海域天然氣水合物試采目標(biāo)優(yōu)選定量評價方法初探

胡高偉，吳能友，李 琦，白辰陽，萬義釗，黃 麗，王代剛，李彥龍，陳 強

(1.青島海洋地質(zhì)研究所 自然資源部天然氣水合物重點實驗室，山東 青島 266071；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院，北京 100083；3.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249)

0 引 言

天然氣水合物廣泛分布于世界主動大陸邊緣和被動大陸邊緣[1]，因具有巨大的資源量而成為潛在的替代能源。開采方法在一定條件下會影響天然氣水合物實際可采量[2-3]，但影響是建立在儲量基礎(chǔ)之上的[4]。天然氣水合物資源的開采還是一個難點，目前仍然停留于探索性試采和試驗性試采階段。盡管西西伯利亞永久凍土帶麥索亞哈氣田早在1969年就采用降壓法和化學(xué)抑制劑法成功開采水合物，但其并非專門的水合物開采[5]。就天然氣水合物開采方法而言，野外試采結(jié)果表明，目前技術(shù)上最有效的為降壓法開采[6-7]。加熱法、注化學(xué)劑法、CO2置換法等其他方法，作為輔助開采方法時，雖然在一定程度上能夠提高產(chǎn)氣潛力，但提高幅度有限。

1 全球水合物試采概況

截至目前全球已實施的多次天然氣水合物實地試采(表1)，從2002年在加拿大麥肯齊三角洲多年凍土區(qū)砂礫儲層為目標(biāo)進行的5天注熱法開采，到2020年我國第二次在南海海域首次利用水平井在黏土質(zhì)粉砂中進行水合物試驗性試采，均顯示目前全球已實施的海域水合物試采仍采用降壓法。事實上，儲藏地質(zhì)觀點認為，影響天然氣水合物開采的最根本因素是其實際賦存特征和地質(zhì)條件，不同的儲層賦存條件與規(guī)模對開采產(chǎn)氣影響巨大。鉆探研究發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域、甚至同一區(qū)域不同站位的天然氣水合物賦存產(chǎn)出特征差異巨大，這勢必會對天然氣水合物開采潛能造成影響[8]。

表1 國內(nèi)外水合物試采概況[6-7]

為了更好地指導(dǎo)天然氣水合物勘探與開發(fā)，Boswell和Collett(2006)[9]率先提出了“天然氣水合物資源金字塔”模型(Gas Hydrates Resource Pyramid,圖1)，定性闡述了各種類型天然氣水合物儲層的資源潛力和開采難度之間的相關(guān)關(guān)系，為天然氣水合物試采指明了方向。從金字塔頂端到底端，各類儲層的資源潛力逐漸增大，但資源品位逐漸降低，資源預(yù)測可信度相應(yīng)降低，開采難度相應(yīng)提高，可采效率逐漸降低。在整個天然氣水合物資源金字塔中，極地永久凍土帶砂礫質(zhì)天然氣水合物儲層屬于陸上資源，開采難度最低，開采效率高。對于海域天然氣水合物資源而言，開采難易程度由低到高分別為砂質(zhì)儲層、滲透性黏土質(zhì)儲層(含構(gòu)造、裂隙充填型天然氣水合物)、冷泉相關(guān)的塊狀儲層以及非滲透性黏土質(zhì)儲層(圖1)[10-11]。

天然氣水合物資源金字塔僅給出了開采難易程度的定性描述，尚缺少定量數(shù)據(jù)支撐;并且從中國南海神狐海域的水合物開采經(jīng)驗來看，泥質(zhì)粉砂水合物儲層因具有較好的支撐作用，在合理降壓幅度和防砂措施下可以實現(xiàn)較長周期的高產(chǎn)量試采[12-13]；而且，對于同一類型儲層，簡單利用天然氣水合物資源金字塔無法明確最優(yōu)的開采站位，亟須更為細致、科學(xué)的天然氣水合物儲層產(chǎn)能潛力評價系統(tǒng)，才能更好地為生產(chǎn)開發(fā)服務(wù)。

目前針對天然氣水合物開采目標(biāo)的選擇采取的方法是通過數(shù)值模擬的手段,分析得到不同因素影響下的開采產(chǎn)能和工程地質(zhì)的風(fēng)險，綜合考慮各因素影響確定開采目標(biāo)。吳能友等[11]2013年提出了水合物開采潛力綜合評價方法，該方法利用數(shù)值模擬和正交設(shè)計建立典型地質(zhì)參數(shù)與開采產(chǎn)氣指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系式，利用函數(shù)關(guān)系式可以快速對特定儲層條件和特定開采方法下的水合物開采產(chǎn)能進行快速的評價。近年來，機器學(xué)習(xí)和非線性規(guī)劃方法也應(yīng)用到了水合物開采目標(biāo)的優(yōu)選中。該方法利用機器學(xué)習(xí)的方法建立數(shù)值模擬模型的替代模型，通過替代模型快速計算得到大量的輸入輸出數(shù)據(jù)，再利用線性規(guī)劃的優(yōu)化方法確定最優(yōu)解[14]。

利用正交設(shè)計建立響應(yīng)函數(shù)的方法可以快速確定不同地質(zhì)參數(shù)對開采產(chǎn)能的影響和最佳地質(zhì)參數(shù)組合，但是響應(yīng)函數(shù)的確定依賴于大量的數(shù)值模擬結(jié)果的計算，在影響因素眾多的情況下，響應(yīng)函數(shù)形式復(fù)雜。而機器學(xué)習(xí)的方法則需要利用替代模型產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，在影響因素眾多的情況下，替代模型的構(gòu)建和檢驗較為困難。因此，本文基于模糊綜合評價理論，建立水合物試采目標(biāo)的綜合評價指標(biāo)體系，使用數(shù)值模擬和實驗?zāi)M等定量化手段，計算獲得了模糊綜合評價中的工程因素和地質(zhì)因素的權(quán)重以及對試采目標(biāo)影響程度的量化指標(biāo)，解決了依靠專家經(jīng)驗計算權(quán)重時易受人為主觀判斷影響的問題，實現(xiàn)了試采目標(biāo)優(yōu)選從定性到定量的轉(zhuǎn)變。

2 試采目標(biāo)優(yōu)選定量方法的建立

2.1 模糊綜合評判原理

模糊綜合評判是模糊系統(tǒng)分析的基本分析方法之一，在科學(xué)評判、項目評審、預(yù)測與決策等方面有著廣泛的應(yīng)用，主要用于問題的評價和決策[15]。

所謂綜合評判[16]，就是通過對多個相關(guān)因素的綜合研究，對某一對象進行恰當(dāng)?shù)卦u判。一個事物往往需要多個指標(biāo)刻畫其本質(zhì)與特征，并且人們對一個事物的評價又往往不是簡單的好與壞，而是采用模糊語言分為不同程度的評語。對此可采用模糊評判模型加以表達。

在模糊系統(tǒng)分析中，有兩種綜合評判模型，分別是主因素突出型和加權(quán)平均型。在海洋天然氣水合物試采最優(yōu)目標(biāo)的研究中，選用加權(quán)平均型綜合評判模型進行評判預(yù)測更為合適?；镜哪：C合評判步驟如下：

(1)建立因素集。

因素集是以影響評判對象的各種因素為指標(biāo)所組成的一個集合。對于海洋天然氣水合物試采最優(yōu)目標(biāo)的研究，假定從n個方面(因素)來刻畫，因素集U可定義為：

U={u1,u2,…,un}

(1)

其中：ui表示各影響因素。

(2)建立權(quán)重集。

一般來說，各個影響因素ui對所研究問題的影響程度是不同的，因此，對各影響因素要賦予相應(yīng)的權(quán)重數(shù)來表征，各因素權(quán)重的分配是因素集上的一個模糊子集A：

A={a1,a2,…,an}

(2)

實際應(yīng)用中，常要求ai滿足歸一化條件和非負性條件，即：

∑ai=1，ai≥0，i=1,2,…,n

(3)

權(quán)重集A值是在考慮各指標(biāo)所具有物理意義的重要性順序后，根據(jù)各個指標(biāo)對于評價影響的重要程度，利用層次分析法求得的，它是用一定的標(biāo)度把人的主觀判斷進行客觀定量化。

(3)建立評語集。

假設(shè)所有可能出現(xiàn)的評語有m個，例如大、較大、中、較小、小等，那么評語集V可表示為：

V={v1,v2,…,vm}

(4)

(4)建立評價集。

在綜合評判過程中，評價集是待定的。由以下過程求得：

首先要進行單因素的評價。例如對因素集中的某一個因素ui，那么對其單因素評判結(jié)果為V上的模糊子集：

Ri={ri1,ri2,…,rim}，i=1,2,…,n

(5)

式中：Ri為對ui的單因素評價，根據(jù)樣品參數(shù)劃分區(qū)間上的隸屬度來表征。隸屬度的確定是在對模擬結(jié)果統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，賦予各參數(shù)的隸屬度值。

多個單因素評價綜合起來構(gòu)成單因素評判矩陣R：

(6)

然后就可以根據(jù)權(quán)重集A和評判對象的單因素評判矩陣R，得到對該評判對象的綜合評判結(jié)果，為m指標(biāo)的評價集：

B=A·R

(7)

采用加權(quán)平均型的綜合評判模型，將式(7)展開為加權(quán)求和的形式，即得評價結(jié)果bj：

(8)

2.2 指標(biāo)權(quán)重計算

指標(biāo)權(quán)重計算是根據(jù)層次分析法[17]計算權(quán)值步驟計算各因素權(quán)值。所謂層次分析法，是指將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，進而分解為多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法計算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序，以作為目標(biāo)(多指標(biāo))、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。層次分析法是將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評價準(zhǔn)則直至具體的目標(biāo)順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各指標(biāo)對上一層次某指標(biāo)的優(yōu)先權(quán)重，最后再用加權(quán)求和的方法遞歸求得各備選方案對總目標(biāo)的最終權(quán)重，此最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。這里所謂“優(yōu)先權(quán)重”是一種相對的量度，它表明各備選方案在某一特點的評價準(zhǔn)則或子目標(biāo)下優(yōu)越程度的相對量度，以及各子目標(biāo)對上一層目標(biāo)而言重要程度的相對量度。層次分析法比較適合于具有分層交錯評價指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng)，而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問題。其用法是構(gòu)造判斷矩陣，求出其最大特征值及其所對應(yīng)的特征向量W，歸一化后即為某一層次指標(biāo)對于上一層次某相關(guān)指標(biāo)的相對重要性權(quán)值。

(1)指標(biāo)權(quán)重的計算步驟。

步驟1：建立層次結(jié)構(gòu)模型。在深入分析實際問題的基礎(chǔ)上，將有關(guān)的各個因素按照不同屬性自上而下地分解成若干層次，同一層的諸因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?，同時又支配下一層的因素或受到下層因素的作用。最上層為目標(biāo)層，通常只有1個因素，最下層通常為方案或?qū)ο髮?，中間可以有一個或幾個層次，通常為準(zhǔn)則或指標(biāo)層。當(dāng)準(zhǔn)則過多時(譬如多于9個)應(yīng)進一步分解出子準(zhǔn)則層。

步驟2：構(gòu)造成對比較陣。從層次結(jié)構(gòu)模型的第2層開始，對于從屬于(或影響)上一層每個因素的同一層諸因素，用成對比較法和1—9賦值比較尺度構(gòu)造成對比較陣，直到最下層。

步驟3：計算權(quán)向量并做一致性檢驗。對于每一個成對比較陣計算最大特征值及對應(yīng)特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量；若不通過，需重新構(gòu)造成對比較陣。

為了使判斷定量化，一般引用Saaty[18]提出的1—9標(biāo)度法求取的。1—9標(biāo)度法是根據(jù)一些客觀事實和一定的科學(xué)依據(jù)而得到的，其含義如表2所示。通過兩兩比較各要素相對于其上一層次某要素的重要程度，依據(jù)1—9標(biāo)度法(表2)，即可形成判斷矩陣P。

表2 1—9標(biāo)度法賦值含義[18]

(9)

式中:Cij指第i個因素與第j個因素相比的標(biāo)度值。其判斷矩陣滿足：

(10)

通過求解判斷矩陣的最大特征值及對應(yīng)的特征向量，確定各層因素權(quán)重及組合權(quán)重，并對各判斷矩陣進行一致性檢驗。

最大特征向量及特征值的具體計算步驟如下：

步驟一，令判斷矩陣P=(pij)n×n，判斷矩陣每一行元素的乘積Mi為：

(11)

步驟四，計算判斷矩陣的最大特征值λmax：

(12)

式中：(pw)i表示pw的第i個元素。

判斷矩陣一致性檢驗步驟：

步驟三，當(dāng)n=1,2時，RI=0，1，2階的正反矩陣總是一致矩陣，無須判斷(表3)。

表3 判斷矩陣平均隨機一致性指標(biāo)RI的取值

(2)各因素組合權(quán)重計算步驟。

步驟一，計算各因素層判斷矩陣特征向量w=[w1,w2,…,wn]T，即該層各因素相對與上一層次的權(quán)重值。

2.3 基于模糊綜合評判的試采目標(biāo)優(yōu)選方法

考慮影響海洋天然氣水合物試采目標(biāo)優(yōu)選的主要影響因素[19]，利用模糊綜合評判對試采目標(biāo)區(qū)進行綜合評價。

首先開展因素集和評語集的建立。水合物試采目標(biāo)綜合評價的因素主要從工程因素和地質(zhì)因素兩個方面考慮(圖2)，工程方面考慮的因素主要有水深、強度參數(shù)、海底坡度、上覆層厚度等基于工程地質(zhì)調(diào)查的參數(shù)[20]。地質(zhì)因素主要考慮滲透率、孔隙度、水合物飽和度、水合物層厚度、水合物層初始壓力和溫度6個因素[21]。根據(jù)模糊綜合評價的原理建立如圖2所示的指標(biāo)體系：

上述指標(biāo)體系分為兩個層次，主層次的因素為工程因素和地質(zhì)因素兩個因素，工程因素下的子層次有水深、海底坡度、強度和上覆層厚度4個因素；地質(zhì)因素下的子層次有滲透率、孔隙度、水合物飽和度、水合物儲層厚度、儲層溫度、儲層壓力6個因素。目標(biāo)綜合評價的過程是分別單獨評價工程因素和地質(zhì)因素這兩個主層次下各因素的權(quán)重，再將主層次兩個因素進行權(quán)重計算，合并計算子層次的最終權(quán)重，然后與單因素評價矩陣計算得到最終的綜合評價因子。

地質(zhì)因素的評價標(biāo)準(zhǔn)有絕對標(biāo)準(zhǔn)和相對標(biāo)準(zhǔn)兩種，其中絕對標(biāo)準(zhǔn)包括水合物試采階段的水合物分解速率、產(chǎn)氣速率、水合物累積分解氣量、累積產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)水量等；相對標(biāo)準(zhǔn)僅有一個，即水氣比，其物理意義是每單位產(chǎn)氣體積下的產(chǎn)水量大小[22]。研究過程中，選取累積產(chǎn)氣量和水氣比作為衡量水合物試采目標(biāo)站位優(yōu)先推薦次序的關(guān)鍵評價標(biāo)準(zhǔn)，對于試采目標(biāo)站位，累積產(chǎn)氣量越高，優(yōu)先級越高；水氣比越低，即產(chǎn)水耗費及處理成本越低，經(jīng)濟效益越好，越適宜優(yōu)先進行海洋天然氣水合物的試采實施[21]。

作為水合物研究使用較為廣泛的TOUGH+HYDRATE模擬器，其由美國勞倫斯伯克利實驗室開發(fā)，其經(jīng)過馬里克實地水合物試采結(jié)果的校正，其對水合物產(chǎn)能模擬表現(xiàn)出較高的可信度。前期使用Tough+Hydrate數(shù)值模擬結(jié)果表明，這6個地質(zhì)因素對絕對標(biāo)準(zhǔn)和相對標(biāo)準(zhǔn)的影響次序有顯著差異。對于累積產(chǎn)氣量這一絕對標(biāo)準(zhǔn)，各儲層地質(zhì)因素的影響次序依次為：滲透率、孔隙度、水合物飽和度、初始溫度、初始壓力、水合物層厚度；對于水氣比這一相對標(biāo)準(zhǔn)，各儲層地質(zhì)因素的影響次序依次為：初始壓力、滲透率、孔隙度、水合物飽和度、水合物層厚度、初始溫度[21]。氣水比作為相對標(biāo)準(zhǔn)進行評價時包含了經(jīng)濟效益的因素，而現(xiàn)階段水合物的試采主要以最大化累積產(chǎn)氣量為目標(biāo)，對于經(jīng)濟效益的評價還需要考慮其他多種因素進行綜合評價，故本文以累積產(chǎn)氣量作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

為綜合評價水合物試采目標(biāo)區(qū)的優(yōu)先推薦次序，建立各主要地質(zhì)影響因素評判的因素集合U：

U={U1,U2,U3,U4,U5,U6}

(11)

其中：U1表示絕對滲透率；U2表示孔隙度；U3表示水合物飽和度；U4表示水合物儲層厚度；U5表示水合物儲層初始壓力；U6表示水合物儲層初始溫度。

結(jié)合礦場實際，將海洋天然氣水合物藏地質(zhì)因素評價結(jié)果細分為三大類，即好、中等、差，建立模糊綜合評判的評語集V：

V={好，中等，差}

(12)

水合物試采的工程因素主要影響施工過程，考慮的主要因素有水深、強度參數(shù)、海底坡度、上覆層厚度4個因素；建立工程因素這一子層的評價模型的因素集U′：

(13)

結(jié)合施工難易程度，將水合物藏從工程角度分為三大類：好、中、差，建立工程因素層的模糊評價評語集V′：

V′={好，中等，差}

(14)

基于上述方法，開發(fā)了水合物試采目標(biāo)綜合評價系統(tǒng)PTES[23-24]。

3 參數(shù)的確定

根據(jù)正交設(shè)計統(tǒng)計方法的設(shè)計原理，依次為6個地質(zhì)因素選取不同的水平特征值，如表 4所示。

表4 基于全球典型海域水合物賦存特征基礎(chǔ)之上的各地質(zhì)特征水平取值[21]

對以上6因素5水平的因素組合，根據(jù)正交設(shè)計表必須安排25個方案。值得注意的是，由于天然氣水合物藏只穩(wěn)定存在于一定范圍內(nèi)的溫壓條件，所以并不是所有構(gòu)建的因素組合都合理有效[25]。假設(shè)所有Class II型甲烷水合物藏內(nèi)，利用Sloan等在2007年提出的水合物相平衡HYDOFF軟件判斷在給定溫度(或壓力)條件下海域水合物藏穩(wěn)定賦存最低壓力(或最高溫度)條件[25]。當(dāng)正交設(shè)計中壓力(或溫度)低于最低壓力(或高于最高賦存溫度)時，水合物藏處于非穩(wěn)態(tài)，在自然界條件下無法穩(wěn)定存在。在所有水合物藏模型中，海水鹽度取0.03。由HYDOFF計算得到以下7組溫度與壓力組合時水合物藏處于非穩(wěn)態(tài)：(10.79 MPa，287.3 K)，(8.6 MPa，293.45 K)，(8.6 MPa，284.386 K)，(13.38 MPa, 293.45 K)，(8.6 MPa, 287.3 K)，(10.79 MPa，293.45 K)以及(8.6 MPa, 284.19 K)。因此，最終得到18組穩(wěn)定條件的水合物藏組合形式，如表5所示。

表5 正交設(shè)計中穩(wěn)定賦存的各地質(zhì)因素參數(shù)組合[21]

考慮每個地質(zhì)參數(shù)的具體取值范圍，結(jié)合各單因素的評判結(jié)果，將其進一步細分，滲透率(10-3μm2)分別為0～100，100～500，>500；孔隙度分別為0～0.35，0.35～0.5，>0.5；水合物飽和度分別為0～0.3，0.3～0.5，>0.5；水合物層厚度(m)分別為0～20，20～40，>40；初始壓力(MPa)分別為0～10，10～20，>20；初始溫度(K)分別為273.15～285，285～290，>290。這些取值分類分別對應(yīng)著地質(zhì)因素評價集的好、中等、差三大類。

考慮每個工程因素的具體取值范圍，結(jié)合各單因素的評判結(jié)果，將各因素進一步劃分，水深(m)分別為0～300，300～500，>500；海底坡度(°)分別為0～3，3～5，>5；儲層強度(kPa)分別為>180，60～180，0～60；上覆層厚度(m)分別為>200，100～200，0～100。這些取值分類分別對應(yīng)著工程因素評價集的好、中等、差三大類。

4 綜合評價實例分析

利用數(shù)值模擬分析獲得的各地質(zhì)因素在水平井試采條件下對產(chǎn)能的影響程度，以中國南海北部陸坡神狐海域4個典型站位的參數(shù)為依據(jù)，在考慮地質(zhì)因素及工程因素的情況下，確定以水平井、降壓法試采時的最佳站位。需要說明的是，對于水平井開采來說，水平井的長度和布井位置等因素對產(chǎn)能也有影響，但水平井長度和位置等參數(shù)是在確定最佳站位后的更進一步的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，不在本文的討論范圍內(nèi)。

(1)基礎(chǔ)參數(shù)。

根據(jù)在南海北部陸坡神狐海域?qū)嵤┑奈覈Ｓ蛱烊粴馑衔镢@探航次調(diào)查研究，4個典型站位的儲層地質(zhì)因素數(shù)據(jù)具體如下：

XX01站位平均滲透率為0.22×10-3μm2，平均有效孔隙度為34.5%，平均含水合物飽和度為22.9%，水合物儲層厚度為78.36 m，平均壓力為15.45 MPa，平均溫度為14.73 ℃。工程因素方面水深1 309.95 m，海底坡度4°，土強度180 kPa，上覆層厚度113 m。

XX02站位平均滲透率為0.315×10-3μm2，平均有效孔隙度為33.2%，平均含水合物飽和度為19.4%，水合物儲層厚度為43.13 m，平均壓力為15.38 MPa，平均溫度為14.4 ℃。工程因素方面水深1 249.30 m，海底坡度3.2°，土強度170 kPa，上覆層厚度210 m。

XX03站位平均滲透率為100×10-3μm2，平均有效孔隙度為56.7%，平均含水合物飽和度為30.5%，水合物儲層厚度為11.56 m，平均壓力為14.5 MPa，平均溫度為11.22 ℃。工程因素方面水深1 285.41 m，海底坡度3.8°，土強度160 kPa，上覆層厚度144 m。

XX04站位平均滲透率為5.5×10-3μm2，平均有效孔隙度為30%，平均含水合物飽和度為46.2%，水合物儲層厚度為17.59 m，平均壓力為14.6 MPa，平均溫度為9.7 ℃。工程因素方面水深1 273.80 m，海底坡度1.6°，土強度200 kPa，上覆層厚度135 m。

(2)單因素評價矩陣構(gòu)建。

數(shù)值模擬分析得出的結(jié)果表明[21]：水合物藏水平井開采時，孔隙度對累積產(chǎn)氣量的影響有一定波動；滲透率與開采累積產(chǎn)氣量呈現(xiàn)正相關(guān)；水合物飽和度對累積產(chǎn)氣量的影響也以波動方式為主，而溫度則呈正相關(guān)，壓力呈現(xiàn)先減小后增大的形式。各因素對開采產(chǎn)量的影響趨勢如圖3所示。利用影響曲線將各影響因素歸一化，計算得到各站位的孔隙度、滲透率、水合物飽和度、儲層厚度、儲層溫度、儲層壓力的單因素評價矩陣：

從施工情況來看，水深越大，越不利于施工，故水深對開采影響為負相關(guān)；海底坡度越小越有利于施工，故海底坡度與開采難易程度負相關(guān)；儲層強度和上覆層厚度越大都越有利于施工，故儲層強度和上覆層厚度與開采難易程度正相關(guān)。根據(jù)工程參數(shù)與開采難易程度的相關(guān)關(guān)系，以簡單的單調(diào)線性進行隸屬度的計算，得到工程參數(shù)的隸屬度矩陣：

(3)各因素權(quán)重計算。

以上數(shù)值模擬結(jié)果表明各地質(zhì)因素對累積產(chǎn)氣量的影響程度大小為：滲透率>初始溫度>儲層厚度>水合物飽和度>初始壓力>孔隙度。依據(jù)不同因素在上述排序中的距離確定標(biāo)度值，如滲透率的影響程度最大，而孔隙度的影響程度最小，則滲透率與孔隙度相比，其對產(chǎn)能的影響程度強烈重要，即滲透率與孔隙度相比，其標(biāo)度值為7。依此類推，根據(jù)1—9標(biāo)度法計算各因素的權(quán)重，如表6；從權(quán)重計算結(jié)果看出，各因素的權(quán)重大小排序依次為滲透率0.396 1，初始溫度0.247 5，儲層厚度0.150 2，飽和度0.104 2，初始壓力0.061 3，孔隙度0.040 7，與數(shù)值模擬計算的結(jié)果吻合。

表6 以累積產(chǎn)氣量為評價標(biāo)準(zhǔn)下水合物層各地質(zhì)因素判斷矩陣表

對工程因素來說，上覆層厚度直接影響水平井施工過程中造斜是否可行，故其對施工影響程度最高；此外，上覆層強度對施工影響也較為顯著，其影響程度次之；海底坡度對施工過程中井口穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，其影響程度再次之。各工程因素影響程度從大到小分別為上覆層厚度、儲層強度、海底坡度和水深。根據(jù)1—9標(biāo)度法，采用與地質(zhì)因素相同的處理方法，上覆層厚度與水深相比對工程施工影響程度劇烈，故上覆層厚度相對于水深的標(biāo)度為7，其他因素間根據(jù)影響程度的排序取值(表7)。從表7結(jié)果可以看出，上覆層厚度的權(quán)重最高，且權(quán)重值超過0.5，儲層強度、海地坡度和水深三個因素的權(quán)重值相對于上覆層厚度來說較小，說明上覆層厚度對施工的影響非常大。

表7 工程因素權(quán)重計算判斷矩陣表

上述過程分別確定了工程因素和地質(zhì)因素兩個主因素的次因素的權(quán)重，該權(quán)重最終作用到目標(biāo)層還需要將工程因素和地質(zhì)因素這兩個主因素進行層次分析，獲取這兩個因素的權(quán)重集，如表8所示，假定工程施工因素和地質(zhì)因素對目標(biāo)的選擇影響程度一樣。

表8 工程因素和地質(zhì)因素兩個主權(quán)重計算判斷矩陣表

最終工程因素和地質(zhì)因素子因素的權(quán)重需要分別乘以主因素的權(quán)重獲得最終的權(quán)重，如表9所示。綜合起來看，地質(zhì)因素中的滲透率權(quán)重最高，工程因素中的上覆層厚度權(quán)重最高，這與前文的分析一致。工程因素的上覆層厚度的權(quán)重值在所有工程因素和地質(zhì)因素中最高，說明對于水平井開采來說，上覆層厚度能否滿足水平井造斜的要求是決定水平井成功開采的前提。

表9 最終權(quán)重計算結(jié)果

(4)綜合評價。

利用權(quán)重和單因素評價矩陣計算各站位的綜合評價因子，綜合考慮地質(zhì)因素和工程因素條件下得到的評判結(jié)果矩陣B=[0.364，0.435，0.353，0.385]。從絕對值上看，4個目標(biāo)站位所屬海洋天然氣水合物藏的生產(chǎn)潛力均一般(綜合評價因子均小于0.5)。從相對值來看，對于以上4個典型站位，應(yīng)優(yōu)先推薦XX02作為水合物試采的目標(biāo)站位。

5 結(jié) 論

綜合地質(zhì)、地球物理、鉆探數(shù)據(jù)等資料，從儲層孔隙度、水合物層厚度、水合物飽和度、儲層固有滲透率、儲層原位溫度與壓力作為6個主要地質(zhì)因素出發(fā)，聯(lián)合試采實施的儲層水深、海底坡度、強度與上覆層厚度4個工程影響因素，采用模糊數(shù)學(xué)評價理論和統(tǒng)計分析方法，計算了各影響因素對評價指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系，建立了水合物試采目標(biāo)優(yōu)選的多目標(biāo)模糊數(shù)學(xué)的綜合評價模型和試采目標(biāo)綜合評價方法。依托該方法，以中國南海神狐海域4個典型站位水合物產(chǎn)出特征為對象，利用評價方法進行了分析討論，結(jié)果顯示4個典型站位均不具備有利的產(chǎn)氣潛力，但相比較而言，XX02站位因其綜合評價因子最高，可以作為試采的優(yōu)選目標(biāo)。研究結(jié)論與實際數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比，證實了該方法的有效性。多目標(biāo)模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法解決了依靠專家經(jīng)驗計算權(quán)重時易受人為主觀判斷影響的問題，實現(xiàn)了試采目標(biāo)優(yōu)選從定性到定量的轉(zhuǎn)變。