基于層次分析法的新疆煤層氣田資源潛力評(píng)價(jià)

楊明明 楊 億 張 娜 王 剛 來(lái) 鵬

(1.新疆煤田地質(zhì)局煤田地質(zhì)信息中心，新疆 830091；2.新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830091；3.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研發(fā)中心，新疆 830091)

新疆是煤炭資源大省區(qū)，2000m以淺煤炭資源量1.9×1012t,位居全國(guó)第一。煤炭是煤層氣的源巖及儲(chǔ)集巖，豐富的煤炭資源也蘊(yùn)藏著大量的煤層氣資源，新疆的煤層氣資源主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山系列盆地、巴里坤-三塘湖盆地。新疆煤層氣勘查工作自2013年以來(lái)已經(jīng)開(kāi)展，但勘查程度整體偏低。

層次分析法是一種排序的方法，即最終將各因素排出優(yōu)劣次序，作為選區(qū)評(píng)價(jià)的依據(jù)。它先將選區(qū)評(píng)價(jià)的問(wèn)題看作受多種因素影響的大系統(tǒng)，按照之間的隸屬關(guān)系從高到低構(gòu)成遞接層次結(jié)構(gòu)，然后各因素兩兩比較，利用數(shù)學(xué)方法對(duì)各因素排序，最后對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行分析。

本文擬結(jié)合新疆煤田地質(zhì)局近些年來(lái)煤層氣勘查工作取得的成果，利用煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)中的層次分析法對(duì)新疆目前主要的21個(gè)煤層氣田的煤層氣關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為新疆煤層氣勘查開(kāi)發(fā)工作提供參考。

1 確定評(píng)價(jià)對(duì)象及評(píng)價(jià)因素

本文根據(jù)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)規(guī)范、結(jié)合新疆煤層氣勘查成果資料實(shí)際，選取了準(zhǔn)南煤田、后峽煤田、準(zhǔn)東煤田、卡姆斯特煤田、托里-和什托洛蓋煤田、達(dá)坂城煤田、艾維爾溝煤產(chǎn)地、托克遜煤田、吐魯番煤田、鄯善煤田、沙爾湖煤田、哈密煤田、大南湖-梧桐窩子煤田、伊寧煤田、尼勒克煤田、焉耆煤田、庫(kù)拜煤田、溫宿煤田、陽(yáng)霞煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、巴里坤煤田等21個(gè)煤田作為評(píng)選對(duì)象，評(píng)選參數(shù)主要為煤層氣資源豐度、區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度、滲透率、煤層穩(wěn)定程度、煤層氣地質(zhì)資源量、煤層氣主控因素6項(xiàng)指標(biāo)。

為了對(duì)各評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行量化，制定量化原則(表1)。

表1 各評(píng)價(jià)參數(shù)分類評(píng)價(jià)級(jí)別打分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)召集在本區(qū)域長(zhǎng)期從事煤層氣勘查工作的專家開(kāi)展打分，專家結(jié)合其自身經(jīng)驗(yàn)按照各煤田的各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)級(jí)別對(duì)全疆21個(gè)煤田的6項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行打分。各專家根據(jù)各煤田的每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際等級(jí)賦予相應(yīng)分值。最后將不同專家對(duì)同一煤田的同一評(píng)價(jià)參數(shù)賦予的分值取平均值，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到各煤田參數(shù)量化分?jǐn)?shù)表(表2)。

表2 各煤田6項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)量化分?jǐn)?shù)表

2 層次分析評(píng)價(jià)法

層次分析是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的、層次化的分析方法，可靠度比較高，誤差比較小。特別適用于那些難于完全用定量進(jìn)行分析的復(fù)雜問(wèn)題，為解決這類問(wèn)題提供一種簡(jiǎn)便實(shí)用的方法。層次分析法解決問(wèn)題最突出的特點(diǎn)是分層比較，綜合優(yōu)化，解決問(wèn)題的具體步驟如下：

①分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)，一般層次結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為目標(biāo)層，第二層為準(zhǔn)則層，第三層為方案層；

②構(gòu)造兩兩比較矩陣(判斷矩陣)，對(duì)于同一層次的各因素關(guān)于上一層中某一準(zhǔn)則(目標(biāo))的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出兩兩比較的判斷矩陣；

③由比較矩陣計(jì)算被比較因素對(duì)每一準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，并進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)；

④計(jì)算方案層對(duì)目標(biāo)層的組合權(quán)重和組合一致性檢驗(yàn)，并進(jìn)行排序。

3 模型的建立

(1)建立層次結(jié)構(gòu)

層次結(jié)構(gòu)共分三層，第一層為目標(biāo)層(O)：綜合排序；第二層為準(zhǔn)則層(C)：相關(guān)評(píng)價(jià)因素，共6個(gè)，依次為煤層氣資源豐度(C1)、區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度(C2)、滲透率(C3)、煤層穩(wěn)定程度(C4)、煤層氣地質(zhì)資源量(C5)、煤層氣主控因素(C6)，分別記為Ck(k=1，2，…，6)；第三層為方案層(P)：N(N≥2)個(gè)參評(píng)煤田，N=21，記為Pn(n=1,2，……，21)。

(2)確定準(zhǔn)則層(C)對(duì)目標(biāo)層(O)的權(quán)重W1

為確定準(zhǔn)則層(C)中各影響因素Ck(k=1，2，…，6)對(duì)目標(biāo)層(O)的權(quán)重W1的權(quán)重，需要將準(zhǔn)則層(C)中各影響因素Ck(k=1，2，…，6)進(jìn)行兩兩比對(duì)，對(duì)任意兩個(gè)因素Ci(i=1，2，…，6)和Cj(j=1，2，…，6)對(duì)目標(biāo)層(O)的影響程度之比，按1～9的比例標(biāo)度aij來(lái)度量(i,j=1,2,…，n)，不同標(biāo)度aij的含義不同，aij=1，表示Ci與Cj的影響相同；aij=3，表示Ci比Cj的影響稍強(qiáng)；aij=5，表示Ci比Cj的影響強(qiáng)；aij=7，表示Ci比Cj的影響明顯地強(qiáng)；aij=9，表示Ci比Cj的影響絕對(duì)地強(qiáng)；2,4,6,8表示Ci與Cj的影響之比在上述兩個(gè)相鄰等級(jí)之間；1/2,…，1/9表示Cj與Ci的影響之比為aij的互反數(shù)，于是可得到兩兩成對(duì)的比較矩陣A=(aij)n×n，也叫判斷矩陣。

經(jīng)過(guò)與專家討論認(rèn)為煤層氣資源豐度(C1)、區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度(C2)、滲透率(C3)、煤層穩(wěn)定程度(C4)、煤層氣地質(zhì)資源量(C5)、煤層氣主控因素(C6)這6個(gè)因素對(duì)決策目標(biāo)的影響程度是煤層氣地質(zhì)資源量(C5)、煤層氣主控因素(C6)稍強(qiáng)，其次為區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度(C2)、滲透率(C3)、煤層穩(wěn)定程度(C4)，最后為煤層氣資源豐度(C1)，因此構(gòu)造比較矩陣A如下：

這是一個(gè)6階的正互反矩陣，經(jīng)計(jì)算求得A的最大特征λ≈6.179，對(duì)相應(yīng)的特征向量作歸一化可得確定準(zhǔn)則層(C)對(duì)目標(biāo)層(O)的權(quán)重W1：

W1=(0.303642，0.225253，0.167101，0.132628，0.098388，0.072988)T

(3)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(RI)是多次(500次以上)重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)判斷矩陣特征根計(jì)算之后取算數(shù)平均值得到的。參照龔木森等(1986)提出的1～15階判斷矩陣重復(fù)計(jì)算1000次的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 1～15 階判斷矩陣的RI值

對(duì)應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.26，一致性比率指標(biāo)CR1=CI/RI≈0.028469<0.1，即判斷矩陣大體上是一致的，可以滿足傳遞性，此判斷矩陣可以接受。于是W1可以作為C層對(duì)O層的權(quán)重向量。

(4)確定方案層(P)對(duì)準(zhǔn)則層(C)的權(quán)重W2

對(duì)每個(gè)煤田各項(xiàng)條件的量化指標(biāo)能夠充分反映出每個(gè)煤田的綜合狀況，由此可以分別構(gòu)造出P層對(duì)準(zhǔn)則Ck的比較矩陣

記w2=[w(1),w(2),…,w(6)]21×6，經(jīng)計(jì)算矩陣W2的各元素取值如表4。

表4 矩陣W2的各元素值

(5)確定方案層(P)對(duì)目標(biāo)層(O)的組合權(quán)重W

由于準(zhǔn)則層C對(duì)目標(biāo)層O的權(quán)重為W1和方案層P對(duì)準(zhǔn)則層C的權(quán)重為W2，則方案層P對(duì)目標(biāo)層O的權(quán)重為W=W2·W1=[W(1),W(2),…,W(6)]·W1=(w1，w2,…,wn)T(n=1,2,…，21)。將數(shù)據(jù)帶入模型公式，經(jīng)過(guò)矩陣計(jì)算，可得結(jié)果如下：

W=W2·W1=(w1，w2,…,wn)T=(0.054163224，0.049155916，0.049212594，0.046639736，0.046205558，0.048478842，0.05160378，0.037879106，0.043753973，0.048658474，0.051660833，0.046341652，0.046122158，0.051508633，0.044299056，0.043107172，0.052957526，0.037660576，0.050662853，0.051864132，0.048064205)

其組合一致性比率指標(biāo)為CR=CR2+CR1≈0.028469<0.1，因此組合權(quán)重W可作為目標(biāo)決策的依據(jù)。

(6)綜合排序

矩陣W=(w1，w2,…,wn)T中wn(n=1,2,…，21)是參評(píng)煤田Pn對(duì)目標(biāo)O層的權(quán)重，即wn就是參評(píng)煤田Pn的綜合評(píng)分，按其大小依次排序，就可得到?jīng)Q策方案。以矩陣W的21個(gè)分量作為21個(gè)煤田的綜合評(píng)分，按大小依次排序后，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各煤田綜合評(píng)分排序

4 結(jié)論和建議

運(yùn)用層次分析給出了一個(gè)合理的評(píng)價(jià)方案，用此方案綜合了21個(gè)煤田的不同評(píng)價(jià)指標(biāo)得到排序結(jié)果。通過(guò)采用層次分析法綜合對(duì)全疆21個(gè)煤田進(jìn)行區(qū)帶評(píng)價(jià)，按照模型計(jì)算出組合權(quán)重，最終按評(píng)分從高到低依次排序?yàn)?，?zhǔn)南煤田、庫(kù)拜煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、沙爾湖煤田、艾維爾溝煤產(chǎn)地、伊寧煤田、陽(yáng)霞煤田、準(zhǔn)東煤田、后峽煤田、鄯善煤田、達(dá)坂城煤田、巴里坤煤田、卡姆斯特煤田、哈密煤田、托里-和什托洛蓋煤田、大南湖-梧桐窩子煤田、尼勒克煤田、吐魯番煤田、焉耆煤田、托克遜煤田、溫宿煤田。

專家們對(duì)不同煤田各項(xiàng)參數(shù)打分情況，受不同評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重差異影響，而與各煤田綜合評(píng)分結(jié)果排序情況不完全相同。但各煤田綜合評(píng)分結(jié)果的排序，總體上體現(xiàn)了專家們對(duì)不同煤田各項(xiàng)參數(shù)打分情況，各項(xiàng)參數(shù)打分都比較高的煤田，最終綜合評(píng)分也相對(duì)靠前；相反，則相對(duì)靠后。該評(píng)價(jià)結(jié)果，經(jīng)參加評(píng)判的專家審核，普遍認(rèn)為比較符合實(shí)際情況。

從結(jié)果上看，該評(píng)價(jià)模型達(dá)到了問(wèn)題的決策目標(biāo)，也使得每個(gè)煤田的不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)都得以充分體現(xiàn)。既考慮到資源量、主控因素、資源豐度等資源稟賦條件，又考慮到了煤層穩(wěn)定程度、區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度、滲透率等影響煤層氣產(chǎn)出和開(kāi)發(fā)難易程度的條件。既比較符合實(shí)際情況，又利于對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展勘探開(kāi)發(fā)工作提供參考。