层次分析法在建昌盆地油页岩勘查有利区优选中的应用*

臧东升，王嗣敏，柴立满，王熙琼，陈家琳

(1.中国石油大学 盆地与油藏研究中心，北京102249;2.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室，北京102249;3.大庆油田第二采油厂，黑龙江 大庆163414)

0 引 言

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是一种实用的多准则系统分析方法，综合定性分析与定量分析，将复杂的问题用一个逻辑有序的递阶层次结构表示出来，通过经验判断对决策方案的优劣进行排序。建立层次结构模型、构造判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验是层次分析过程的四个基本步骤［1］。该方法最早由美国著名运筹学家、匹兹堡大学教授T. L. Saaty 于20 世纪70 年代中期提出，由于其实用、简洁、系统性强，能够迅速简便地解决复杂问题，在国防科技、科技成果评价、企业管理、人才选拔评价等领域均已得到了非常广泛的应用，在矿产能源领域亦有较多涉及［2］。

油页岩是一种非常重要的非常规能源，全世界油页岩资源折算成页岩油资源量达4 539 ×108t［3］，作为重要替代能源的油页岩凭借其资源丰富、特性有利和开发利用可行3 项优势越来越受到广泛的关注［4-5］。中国的油页岩资源丰富，分布在全国20 个省和自治区、47 个盆地、80 多个含矿区，油页岩地质资源量11 602 ×108t，可回收页岩油资源量达160 ×108t［6-7］.2003—2006 年“全国油页岩资源评价”第一次系统和全面地评价了全国的油页岩资源，比较全面地研究了油页岩资源评价体系。位于辽宁西部的建昌盆地油页岩资源丰富，历经多次勘查，目前已发现油页岩矿点十多个，仅建昌碱厂、凌源五家子、喀左九佛堂、朝阳七道泉子和敖汉旗大青山五个勘查区共计油页岩查明资源157 784 ×104t，油页岩查明技术可采资源82 285×104t，页岩油查明资源8 032 ×104t，页岩油查明技术可采资源4 222 ×104t，页岩油查明可回收资源3 166 ×104t.

由于对油页岩系统地评价研究工作起步较晚，目前对于油页岩目标区的优选研究成果不甚丰富。有学者曾以油页岩含矿区为评价单元进行过优选研究［8-10］，认为油页岩含矿区的开发利用需综合考虑地质资源因素和技术经济因素。笔者以勘查区为优选单元，将层次分析法应用于有利勘查区定量优选评价中，构建勘查区勘探优选评价指标体系，确定各级评价指标权重，对建昌盆地不同勘查区进行评价与优选，为进一步的勘探工作和科学、合理地利用好该地区的油页岩资源提供一定依据。

1 油页岩勘查区评价优选流程

1.1 勘查区评价优选层次结构模型的建立

虽然制约油页岩勘查区勘探开发的因素较多，但主要包括3 个方面:地质条件，开发条件和经济条件。基于对勘查区优选的研究，建立了油页岩有利勘查区优选层次结构模型(表1)。该模型包括3 个层次:目标层，条件层和参数层。顶层是目标层，即勘查区优选勘探目标;第二层是条件层，表示实现勘查区优选勘探的约束条件，包括地质条件，开发条件和经济条件;底层是参数层，是第二层各个约束条件的具体化，各个参数的数值能够直接得到或者通过一定方式量化得到。约束地质条件的参数有含油率、主采层厚度、矿层累计厚度、含矿区矿层面积和勘查程度;约束开发条件的参数有勘查区页岩油资源丰度、技术可采系数和矿体埋深;约束经济条件的参数有勘查区页岩油可回收资源丰度、地理环境和共伴生可利用矿产。

表1 油页岩有利勘查区优选层次结构模型Tab.1 Optimization hierarchical structure model of oil shale exploration region

油页岩品质评价参数有含油率、灰分、发热量和全硫含量等，含油率既是界定油页岩矿产资源的一项重要指标，也是油页岩评价过程中的重要参数［11-12］。经过分析发现含油率与灰分、发热量的关系密切，相关性强(图1)。全硫含量虽与前三者关系虽并不密切，通过分析16 个样品的全硫含量发现，15 个样品属于低硫—特低硫油页岩，因此建昌盆地各地区进行油页岩开发时对环境的潜在污染程度普遍很低［13］。所以，选取含油率作为衡量油页岩品质的参数指标。

前人在研究油页岩资源有利区优选时普遍选取页岩油资源与页岩油可回收资源作为其中的两个优选参数［14］。在建昌盆地，由于油页岩勘查区面积相差较大，导致勘查区资源量差别较大，用资源量参数不能较好地客观反映勘查区资源状况。因此，笔者建议在进行勘查区这一级评价单元优选时，选取勘查区页岩油资源丰度和勘查区页岩油可回收资源丰度两个参数来表征该地区页岩油资源富集程度，用含矿区矿层面积侧面表征该含矿区油页岩资源多少。

图1 建昌盆地南部含油率、灰分和发热量相关图［13］Fig.1 Correlation between oil yield，ash content and caloric value in south part of Jianchang Basin［13］

1.2 参数层指标权重的确定

构造判断矩阵是层次分析法解决问题的最关键一步，判断矩阵表示的是针对上一层次中的某个因素而言，本层次与之有关的各个因素之间的相对重要性［15］。假定C 层次中的因素Ck与下一层次中的各个因素A1，A2，…，An均有联系，则构造的判断矩阵形式见表2.

表2 判断矩阵Tab.2 Judgement matrix

在表2 中，aij是指相对于Ck，Ai对Aj的相对重要性的数值表示，采用1 ～9 比例标度，当aij取1，3，5，7，9 时分别表示为Ai比Aj同等重要、稍重要、重要、很重要和极重要，它们之间的数2，4，6，8 及各数的倒数具有相应的类似含义。

层次单排序，简而言之即计算各个判断矩阵的最大特征值λmax和最大特征值所对应的特征向量W，W 的分量Wi便是该层因素相对于上一层因素的重要性权值［15］。

由于认识具有多样性，不同的人对于不同因素之间重要性的判断不可能保证完全一致，因此就需要对判断矩阵进行一致性检验CR =CI/RI，只有当CR ＜0.1 时才能认为该判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要重新调整判断矩阵使之符合要求。其中CI=(λmax-n)/(n -1)，1 ～5 阶矩阵RI 取值分别为0，0，0.58，0.90，1.12.

根据前人得出的各层因素之间的相对重要性，构造各个判断矩阵如下

1)判断矩阵A-B(相对于总目标而言，各条件层评价指标之间的相对重要性比较)

用和积法求得判断矩阵的最大特征值和特征向量，特征向量W=(0.633 4，0.260 5，0.106 1)T，最大特征值λmax=3.038 7. 进行一致性检验，CI=0.019 4，RI =0.58，CR =CI/RI =0.033 4 ＜0.1，因此该矩阵具有满意的一致性，说明该矩阵的赋值是合理的。其中，地质条件权重0.633 4，开发条件权重0.260 5，经济条件权重0.106 1.

2)判断矩阵B1-C(相对于地质条件而言，与之相对应的各参数层评价指标之间的相对重要性比较)

W1= (0.455 9，0.107 5，0.185 0，0.185 0，0.066 5)T，λmax=5.057 0，CR =0.012 8 ＜0.1. 特征向量W1中各分量乘以地质条件权重0.633 4，即得到含油率、主采层厚度、矿层累计厚度、含矿区矿层面积和勘查程度在整个评价体系中的权重，分别 为0.288 8，0.068 1，0.117 2，0.117 2，0.042 1.

3)判断矩阵B2-C(相对于开发条件而言，与之相对应的各参数层评价指标之间的相对重要性比较)

W2= (0.567 9，0.334 0，0.098 2)T，λmax=3.024 8，CR= 0.021 4 ＜0.1，进一步得到页岩油资源丰度、技术可采系数和矿体埋深在整个评价体系中的权重，分别为0.147 9，0.087 0，0.025 6.

4)判断矩阵B3-C(相对于经济条件而言，与之相对应的各参数层评价指标之间的相对重要性比较)

W3= (0.685 3，0.221 3，0.093 4)T，λmax=3.054 9，CR= 0.0473 ＜0.1，进一步得到页岩油可回收资源丰度、地理环境和共伴生可利用矿产在整个评价体系中的权重分别为0.072 7，0.023 5，0.009 9.

根据上述计算，得到了油页岩评价结构层次模型中各层评价指标的权重值(表3)。结果显示，在条件层评价指标中，地质条件权重最大，为0.633 4;开发条件权重为0.260 5;经济条件占权重最小，为0.106 1.与油页岩含矿区优选评价需综合考虑地质资源条件与技术经济条件相比，勘查有利区优选更加注重地质条件因素的影响。在参数层评价指标中，含油率权重最大，为0.288 8，反映了含油率在油页岩勘查有利区优选中的重要地位，即使在含矿区优选中，含油率占的权重亦是最大。此外，页岩油资源丰度、矿层累计厚度、含矿区矿层面积也是油页岩勘查有利区优选时需要优先考虑的因素。

表3 油页岩资源评价模型指标体系权重计算结果Tab.3 Weight results of oil shale resource evaluation model index system

1.3 参数层指标的赋值

为了便于不同的勘查区之间进行综合优选对比，将不同量纲的各个参数层指标根据其数据值的相对大小而赋值。参考前人对资源有利区优选研究成果，将油页岩勘探有利区评价参数的优劣程度分为好、较好、较差、差4 个等级，分别赋值10～7.5 分，7.5 ～5 分，5 ～2.5 分，2.5 ～0 分(表4)。赋值时，定量参数利用差值方法计算相应的分值，定性参数选取区间中值为相应的分值。

表4 参数层评价指标赋值标准Tab.4 Assignment shandards of evaluation indexes in parameter layer

1.4 勘查区综合评价优选

各个勘查区综合评价得分利用加权求和的方法求得

其中 Q 是油页岩勘查区综合得分;Fi是参数层指标的赋分值;Wi是参数层指标对应的权重值。

对获得的各个勘查区的综合评价得分由高到低进行排序，根据综合得分的多少进行勘探有利程度分类:Q≥5.0 为Ⅰ类勘查区，即最有利勘查区，进一步勘探的前景最好;4.0≤Q ＜5.0为Ⅱ类勘查区，即有利勘查区，勘探前景较好;Q ＜4.0 为Ⅲ类勘查区，即较有利勘查区，勘探前景较差。以此为参考，开展油页岩矿区的勘探开发优选战略规划。

2 建昌盆地有利勘探区的优选分析

建昌盆地位于辽宁省西部，含内蒙古自治区东南部少部分地区，大地构造上位于华北地块东北部燕山造山带辽西拗陷［16］。盆地北部以赤峰-开原断裂为界，南部以要路沟-锦西断裂与山海关隆起相接［17］，西部以叨尔登、桃花吐隆起为界，东部以建昌-朝阳断裂和朝阳-北票断裂与金岭寺-羊山盆地相邻(图2)。建昌盆地是一个发育在克拉通基础上的中生代叠置盆地，在中生代盆地经历了三叠纪挤压拗陷、侏罗纪挤压拗陷和白垩纪伸展裂陷3 个演化阶段［18］。盆地油页岩资源丰富，赋存在下白垩统九佛堂组，目前已发现10 多个油页岩矿点，比较具有代表性的有建昌碱厂、凌源五家子、喀左九佛堂、朝阳七道泉子和敖汉旗大青山。

以研究所获得的建昌盆地各个勘查区实际数据资料为基础(表5)，根据应用层次分析原理求得的各参数权重，并结合参数层评价指标的赋值得分，加权求和获得建昌盆地各个勘查区综合评价得分，结果见表6.

表5 建昌盆地油页岩勘查区参数层实际数值表Tab.5 Actual value of the parameter layer in oil shale exploration regions of Jianchang basin

计算结果显示，在建昌盆地5 个勘查区中，敖汉旗大青山勘查区油页岩综合评价指标最高为5.407 2，其次为朝阳七道泉子(5.048 2)，此二者是Ⅰ类勘查区，进一步勘探的前景最好;凌源五家子(4.348 3)和建昌碱厂勘查区(4.025 7)是Ⅱ类勘查区，勘探前景较好;喀左九佛堂勘查区得分最低，为3.825 5，是Ⅲ类勘查区，勘探前景较差。因此，应用层次分析原理所得到的最有利勘探区是敖汉旗大青山和朝阳七道泉子，这2 个地区油页岩厚度大，含油率高，埋深浅，油页岩及页岩油资源潜力巨大，是下一步优先勘探开发的地区。

表6 建昌盆地油页岩勘查区综合评价计算结果Tab.6 Comprehensive evaluation results of oil shale exploration regions in Jianchang basin

图2 建昌盆地典型油页岩勘查区位置图Fig.2 Location of typical oil shale exploration region in Jianchang basin

3 结 论

1)建立了油页岩有利勘查区优选层次结构模型，包括3 个层次:目标层，条件层和参数层。目标层为勘查区优选勘探目标，条件层由地质条件，开发条件和经济条件3 个因素组成，参数层则由含油率、主采层厚度、矿层累计厚度等共计11 个因素组成。

2)通过层次分析法研究各层评价指标的权重，在条件层，地质条件是影响油页岩勘查区进一步勘探的最重要因素;在参数层，含油率、页岩油资源丰度、矿层累计厚度和含矿区矿层面积是影响油页岩勘探选区的关键参数。

3)在建昌盆地5 个典型的油页岩勘查区中，敖汉旗大青山和朝阳七道泉子勘查区是Ⅰ类勘查区，勘探前景最好;其次是凌源五家子和建昌碱厂勘查区，为Ⅱ类勘查区，勘探前景较好;喀左九佛堂勘查区得分最低，是Ⅲ类勘查区，勘探前景较差。

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