基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的頁巖氣資源豐度敏感性研究

楊宇寧, 王　劍

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川　成都　610059；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，四川　成都　610072；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川　成都　610081)

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基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的頁巖氣資源豐度敏感性研究

楊宇寧1,2，3, 王劍3

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都610059；2.四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都610072；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川成都610081)

頁巖氣成藏是多種因素共同作用的結(jié)果。要探明頁巖氣資源豐度，就要分清各種影響因素之間的關(guān)系及其重要性。研究影響頁巖氣資源豐度的各種因素，從眾多影響因素中分析各種因素的敏感度具有重要意義。本文介紹了頁巖氣成藏條件，研究了影響頁巖氣資源豐度的主要因素。以北美典型的頁巖盆地地層與中國(guó)四川盆地下古生界頁巖地層相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)頁巖氣資源豐度各種影響因素的重要程度進(jìn)行研究。該方法的思路為：首先在大量離亂、隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中建立參考數(shù)據(jù)和比較數(shù)據(jù)；其次，由于數(shù)據(jù)的單位不同，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，使數(shù)據(jù)具有可比性；最后，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法處理數(shù)據(jù)，從整體觀念出發(fā)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定其對(duì)目標(biāo)要素的貢獻(xiàn)程度。本研究得到的資源豐度敏感程度自大到小依次為頁巖深度、厚度、演化度(Ro)、有機(jī)質(zhì)(TOC)和孔隙度，這為以后頁巖資源豐度的研究提供了理論借鑒。

灰色關(guān)聯(lián)分析；頁巖氣；資源豐度；敏感性

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)資源的需求不斷增長(zhǎng)。由于常規(guī)油氣資源的日益枯竭，促使人類加快非常規(guī)油氣資源的勘探步伐。非常規(guī)油氣資源中的頁巖氣資源量大、生產(chǎn)壽命長(zhǎng)[1]。20世紀(jì)90年代以來，全球頁巖氣的成藏機(jī)理和增產(chǎn)措施研究不斷深入，頁巖氣工業(yè)發(fā)展迅猛[2]。

研究表明，頁巖氣成藏是多種因素共同作用的結(jié)果[3]。要探明頁巖氣資源豐度，就要分清影響因素之間的關(guān)系及重要性。研究影響頁巖氣資源豐度的各種因素，從眾多影響因素中分析各種因素的敏感度具有重要意義。本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析影響頁巖氣資源豐度各種因素的敏感度，研究各種因素之間的相互關(guān)系及重要程度，為后續(xù)的頁巖氣研究提供一定的參考。

1　頁巖氣成藏條件

常規(guī)油氣藏中頁巖通常只作為源巖或蓋層。在頁巖氣藏中，由于頁巖具有較低的孔隙度及滲透率，頁巖既可以作為源巖，又可以作為儲(chǔ)層和蓋層,形成典型的“自生自儲(chǔ)”型氣藏。

1.1烴源條件

富有機(jī)質(zhì)烴源頁巖中，天然氣的生成取決于沉積環(huán)境及沉積后熱演化的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間；前者決定巖層中原始沉積有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和天然氣的生成能力，后者決定有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為烴類天然氣的程度[2-4]。

快速沉積條件和封閉還原環(huán)境有利于形成有機(jī)質(zhì)豐度高的黑色泥頁巖，為頁巖氣的工業(yè)聚集提供豐富的氣源基礎(chǔ)[5]。頁巖中的有機(jī)物質(zhì)兼具生成天然氣與吸附氣體的功能。有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)高的地區(qū)頁巖氣產(chǎn)量也較高。

頁巖氣的生成貫穿于有機(jī)質(zhì)向烴類演化的各個(gè)過程，演化度(Ro)越高，成氣的可能性越大，Ro>0．4%，就可生成天然氣[3]。

頁巖氣可以在以生油為主的I型、II型干酪根和以生氣為主的Ⅲ型干酪根源巖中產(chǎn)出，有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)和成熟度(Ro)是決定源巖產(chǎn)氣能力的重要因素。研究表明，有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)大于2%，成熟度(Ro)大于1．1%的地區(qū)可有效降低頁巖氣開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

1.2儲(chǔ)集條件

既可作為源巖又兼具較低的孔隙度及滲透率的頁巖可形成典型的“自生自儲(chǔ)”型氣藏。頁巖成藏關(guān)鍵因素是頁巖必須具備足夠的厚度和埋藏深度。

由于“自生自儲(chǔ)”的特性，頁巖氣在頁巖中以多種形式賦存。但通常情況下，足夠的儲(chǔ)集厚度可以保證頁巖氣的儲(chǔ)集。如果要達(dá)到工業(yè)產(chǎn)量，頁巖必須具備連續(xù)分布面積且達(dá)到相應(yīng)的厚度，從而能夠提供足夠的產(chǎn)氣源和儲(chǔ)集空間，繼而成為有效的烴源巖層和儲(chǔ)集層。頁巖越厚，可提供的氣源越豐富，產(chǎn) 氣量越穩(wěn)定。

足夠的埋藏深度也是形成頁巖氣成藏的關(guān)鍵因素[7]。有機(jī)質(zhì)在一定的溫度與壓強(qiáng)作用下方能轉(zhuǎn)化為油氣，足夠的埋藏深度為這種轉(zhuǎn)化提供了合適的溫度與壓力。同時(shí)，頁巖的埋藏深度也影響開發(fā)成本。

1.3孔隙度

頁巖中存在一些孔隙，這些孔隙的大小對(duì)頁巖氣吸附和儲(chǔ)集具有重要意義[8]。在頁巖孔隙中存在大量的內(nèi)表面積，內(nèi)表面積可以大量吸附頁巖氣，在頁巖氣成藏過程中，吸附作用是頁巖氣得以儲(chǔ)集的主要機(jī)制。同時(shí)，頁巖的滲透率很低，這可以保證頁巖氣不會(huì)流走溢出，從而保證了頁巖氣的儲(chǔ)集，但是滲透率過小也不利于頁巖氣開采?？紫抖瓤梢杂绊戫搸r氣吸附狀態(tài)和吸附量，對(duì)資源豐度也有較大影響，一般孔隙度達(dá)到一定條件后頁巖氣才能夠達(dá)到工業(yè)產(chǎn)量。

綜上所述，頁巖埋藏深度、有效厚度、有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)、演化度(Ro)、總孔隙度為頁巖氣資源豐度的主控因素[9]。

1.4四川盆地頁巖氣與北美頁巖氣

通過對(duì)四川盆地笻竹寺組、龍馬溪組的頁巖氣成藏地質(zhì)條件進(jìn)行初步分析，認(rèn)為四川盆地笻竹寺組、龍馬溪組與北美5大頁巖氣盆地產(chǎn)氣頁巖的地質(zhì)地球化學(xué)參數(shù)相當(dāng)[6、10]。兩套頁巖具有相似的沉積背景、有機(jī)質(zhì)類型和生烴演化史等[11-12]，兩者共性較多，四川盆地頁巖氣具有較大的勘探開發(fā)潛力[13-15]。作者以本文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表1)為研究對(duì)象，分析研究有機(jī)質(zhì)含量、類型、成熟度、儲(chǔ)層厚度、埋藏深度和孔隙度等因素與頁巖氣資源豐度之間的關(guān)系，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)多種因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以了解各個(gè)影響因素對(duì)頁巖氣資源豐度重要程度。

2頁巖氣資源豐度灰色關(guān)聯(lián)分析法的研究

廣泛應(yīng)用于工程、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的灰色關(guān)聯(lián)分析法是灰色系統(tǒng)理論分支之一。

表1四川盆地龍馬溪組頁巖與北美頁巖地質(zhì)條件對(duì)比[7]

Table 1Correlation of geological conditions of the shales from the Longmaxi Formation in the Sichuan Basin and North America

頁巖埋藏深度(m)厚度(m)TOC(%)Ro(%)孔隙度(%)資源豐度(108m3·km-2)Bamett1981～292630～1833～13.01.1～24～5.07.15Fayettevile305～22876～762～9.81.2～42～8.06.3Haynesvile3048～411562～910.5～42.2～3.28～9.08.71Woodford1829～335337～671～14.01.1～33～9.02.29Antrim183～73021～371～20.00.4～0.690.69Lewis914～182961～910.45～2.51.6～1.93～551.74Marcellus475～259115～3043～12.01.5～3101.73NewAlbany152～149415～1221～25.00.4～0.810～14.00.42Ohio600～15009～30.00～4.70.4～1.34.70.55～1.09笻竹寺組2600～460020～802.3～4.21.5～5.71.46～2.610.9～2.3龍馬溪組1600～420020～1201～5.01.88～4.361～5.01～2.5

灰色關(guān)聯(lián)分析法能從系統(tǒng)中離亂的、隨機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，確定各因素間的關(guān)聯(lián)程度?；疑P(guān)聯(lián)分析法的思路為：首先在大量離亂、隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中建立參考數(shù)據(jù)和比較數(shù)據(jù)；由于數(shù)據(jù)的單位不同，一般對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，使數(shù)據(jù)具有可比性；最后，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法處理數(shù)據(jù)，從整體觀念出發(fā)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定其對(duì)目標(biāo)要素的貢獻(xiàn)程度。

2.1建立參考數(shù)據(jù)和比較數(shù)據(jù)

首先，選取系統(tǒng)分析中最為重要的因素，即反映系統(tǒng)特征行為的參考序列X0。其次，獲取系統(tǒng)相關(guān)影響因素行為序列Xi (也稱為比較序列)。最后，建立X0和Xi計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，進(jìn)而得到相應(yīng)影響因素關(guān)聯(lián)度。

建立系統(tǒng)參考序列X0(式1)：

X0(k)=(x0(1),x0(2),x0(3),...,x0(m)

(1)

建立系統(tǒng)比較序列(式2)

k=1,2,...,n

(2)

以表1中頁巖氣資源豐度為參考序列，埋藏深度、厚度、TOC、Ro、孔隙度為比較序列：

X0=(7.15, 6.3, 8.71,2.29, 0.69, 1.74, 1.73, 0.42,0.82, 1.6, 1.75)T

X1=(2453.50,1296.00,3581.5,2591.00,457.50,1371.50,1533.00,823.00,1050.00,3600.00,2900.00)T

X2=(106.50,41.15,76.52,51.84, 29.00, 76.00, 159.60, 68.50, 19.50 , 50.00 , 60.00)T

X3=(4.50, 5.90, 2.25, 7.50, 10.50, 1.48, 7.50, 13.00, 2.35, 3.25 , 2.60)T

X4=(1.55, 2.60, 2.70, 2.05, 0.50, 1.75, 2.25, 0.60, 0.85 , 3.60 , 3.12)T

X5=(4.5,5,8.5,6.00,9.00,29.00,10.00,12.00,2.35 ,2.04 ,3.00)T

2.2數(shù)據(jù)無量綱化

由于數(shù)據(jù)的單位不同，一般對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理(式3)，使數(shù)據(jù)具有可比性(表2)。

表2　無量綱化后的數(shù)據(jù)

2.3灰色關(guān)聯(lián)分析法處理數(shù)據(jù)

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)公式(4)，建立X0和Xi計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，取得關(guān)聯(lián)系數(shù)如表3

其中：ρ為分辨率，在(0，1)內(nèi)取值，通常取0.5。

表3　關(guān)聯(lián)系數(shù)

對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象(比較序列)分別計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值(式5)，反映各評(píng)價(jià)對(duì)象與參考序列的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

計(jì)算得到每個(gè)影響因素的關(guān)聯(lián)度：

r(X0,X1)=0.70

r(X0,X2)=0.71

r(X0,X3)=0.63

r(X0,X4)=0.68

r(X0,X5)=0.64

結(jié)合頁巖氣成藏條件，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論計(jì)算結(jié)果可知，頁巖埋藏深度、頁巖的有效厚度及有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)、演化度(Ro)、總孔隙度對(duì)頁巖氣資源豐度都有較明顯的影響，這與之前頁巖氣成藏條件的分析較吻合。根據(jù)靈敏度平均值計(jì)算結(jié)果可知，頁巖氣巖層埋藏深度、相對(duì)厚度對(duì)資源豐度影響較大，其次為演化度(Ro)、孔隙度與有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)。

3　結(jié)語

本文引入灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)頁巖氣資源豐度影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為頁巖埋藏深度與厚度對(duì)頁巖氣資源豐度影響最大，其次為演化度(Ro)，有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)、總孔隙度。本文的研究對(duì)頁巖氣的研究和開發(fā)具有借鑒意義。

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The susceptibility of the shale gas resources abundances based on the grey association analysis

YANG Yu-ning1,2,3, WANG Jian3

(1.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,Sichuan,China;2.ResearchInstituteofGeophysicalExplorationEngineeringCo.,Ltd.,ZhongchengCoalField,Chengdu610072,Sichuan,China; 3.KeyLaboratoryofSedimentaryBasinandOilandGasResources,MinistryofLandandResources,Chengdu610081,Sichuan,China)

The shale gas exploration is developing into a new field of the exploration and development of natural gas in China. Referenced to the representative shale basins in North America and the Lower Palaeozoic shale strata in the Sichuan Basin in China, the present paper focuses on the shale gas accumulation conditions and controlling factors influencing the shale gas resources abundances based on the grey association analysis. The technological processes of this method may be generalized as follows. Firstly, the reference data and correlation data are established from the abundant chaotic and random statistic data; then the dimensionless processing is made for the original data in order that these data may be comparable. Finally, these data are processed with the aid of the grey association analysis in order to evaluate these data and their contribution to the target elements. The main controlling factors include the burial depth, effective thickness, organic carbon abundance (TOC), thermal evolutionary degree (Ro) and total porosity. The result of research in this study may provide one useful approach to the future research of shale gas resources abundances.

grey association analysis; shale gas; resources abundance; susceptibility

1009-3850(2016)01-0109-04

2015-06-08； 改回日期： 2015-08-10

楊宇寧(1987-)，女，博士，主要從事含油氣盆地沉積與層序地層工作

國(guó)家自然科學(xué)基金“華南新元古代楔狀地層沉積充填序列及大地構(gòu)造研究”(41030315)

TE132.2

A