基于層次分析法的地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)體系研究
——以河北省曹妃甸地區(qū)中深層水熱型砂巖儲(chǔ)層為例

何東博，任路，，郝杰，劉小平，曹倩

（1.中國(guó)石油冀東油田公司，河北 唐山 063000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

地?zé)崮苁且环N綠色可再生能源，大力開發(fā)利用地?zé)崮埽欣趯?shí)現(xiàn)化石能源低碳化[1-3]，對(duì)深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義。2021 年國(guó)家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的若干意見》中指出，要根據(jù)資源情況和市場(chǎng)需求，在京津冀、山西、青海等區(qū)域穩(wěn)妥推進(jìn)中深層地?zé)崮芄┡?，鼓?lì)各地開展地?zé)豳Y源評(píng)估工作。

對(duì)于水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)而言，熱源、滲透性和流體是3 個(gè)必備因素[4]。目前的一系列水熱型地?zé)豳Y源的勘查及評(píng)價(jià)規(guī)范[5-8]和國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)案例[9]，主要針對(duì)熱儲(chǔ)資源量、流體質(zhì)量等方面的評(píng)價(jià)，缺乏地?zé)豳Y源生成地質(zhì)條件、地質(zhì)背景等內(nèi)容。影響地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的因素較多，影響程度也不盡相同，但目前的評(píng)價(jià)方式未能體現(xiàn)出各因素影響程度的差異性。針對(duì)該問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)地?zé)豳Y源發(fā)展利用需要，選擇中深層水熱型地?zé)豳Y源作為評(píng)價(jià)對(duì)象，納入地?zé)岬刭|(zhì)條件，與地?zé)豳Y源量和地?zé)崃黧w質(zhì)量共同構(gòu)成評(píng)價(jià)體系，并選取其中的關(guān)鍵影響因素。通過層次分析法計(jì)算各因素在評(píng)價(jià)體系內(nèi)所占權(quán)重，在地?zé)豳Y源的預(yù)可行性、可行性勘查階段和開發(fā)階段為地?zé)豳Y源利用的選區(qū)提供定量的分析結(jié)論。

1 分級(jí)系數(shù)

地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的影響因素具有多樣性，為量化區(qū)分這種多樣性，在開始評(píng)價(jià)之前要先建立相應(yīng)分級(jí)系數(shù)（表1）。分級(jí)的級(jí)差取決于分級(jí)數(shù)量，根據(jù)每個(gè)影響因素，具體評(píng)價(jià)內(nèi)容設(shè)置評(píng)分級(jí)差，最小級(jí)差為0.1，最大級(jí)差為0.5。

2 評(píng)價(jià)體系內(nèi)容

除了以往主要對(duì)地?zé)豳Y源量和地?zé)崃黧w質(zhì)量的評(píng)價(jià)外，將地?zé)岬刭|(zhì)條件納入評(píng)價(jià)體系。地?zé)岬刭|(zhì)條件評(píng)價(jià)包括熱源、熱傳輸通道、蓋層和熱儲(chǔ)層4 個(gè)“地質(zhì)要素”[10]，對(duì)應(yīng)生熱系統(tǒng)（源）、運(yùn)移系統(tǒng)（通）、保溫系統(tǒng)（蓋）、滲流系統(tǒng)（儲(chǔ)）[11]。

2.1 熱源

熱源是地?zé)崽锞蹮岢刹氐幕A(chǔ)條件，具體評(píng)價(jià)對(duì)象為地?zé)岬刭|(zhì)背景條件、基巖埋深、熱源類型3 個(gè)指標(biāo)。

2.1.1 地質(zhì)背景條件

地?zé)岬刭|(zhì)背景條件是判斷熱源優(yōu)劣的先決因素，地?zé)嵯到y(tǒng)因地質(zhì)構(gòu)造成因不同分為沉積盆地型地?zé)嵯到y(tǒng)與隆起山地型地?zé)嵯到y(tǒng)[12]。中國(guó)西南地區(qū)喜馬拉雅地?zé)釒Ш蜄|部臺(tái)灣高溫地?zé)釒Ь鶎儆诎鍓K邊緣的高溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)[13-14]，而板塊內(nèi)的其他地區(qū)則以中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)為主，包括沉積盆地中低溫傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)[15]，隆起山區(qū)中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)[16]。

沉積盆地中，因地下構(gòu)造的不同，凸起區(qū)的地溫梯度一般要高于凹陷區(qū)，例如渤海灣盆地內(nèi)的高陽低凸起[17]、牛駝鎮(zhèn)凸起[18]等。中國(guó)東部擠壓背景下的隆起山區(qū)，多以溫泉出露為主，因蓋層缺乏等原因，地?zé)豳Y源相對(duì)較差。

因此，地?zé)岬刭|(zhì)背景條件以板塊之間的接觸關(guān)系和運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樵u(píng)價(jià)目標(biāo)，分為擠壓背景板塊交界處、伸展背景盆內(nèi)凸起、伸展背景盆內(nèi)凹陷和擠壓背景板塊內(nèi)部隆起。其中，擠壓背景板塊交界處的熱源最優(yōu)，擠壓背景下板塊內(nèi)部隆起最差。依次設(shè)置分級(jí)系數(shù)1.0、0.8、0.6、0.4，見表2 中評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of evaluating indicator

2.1.2 基巖

通?；鶐r熱導(dǎo)率越高，基巖埋深越淺，對(duì)上部熱儲(chǔ)層加熱作用越明顯，地幔熱量傳導(dǎo)至熱儲(chǔ)層的過程中損耗就越小，熱儲(chǔ)層溫度相對(duì)較高[9]。例如高陽低凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起以及黃驊坳陷內(nèi)的馬頭營(yíng)凸起，凸起區(qū)基巖埋深淺，且下部有太古界變質(zhì)巖，溫度傳導(dǎo)能力強(qiáng)，從該地區(qū)已有地?zé)岬刭|(zhì)資料分析可知，地溫異常與基巖凸起呈正相關(guān)[19]。因此，該指標(biāo)項(xiàng)采用0.2 的級(jí)差，將4 類深度由淺到深設(shè)置級(jí)差，如表2中基巖埋深分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 熱源類型

地球形成過程中，重力位能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)藏在核幔的熱和殼幔放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱是地球內(nèi)熱的起因[20]，除此之外，巖漿活動(dòng)也是熱源的一種。研究表明，用于地?zé)釕?yīng)用的熱量約40%來自地核早期形成時(shí)的余熱，剩余60%的熱量來自長(zhǎng)壽命放射性同位素。在中國(guó)存在典型的地?zé)岙惓８咧祬^(qū)，如青海共和盆地、河北馬頭營(yíng)地區(qū)。目前研究認(rèn)為地殼花崗巖(地殼物質(zhì)的部分熔融)放射性元素異常富集[21]、地幔熱[22]、深大斷裂導(dǎo)熱[23]是盆地地?zé)岙惓Ｐ纬傻娜笾饕颍▓D1）。因此，該指標(biāo)項(xiàng)以是否有巖漿巖侵入分為2類，采用0.5的級(jí)差，見表2中熱源組成分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡—柳贊地?zé)崽锍梢蚰Ｊ剑〒?jù)參考文獻(xiàn)[19]修改）Fig.1 Original cause of formation of Gaoshangbao-Liuzan Geothermal Field in Nanpu Depression of Bohai Bay Basin（According to reference[19]）

2.2 熱傳輸通道

熱傳輸通道主要是起到溝通深部熱源和地層上部熱儲(chǔ)的作用，是熱和水的雙向通道，具體評(píng)價(jià)對(duì)象為斷裂級(jí)別和熱傳輸方式。

2.2.1 斷裂級(jí)別

斷裂級(jí)別包括深大斷裂或地質(zhì)二級(jí)構(gòu)造單元邊界斷裂、控凹斷裂或地質(zhì)三級(jí)構(gòu)造單元邊界斷裂、控帶斷裂或地質(zhì)四級(jí)構(gòu)造單元邊界斷裂和小型斷裂。斷層級(jí)別對(duì)地?zé)豳Y源的控制作用主要表現(xiàn)為：斷裂級(jí)別越高，切割地層越深，導(dǎo)熱導(dǎo)水能力越強(qiáng)，直接影響地?zé)岬刭|(zhì)背景條件。作為熱和水的雙向通道，斷裂起到疏導(dǎo)和傳遞的作用。

區(qū)域深大走滑斷裂構(gòu)成了地幔熱物質(zhì)上涌的主要通道。以黃驊坳陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)高溫地?zé)豳Y源的馬頭營(yíng)凸起為例，凸起東南為渤中坳陷，北部為燕山褶皺帶。該區(qū)域深大斷裂非常發(fā)育，郯廬斷裂帶、滄東斷裂帶等，北東—北北東走向的郯廬斷裂帶是中國(guó)東部規(guī)模最大的巖石圈斷裂帶[24]。同時(shí)，根據(jù)多地的地?zé)徙@井?dāng)?shù)據(jù)分析，凹陷內(nèi)的三級(jí)構(gòu)造單元邊界斷裂也具有很好的導(dǎo)熱性，如北京通州的西集1井與通熱18 井、京通2 井相比，同樣深度下處于夏墊斷裂帶的西集1井溫度明顯高于其他兩井[25]。

此外，斷裂帶附近有利于形成較好的熱儲(chǔ)，雄安新區(qū)內(nèi)的牛東斷裂是構(gòu)成牛駝鎮(zhèn)凸起與霸縣凹陷的重要深大斷裂，與油氣資源、地?zé)豳Y源的勘探開發(fā)均密切相關(guān)[26]。在該斷裂帶附近發(fā)育了優(yōu)質(zhì)的砂巖孔隙型熱儲(chǔ)與碳酸鹽巖巖溶型熱儲(chǔ)。

因此，該指標(biāo)項(xiàng)將上文中斷裂的4 個(gè)級(jí)別，最高級(jí)別的二級(jí)構(gòu)造單元斷裂設(shè)為“最好”，盆地內(nèi)的小型斷裂為“最差”，采用0.2 的級(jí)差設(shè)置分級(jí)系數(shù)，見表2中斷裂級(jí)別分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 熱傳輸方式

熱傳輸方式同時(shí)存在傳導(dǎo)和對(duì)流、以傳導(dǎo)為主、以對(duì)流為主3種。地?zé)豳Y源的傳輸方式中，因構(gòu)造背景不同，傳輸方式的優(yōu)劣也有較大差異。在板塊邊緣地?zé)釒?，以高溫?zé)釋?duì)流傳輸效果為主，如西藏羊八井；而在大型沉積盆地中，傳導(dǎo)和對(duì)流同時(shí)存在，既能有效傳遞深部熱能又不會(huì)因冷熱水交替過快而使地層水溫下降，熱傳輸效果相對(duì)較好。隆起山區(qū)，單一的以對(duì)流為主的傳輸方式，冷熱水在地層淺部會(huì)發(fā)生混合，降低水溫，定為“最差”，以傳導(dǎo)為主的熱傳輸方式居中。因此，該指標(biāo)項(xiàng)對(duì)3類傳輸方式采用級(jí)差為0.3的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

2.3 蓋層

對(duì)于水熱型地?zé)豳Y源，熱水相對(duì)穩(wěn)定地儲(chǔ)存在熱儲(chǔ)層中，蓋層的主要作用是對(duì)熱和水形成有效封蓋。不同巖性巖石熱導(dǎo)率的差異較大，對(duì)熱量的封蓋能力也不相同。例如，渤海灣盆地第四系厚度大，結(jié)構(gòu)較松散，孔隙度大，導(dǎo)熱性差，下部普遍有厚層黏土層，具有良好的隔水隔熱效果，是渤海灣盆地理想的熱儲(chǔ)蓋層；松遼盆地第四系、新近系、古近系和白堊系的砂泥巖, 厚約1 000 m，形成松遼盆地深部水熱系統(tǒng)的主要蓋層[15]。蓋層如果過薄，不利于下部熱儲(chǔ)中熱量的封蓋，而蓋層過厚，在開發(fā)中經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)降低。因此，蓋層評(píng)價(jià)主要是巖石巖性和蓋層厚度兩方面。

1）蓋層巖性

當(dāng)蓋層巖性以松散堆積物、泥巖、砂泥巖頁巖構(gòu)成，這類巖石導(dǎo)熱率較低，有利于防止熱量散失，設(shè)為“最好”。以松散堆積物和板巖、頁巖為主，巖石熱導(dǎo)率比砂泥巖高，設(shè)為“最差”。因此該項(xiàng)對(duì)這3類巖性的蓋層采用級(jí)差為0.3的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

2）蓋層厚度

蓋層厚度對(duì)于熱儲(chǔ)內(nèi)地?zé)豳Y源熱量的保存有重要作用，厚度過薄熱儲(chǔ)熱量易散失，而過厚的蓋層又提高了地?zé)豳Y源開采的成本。因此，該項(xiàng)將蓋層厚度在（800，1 500]m設(shè)為“最好”，蓋層厚度小于600 m或者大于3 500 m設(shè)為“最差”，共分為4類采用0.2的級(jí)差（表2）。

2.4 熱儲(chǔ)層

熱儲(chǔ)層是影響經(jīng)濟(jì)開發(fā)的主要條件，水熱型地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)巖性主要為砂巖和碳酸鹽巖[26]。根據(jù)地?zé)醿?chǔ)層評(píng)價(jià)規(guī)范中熱儲(chǔ)地質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)，選擇孔隙度、滲透率、單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量、有效厚度比和熱儲(chǔ)層中部溫度[8]為主要評(píng)價(jià)參數(shù)。

1）孔隙度

熱儲(chǔ)層孔隙度高，有利于地?zé)崃黧w的存儲(chǔ)，該項(xiàng)根據(jù)砂巖和碳酸鹽巖兩大熱儲(chǔ)層巖性，采用級(jí)差為0.3 的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2），將孔隙度從高到低分為最好、普通和最差3類。

2）滲透率

熱儲(chǔ)巖性為高滲透率，則地?zé)崃黧w的流動(dòng)性較強(qiáng)。同上文孔隙度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用級(jí)差為0.3 的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2），將滲透率從高到低分為最好、普通和最差3類。

3）單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量

單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量的高低對(duì)地?zé)崮艿拈_發(fā)利用有直接影響，將單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量不小于2 400 m3/d設(shè)為“最好”，低于1 200 m3/d 設(shè)為“最差”，該項(xiàng)采用級(jí)差為0.3的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

4）熱儲(chǔ)中部溫度

熱儲(chǔ)中部溫度的高低影響地?zé)崂庙?xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)醿?chǔ)層評(píng)價(jià)方法：NB/T 10263—2019》中熱儲(chǔ)中部溫度的劃分，該項(xiàng)分為3類，采用級(jí)差為0.3的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

5）熱儲(chǔ)有效厚度比

熱儲(chǔ)層有效厚度比高則含水層累計(jì)厚度大，直接影響單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量。該項(xiàng)以10 m 間隔，將指標(biāo)項(xiàng)不小于70 %的設(shè)為“最好”，小于20 %設(shè)為“最差”，總共7類，采用級(jí)差為0.1的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

2.5 地?zé)豳Y源量

1）地?zé)豳Y源儲(chǔ)量

地?zé)崽锼N(yùn)藏的地?zé)豳Y源量對(duì)于研究區(qū)后期的資源開采利用有重要的指導(dǎo)作用。在地?zé)豳Y源可行性勘查和預(yù)可行性勘查階段，可結(jié)合已有地?zé)徙@井測(cè)試數(shù)據(jù)，宜通過獲取的地?zé)豳Y源量參數(shù)計(jì)算地?zé)豳Y源量，如雄安新區(qū)D03 井等[27]，計(jì)算方法宜采用熱儲(chǔ)體積法[5]。

地?zé)豳Y源量的大小影響地?zé)崂庙?xiàng)目的確立，該項(xiàng)分最好、普通和最差3類，采用級(jí)差為0.3的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

2）地?zé)豳Y源豐度

地?zé)豳Y源豐度有利于確定地?zé)崮荛_發(fā)項(xiàng)目的重點(diǎn)地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)煤不小于300×104t/km2設(shè)為“最好”，小于100×104t/km2設(shè)為“最差”，將該項(xiàng)分為4 類采用級(jí)差為0.2的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

2.6 地?zé)崃黧w質(zhì)量

腐蝕與結(jié)垢是地?zé)衢_發(fā)利用中普遍存在的現(xiàn)象之一，因此，地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)主要為地?zé)崃黧w的腐蝕性和結(jié)垢性，分析已開采的地?zé)崃黧w對(duì)地面管線的影響程度。地?zé)崃黧w的腐蝕性和結(jié)垢性評(píng)價(jià)方法為腐蝕系數(shù)、鍋垢總量、碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)[6,28]。

1）腐蝕性

地?zé)崃黧w的腐蝕性主要影響地?zé)崃黧w開采，強(qiáng)腐蝕性的地?zé)崃黧w開采需要采取相應(yīng)的抗腐蝕措施。該項(xiàng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范：GB/T 11615—2010》將地?zé)崃黧w腐蝕性分為3 類，采用級(jí)差為0.3的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

表3 腐蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard for corrosiveness

2）結(jié)垢性

地?zé)崃黧w的結(jié)垢性同腐蝕性一樣，主要影響地?zé)崃黧w開采。結(jié)垢性嚴(yán)重的地?zé)崃黧w，在開采過程中易發(fā)現(xiàn)堵塞管線等問題。該項(xiàng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范：GB/T 11615—2010》，使用鍋垢總量計(jì)算法時(shí)，采用級(jí)差為0.2 的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；使用LI（拉申指數(shù)）時(shí)，采用級(jí)差為0.3 的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；使用RI（雷茲諾指數(shù)）時(shí)，采用級(jí)差為0.2的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

表4 地?zé)崃黧w結(jié)垢性（鍋垢總量）分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard for geothermal fluid scaling ability

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 層次分析法

地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)具有過程變量多、不確定因素作用顯著等特點(diǎn)，涵蓋了從最初的大范圍區(qū)域性評(píng)價(jià)到后期精細(xì)開發(fā)的整個(gè)過程，需要對(duì)各影響因素進(jìn)行估測(cè)（即賦予權(quán)重?cái)?shù)），從而對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，指導(dǎo)工程項(xiàng)目的開展。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱AHP)是一種較好的權(quán)重確定方法。將所要進(jìn)行權(quán)重計(jì)算的指標(biāo)項(xiàng)置于一個(gè)大系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中存在互相影響的多種因素，要將這些問題層次化，形成一個(gè)多層的分析結(jié)構(gòu)模型。之后運(yùn)用數(shù)學(xué)方法與定性分析相結(jié)合，通過層層排序，最終根據(jù)各方案計(jì)算出的所占權(quán)重來輔助決策[29]。

3.1.1 建立分析模型

采用層次分析方法模型，將影響和制約中深層水熱型地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的要素進(jìn)行遴選，從地?zé)岬刭|(zhì)條件、地?zé)豳Y源量、地?zé)崃黧w質(zhì)量等3 個(gè)方面建立層次分析（圖2）。

圖2 地?zé)豳Y源品質(zhì)層次分析模型Fig.2 AHP model for geothermal resource quality

3.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

判斷矩陣中各元素aij為i行指標(biāo)相對(duì)j列指標(biāo)進(jìn)行重要性兩兩比較的值。

同一層次內(nèi)n（n＞2）個(gè)指標(biāo)相對(duì)重要性的判斷由前期研究成果及生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)確定。AHP 法使用九分位的比例標(biāo)度（表5）對(duì)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)判。

表5 相對(duì)重要性的比例標(biāo)度Table 5 Proportional scale of relative importance

將判斷矩陣的各行向量進(jìn)行幾何平均，然后歸一化，得到的行向量就是權(quán)重向量。從而得到矩陣的最大特征值λmax。

3.1.3 一致性檢驗(yàn)

3.1.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過已有的100 多口地?zé)徙@井和60 多個(gè)城市、地區(qū)的資源評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，兩兩比較判斷矩陣及單一準(zhǔn)則下的權(quán)重值W。

1）第一準(zhǔn)則層：

求得第一準(zhǔn)則層各項(xiàng)的權(quán)重WAi，其中WA表示權(quán)重，i表示行指標(biāo)，WAi表示第i行指標(biāo)的權(quán)重值，λmax=3.0，CR=0.000 6。例如WA1表示指標(biāo)項(xiàng)B1在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重值為0.78。

2）第二準(zhǔn)則層：

第一準(zhǔn)則層的項(xiàng)目中又包含了一些指標(biāo)項(xiàng)，即第二準(zhǔn)則層。由第二準(zhǔn)則層各項(xiàng)指標(biāo)的判斷矩陣可以求得該矩陣內(nèi)各項(xiàng)的權(quán)重ω1。

求得λmax=3.5，CR=-0.19。

第二準(zhǔn)則層各項(xiàng)的最終權(quán)重WBi=WAiω1i。其中WBi表示該指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重值，i表示行指標(biāo)，ω1i表示第i行指標(biāo)在Bi對(duì)比矩陣中的權(quán)重值。例如ω11表示指標(biāo)項(xiàng)C1在當(dāng)前對(duì)比矩陣?yán)锏臋?quán)重值為0.276，WB1=WA1×0.276≈0.78×0.276≈0.22，表示指標(biāo)項(xiàng)熱源在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重值為22%。

3）指標(biāo)層：

對(duì)于準(zhǔn)則層2下大于2項(xiàng)的指標(biāo)層C1和C4，建立2 個(gè)判斷矩陣進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。準(zhǔn)則層1 的地?zé)豳Y源量和地?zé)崃黧w質(zhì)量，準(zhǔn)則層2 的熱傳輸通道與蓋層，僅包含2 個(gè)指標(biāo)項(xiàng)，不需要建立判斷矩陣，其指標(biāo)層的權(quán)重綜合考慮了各指標(biāo)項(xiàng)在資源品質(zhì)中的重要性、開發(fā)中對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響性等因素。

求得λmax=3.053 6，CR=0.030 1。

求得λmax=5.058，CR=0.012 9。

指標(biāo)層最終權(quán)重WC1=WBiω2i，WC4=WBiω4i。其中WCi表示該指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重值，i表示行指標(biāo)，ω2i、ω4i表示第i行指標(biāo)在對(duì)比矩陣中的權(quán)重值。例如ω21表示指標(biāo)項(xiàng)D1在C1對(duì)比矩陣?yán)锏臋?quán)重值為0.403，WC1=WB1×0.403=WA1×0.276×0.403≈0.78×0.276×0.403≈0.09，表示指標(biāo)項(xiàng)地質(zhì)背景條件在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重值為9%。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，CR均小于0.1，以上矩陣具備滿意的一致性。完成指標(biāo)層各項(xiàng)的權(quán)重賦值（表6），權(quán)重值取整數(shù)。

表6 中深層水熱型地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重賦值Table 6 Index weight assignment for evaluation system of middle-deep water thermal geothermal resources

3.2 指標(biāo)分級(jí)系數(shù)設(shè)定

每項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分計(jì)算公式為：

式中：Yi為指標(biāo)評(píng)分值，Wi為指標(biāo)權(quán)重，Xi為分級(jí)系數(shù)。

式中：F為目標(biāo)層最終評(píng)分值，Yi為指標(biāo)評(píng)分值，Wi為指標(biāo)權(quán)重，N為指標(biāo)層包含的指標(biāo)個(gè)數(shù)。通過對(duì)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各元素指標(biāo)評(píng)價(jià)值的比較，可以把不同地區(qū)中深層水熱型地?zé)豳Y源品質(zhì)定量化描述出來。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

在完成指標(biāo)層、準(zhǔn)則層2 和準(zhǔn)則層1 的逐級(jí)定量評(píng)價(jià)后，將地?zé)豳Y源品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)作為目標(biāo)層，進(jìn)行計(jì)算后完成量化評(píng)價(jià)，見式（7）。最終定量評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)（表7）。

表7 中深層水熱型地?zé)豳Y源分級(jí)評(píng)價(jià)Table 7 Grading and evaluation of meddle-deep hydrothermal geothermal resources

Ⅰ級(jí)區(qū)域資源評(píng)價(jià)評(píng)分大于0.80，為地?zé)豳Y源非常富集區(qū)：

1）Ⅰ級(jí)1 類評(píng)分大于0.85，區(qū)域內(nèi)熱源條件好，蓋層穩(wěn)定沉積、隔熱效果好，熱儲(chǔ)條件好、孔隙或裂縫發(fā)育，區(qū)內(nèi)一級(jí)斷裂使熱量和流體與地層深部溝通好。

2）Ⅰ級(jí)2 類評(píng)分（0.80，0.85]，區(qū)域內(nèi)熱源條件與Ⅰ級(jí)1 類區(qū)域相同，地層溫度略低，孔滲條件低于Ⅰ級(jí)1類地區(qū)，熱儲(chǔ)厚度薄于Ⅰ級(jí)1類地區(qū)。

Ⅱ級(jí)區(qū)資源評(píng)分（0.65，0.80]，為地?zé)豳Y源富集區(qū)：

1）Ⅱ級(jí)1 類評(píng)分（0.75，0.80]，屬擠壓或伸展地質(zhì)背景，區(qū)域內(nèi)蓋層主要為第四系松散堆積和新近系砂泥巖，蓋層厚度較大，熱儲(chǔ)為砂巖或碳酸鹽巖，屬高孔高滲熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)有效厚度比50%以上，熱儲(chǔ)埋深大，熱儲(chǔ)溫度普遍在60 ℃以上，受控凹斷裂影響，地?zé)崃黧w補(bǔ)逕排暢通。

2）Ⅱ級(jí)2 類評(píng)分（0.70，0.75]，區(qū)域內(nèi)基巖埋深加大，管線出現(xiàn)腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

3）Ⅱ級(jí)3 類評(píng)分（0.65，0.70]，區(qū)域內(nèi)孔滲下降，為高孔—中孔、中滲熱儲(chǔ)，單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量和溫度明顯下降。

Ⅲ級(jí)區(qū)域資源評(píng)分不大于0.65，為地?zé)豳Y源不富集區(qū)：

1）Ⅲ級(jí)1 類評(píng)分（0.60，0.65]，區(qū)域內(nèi)缺乏穩(wěn)定沉積蓋層，熱儲(chǔ)有效厚度比低于30%，水流交替速度過快，缺乏大型斷裂溝通深部熱源。

2）Ⅲ級(jí)2類評(píng)分不大于0.60，區(qū)域內(nèi)基巖埋深超過4 000 m，熱儲(chǔ)埋深大、孔滲條件差、溫度低、出水量小。

4 應(yīng)用案例

曹妃甸新城地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱研究區(qū)）地理位置屬華北平原北部，構(gòu)造位置屬渤海灣盆地黃驊坳陷南堡凹陷高尚堡—柳贊地?zé)崽颷31-33]（圖3）。冀東油田在南堡凹陷經(jīng)過多年石油勘探開發(fā)，積累了大量地質(zhì)、地球物理等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在曹妃甸地?zé)峁┡?xiàng)目開發(fā)前期，結(jié)合已鉆油井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)高尚堡—柳贊地?zé)崽镞M(jìn)行了初步資源分析，認(rèn)為該地區(qū)地?zé)豳Y源豐富。2018 年11 月冀東油田在河北省曹妃甸地區(qū)投產(chǎn)大型集中式地?zé)峁┡?xiàng)目，滿足曹妃甸新城230×104m2供熱需求。

根據(jù)上文的評(píng)價(jià)方法，對(duì)該地區(qū)先進(jìn)行地?zé)岬刭|(zhì)條件評(píng)價(jià)、地?zé)豳Y源量和地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)，最終得到地?zé)豳Y源品質(zhì)的量化評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.1 地?zé)岬刭|(zhì)條件評(píng)價(jià)

4.1.1 熱源評(píng)價(jià)

地質(zhì)背景條件評(píng)價(jià)：研究區(qū)屬伸展背景下盆地內(nèi)凹陷構(gòu)造，地質(zhì)背景條件權(quán)重9 %，分級(jí)系數(shù)0.6，量化評(píng)分：

基巖埋深評(píng)價(jià)：研究區(qū)基巖埋深在3 500～4 000 m，權(quán)重6%，分級(jí)系數(shù)0.5，量化評(píng)分：

熱源組成評(píng)價(jià)：研究區(qū)熱源來自上地幔和沉積層放射性元素衰變生熱，權(quán)重7 %，分級(jí)系數(shù)0.5，量化評(píng)分：

4.1.2 熱傳輸通道評(píng)價(jià)

斷裂級(jí)別評(píng)價(jià)：研究區(qū)主要疏導(dǎo)斷層是高尚堡—柳贊斷層，是區(qū)域構(gòu)造的控帶斷層，屬地質(zhì)四級(jí)構(gòu)造單元邊界斷層，權(quán)重6%，分級(jí)系數(shù)0.6，量化評(píng)分：

熱傳輸方式評(píng)價(jià)：研究區(qū)熱能傳輸通道以傳導(dǎo)為主，對(duì)流為輔，權(quán)重5%，分級(jí)系數(shù)0.7，量化評(píng)分：

4.1.3 蓋層評(píng)價(jià)

蓋層巖性評(píng)價(jià)：研究區(qū)蓋層以第四系松散堆積物和新近系明化鎮(zhèn)組砂泥巖沉積為主，權(quán)重6%，分級(jí)系數(shù)1.0，量化評(píng)分：

蓋層厚度評(píng)價(jià)：研究區(qū)蓋層厚度在2 000～2 200 m，權(quán)重0.7%，分級(jí)系數(shù)0.8，量化評(píng)分：

4.1.4 熱儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

孔隙度評(píng)價(jià)：研究區(qū)開發(fā)熱儲(chǔ)層為新近系館陶組，屬砂巖熱儲(chǔ)層，根據(jù)研究區(qū)120 多口油氣及地?zé)徙@井696 個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，孔隙度介于18.8 %～53.6 %，平均值27.5 %，權(quán)重7 %，孔隙度分級(jí)系數(shù)1.0，量化評(píng)分：

滲透率評(píng)價(jià)：研究區(qū)開發(fā)熱儲(chǔ)層為新近系館陶組，屬砂巖熱儲(chǔ)層，根據(jù)研究區(qū)120多口油氣及地?zé)徙@井696個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，孔隙度介于（121.2～3 174.4）×10-3μm2，平均值596.3×10-3μm2，權(quán)重6%，滲透率分級(jí)系數(shù)1.0，量化評(píng)分：

單井地?zé)崃黧w產(chǎn)量評(píng)價(jià)：研究區(qū)地?zé)衢_采井產(chǎn)水量介于（83～132）m3/h，平均約107 m3/h，折日產(chǎn)水量2 568 m3，權(quán)重6%，分級(jí)系數(shù)1.0，量化評(píng)分：

有效厚度比評(píng)價(jià)：研究區(qū)地層鉆遇厚度254.1～517.2 m，平均地層厚度318.5 m，平均有效厚度比58.6%，權(quán)重7%，分級(jí)系數(shù)0.8，量化評(píng)分：

儲(chǔ)層中部溫度評(píng)價(jià)：研究區(qū)地?zé)衢_采井井底溫度介于78～90 ℃，權(quán)重8 %，分級(jí)系數(shù)0.4，量化評(píng)分：

4.2 地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)

4.2.1 地?zé)豳Y源量

研究區(qū)地?zé)豳Y源量主要熱儲(chǔ)法：

式中：Q為地?zé)豳Y源總量，單位J；A為熱儲(chǔ)計(jì)算面積，單位m2；d為熱儲(chǔ)有效厚度，單位m；Tr為熱儲(chǔ)層溫度，單位℃；T0為基礎(chǔ)溫度，單位℃；ρr為巖石密度，單位kg/m3；Cr為巖石的比熱容，單位J/（kg·℃）；φ為熱儲(chǔ)巖石孔隙度，單位%；ρw為水的密度，單位kg/m3；Cw為水的比熱容，單位J/（kg·℃）。

最終計(jì)算結(jié)果表明，僅主力開采層位新近系館陶組砂巖儲(chǔ)層中地?zé)豳Y源量為2.26×1018J，折合標(biāo)煤7.71×107t，按回收率25 %計(jì)算，可回收熱量5.65×1017J，折合標(biāo)煤1.93×107t。熱水儲(chǔ)量為7.15×108m3，取熱水資源量的20%，可采水量為1.43×108m3。按照曹妃甸新城供暖工程熱負(fù)荷需求計(jì)算，每年總供熱量為5.96×1014J，理論上該區(qū)域館陶組砂巖資源總量可以供曹妃甸新城當(dāng)前規(guī)模供暖需求長(zhǎng)達(dá)3 800 a。曹妃甸新城供暖工程采取“取熱不耗水”采出水100 %回灌，對(duì)該地區(qū)熱水資源量影響極小，折算成電能約為3.86×1010kW·h，按開采年限30 a 計(jì)算，約146 MW，屬大型地?zé)崽铮瑱?quán)重6 %，分級(jí)系數(shù)1.0，量化評(píng)分：

4.2.2 地?zé)豳Y源豐度

研究區(qū)地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤量7.71×107t，采水面積37.1 km2，資源豐度折算成單位面積的標(biāo)準(zhǔn)煤量為207.8×104t/km2，權(quán)重6 %，分級(jí)系數(shù)0.8，量化評(píng)分：

4.3 地?zé)崃黧w評(píng)價(jià)

4.3.1 腐蝕性評(píng)

研究區(qū)地?zé)崃黧wpH 介于7.2~8.5，屬弱堿性水，腐蝕系數(shù)計(jì)算：

Kk為非腐蝕性水，權(quán)重5 %，分級(jí)系數(shù)1.0，量化評(píng)分：

4.3.2 結(jié)垢性評(píng)價(jià)

根據(jù)RI定性估計(jì)地?zé)崃黧w中碳酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

式中：pHs為計(jì)算出的pH 值；pHa為實(shí)測(cè)pH 值；ALK為總堿度，即重碳酸根HCO3-離子物質(zhì)的量濃度，單位mol/L；Ke為一個(gè)常數(shù)，當(dāng)總固形物介于200～6 000 mg/L時(shí)，取值介于1.8～2.6，溫度大于100 ℃取低值，低于50 ℃取高值。計(jì)算結(jié)果RI介于5.28～7.08，平均值6.17，屬輕微結(jié)垢，權(quán)重5%，分級(jí)系數(shù)0.9，量化評(píng)分：

4.4 地?zé)豳Y源品質(zhì)評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)地?zé)豳Y源品質(zhì)的評(píng)價(jià)公式：

式中：F為目標(biāo)層最終評(píng)分值，Wi為指標(biāo)權(quán)重，Xi為指標(biāo)分級(jí)系數(shù)。將各指標(biāo)項(xiàng)定量評(píng)價(jià)結(jié)果代入式（27）。

按照中深層水熱型地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)地?zé)豳Y源為Ⅱ級(jí)1類，屬地?zé)豳Y源非常富集區(qū)。

4.5 應(yīng)用效果

目前曹妃甸地?zé)峁┡?xiàng)目已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行了5 a，項(xiàng)目采用了7 個(gè)叢式鉆井平臺(tái)共40 口鉆井滿足供暖需求。最初的設(shè)計(jì)方案中，地?zé)峁┡骄鶡嶝?fù)荷值為31.0 W/m2，井口溫度80 ℃，采水量100 m3/h，無壓回灌量80 m3/h；而實(shí)際運(yùn)行，地?zé)峁┡骄鶡嶝?fù)荷值為31.5 W/m2，井口溫度介于78～82 ℃，采水量介于95～120 m3/h，無壓回灌量介于55～88 m3/h。實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)參數(shù)基本相當(dāng)，采水量等指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)方案，運(yùn)行后室內(nèi)溫度高出2～3 ℃，供暖效果良好。

5 結(jié)論

1）隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提升，從以往的淺層地?zé)衢_發(fā)為主到因地制宜開展淺層、中深層開發(fā)，從單一的“對(duì)井”式開發(fā)到集群式開發(fā)，地?zé)崮艿睦弥饾u向規(guī)?；?、規(guī)范化方向發(fā)展。

2）地?zé)崮芾庙?xiàng)目的發(fā)展對(duì)中深層水熱型地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的要求逐漸增高，工程建設(shè)不再滿足于以往的定性評(píng)價(jià)和單一的溫度、流量預(yù)測(cè)，而是需要一套更加有效、準(zhǔn)確、高精度的資源評(píng)價(jià)方法，能夠?qū)ιa(chǎn)建設(shè)起到良好技術(shù)支撐作用。

3）提出的中深層水熱型地?zé)豳Y源定量評(píng)價(jià)方法是在充分分析了地?zé)岬刭|(zhì)條件、地?zé)豳Y源量和地?zé)崃黧w質(zhì)量對(duì)地?zé)豳Y源品質(zhì)的影響因素后，使用層次分析法建立的評(píng)價(jià)方法，完成對(duì)地?zé)豳Y源品質(zhì)的定量評(píng)價(jià)。

4）該評(píng)價(jià)方法是將孔隙度、滲透率、熱儲(chǔ)溫度、單井流量等16個(gè)影響地?zé)豳Y源品質(zhì)的因素作為指標(biāo)層，逐一進(jìn)行權(quán)重賦值并分級(jí)評(píng)價(jià)，同時(shí)建立了地?zé)豳Y源綜合評(píng)價(jià)體系，其評(píng)價(jià)結(jié)果能夠直接應(yīng)用于地?zé)衢_發(fā)利用和生產(chǎn)建設(shè)，有較強(qiáng)的指導(dǎo)和借鑒意義。