改进的层次分析法在碎屑岩储层评价中的运用

2014-08-14赵兴华谢传礼于浩洋

重庆科技学院学报（自然科学版） 2014年4期

王强赵兴华谢传礼于浩洋张慧

(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室，北京 102249； 2.中国石化西北石油局，乌鲁木齐 830011)

储层评价是预测和评价探区含油气有利区带的一项重要技术手段，通过该技术可以对储层进行合理分类[1-2]，利于更加科学合理地开发油藏，最大限度地挖掘剩余油。根据经验，如果仅采用单一因素来评价储层，常常会出现不合理甚至相互矛盾的结果，很难在各种影响因素中反映出储集空间的本质。本次研究主要针对单因素评价储层结果不唯一的特点，探讨储层综合定量评价的方法。以鄂尔多斯东胜气田为例，从研究区的地质资料中，优选孔隙度、渗透率、泥质含量、砂厚、渗透率变异系数、突进系数和级差等指标，综合运用改进的层次分析方法，确定各指标权重，结合综合评价因子对太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组储层进行分类，提高了储层评价的准确性。

1 研究区域的地质概况

东胜气田位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起带，区域内部断层系统不发育，具代表性的是呈东西走向的泊尔江海子逆断层，该断层控制着东胜地区的沉积和构造。研究区域位置南起锦56，北到锦15，西至锦46，东到锦50，面积约120 km2。其内部地层平缓，是一个倾角不到1°的西倾单斜。目的层由老到新依次为石炭系太原组、二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组。根据沉积旋回、电性特征和含气性特点，将山西组划分为山一段、山二段，下石盒子组划分为盒一段、盒二段、盒三段。其中，太原组为一套海陆交互相的含煤碎屑沉积，地层南厚北薄，北粗南细，厚度介于45～100 m；山西组为三角洲前缘水下分流河道沉积，厚度介于4～79 m；下石盒子组为河流相河道砂体沉积。山西组、太原组的煤系地层是主要烃源岩，上石盒子组湖相泥岩是区域盖层，主要以岩性油气藏为主。

2 改进的层次分析法基本原理

传统的层次分析法(AHP)是由美国运筹学家Saaty T L 最先提出，其基本思想是将复杂问题细分为若干层次和因素，判断各指标的重要程度并建立判断矩阵，计算判断矩阵的最大特征值及对应特征向量，最后得到不同指标重要性程度的权重。该方法本质上是一种决策思维方法，适用于定性和定量因素相结合的决策分析，特别侧重于定性因素分析[3]。该方法在考虑事物本身属性的同时加入主观经验判断, 既能体现研究对象的客观特征，又能体现人的主观认识，在多目标规划领域具有广泛的应用价值。本次研究中，改进后的层次分析方法采用三标度法建立比较矩阵[4]，再通过极差法将比较矩阵转化为判断矩阵。这样可避免传统九标度法建立判断矩阵时的不一致性，使特征值的计算量大大减少，具有简便、快速、易于操作等优点。

2.1 评价指标的选择

评价指标的确定是在全面分析影响被评价事物特性的基础上，结合理论分析和专家经验而形成因素集的过程。评价指标的选择应满足以下要求：(1)规律性，即所选评价指标应突出评价目的的特点；(2)避免追求全面性，评价指标应体现选题的个性；(3)目标性，评价指标与评价目标一致，避免相互矛盾[5-7]。

开发阶段的储层综合评价参数一般有11项[8]，针对不同油气藏的不同时期，具体评价时可以根据储层评价目的与研究精度而选取不同的评价参数。东胜气田目的层碎屑岩储层物性受到多种因素的影响，这些因素之间又在一定程度上相互影响；因此，定量研究碎屑岩储层物性的控制因素比较复杂，各因素影响程度定量排序比较困难。通过统计该地区部分储层资料，共选择了孔隙度φ、渗透率K、泥质含量Vsh、砂厚H、渗透率变异系数Vk、突进系数Tk、级差Jk等7个参数作为综合评价储层的指标。东胜地区目的层储层评价参数数据如表1所示。

2.2 评价指标的定量标准化

对原始评价参数进行标准化处理的目的是消除物理意义和量纲间的差异。标准化处理方法有初值化处理、均值化处理、极大值标准化及归一化处理等[5-6]。本次研究中采取极大值标准化法，通过处理使每项评价分数变成无量纲的标准化数据。根据参数的不同意义可将极大值标准化处理方法分为3种：(1)当储层质量与评价数据值成正相关，此时要用评价参数数据除以本参数中的最大值，比如渗透率、孔隙度等；(2)当储层质量与评价数值成负相关，此时用此类参数的最大值与单项参数数据的差值除以极大值，比如泥质含量、渗透率变异系数等；(3)当评价数据取中间值时反映储层质量，用单个参数减去中间值并求取绝对值，再从中选取最大绝对值，最后用最大绝对值与各项指标的差值除以最大绝对值，比如粒径Md。

通过统计东胜地区储层各项评价指标数据，获得标准化数据表(表2)。

表1 东胜地区目的层储层评价参数数据表

2.3各评价指标权重的确定

2.3.1 建立递阶层次结构模型

根据碎屑岩储层的评价原则，结合影响准则的7个因素，建立如图1所示递阶层次结构。在本文所选取的7个参数中，孔隙度代表了砂体的宏观物性特征，归入物性参数类中[9]；泥质含量、砂厚、渗透率变异系数、突进系数、级差代表了砂体宏观整体特征，将其归入综合参数中。渗透率和孔隙度除对物性参数有贡献外，也在一定程度上反映了综合参数的某些特征；而泥质含量、砂厚、渗透率变异系数、突进系数、级差除对综合参数有贡献外，反过来也制约了物性参数值的大小和分布。所建立的递阶层次结构客观反映了研究区砂体各参数间复杂的联系。

表2 东胜地区目的层储层评价参数标准化数据表

图1 东胜地区碎屑岩储层评价递阶层次结构模型

2.3.2 构造判断矩阵

递阶层次结构模型的建立直接确定了上下层因素之间的隶属关系，可以据此来构造比较矩阵。如图1所示，以A层为目标，它所支配的下层次因素为Bi,Bij表示Bi对于Bj的相对重要性数值，i=1,2,…,n，j=1,2,…，n。在传统的层次分析方法中Bij的取值按照Saaty提出的“1 — 9标度法”，两两比较后进行赋值。用传统层次分析方法进行分析时，由于决策者较难准确把握标度标准，导致判断结果不能通过一致性检验，必须再次进行修订与改进。为了避免这种问题的出现，这里采用三标度法(表3)对其进行比较赋值。建立比较矩阵后，应用极差法将比较矩阵转化为判断矩阵。

用极差法构造判断矩阵时，其变换公式为：

表3 评价矩阵标度与含义(三标度法)

(1)

(2)

式中cb为常量，是按某种标准预先给定的极差元素的相对重要程度，在实际应用中一般cb=9；R=rmax-rmin，为极差，其中rmax=max{r1,r2,…,rn}，rmin=min{r1,r2,…,rn}。所得的矩阵C=(cij)n×m为一致性判断矩阵[10-12]。

2.3.3 权重系数的计算

这里采用方根法计算权重向量ωi=(ω1,ω2，…,ωn)T。计算步骤如下：

计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi：

(3)

(4)

(5)

则ωi=(ω1,ω2,…,ωn)T即为所求预测指标权值的特征向量。

2.3.4 综合评价指标计算和分类标准

储层综合定量评价则是在选取储层评价参数的基础上，对储层多个影响因素做综合评价，最终得到一个综合评价指标，并以此对储层分类。综合评价指标计算公式为:

(6)

式中:REI为储层综合评价指标；Xi为储层评价参数；ai为储层评价参数的权系数，即上一步计算出的ωi；n为储层评价参数的个数。由式(6)可以看出，Xi为已知参数，只有权系数ai未知，若求出权系数ai则可计算得到综合评价指标[14-15]。

最后确定储层评价的指标为：渗透率u1、孔隙度u2、泥质含量u3、砂厚u4、变异系数u5、突进系数u6、级差u7。根据计算，可以得到影响储层质量的各评价指标权重(表4)。

表4 各评价指标权重数据

通过最大值标准化处理后，可以得到每个评价指标的单项评价指标，然后将得到的单项评价指标与本类的“权重”系数相乘，得到单项指标的权衡分类。最后将每个小层的各个评价指标的单项均衡分数相加，得到各个小层的综合权衡评价分数，即“储层质量综合评价Q因子”。东胜地区目的层储层综合评价结果如表5所示。

表5 东胜地区目的层储层综合评价结果

根据储层质量综合评价Q因子数值差别确定本研究区的分类标准，可将东胜气田目的层划分为4类：Q因子值为1～0.75，储层为I类优质储层；Q因子值为0.75～0.65，则储层为为II类中等储层；Q因子值为0.65～0.55，则储层为III类一般储层；Q因子小于0.55，则储层为为Ⅳ类较差储层。

应用此方法划分的各类储层特征明显，与研究区储层特征具有良好的一致性。Ⅰ级储层为研究区最好储层，占沉积单元总数的7.7%。相对于其他层段，盒三段的P1x3-2无阻流量很高，孔隙度和渗透率较其他层段更大。Ⅱ级储层为研究区较好储层，占沉积单元总数的30.7%，以中渗、中孔型储集层为主。Ⅲ级储层为研究区一般储层，占沉积单元总数的38.5%，以低渗、中低孔型储集岩为主。Ⅳ级储层为该区最差的储层，占沉积单元总数的23.1%，以低渗、低孔型储集岩为主。该分类结果与东胜油田的开发方向基本一致，Ⅰ类储层试油结果显示含油层多，吻合度很高，是勘探开发的有利储层；Ⅱ类储层次之，见油层较多，也是勘探开发的重点区块。