優(yōu)選研究[8-10],認(rèn)為油頁巖含礦區(qū)的開發(fā)利用需綜合考慮地質(zhì)資源因素和技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素。筆者以勘查區(qū)為優(yōu)選單元,將層次分析法應(yīng)用于有利勘查區(qū)定量優(yōu)選評價中,構(gòu)建勘查區(qū)勘探優(yōu)選評價指標(biāo)體系,確定各級評價指標(biāo)權(quán)重,對建昌盆地不同勘查區(qū)進(jìn)行評價與優(yōu)選,為進(jìn)一步的勘探工作和科學(xué)、合理地利用好該地區(qū)的油頁巖資源提供一定依據(jù)。
雖然制約油頁巖勘查區(qū)勘探開發(fā)的因素較多,但主要包括3 個方面:地質(zhì)條件,開發(fā)條件和經(jīng)濟(jì)條件。基于對勘查區(qū)優(yōu)選的研究,建立了油頁巖有利勘查區(qū)優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)模型(表1)。該模型包括3 個層次:目標(biāo)層,條件層和參數(shù)層。頂層是目標(biāo)層,即勘查區(qū)優(yōu)選勘探目標(biāo);第二層是條件層,表示實(shí)現(xiàn)勘查區(qū)優(yōu)選勘探的約束條件,包括地質(zhì)條件,開發(fā)條件和經(jīng)濟(jì)條件;底層是參數(shù)層,是第二層各個約束條件的具體化,各個參數(shù)的數(shù)值能夠直接得到或者通過一定方式量化得到。約束地質(zhì)條件的參數(shù)有含油率、主采層厚度、礦層累計厚度、含礦區(qū)礦層面積和勘查程度;約束開發(fā)條件的參數(shù)有勘查區(qū)頁巖油資源豐度、技術(shù)可采系數(shù)和礦體埋深;約束經(jīng)濟(jì)條件的參數(shù)有勘查區(qū)頁巖油可回收資源豐度、地理環(huán)境和共伴生可利用礦產(chǎn)。
表1 油頁巖有利勘查區(qū)優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)模型Tab.1 Optimization hierarchical structure model of oil shale exploration region
油頁巖品質(zhì)評價參數(shù)有含油率、灰分、發(fā)熱量和全硫含量等,含油率既是界定油頁巖礦產(chǎn)資源的一項重要指標(biāo),也是油頁巖評價過程中的重要參數(shù)[11-12]。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)含油率與灰分、發(fā)熱量的關(guān)系密切,相關(guān)性強(qiáng)(圖1)。全硫含量雖與前三者關(guān)系雖并不密切,通過分析16 個樣品的全硫含量發(fā)現(xiàn),15 個樣品屬于低硫—特低硫油頁巖,因此建昌盆地各地區(qū)進(jìn)行油頁巖開發(fā)時對環(huán)境的潛在污染程度普遍很低[13]。所以,選取含油率作為衡量油頁巖品質(zhì)的參數(shù)指標(biāo)。
前人在研究油頁巖資源有利區(qū)優(yōu)選時普遍選取頁巖油資源與頁巖油可回收資源作為其中的兩個優(yōu)選參數(shù)[14]。在建昌盆地,由于油頁巖勘查區(qū)面積相差較大,導(dǎo)致勘查區(qū)資源量差別較大,用資源量參數(shù)不能較好地客觀反映勘查區(qū)資源狀況。因此,筆者建議在進(jìn)行勘查區(qū)這一級評價單元優(yōu)選時,選取勘查區(qū)頁巖油資源豐度和勘查區(qū)頁巖油可回收資源豐度兩個參數(shù)來表征該地區(qū)頁巖油資源富集程度,用含礦區(qū)礦層面積側(cè)面表征該含礦區(qū)油頁巖資源多少。
圖1 建昌盆地南部含油率、灰分和發(fā)熱量相關(guān)圖[13]Fig.1 Correlation between oil yield,ash content and caloric value in south part of Jianchang Basin[13]
構(gòu)造判斷矩陣是層次分析法解決問題的最關(guān)鍵一步,判斷矩陣表示的是針對上一層次中的某個因素而言,本層次與之有關(guān)的各個因素之間的相對重要性[15]。假定C 層次中的因素Ck與下一層次中的各個因素A1,A2,…,An均有聯(lián)系,則構(gòu)造的判斷矩陣形式見表2.
表2 判斷矩陣Tab.2 Judgement matrix
在表2 中,aij是指相對于Ck,Ai對Aj的相對重要性的數(shù)值表示,采用1 ~9 比例標(biāo)度,當(dāng)aij取1,3,5,7,9 時分別表示為Ai比Aj同等重要、稍重要、重要、很重要和極重要,它們之間的數(shù)2,4,6,8 及各數(shù)的倒數(shù)具有相應(yīng)的類似含義。
層次單排序,簡而言之即計算各個判斷矩陣的最大特征值λmax和最大特征值所對應(yīng)的特征向量W,W 的分量Wi便是該層因素相對于上一層因素的重要性權(quán)值[15]。
由于認(rèn)識具有多樣性,不同的人對于不同因素之間重要性的判斷不可能保證完全一致,因此就需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗CR =CI/RI,只有當(dāng)CR <0.1 時才能認(rèn)為該判斷矩陣具有滿意的一致性,否則就需要重新調(diào)整判斷矩陣使之符合要求。其中CI=(λmax-n)/(n -1),1 ~5 階矩陣RI 取值分別為0,0,0.58,0.90,1.12.
根據(jù)前人得出的各層因素之間的相對重要性,構(gòu)造各個判斷矩陣如下
1)判斷矩陣A-B(相對于總目標(biāo)而言,各條件層評價指標(biāo)之間的相對重要性比較)
用和積法求得判斷矩陣的最大特征值和特征向量,特征向量W=(0.633 4,0.260 5,0.106 1)T,最大特征值λmax=3.038 7. 進(jìn)行一致性檢驗,CI=0.019 4,RI =0.58,CR =CI/RI =0.033 4 <0.1,因此該矩陣具有滿意的一致性,說明該矩陣的賦值是合理的。其中,地質(zhì)條件權(quán)重0.633 4,開發(fā)條件權(quán)重0.260 5,經(jīng)濟(jì)條件權(quán)重0.106 1.
2)判斷矩陣B1-C(相對于地質(zhì)條件而言,與之相對應(yīng)的各參數(shù)層評價指標(biāo)之間的相對重要性比較)
W1= (0.455 9,0.107 5,0.185 0,0.185 0,0.066 5)T,λmax=5.057 0,CR =0.012 8 <0.1. 特征向量W1中各分量乘以地質(zhì)條件權(quán)重0.633 4,即得到含油率、主采層厚度、礦層累計厚度、含礦區(qū)礦層面積和勘查程度在整個評價體系中的權(quán)重,分別 為0.288 8,0.068 1,0.117 2,0.117 2,0.042 1.
3)判斷矩陣B2-C(相對于開發(fā)條件而言,與之相對應(yīng)的各參數(shù)層評價指標(biāo)之間的相對重要性比較)
W2= (0.567 9,0.334 0,0.098 2)T,λmax=3.024 8,CR= 0.021 4 <0.1,進(jìn)一步得到頁巖油資源豐度、技術(shù)可采系數(shù)和礦體埋深在整個評價體系中的權(quán)重,分別為0.147 9,0.087 0,0.025 6.
4)判斷矩陣B3-C(相對于經(jīng)濟(jì)條件而言,與之相對應(yīng)的各參數(shù)層評價指標(biāo)之間的相對重要性比較)
W3= (0.685 3,0.221 3,0.093 4)T,λmax=3.054 9,CR= 0.0473 <0.1,進(jìn)一步得到頁巖油可回收資源豐度、地理環(huán)境和共伴生可利用礦產(chǎn)在整個評價體系中的權(quán)重分別為0.072 7,0.023 5,0.009 9.
根據(jù)上述計算,得到了油頁巖評價結(jié)構(gòu)層次模型中各層評價指標(biāo)的權(quán)重值(表3)。結(jié)果顯示,在條件層評價指標(biāo)中,地質(zhì)條件權(quán)重最大,為0.633 4;開發(fā)條件權(quán)重為0.260 5;經(jīng)濟(jì)條件占權(quán)重最小,為0.106 1.與油頁巖含礦區(qū)優(yōu)選評價需綜合考慮地質(zhì)資源條件與技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件相比,勘查有利區(qū)優(yōu)選更加注重地質(zhì)條件因素的影響。在參數(shù)層評價指標(biāo)中,含油率權(quán)重最大,為0.288 8,反映了含油率在油頁巖勘查有利區(qū)優(yōu)選中的重要地位,即使在含礦區(qū)優(yōu)選中,含油率占的權(quán)重亦是最大。此外,頁巖油資源豐度、礦層累計厚度、含礦區(qū)礦層面積也是油頁巖勘查有利區(qū)優(yōu)選時需要優(yōu)先考慮的因素。
表3 油頁巖資源評價模型指標(biāo)體系權(quán)重計算結(jié)果Tab.3 Weight results of oil shale resource evaluation model index system
為了便于不同的勘查區(qū)之間進(jìn)行綜合優(yōu)選對比,將不同量綱的各個參數(shù)層指標(biāo)根據(jù)其數(shù)據(jù)值的相對大小而賦值。參考前人對資源有利區(qū)優(yōu)選研究成果,將油頁巖勘探有利區(qū)評價參數(shù)的優(yōu)劣程度分為好、較好、較差、差4 個等級,分別賦值10~7.5 分,7.5 ~5 分,5 ~2.5 分,2.5 ~0 分(表4)。賦值時,定量參數(shù)利用差值方法計算相應(yīng)的分值,定性參數(shù)選取區(qū)間中值為相應(yīng)的分值。
表4 參數(shù)層評價指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Assignment shandards of evaluation indexes in parameter layer
各個勘查區(qū)綜合評價得分利用加權(quán)求和的方法求得
其中 Q 是油頁巖勘查區(qū)綜合得分;Fi是參數(shù)層指標(biāo)的賦分值;Wi是參數(shù)層指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重值。
對獲得的各個勘查區(qū)的綜合評價得分由高到低進(jìn)行排序,根據(jù)綜合得分的多少進(jìn)行勘探有利程度分類:Q≥5.0 為Ⅰ類勘查區(qū),即最有利勘查區(qū),進(jìn)一步勘探的前景最好;4.0≤Q <5.0為Ⅱ類勘查區(qū),即有利勘查區(qū),勘探前景較好;Q <4.0 為Ⅲ類勘查區(qū),即較有利勘查區(qū),勘探前景較差。以此為參考,開展油頁巖礦區(qū)的勘探開發(fā)優(yōu)選戰(zhàn)略規(guī)劃。
建昌盆地位于遼寧省西部,含內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部少部分地區(qū),大地構(gòu)造上位于華北地塊東北部燕山造山帶遼西拗陷[16]。盆地北部以赤峰-開原斷裂為界,南部以要路溝-錦西斷裂與山海關(guān)隆起相接[17],西部以叨爾登、桃花吐隆起為界,東部以建昌-朝陽斷裂和朝陽-北票斷裂與金嶺寺-羊山盆地相鄰(圖2)。建昌盆地是一個發(fā)育在克拉通基礎(chǔ)上的中生代疊置盆地,在中生代盆地經(jīng)歷了三疊紀(jì)擠壓拗陷、侏羅紀(jì)擠壓拗陷和白堊紀(jì)伸展裂陷3 個演化階段[18]。盆地油頁巖資源豐富,賦存在下白堊統(tǒng)九佛堂組,目前已發(fā)現(xiàn)10 多個油頁巖礦點(diǎn),比較具有代表性的有建昌堿廠、凌源五家子、喀左九佛堂、朝陽七道泉子和敖漢旗大青山。
以研究所獲得的建昌盆地各個勘查區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)(表5),根據(jù)應(yīng)用層次分析原理求得的各參數(shù)權(quán)重,并結(jié)合參數(shù)層評價指標(biāo)的賦值得分,加權(quán)求和獲得建昌盆地各個勘查區(qū)綜合評價得分,結(jié)果見表6.
表5 建昌盆地油頁巖勘查區(qū)參數(shù)層實(shí)際數(shù)值表Tab.5 Actual value of the parameter layer in oil shale exploration regions of Jianchang basin
計算結(jié)果顯示,在建昌盆地5 個勘查區(qū)中,敖漢旗大青山勘查區(qū)油頁巖綜合評價指標(biāo)最高為5.407 2,其次為朝陽七道泉子(5.048 2),此二者是Ⅰ類勘查區(qū),進(jìn)一步勘探的前景最好;凌源五家子(4.348 3)和建昌堿廠勘查區(qū)(4.025 7)是Ⅱ類勘查區(qū),勘探前景較好;喀左九佛堂勘查區(qū)得分最低,為3.825 5,是Ⅲ類勘查區(qū),勘探前景較差。因此,應(yīng)用層次分析原理所得到的最有利勘探區(qū)是敖漢旗大青山和朝陽七道泉子,這2 個地區(qū)油頁巖厚度大,含油率高,埋深淺,油頁巖及頁巖油資源潛力巨大,是下一步優(yōu)先勘探開發(fā)的地區(qū)。
表6 建昌盆地油頁巖勘查區(qū)綜合評價計算結(jié)果Tab.6 Comprehensive evaluation results of oil shale exploration regions in Jianchang basin
圖2 建昌盆地典型油頁巖勘查區(qū)位置圖Fig.2 Location of typical oil shale exploration region in Jianchang basin
1)建立了油頁巖有利勘查區(qū)優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)模型,包括3 個層次:目標(biāo)層,條件層和參數(shù)層。目標(biāo)層為勘查區(qū)優(yōu)選勘探目標(biāo),條件層由地質(zhì)條件,開發(fā)條件和經(jīng)濟(jì)條件3 個因素組成,參數(shù)層則由含油率、主采層厚度、礦層累計厚度等共計11 個因素組成。
2)通過層次分析法研究各層評價指標(biāo)的權(quán)重,在條件層,地質(zhì)條件是影響油頁巖勘查區(qū)進(jìn)一步勘探的最重要因素;在參數(shù)層,含油率、頁巖油資源豐度、礦層累計厚度和含礦區(qū)礦層面積是影響油頁巖勘探選區(qū)的關(guān)鍵參數(shù)。
3)在建昌盆地5 個典型的油頁巖勘查區(qū)中,敖漢旗大青山和朝陽七道泉子勘查區(qū)是Ⅰ類勘查區(qū),勘探前景最好;其次是凌源五家子和建昌堿廠勘查區(qū),為Ⅱ類勘查區(qū),勘探前景較好;喀左九佛堂勘查區(qū)得分最低,是Ⅲ類勘查區(qū),勘探前景較差。
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