基于模糊层次分析方法的泥质有效低熟气源岩评价

熊德明，张明峰，吴陈君，妥进才

1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州 730000 2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049



基于模糊层次分析方法的泥质有效低熟气源岩评价

熊德明1，2，张明峰1，吴陈君1，2，妥进才1

1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州 730000 2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049

在特定地质背景下，低熟气可以聚集成藏。由于沉积盆地的古环境、母质类型及有机质演化程度的不同，仅以低熟气源岩物理化学性质为侧重点的烃源岩评价方法很难对不同沉积盆地中的烃源岩的生烃潜力进行相对优劣排序。因此，为了快速有效评价低熟气源岩的生烃潜力，分析了w(TOC)、IH、w(“A”)等10个因素对气源岩生气能力的影响，建立有效低熟气源岩评价指标体系。并运用层次分析法和模糊数学，建立低熟气源岩生烃潜力评价模型。应用此模型对乌连戈伊气田进行了生烃潜力评价，评价结果表明：Achimov气藏、Bazhenov气藏、Vasyugan气藏、Pokur气藏烃源岩是低熟气源岩；Neocomian气藏和Tyumen气藏烃源岩介于低熟气源岩和常规气源岩之间；Tampey气藏烃源岩属于常规气源岩。这与Galimov所得结论是完全吻合的，说明模型的评价结果是可靠的，可以实现低熟气源岩的综合评价，值得推广应用。

低熟气；模糊层次分析方法；有效低熟气源岩；低熟气源岩影响因素；气源岩评价模型;乌连戈伊气田

0 前言

低熟气的概念是在生物-热催化过渡带气[1]和早期热成因天然气(early thermogenic)[2]概念基础上演变而来的，是一种新的天然气成因类型[3-5]。这类气体的埋深一般在1 000～2 500 m，其气体组分特征C1/∑C1-5值一般为0.7～0.9，甲烷碳同位素组成为-55‰～-46‰，烃源岩Ro值为0.4%～0.9%[4]。低熟气是腐殖型有机质在热演化程度不高的情况下形成的天然气[1-2, 6-8]，组分以甲烷为主，比生物气重，含有一定量C2--C4的重烃和非烃类气体，并常与轻质油或凝析油伴生[9-11]。自从王万春等[1]和Galimov[2]提出低熟气概念后，国内外的许多学者都对低熟气的物理化学性质进行了大量的研究。但是常规烃源岩评价方法主要侧重于气源岩物理化学性质，很难区分烃源岩生烃潜力的优劣。那么一个重要的问题就摆在人们面前：如何快速有效评价低熟气源岩的生烃潜力？其主要的影响因素有哪些？采用什么方法进行评价？笔者通过大量的调研对此进行了论述和探讨。

1 低熟气的概念及特征

低熟气概念是从天然气的实际勘探中提出的。在“七五”期间，王万春等[1]在研究辽河、苏北盆地浅层天然气时，提出生物-热催化过渡带气概念。在相互独立研究的情况下，Galimov[2]认为西伯利亚乌连戈伊等巨型气田不是生物气而是早期热成因天然气。这些认识都强调了有机质在低演化阶段，可以形成工业性的气田，甚至超级大气田。自从低熟气概念提出以后，国内外一些学者或机构[1-3,8-19]陆续给出了一些低熟气的判识指标，不同机构不同时期给出的指标会有一些区别，但总体变化不大，如表1。

表1 国内外低熟气的判识主要指标

注：Ro为成熟度。

2 低熟有效气源岩评价方法

有效气源岩是指在适当的热成熟条件下能生成足够量的气态烃类，使岩石的孔隙和表面充分饱和，并能排出气态烃类使之形成气藏的沉积岩，主要有碳酸盐岩和泥质气源岩两种。目前有效气源岩评价方法并不多，主要有生烃热模拟实验[20-23]、图版法[24-25]、动力学模拟实验[26-31]、环境扫描电镜可视化生气动态模拟实验[32]以及在这些实验基础上建立的评价标准[22,26-31,33-36]；然而，低熟有效气源岩的评价方法非常少，仍处在起步阶段，还没有相应的方法或标准来评价低熟气源岩。本次通过大量的调研和分析，借鉴陈建平等[27]提出的煤系烃源岩评价指标，建立低熟有效气源岩评价指标体系，然后通过模糊层次分析方法进行评价。

2.1 模糊综合评判模型的建立

影响低熟气源岩生气能力的因素较多，且影响是整体性的。要对其定量评价，须在多种因素定量化的基础上综合研究这些评选参数对气源岩有效性的影响，因此，利用模糊数学和模糊层次分析法，在评价参数量化研究的基础上，筛选出一个适合于盆地所有气源岩有效性的综合分析理论和方法。

将影响烃源岩生气能力的因素称作评价对象。评价结果用评语集表示，记作V=(v1,v2,…,vm)。影响评价结果的所有因素(评价指标)构成的集合称为因素集，记作U=(u1,u2,…,un)。根据第i个因素ui对事物做出的评价称作单因素评价，记作ri=(ri1,ri2,…,rim)。将n个因素的单因素评价向量组成一个矩阵，就是评价对象的多因素评判矩阵，记作R，为了表明各评价因素对评价结果的重要程度，根据各因素的物理意义，利用层次分析法给出各因素的权重，即权重向量为A=(a1,a2,…,an)。然后通过模糊变换得到评价结果B=A⊗R= (b1,b2,…,bm)(⊗表示模糊运算)。B是V上的一个模糊子集，其中bj表示评价对象可以用评语vj来评价的程度。在实际应用中，通常取B中的最大值对应的评语集作为最终评价结果[37-39]。

2.2 权重的确定

各个因素对评价对象的影响程度是不一样的，因而需要给评价因素赋权重。为了合理确定权重，采用匹兹堡大学著名运筹学家T.L.Saaty[37]提出的层次分析法进行分析。层次分析方法把专家意见、分析者主客观判断用数学方法进行量化分析，判断因素的重要性，是一种定性定量相结合的方法。其具体步骤为：首先把问题层次化，形成一个多层次的结构模型；然后引入1～9比率标度法，构造判断矩阵；最后通过计算判断矩阵的最大特征根及对应的特征向量，得到各评价因素的重要性排序，归一化后就得到某一层因素相对上一层某一个因素的权重系数。由于判断矩阵的确定受到专家知识水平和个人偏好的影响，构造的判断矩阵一般很难满足一致性条件。因此为保证评价矩阵的可信度和准确性，必须进行一致性检验。引入一致性检验指标CI以及对CI进行修正的随机一致性指标RI[39]。

3 评价指标体系

3.1 低熟气源岩的有机质丰度

低熟气源岩有机质丰度是指低熟气源岩中有机质的富集程度。对于低熟气源岩来说，最显著的特点就是有机质丰度高、分布广、单位产烃潜力低(产气率)，但是丰度高，总生烃潜力大。目前，对于低熟气源岩有机质丰度的评价尚无明确的标准，但是对煤系气源岩的有机质丰度的评价标准认识比较一致[40]。

1)总有机碳(TOC)

在低熟气源岩有机质丰度评价过程中，总有机碳是非常重要的参数。关于有效气源岩总有机碳下限存在两种观点：一种观点[41]认为理论下限是判断气源岩有效与否的唯一标准，即生气源岩的总有机碳超过理论下限就是有效气源岩；另一种观点[42]强调只有达到并超过工业下限的生气岩才可以算得上是气源岩，即气源岩的总有机碳存在一个工业下限值。后一种认识是在前一种观点的基础上，进一步考虑了气源岩总有机碳的数量应能满足形成有工业价值气藏的要求。由此可见，总有机碳对气源岩的有效性起到了决定性的作用。陈建平等[27]认为煤系泥岩的有机碳下限为w(TOC)=0.75%，若w(TOC)>3.00%，则为好烃源岩。卢双舫等[24]认为气源岩总有机碳下限为w(TOC)=0.50%，若w(TOC)>1.0%时，气源岩属于好的气源岩。由此可知，低熟有效气源岩的总有机碳w(TOC)值范围为0.50%～1.00%，如表2。

表2 泥质低熟有效气源岩评价指标体系

注：表中量符号含义见正文。

2)氢指数(IH)

氢指数是指热解烃和有机碳含量的比值。IH越大，说明气源岩的热解烃所占比例越高。卢双舫等[24]对泥质气源岩研究后发现，同一个烃源岩，IH随低熟气源岩的评价参数成熟度(Ro)增加而减小，如图1。因此气源岩处于低熟阶段的时候，是可以产生大量烃类物质的。

图1 有效排气源岩判识图版Fig.1 Distinguishing chart of valid gas source rock

对于有效低熟气源岩而言：当成熟度Ro=0.5%时，IH>530 mg/g；当成熟度Ro=0.8%时，IH>460 mg/g；当成熟度Ro=1.0%时，IH>270 mg/g。对于低熟气源岩(Ro=0.40%～0.90%)，IH值的范围是270～460 mg/g，如表2。

3)生烃势(生烃潜力，w(S1+S2))

生烃潜力是衡量源岩有机质丰度和其生烃能力最实际的指标。不同的学者提出的生烃潜力的界定是不一样的。陈建平等[27]认为煤系泥岩的生烃潜力为0.5～6.0 mg/g。王东良等[43]认为煤系源岩和湖相泥岩的生烃潜力值差不多。秦建中等[44]认为，与生油岩的排油相比，煤系烃源岩更容易排气。但是，他们都认为气源岩生烃潜力下限大于0.5 mg/g。

由王东良等[43]的低熟煤系泥岩和炭质泥岩生烃潜力评价标准可知，当气源岩处于低熟阶段的时候，有效气源岩的生烃潜力w(S1+S2)值为0.5 ～20.0 mg/g，如表2。

4)氯仿沥青“A”和总烃(HC)

氯仿沥青“A”和w(HC)反映烃源岩的液态烃的生成能力(它们代表饱和烃和芳香烃)。通常情况下，在烃类气的生成过程中，必然会伴生一定的液态烃[20]，因此，对于低熟气有机质丰度的研究必须考虑这两个参数影响。但是，煤系烃源岩是腐殖型有机质，主要生成气态烃，形成液态烃的能力差；因而低熟煤系泥岩和炭质泥岩的w(“A”)值和w(HC)值相对较低(与湖相泥岩相比)[43]，即在具备同等生烃潜量的条件下，煤系源岩中可溶有机质含量偏低；另外，低熟气源岩热演化程度低也会导致其可溶有机质含量偏低。陈建平等[27]认为煤系泥岩的w(“A”)为0.015%～0.060%，w(HC)值为50×10-6～300×10-6。由王东良等[43]的低熟煤系泥岩和炭质泥岩生烃潜力评价标准可知，当气源岩处于低熟阶段的时候，有效气源岩的w(“A”)为0.015%～0.150%，w(HC)值为150×10-6～350×10-6，如表2。

3.2 低熟气源岩的形成机制

低熟气源岩形成机制是指影响低熟气形成的主要因素，主要包括有机质成熟度、埋藏深度、地层温度、产气率等。从前人成果来看，低熟气源岩的产气量并不是随着成熟度、埋藏深度、温度等参数值的增加而增加的，而是存在一个最大产气点，因此低熟气源岩有效性评价不仅要考虑有机质丰度的影响，还要考虑气源岩形成机制的影响。

1)成熟度(Ro)

成熟度是评价低熟气源岩的重要参数。从20世纪70年代起，王万春等[1]和Galimov[2]认为有机质在低演化阶段可以形成工业性的气田，甚至超级大气田。自此，国内外学者或机构[1-3,8-19]做了大量的研究，他们认为低熟气源岩的成熟度Ro=0.40%～0.90%。并且低熟气源岩的单位产气量随Ro值的增加呈现先增加后降低的趋势，如图2。从图2可以看出，当Ro为0.67%时产气量最大。从而可知,成熟度Ro>0.40%时，气源岩为低熟有效气源岩。

CH4(H).腐殖型干酪根的甲烷产生率；CH4(S).腐泥型干酪根的甲烷产生率。为单位时间内甲烷产气率。据文献[12]修改。图2 低熟气源岩生气能力曲线图Fig.2 Gas generating capacity of low-mature gas source rock

2)烃源岩厚度(l)

烃源岩厚度是有效气源岩评价非常重要的参数。在其他条件相同的情况下，烃源岩厚度越大，生烃持续时间越长[45]。从w(TOC)与烃源岩厚度的关系图[33]可知，随着烃源岩厚度的增加，烃源岩生烃所需总有机碳下限值(w(TOC)min)在减少(参见文献[33]图4-1)。因此，在气源岩一定的情况下，烃源岩厚度越大，生烃潜力越大。从塔里木石炭系烃源岩生烃过程的评价标准[45]可知，烃源岩厚度大于100 m就是有效烃源岩。与石炭系烃源岩相比，单位体积的泥质气源岩含有更多的有机质，有效气源岩的厚度可适当降低为小于100 m，初步确定为50 m，如表2。

3)烃源岩埋藏深度(h)

烃源岩埋藏深度也是有效气源岩评价非常重要的参数。埋藏深度越深，生烃率越高[46]，烃源岩生烃量和排烃量越大[47]，有机质转化为油气的比例越高，烃源岩生烃量也就越大。

一般情况下，成熟规模性天然气藏形成的地层深度为2 500 m以上[48]。从国内外低熟气气藏的实际资料可知，低熟气形成的地层深度一般为1 000～2 500 m，如乌连戈伊气田波库尔组的地层深度为700～2 200m，辽河和苏北气田深度1 000～2 000 m，吐哈盆地为1 084～2 000 m。因此，低熟有效气源岩的埋深为1 000～ 2 500 m，如表2。

4)烃源岩地层温度(t)

据文献[33]修改。图3 各生气阶段甲烷生成强度模式图Fig.3 Effective methane yield in different gas generating stage

根据经典成油理论，天然气形成存在多阶性。当温度小于50 ℃时，以生物气为主；当温度在50～100 ℃时，基本没有甲烷生成；当温度在100～150 ℃时，是热成因气的主要生成阶段(参见文献[33]图4-1)。但是，Galimov[2]认为腐殖型有机质在较低温度下(t=50～100 ℃)也可以生成大量甲烷气，如图3。Rainer G. Schaefer等[49]通过生烃模拟实验和全盆地模拟证实有机质在低温阶段可以生成天然气，并认为乌连戈伊气田的天然气就是低熟气。他们认为低熟气的产气高峰的温度为80～130 ℃。而R. Littke等[50]对北西伯利亚盆地低熟气样品进行了开放式热模拟实验，证实波库尔(Pokur)组产气温度不超过100 ℃。由此说明腐殖型干酪根在低温阶段可以形成天然气，它的产气温度区间为50～130 ℃，见表2。

5)产气率(Q气)

IH=400 mg/g。据文献[24]修改。图4 泥岩产气率Q气与埋藏深度h的关系曲线Fig.4 Relationship between production rate and burial depth of the argillaceous rocks

产气率即气源岩的生气能力。通常采用干酪根的气产率指数来计算气源岩的产气能力；也有学者[51]利用干酪根H/C比和基于溶解理论的生烃、排烃模型[52]确定了干酪根生气能力。多数学者采用实验方法来确定气源岩的产气率。比如：蒋少斌和宋泽元[20]对准噶尔盆地的未熟-低熟气源岩做了实验，从实验结果看累计产气率为10～60 mL/g；谢增业等[31]对不同类型的气源岩进行了全盆地模拟，发现煤系泥岩或炭质泥岩产气率为0.11～7.28 mL/g；卢双舫等[24]对塔里木泥质气源岩研究后发现，有效泥质气源岩(w(TOC)=0.5%～1.0%)的产气率为1.80～4.00 mL/g，如图4。Rainer G. Schaefer等[49]通过生烃模拟实验和全盆地模拟证实乌连戈伊气源岩产气率为0.08～1.40 mg/g。

有效气源岩即热解气量大于岩石最大吸附气量。M Whiticar[53]认为泥岩的最大吸附气量为0.15 mL/g。李剑等[28]通过大量实验发现泥岩的最大吸附量变化范围为0.12～0.15 mL/g。因此，烃源岩的产气率必须大于吸附气量，即大于0.15 mL/g。从而可以获得低熟有效气源岩产气率范围为0.15～4.00 mL/g(表2)。

3.3 低熟有效气源岩评价指标体系及权重

通过对影响低熟气源岩生气能力的分析和研究，笔者提取了10个指标进行评价，这10个指标的性质对目标气源岩的生气能力起着决定性作用，其中有机质丰度、形成机制分别有5个评价指标。在量化目标气烃源岩过程中，参考前人所建立的标准[22,26-31,33-35]进行指标量化。从而建立气源岩生气能力评价指标体系，如表3。

关于目标气源岩参数的权重，需要确定反映同一气源岩不同参数的相对重要性的权重。本次采用层次分析法来确定权重。各个参数的权重如表3。最后通过模糊变换得到评价结果。

4 实例应用

西西伯利亚盆地是全球最大的陆相沉积盆地，盆地面积为3.4×106km2，盆地的天然气可采储量为(40～50)×1012m3，相当于世界上1/3的天然气储量。在这些气田中，包含了很多超大型或巨型气藏，乌连戈伊气田就是其中最大的一个。西西伯利亚的大量天然气(约65%)主要储存在塞诺曼阶油藏的浅层中(800～ 1 200 m)。Galimov等[2]认为该地区天然气是早期热成因天然气，主要来源于阿普第阶--塞诺曼阶气藏的波库尔组。本次研究选用了俄罗斯西西伯利亚盆地乌连戈伊气田的7个比较重要的低熟气藏(早期热成因气藏)进行评价[50-51]，其目的是想验证方法的可靠性和实用性。

根据表3所列的10个评价指标重要性，确定各个评价指标因素的权重，其次确定各个评价因素的隶属函数，从而得出各个因素的隶属度；再次选取合适的计算模型，作模糊变换；最后采用VB语言计算评价结果，如表5。

表3 泥质低熟有效气源岩评价主要指标权重

表4 乌连戈伊气田有效低熟气源岩参数

表5 乌连戈伊气田各气藏烃源岩评价结果

根据最大隶属度原则， 可得出：Achimov气藏、Bazhenov气藏、Vasyugan气藏的烃源岩是低熟气源岩；Pokur气藏烃源岩采用较小参数值时属于非气源岩，采用较大参数值时属于低熟气源岩；Neocomian气藏和Tyumen气藏烃源岩采用较小参数值时属于低熟气源岩，采用较大参数值时属于常规气源岩；Tampey气藏烃源岩属于常规气源岩。这一结果和Galimov所得结论是完全吻合的，说明采用该方法来评价低熟气源岩是可行的。

5 结论

近年来，低熟气的研究和勘探成为当前油气地学的热点之一；但是目前还没有一种方法可以快速有效评价低熟气源岩，本次通过分析影响低熟气源岩的各种因素，建立低熟有效气源岩评价指标体系，并运用VB语言进行计算，由此得出如下结论：

1)确定了影响低熟气源岩生气能力的主控因素及其取值范围。

2)运用层次分析法确定了w(TOC)、IH等10个因素的权重系数。

3)运用模糊数学对各种影响因素的进行了数字化处理，并建立了模糊评价模型。

4)从乌连戈伊气田评价结果来看，Achimov，Bazhenov，Vasyugan，Pokur的烃源岩属于低熟气源岩；Neocomian和Tyumen烃源岩介于低熟气源岩和常规气源岩之间；Tampey烃源岩属于常规气源岩。这Galimov所得结论是完全吻合的，该方法具有一定的普适性。

5)在低熟气源岩评价过程中，可以根据实际的计算情况对各个参数的权重进行调整，以适应低熟气源岩实际情况。但是，在调整过程中不能采用简单归一化来处理，必须对整体权重进行一个调整，以减少因参数不全所导致的误差。

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Evaluation Method of Terrestrial Low-Mature Gas Source Rocks by Fuzzy AHP

Xiong Deming1,2, Zhang Mingfeng1, Wu Chenjun1,2,Tuo Jincai1

1.GansuProvincialKeyLaboratoryofPetroleumResources;KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences;Lanzhou730000,China2.CollegeofEarthScience,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Under certain geological conditions, low-mature gas can accumulate to a gas reservoir. In the past, the evaluation of terrestrial low-mature gas source rock was only focused on the study of the physical and chemical properties. Due to the limitation of the current exploration and analyzing techniques, it is difficult to objectively evaluate the potential of the low-mature gas source rocks and their relative merits as source rocks. After reviewing the current research status of terrestrial low-mature gas source rocks, we build a new evaluation index system through analyzing 10 influencing factors and the range of each parameter. Based on the above, we build a new evaluation model for the terrestrial low-mature gas source rock by fuzzy analytic hierarchy process(AHP). With this new evaluation model, we can avoid the paradox in the evaluation of the low-mature gas source rocks and the blindness of selecting parameters; also we can improve the evaluation efficiency. The evaluation results agree with the analysis in Urengoy gas field. Based on the evaluation, the source rocks of Achimov, Bazhenov, Vasyugan, and Pokur are low-mature; Neocomian’s and Tyumen’s are in between of low-mature and mature; while Tampey’s is mature. The method is provedto be practical and reliable in application.

low-mature gases; fuzzy analytic hierarchy process; low-mature gas source rocks; influence factor of gas source rocks; evaluation model of gas source rocks；Urengoy gas field

10.13278/j.cnki.jjuese.201506106.

2015-01-05

中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-EW-104);中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-12)

熊德明(1984--)，男，博士研究生，主要从事天然气地质和油气地球化学研究，E-mail:xiongdeming2004@126.com

妥进才(1962--)，男，研究员，博士生导师，主要从事石油与天然气地质和有机地球化学应用基础理论研究，E-mail:jctuo@lzb.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506106

P618.13

A

熊德明，张明峰，吴陈君，等. 基于模糊层次分析方法的泥质有效低熟气源岩评价.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(6):1620-1630.

Xiong Deming, Zhang Mingfeng, Wu Chenjun，et al.Evaluation Method of Terrestrial Low-Mature Gas Source Rocks by Fuzzy AHP.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1620-1630.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506106.