層次分析法在建昌盆地油頁巖勘查有利區(qū)優(yōu)選中的應(yīng)用*

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(yàn)室，北京102249;3.大慶油田第二采油廠，黑龍江 大慶163414)

0 引 言

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(yàn)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(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)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(xiàng)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)。

1 油頁巖勘查區(qū)評價優(yōu)選流程

1.1 勘查區(qū)評價優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)模型的建立

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?；趯辈閰^(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(xiàng)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］

1.2 參數(shù)層指標(biāo)權(quán)重的確定

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(yàn)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(yàn)，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

1.3 參數(shù)層指標(biāo)的賦值

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

1.4 勘查區(qū)綜合評價優(yōu)選

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。

2 建昌盆地有利勘探區(qū)的優(yōu)選分析

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

3 結(jié) 論

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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