頁巖氣開發(fā)區(qū)塊地形適宜性選區(qū)評價方法

王澤根 胡思源 雍志瑋 朱博天 孔 波

1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500;2. 中國石油西南油氣田公司科技處, 四川 成都 610051

0 前言

2020年9月22日,國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重宣布中國將增加自主減排貢獻，力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值,2060年前實現(xiàn)碳中和。頁巖氣具有儲量大和清潔高效的特點,在碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)中將發(fā)揮重要作用。

生態(tài)優(yōu)先和綠色發(fā)展理念對頁巖氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、輸送等全過程的安全、環(huán)保提出了高要求。選區(qū)評價有利于頁巖氣的高效、經(jīng)濟開發(fā),傳統(tǒng)選區(qū)評價常采用地質(zhì)參數(shù)作為評價指標(biāo),如埋深、頁巖厚度等,缺少地表因素的參與[1]。我國主要頁巖氣開發(fā)區(qū)塊地形復(fù)雜,導(dǎo)致地面施工難度、環(huán)境風(fēng)險和成本高。已有部分學(xué)者將地形因素納入選區(qū)評價指標(biāo),但仍以地質(zhì)指標(biāo)為主,地形因素僅作為次要指標(biāo),且評價因子較為單一[2-8]。因此,本文提出了一種基于地理信息系統(tǒng)(Geograhic Information Systems,GIS)技術(shù)的頁巖氣開發(fā)區(qū)塊地形適宜性選區(qū)評價方法,并對昭通區(qū)塊進行了地形適宜性選區(qū)評價。

1 頁巖氣勘探開發(fā)地形研究現(xiàn)狀

隨著頁巖氣勘探開發(fā)在全球逐步推廣,地形的阻礙愈發(fā)受人重視,在此情況下,國內(nèi)外學(xué)者對地形在頁巖氣勘探開發(fā)中的影響進行了研究。

在國內(nèi),高程、坡度因子被用于優(yōu)選頁巖氣勘探地貌有利區(qū)和鉆場選址,并使用GIS技術(shù)進行可視化[2-3]。地貌類型作為經(jīng)濟性指標(biāo)之一,被陸亞秋等人引入其建立的頁巖氣開發(fā)選區(qū)評價方法中[4]。張禾等人對地形起伏條件下的頁巖氣管網(wǎng)布局進行了優(yōu)化[5]。

在外文研究中,區(qū)塊地形是Zhen Li等人建立的頁巖氣有利區(qū)評價體系的指標(biāo)之一[7]。Drohan P J等人調(diào)查發(fā)現(xiàn)賓夕法尼亞州50%～70%的頁巖氣平臺位于斜坡上,有過量地表水流動和局部侵蝕的風(fēng)險[9]。Taiwo O M針對油氣生產(chǎn)場所建立的水力模型,能在非常淺的水深和陡峭地形下求解,進行儲備坑選址,降低對環(huán)境的污染風(fēng)險[10]。Zhu Lihui等人將地形差異作為參數(shù)引入到頁巖氣地面設(shè)施成本估算公式中,顯著提高了成本預(yù)估的準(zhǔn)確性[11]。

由此可見,頁巖氣勘探開發(fā)地形研究方向較為多樣，但研究數(shù)量較少,在選區(qū)評價中地形因素的重要性較低且評價指標(biāo)單一,亟待更深入全面的研究。

2 地形適宜性選區(qū)評價方法

2.1 地形評價指標(biāo)

為確定地形評價指標(biāo),首先需明確地形對頁巖氣勘探開發(fā)活動的影響。綜合前人研究及實際情況,地形對頁巖氣勘探開發(fā)活動的影響體現(xiàn)在兩方面。

1)從經(jīng)濟角度,影響頁巖氣勘探開發(fā)地面設(shè)施建設(shè)成本。頁巖氣勘探開發(fā)井場及附屬設(shè)施、作業(yè)卡車進場道路的建設(shè),其建設(shè)成本和便利度都受到地形制約。

2)從環(huán)保角度,影響頁巖氣勘探開發(fā)的環(huán)境污染風(fēng)險。頁巖氣開發(fā)需要使用大量的水和鉆井液,處置不當(dāng)就有污染土壤、地表水的可能[12],地形影響著污染液體擴散的方向和速度。

基于以上考慮,本研究選取坡度、剖面曲率、地形起伏度和地貌4個地形評價指標(biāo)。

2.1.1 坡度

頁巖氣勘探開發(fā)井場及附屬設(shè)施的建設(shè)難度、成本和各類液體在地表的擴散速度隨著坡度遞增。根據(jù)國際地理學(xué)會對坡度的分級,將坡地劃分為7種類型[13],見表1。

表1 坡地類型與建筑區(qū)布局特征表

2.1.2 剖面曲率

剖面曲率影響流經(jīng)表面的液體加速度的增減,見圖1。剖面曲率值為負(fù)時,像元表面向上凸,流速減小;剖面曲率為正時,像元表面向下凹,流速加大;值為0時,像元表面平直。

圖1 剖面曲率原理示意圖Fig.1 Profile curvature principle diagram

根據(jù)王峰[14]的研究對剖面曲率分類,剖面曲率小于-0.5的為凸坡面,-0.5～0.5之間的為平直坡面,大于0.5的為凹坡面。

2.1.3 地形起伏度

地形起伏度是單位面積內(nèi)最大相對高程差,地形起伏度越大,頁巖氣勘探開發(fā)活動的井場及附屬設(shè)施建設(shè)、各類物資運輸?shù)碾y度越大。計算公式:

R=Hmax-Hmin

(1)

地形起伏度計算關(guān)鍵在于選擇計算單元區(qū)域面積,使用均值變點分析法確定頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊地形起伏度的最佳計算單元區(qū)域面積。在國內(nèi)外地貌傳統(tǒng)分類的基礎(chǔ)上,將地形起伏度劃分為7個等級,見表2。

表2 地形起伏度分類表

2.1.4 地貌

采用高玄彧方案[15]的地形起伏度和高程分類指標(biāo),對頁巖氣開發(fā)區(qū)塊的地貌類型進行分類,見表3。越平坦、越低海拔的地貌越有利于頁巖氣勘探開發(fā)。

表3 地貌基本形態(tài)主客分類表(高玄彧方案)

2.2 研究方法

2.2.1 均值變點分析法

均值變點分析法可用于確定最佳地形起伏度計算單元,是一種客觀且廣泛使用的方法[16]。地形起伏度隨統(tǒng)計單元面積的增大,先迅速增大,經(jīng)某一拐點后增速降低并緩慢增大,呈logarithmic曲線[17],最佳統(tǒng)計單元即為該拐點的統(tǒng)計面積[18]。本研究使用均值變點分析法尋求拐點,以漸變分析窗口下的平均地形起伏度作為樣本序列X,{xt,t=1,2,3,…,N}，基本計算步驟[19]如下。

x1,x2,…,xi-1和xi,xi+1,…,xN

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法,其主要步驟如下。

1)原始數(shù)據(jù)歸一化，本研究中的地形影響因子都為負(fù)向指標(biāo)。

采用以下公式進行歸一化處理。

(6)

(7)

其中

(8)

(9)

(10)

2.2.3GIS技術(shù)

使用GIS技術(shù),計算頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊的地形適宜度。表4為地形適宜度評價指標(biāo)表,根據(jù)表4對4個地形評價指標(biāo)柵格數(shù)據(jù)計算適宜度得分,再根據(jù)熵權(quán)法確定的各評價指標(biāo)權(quán)重,計算區(qū)塊地形適宜度。

地形評價指標(biāo)的加權(quán)柵格計算公式如下:

(11)

表4 地形適宜度評價指標(biāo)表

2.3 試驗數(shù)據(jù)

本研究采用ALOS PALSAR 12.5 m分辨率DEM,源于美國Alaska Satellite Facility網(wǎng)站。昭通區(qū)塊矢量數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳地形起伏度分析窗口確定

使用arcgis的python編程模塊,計算了昭通區(qū)塊不同分析窗口下的地形起伏度,表5為昭通區(qū)塊地形起伏度的分析窗口大小與平均地形起伏度的對應(yīng)關(guān)系。

表5 昭通區(qū)塊分析窗口與平均地形起伏度表

圖2 昭通區(qū)塊平均地形起伏度、統(tǒng)計量S-Si與分析窗口大小關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship between average relief amplitude, statisticalmagnitude S-Si and analysis window in Zhaotong block

由此可知,在使用12.5 m分辨率DEM數(shù)據(jù)時,昭通區(qū)塊的地形起伏度最佳分析窗口大小為39×39(0.237 656 km2)。

3.2 地形評價指標(biāo)計算

以39×39分析窗口計算昭通區(qū)塊地形起伏度,得該區(qū)塊地形起伏度圖,見圖3。

圖3 昭通區(qū)塊地形起伏度示意圖Fig.3 Relief amplitude of Zhaotong block

使用昭通區(qū)塊的DEM數(shù)據(jù)和上步所得的地形起伏度數(shù)據(jù),依據(jù)表4對昭通區(qū)塊進行地貌分類,見圖4。

圖4 昭通區(qū)塊地貌類型圖Fig.4 Physiognomy type of Zhaotong block

昭通區(qū)塊的坡度和剖面曲率使用arcgis軟件計算,并將其各自分類。

3.3 昭通區(qū)塊地形適宜性

使用熵權(quán)法計算得到了地形影響因子權(quán)重,坡度指標(biāo)權(quán)重為0.373 70，剖面曲率指標(biāo)權(quán)重為0.227 18，地形起伏度指標(biāo)權(quán)重為0.203 58，地貌類型指標(biāo)權(quán)重為0.191 94。據(jù)式(11)計算得昭通區(qū)塊的地形適宜度,并將昭通區(qū)塊劃分為高適宜區(qū)、較高適宜區(qū)、中等適宜區(qū)、較低適宜區(qū)和低適宜區(qū),見圖5。

圖5 昭通區(qū)塊地形適宜性分區(qū)示意圖Fig.5 Zoning of terrain suitability in Zhaotong block

分析可知,昭通區(qū)塊的地形適宜性以中等適宜為主,占總面積的49.07%,面積約11 008.68 km2。高適宜區(qū)僅占總面積的1.41%,面積約315.522 km2。較高適宜區(qū)占總面積的28.56%,面積約6 407.394 km2。較低適宜區(qū)面積約4 551.965 km2,占總面積的20.29%。低適宜區(qū)較少,面積約149.313 9 km2,只占總面積的0.67%。

高適宜區(qū)、較高適宜區(qū)主要分布在昭通市西南部即昭陽區(qū)及魯?shù)榭h的東部和北部,但昭陽區(qū)同時也是昭通市經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的市區(qū),其社會經(jīng)濟條件不利于進行勘探開發(fā)活動。在其他各縣市,也散布有高適宜區(qū)和較高適宜區(qū),多與一般適宜區(qū)混雜,呈零星的塊狀分布。中等適宜區(qū)則在整個區(qū)塊內(nèi)廣泛分布,多呈現(xiàn)為零星小塊。低適宜區(qū)和較低適宜區(qū)主要沿地貌交替地帶呈褶皺狀分布,在巧家縣、魯?shù)榭h西部和永善縣西、北部較為聚集。

頁巖氣開發(fā)井場及附屬設(shè)施需要一定面積,篩選出單個圖斑面積在1×104m2以上的高適宜區(qū)879處,大部分位于昭陽區(qū)、魯?shù)榭h和巧家縣西部長江沿岸,見圖6。本方法為頁巖氣開發(fā)井場的選址提供初步參考位置,以便后續(xù)進行高效、經(jīng)濟化的勘查工作。

圖6 昭通區(qū)塊1×104 m2以上高適宜區(qū)的主要分布圖Fig.6 Mainly distribution of highest suitability areas more than 10 000 m2 in Zhaotong block

4 結(jié)論

我國南方頁巖氣開發(fā)區(qū)塊多山地丘陵地形,地貌復(fù)雜、井場難找,本研究提出一種頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊地形適宜性選區(qū)評價方法,并將其應(yīng)用到昭通區(qū)塊。該方法基于DEM數(shù)據(jù),選取坡度、剖面曲率、地形起伏度和地貌類型4種地形評價指標(biāo),利用均值變點分析法、熵權(quán)法和GIS技術(shù),將開發(fā)區(qū)塊的地形適宜性分為高適宜、較高適宜、中等適宜、較低適宜、低適宜5個等級,為頁巖氣開發(fā)選址提供了位置參考。