基于层次分析法的煤层气区块优选评价——以新疆阜康矿区东部区块为例

余牛奔，木合塔尔·扎日，傅雪海，齐文涛

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，新疆乌鲁木齐830047；3.海南省地质局（海南省海洋地质调查局），海南海口570206）

基于层次分析法的煤层气区块优选评价——以新疆阜康矿区东部区块为例

余牛奔1，2，木合塔尔·扎日1，2，傅雪海1，齐文涛3

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，新疆乌鲁木齐830047；3.海南省地质局（海南省海洋地质调查局），海南海口570206）

摘要：结合阜康矿区东部10个煤层气区块的优选工作，提出采用层次分析法确定各级指标的相对重要性，该方法首先在构建评价指标体系的基础上，综合考虑煤层气地质条件的模糊性和确定性双重特征以及可采区块的经济环境特征，遵循从定性研究→定量排序→重点地质分析的思路.其次采用“关键要素递阶优选”与“优选目标定量排序”两种方法并行，前者通过地质分析，筛选出对不同层次评价单元煤层气前景具有关键性控制作用的影响要素，进而按评价区→有利区→靶区的递进模式进行选区评价优选；后者在对地质、经济、环境等影响因素的综合考察的基础上，根据井田区块的实际情况定性赋分，依据权重计算取得排序，进而确定各靶区的优选评价等级.最终确定的有利开采区块为4个，分别为泉水沟煤矿、大黄山一号井、西沟二号井及西沟一号井的矿井范围.野外工作验证与层次分析法的优选结果具有较高的一致性，结果表明：该评价指标体系较好地指导了实际井田区块优选工作.①

关键词：煤层气；层次分析法；评价指标体系；区块优选

0　引言

煤层气作为高效、清洁与低碳的新能源之一［1］，在我国有着极大的增产空间和长期供应能力，已逐步成为能源结构调整的重点［2］.“十三五”期间，我国煤层气开发规模将不断提高，因此做好煤层气开采有利区块优选显得尤为重要［3］.

李贵中等［4］、王凤国等［5］、付英娟等［6］对煤层气的含气性影响因素进行分析，但未对这些因素的相对重要性做出评价；张培河等［7］、徐亮等［8］、张守刚等［9］对煤层气的可采性进行评价分析，评价内容未对含气性与可采性的影响因素进行有效区分，而是将影响含气性与可采性的因素综合评价.前人［4-9］对煤层气的生成、储集、封盖、运移、富集及赋存规律做了大量工作，这为预测煤层气“高渗产区”，即寻找高含气量、高渗透率、大产气量的区块作为开采有利区块奠定了一定的基础.煤层气有利区块的优选评价工作正从传统的“综合评价标准”［7，9］法向科学完善的评价体系推进［10-14］.现有的煤层气区块优选评价方法较多，主要为模糊数学法与层次分析法.叶建平等［15］提出的“定量排序方法”是经典的指导理论，模糊数学方法是这一经典指导理论常用的评价方法之一，唐书恒等［16］运用模糊数学法进行煤层气的可采性评价研究；邵义龙等［11］提出模糊数学法可对煤层气的勘探开发潜力做出评价.但该方法存在一些不足，主要体现在主观因素所占比重较大，导致权重的确定受人为因素影响较为严重.层次分析法（analytic hierarchy process，简称AHP）是T.L.Saaty［17］在1971年提出的，是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，这一方法为权重的确定提供了科学的依据.该方法在分配权重上优于模糊数学法，因此在煤层气区块优选评价工作中，层次分析法更适用于建有细致全面的评价指标体系.

本文中基于层次分析法，构建了完整的煤层气区块优选评价指标体系，并建立了各指标的量化标准，结合煤层气井田的含气性、可采性等因素的实际情况，为煤层气开采有利区块的优选工作提供合理科学的方法.

1　层次分析法过程简介

层次分析法［18］是一种将定性与定量分析方法相结合的多目标决策分析方法.该法的主要思想是通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，对两两指标之间的重要程度作出比较判断，建立判断矩阵，

通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量，就可得出不同方案重要性程度的权重，为最佳方案的选择提供依据.运用层析分析法解决问题大体可以分为4个步骤:即建立递阶层次结构、构造两两比较判断矩阵、层次单排序与总排序及其一致性检验.下面将针对煤层气区块优选评价中所涉及层次分析法的具体步骤进行简要的介绍.

1.1建立递阶层次结构模型煤层气评价指标体系是否完整与合理直接决定了区块优选结果的可信

度.本文中通过构建完整的评价指标体系，对多因素、复杂系统的煤层气区块进行定性与定量相结合的综合评判，以期优选出开采有利区块.本评价指标体系的构建遵循以下原则：①系统性和普适性原则，体系中各指标的选择要综合考虑不同地区评价选区的需要，使其在具体应用中有较充足的筛选余地和空间；②综合性和可比性原则，要全面考虑地质、环境、经济等综合影响因素，使各指标具有区域可比性和时序可比性；③动态性和精度适应性原则，随地质认识程度的提高，以动态描述为主，以满足不同工作程度的精度需要；④可操作性和可量化性原则，各指标应具有现实可操作性，并能够进行定量化处理.针对煤层气区块优选的目标，本文中建立递阶层次结构模型，将其分解成2个一级指标、4个二级指标、14个三级指标（图1）、37个四级指标的评价指标体系.

煤层气区块优选主要是综合考虑煤层的含气性评价与煤层气的可采性评价，即一级指标内容；含气性评价包括煤层气的生成和保存，可采性评价除了煤层气的开采，还应考虑区块的经理地理环境，为二级指标内容；三、四级指标都是对上级指标内容的具体说明.

图1　煤层气开采有利区块评价指标层次结构模型

1.2构造成对比较判断矩阵在构建递阶层次结构以后，上下层元素间的隶属关系就被确定了.本文中构成判断矩阵的元素aij用萨迪的1~9标度方法（表1），各元素具体取值由该领域相关专家根据经验给出，该方法可行性理由：

•心理学的试验表明，大多数人对不同事物在相同属性上差别的分辨能力在5~9级之间，采用1~ 9的标度反映大多数人的判断能力；

•大量的社会调查表明，1~9的标度早已为人们所熟悉和采用；

•科学考察表明，1~9的比例标度已完全能标度引起人们感觉差别的各种属性.

表1　判断矩阵元素aij的标度方法

1.3层次单排序及其一致性检验由于在判断矩阵的构造中，并不要求判断矩阵具有传递性和一致性，这是由客观事物的复杂性与人的认识的多样性所决定的.但要求判断有大体上的一致是应该的，出现甲比乙极端重要，乙比丙极端重要而丙又比甲极端重要的判断，一般是违反常识的，一个混乱的经不起推敲的判断矩阵有可能导致决策的失误.因此需要对判断矩阵的一致性进行检验，具体操作步骤如下：

1）计算一致性指标CI（consistency index）

其中λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵的阶数.

2）查找相对应的随机一致性指标RI（random index）

表2　随机一致性指标RI（引自文献［17］）

3）计算一致性比例CR（consistency ratio）

根据公式（1）、（2）可以计算出CR的值，当CR＜0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当修正.

1.4层次总排序及其一致性检验上面我们得到的是一组元素对其上一层中某元素的权重向量.我们最终要得到各元素，特别是最底层中各方案对于目标的排序权重，即所谓总排序权重，从而进行方案选择.总排序权重要自上而下地将单一准则下的权重进行合成.本文中采用专家评分后得到的综合权重向量作为计算的权重向量进行层次总排序.

在应用层次分析法作重大决策时，除了对每个成对比较矩阵进行一致性检验外，还常要对总层次的一致性进行检验，以确定组合权向量是否可以作为最终的决策依据.总层序的一致性检验可逐层进行，若第P层通过一致性检验的条件为CR（P）＜0.1，当每一层均满足该条件时，则认为总层序的一致性是可以接受的.

2　评价指标权重的确定

层次分析法将区块优选工作作为一个复杂的系统进行递阶分解，最终分解出来的影响因子为我们较为熟悉和能够量化的某个地质因素，层次分析法将系统中各层的分解因子统称为评价指标，通过权重计算，这些指标能够指示系统中各个指标所在层的相对重要性，因此，评价指标权重的确定［18］，是在评价指标体系原则的基础上，对各判断矩阵赋值标度后，通过数值变换，得到最终的判断矩阵，计算其最大特征值和权向量，并通过一致性检验前提下完成的.本文中评价指标相对重要性的标度主要在北京欣晟允软件技术有限公司开发的Yaahp软件（7.0版本）中完成，为减弱指标量化过程中的人为主观程度，文中实行指标的两次标度.第一次标度是在学习前人量化评价指标的经验及个人专业知识的基础上，对指标的相对重要性先进行首次标度，第二次是借用软件中专家问卷调查功能对本文中所建立的评价指标体系的指标相对重要性进行评判，然后，对调查问卷中有关指标的相对重要性进行二次标度，最后，综合分析本文与专家标度的数值后输入Yaahp软件，生成判断矩阵，指标权重自动开始计算，指标级别不同，其权重的标定也不完全一致：

2.1一、二级指标权重的确定Yaahp软件要求指标数必须大于等于3，一级指标权重煤层的含气性（A1）和煤层气的可采性（A2），由二级指标权重控制，经软件计算，二级指标权重分别为：煤层气的生成（B1=0.3）、煤层气的保存（B2=0.3）、煤层气的开采（B3=0.3）、经济地理环境（B4=0.1）.A1= B1+ B2，A2= B3+ B4，由此得出一级指标A1、A2所占权重分别为0.6和0.4.

2.2其他指标权重的确定二级指标、三级指标以及四级指标权重的计算，具有逐级控制的特点，其表现为二级权重控制三级权重的分布，三级权重又控制四级权重的分布，最终确定各级指标的权重见表3（本文中所涉及各判断矩阵的一致性检测及总层序的一致性检测均为Yaahp软件内部程序计算判定，未涉及计算过程，若无法通过一致性检测，则无法生成权重数值）.

由表3可以看出，煤层厚度、煤的变质程度、构造因素、储层渗透率、采收率在煤层气开采有利区块优选中占有很大比重，因此在实际工作中应注重这方面资料的收集并与井田工作验证相结合；同时这也与煤层气开采寻找“高渗产区”的目标相一致，说明该评价指标体系具有可行性，对煤层气区块的优选工作具有一定的指导作用.

2.3煤层气开采有利区块等级的确定在实际评价指标赋分的程序中，为继续减弱人的主观因素造成的误差，评价等级采用对指标定性赋分、定量统计和分段定级［17］，指标定性赋分采用5级分等、2级定标的方法，将各指标评价结果划分为5个等级，见表4.

表4　指标评价等级标准表

在四级指标大量明了的情况下，通过量化四级指标的得分乘以相应的权重，然后将37个四级指标所得分数相加，最终算得评价区块的得分，同时也可以依次计算出三、二及一级指标所对应的得分；反之，我们可以通过量化三级指标的得分来完成区块的优选等级评价.通过定量统计得到不同区块的得分，最后根据区块所得分数确定区块的最终评价等级，将优选评价分为4个等级，一级为优秀，二级为良好，三级为中等，四级为较差，见表5.

表5　煤层气有利区块评价等级标准表

3　阜康矿区东部区块地质概况

阜康矿区根据煤层气地质特征、煤矿开采区划与布局，可以划分为西部、中部、东部三个地质单元.本文中对阜康矿区东部区块采用上述煤层气开采有利区块优选评价指标体系进行分析.该区域西以洪沟正断层为界，东至矿区边界，区域内构造较简单，黄山-二工河倒转向斜是区内主控构造，轴向近东西，东端转向SE115°左右，轴面倾向南，倾角52°~69°，中部较缓，东西部较陡.总体形象向西撒开，向东收敛并翘起，至区外潘家台子附近转折封闭.受倒转向斜的控制，核部由早燕山亚构造层八道湾组地层构成，南北两翼由华力西—印支构造层之上二叠统及三叠系地层构成，主要含煤地层为八道湾组（J1b）.核部以南被水磨河-李家庄断层截切，核部和北翼地层保留完整.北翼为正常翼，倾向南，构造简单，仅分布有一条长200 m、水平断距20 m左右的平推断层；南翼为倒转翼，倾向南，中部较东、西部略缓.沿倾向方向倾角一般随深度加大，倾角由缓变陡.区内共有10个煤层气待评价区块，如图2（引自阜康矿区煤层气开发优选评价报告）.

图2　阜康矿区东部区块简图

由于晋泰一矿、沙沟煤矿、东风福胜煤矿及金塔大黄山煤矿大部分位于区内主控构造二工河向斜南翼，构造较北翼区块复杂，且煤层倾角较大，在该区区块优选中应率先剔除.采用四级指标评分对北翼剩余6个区块进行上述煤层气开采有利区块优选评价，各区块指标得分由专家根据区块指标的详细数据结合指标等级评价标准表来进行打分，如表6.

表6　阜康矿区东部二工河向斜北翼区块评分表

续表6

将表6中各指标专家评分与对应权重相乘，然后累加所得分数即为各区块的最终得分.经计算，石庄沟煤矿得分78.866 5、泉水沟煤矿得分89.586、大黄山七号井得分76.798 7，、西沟一矿得分87.479 6、西沟二号井得分为87.558 9、大黄山一号井的得分为88.135 7.

野外工作实践发现阜康矿区东部二工河向斜北翼区块煤层气都具有较好的含气性，可采性随区块的分布略有差异.根据区块优选评价等级结果，将该区区块分为优秀区块4个，良好区块为2个，由此确定本区优选的煤层气开发先导试验区块为泉水沟矿区、西沟一矿、西沟二矿、大黄山一号井的矿井范围.经过井田野外工作验证发现，上述四个最优区块都具有如下特点：①区块构造简单、煤层厚度大，煤层气含量丰富.②煤层处于黄山-二工河倒转向斜北翼，倾角相对较小；③煤层内断层不发育，无岩浆侵入史；④煤层条带状结构明显，节理发育，裂隙大量发育，渗透性能好；⑤煤岩类型多属于亮煤与半亮煤；⑥水文地质条件对煤层气的逸散起封堵作用（引自阜康矿区煤层气开发优选评价报告）.

阜康矿区东部煤层气勘探与开发研究程度较高，优选区块以主要的控气地质因素作为重要参考.根据实际开采效果来看，并不是主要控气地质因素优、优先进行开采的区块采收煤层气含量就高.而本文中所建立的评价指标体系，能对优选区块进行排名，从而进行区块优选的最优化，阜康矿区按采收情况最优排名依次为：泉水沟煤矿、大黄山一号井、西沟二矿、西沟一矿、石庄沟煤矿、大黄山七号井.野外工作验证与本文中所建立的评价指标体系下的阜康矿区东部煤层气区块优选结果一致，说明该评价指标体系能够较好地指导实际井田区块优选工作.

4　结论

煤层气有利区块优选评价是井田勘探开发工作一项非常重要的基础性研究，对提高井田勘探开发工作的决策水平，进行煤层气勘探开发先期选区方面的探索具有非常重要的现实意义，其研究结果直接影响着区块煤层气开发的成功与失败.本文中以阜康矿区东部区块为研究对象，根据煤层气勘探开发现状，利用现有数据与资料，通过层次分析法和野外工作验证结合的方法，得出以下结论：

1）基于层次分析法，在煤层气开采优选“高渗产区”的目标指导下，构建了合理的煤层气开采有利区块优选评价指标体系，并计算了各指标的相对权重，能够较客观真实地对煤层气开采有利区块进行综合评价，结合煤层气井田区块的实际情况，进而实现不同区块的优选.

2）采用上述评价指标体系，对阜康矿区东部区块进行优选评价，由于阜康矿区东部地质情况研究程度较好，故采用四级指标体系进行了更精确的评分定位，野外工作验证了优选结果的合理性，与单一靠主要控气地质因素的方法相比具有更高的精度以及对优选区块进行最优化开发.

综上所述，本文中基于层次分析法所建立的煤层气开采有利区块优选评价指标体系具有一定的指导意义和实际推广价值.

致谢本文得到了新疆大学“特聘教授”傅雪海教授的大力帮助，在此向傅老师致以衷心的感谢.

5　参考文献

［1］傅雪海，秦勇，韦重韬.煤层气地质学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007：12.

［2］苏现波，陈江峰，孙俊民，等.煤层气地质学与勘探开发［M］.北京:科学出版社，2001：40-66.

［3］秦勇，袁亮，胡千庭，等.我国煤层气勘探与开发技术现状及发展方向［J］.煤炭科学技术，2012，40（10）:1-6.

［4］李贵中，秦勇，戴西超，等.沁水盆地山西组煤储层含气性及控制因素分析［J］.中国矿业大学学报，1999，28（4）:350-352.

［5］王凤国，李兰杰，徐德红.华北地区煤层含气性影响因素探讨［J］.焦作工学院学报：自然科学版，2003，22（2）:88-90.

［6］付英娟，吴财芳.阳泉矿区主要煤层含气性特征及控气地质因素研究［J］.中国煤层气，2012，9（6）:21-24.

［7］张培河，张群，王宝玉，等.阳泉矿区主要煤层气可采性综合评价方法研究——以潘庄井田为例［J］.煤田地质与勘探，2006，34（1）:21-25.

［8］徐亮，谭章禄，赵颖，等.煤层气安全可采性评价指标与评价方法研究［A］.国际安全科学与技术学术研讨会论文集［C］.东北大学，2008.

［9］张守刚，秦雨，杨云峰.煤层气资源可采性的综合评价［J］.技术与创新管理，2008，29（5）:519-522.

［10］邵龙义，文怀军，李永红，等.青海省天峻县木里煤田煤层气有利区块的多层次模糊数学评判［J］.地质通报，2011，30 （12）:1896-1903.

［11］邵龙义，周俊，文怀军，等.煤层气勘探开发潜力的多层次模糊数学评价方法研究［A］.2008年煤层气学术研讨会论文集［C］.中国煤炭学会煤层气专业委员会、中国石油学会石油地质专业委员会，2008.

［12］吴翔，徐晓燕.煤层气有利区评价方法研究［A］.2013年煤层气学术研讨会论文集［C］.中国煤炭学会煤层气专业委员会、中国石油学会石油地质专业委员会、煤气层产业技术创新战略联盟，2013.

［13］付江伟.焦作矿区煤层气开发有利区块评价［D］.焦作：河南理工大学，2009.

［14］罗金辉，杨永国，秦勇，等.基于组合权重的煤层气有利区块模糊优选［J］.煤炭学报，2012，37（2）:242-246.

［15］叶建平，秦勇，林大杨.中国煤层气资源［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1998.

［16］Saaty T L. Modeling unstructured decision problems-the theory of analytical hierarchies［J］.Math Comput Simulation，1978，20:147-158.

［17］齐文涛，木合塔尔·扎日，吴天伟，等.基于层次分析法的矿产勘查靶区优选［J］.金属矿山，2012（07）:106-109.

［18］邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究［J］.数学的时间与认识，2012，42（7）:93-100.

（责任编辑游俊）

Excelled selection evaluation of coal-bed methane blocks based on analytic hierarchy process: taking the eastern part of the Fukang mining area block in Xinjiang as an example

YU Niuben1，2，Muhetaer ZARI1，2，FU Xuehai1，QI Wentao3
（1. Institute of Geological and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China；2. Xinjiang Autonomous Region Key Laborary of Orogenic Belts Continental Dynamics and Metallogenic Prediction，Urumqi 830047，China；3. Hainan
Province Geological Survey（Hainan Province Marine Geological Bureau），Haikou 570206，China）

Abstract：Combining the optimization work of ten coal- bed methane（CBM）blocks in the east of Fukang，the author proposed to use the analytic hierarchy process to determine the relative importance of index at all levels. On the basis of constructing evaluation index system，the method firstly took into account the double characteristics: fuzziness and uncertainty of coal- bed methane geological conditions and the characteristics of economy and environment in the recoverable block，following the idea of qualitative research-quantitative ordering-the key geological analysis. Then the two methods: "key elements hierarchical optimization" and "optimizing target quantitative ordering" were all used. Through the analysis of geological，the former method screened the influencing factors that had key control effects on the prospects of different CBM of different level evaluation. Then，depending on the progressive mode of evaluation area-advantageousbook=533,ebook=26area-target area，evaluated and optimally selected the area. On the basis of fully investigation of influence of geology，economy and environment，the latter method evaluated these mine blocks by marks according to the actual situation，ranked them according to the weight computation，and then determined optimizing evaluation level of the target area. Eventually，the study found four beneficial mining blocks: Spring ditch coal mine，DaHuangShan well 1，XiGou well 1 and XiGou well 2. There was high consistency between field work validation and optimization result of Analytic Hierarchy Process. The result showed that: the evaluation index system guided the optimization of the actual field blocks well.

Keywords：coal-bed methane drainage；analytic hierarchy process；evaluation index system；block optimization

作者简介：余牛奔（1990-），男，硕士生，E-mail：820707631@qq.com；木合塔尔·扎日，通信作者，博士，教授，E-mail: mhtrz_xju@sina.com

基金项目：国家自然科学基金（41162006）资助

收稿日期：2014-12-14

文章编号：1000-2375（2015）06-0532-08

中图分类号:TD821；P618.11

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2015.06.004