页岩气开发区块地形适宜性选区评价方法

王泽根 胡思源 雍志玮 朱博天 孔 波

1. 西南石油大学地球科学与技术学院, 四川 成都 610500;2. 中国石油西南油气田公司科技处, 四川 成都 610051

0 前言

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重宣布中国将增加自主减排贡献，力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和。页岩气具有储量大和清洁高效的特点,在碳中和目标的实现中将发挥重要作用。

生态优先和绿色发展理念对页岩气勘探、开发、生产、输送等全过程的安全、环保提出了高要求。选区评价有利于页岩气的高效、经济开发,传统选区评价常采用地质参数作为评价指标,如埋深、页岩厚度等,缺少地表因素的参与[1]。我国主要页岩气开发区块地形复杂,导致地面施工难度、环境风险和成本高。已有部分学者将地形因素纳入选区评价指标,但仍以地质指标为主,地形因素仅作为次要指标,且评价因子较为单一[2-8]。因此,本文提出了一种基于地理信息系统(Geograhic Information Systems,GIS)技术的页岩气开发区块地形适宜性选区评价方法,并对昭通区块进行了地形适宜性选区评价。

1 页岩气勘探开发地形研究现状

随着页岩气勘探开发在全球逐步推广,地形的阻碍愈发受人重视,在此情况下,国内外学者对地形在页岩气勘探开发中的影响进行了研究。

在国内,高程、坡度因子被用于优选页岩气勘探地貌有利区和钻场选址,并使用GIS技术进行可视化[2-3]。地貌类型作为经济性指标之一,被陆亚秋等人引入其建立的页岩气开发选区评价方法中[4]。张禾等人对地形起伏条件下的页岩气管网布局进行了优化[5]。

在外文研究中,区块地形是Zhen Li等人建立的页岩气有利区评价体系的指标之一[7]。Drohan P J等人调查发现宾夕法尼亚州50%～70%的页岩气平台位于斜坡上,有过量地表水流动和局部侵蚀的风险[9]。Taiwo O M针对油气生产场所建立的水力模型,能在非常浅的水深和陡峭地形下求解,进行储备坑选址,降低对环境的污染风险[10]。Zhu Lihui等人将地形差异作为参数引入到页岩气地面设施成本估算公式中,显著提高了成本预估的准确性[11]。

由此可见,页岩气勘探开发地形研究方向较为多样，但研究数量较少,在选区评价中地形因素的重要性较低且评价指标单一,亟待更深入全面的研究。

2 地形适宜性选区评价方法

2.1 地形评价指标

为确定地形评价指标,首先需明确地形对页岩气勘探开发活动的影响。综合前人研究及实际情况,地形对页岩气勘探开发活动的影响体现在两方面。

1)从经济角度,影响页岩气勘探开发地面设施建设成本。页岩气勘探开发井场及附属设施、作业卡车进场道路的建设,其建设成本和便利度都受到地形制约。

2)从环保角度,影响页岩气勘探开发的环境污染风险。页岩气开发需要使用大量的水和钻井液,处置不当就有污染土壤、地表水的可能[12],地形影响着污染液体扩散的方向和速度。

基于以上考虑,本研究选取坡度、剖面曲率、地形起伏度和地貌4个地形评价指标。

2.1.1 坡度

页岩气勘探开发井场及附属设施的建设难度、成本和各类液体在地表的扩散速度随着坡度递增。根据国际地理学会对坡度的分级,将坡地划分为7种类型[13],见表1。

表1 坡地类型与建筑区布局特征表

2.1.2 剖面曲率

剖面曲率影响流经表面的液体加速度的增减,见图1。剖面曲率值为负时,像元表面向上凸,流速减小;剖面曲率为正时,像元表面向下凹,流速加大;值为0时,像元表面平直。

图1 剖面曲率原理示意图Fig.1 Profile curvature principle diagram

根据王峰[14]的研究对剖面曲率分类,剖面曲率小于-0.5的为凸坡面,-0.5～0.5之间的为平直坡面,大于0.5的为凹坡面。

2.1.3 地形起伏度

地形起伏度是单位面积内最大相对高程差,地形起伏度越大,页岩气勘探开发活动的井场及附属设施建设、各类物资运输的难度越大。计算公式:

R=Hmax-Hmin

(1)

地形起伏度计算关键在于选择计算单元区域面积,使用均值变点分析法确定页岩气勘探开发区块地形起伏度的最佳计算单元区域面积。在国内外地貌传统分类的基础上,将地形起伏度划分为7个等级,见表2。

表2 地形起伏度分类表

2.1.4 地貌

采用高玄彧方案[15]的地形起伏度和高程分类指标,对页岩气开发区块的地貌类型进行分类,见表3。越平坦、越低海拔的地貌越有利于页岩气勘探开发。

表3 地貌基本形态主客分类表(高玄彧方案)

2.2 研究方法

2.2.1 均值变点分析法

均值变点分析法可用于确定最佳地形起伏度计算单元,是一种客观且广泛使用的方法[16]。地形起伏度随统计单元面积的增大,先迅速增大,经某一拐点后增速降低并缓慢增大,呈logarithmic曲线[17],最佳统计单元即为该拐点的统计面积[18]。本研究使用均值变点分析法寻求拐点,以渐变分析窗口下的平均地形起伏度作为样本序列X,{xt,t=1,2,3,…,N}，基本计算步骤[19]如下。

x1,x2,…,xi-1和xi,xi+1,…,xN

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 熵权法

熵权法是一种客观赋权方法,其主要步骤如下。

1)原始数据归一化，本研究中的地形影响因子都为负向指标。

采用以下公式进行归一化处理。

(6)

(7)

其中

(8)

(9)

(10)

2.2.3GIS技术

使用GIS技术,计算页岩气勘探开发区块的地形适宜度。表4为地形适宜度评价指标表,根据表4对4个地形评价指标栅格数据计算适宜度得分,再根据熵权法确定的各评价指标权重,计算区块地形适宜度。

地形评价指标的加权栅格计算公式如下:

(11)

表4 地形适宜度评价指标表

2.3 试验数据

本研究采用ALOS PALSAR 12.5 m分辨率DEM,源于美国Alaska Satellite Facility网站。昭通区块矢量数据源于中国科学院资源环境科学与数据中心网站。

3 结果与分析

3.1 最佳地形起伏度分析窗口确定

使用arcgis的python编程模块,计算了昭通区块不同分析窗口下的地形起伏度,表5为昭通区块地形起伏度的分析窗口大小与平均地形起伏度的对应关系。

表5 昭通区块分析窗口与平均地形起伏度表

图2 昭通区块平均地形起伏度、统计量S-Si与分析窗口大小关系示意图Fig.2 Relationship between average relief amplitude, statisticalmagnitude S-Si and analysis window in Zhaotong block

由此可知,在使用12.5 m分辨率DEM数据时,昭通区块的地形起伏度最佳分析窗口大小为39×39(0.237 656 km2)。

3.2 地形评价指标计算

以39×39分析窗口计算昭通区块地形起伏度,得该区块地形起伏度图,见图3。

图3 昭通区块地形起伏度示意图Fig.3 Relief amplitude of Zhaotong block

使用昭通区块的DEM数据和上步所得的地形起伏度数据,依据表4对昭通区块进行地貌分类,见图4。

图4 昭通区块地貌类型图Fig.4 Physiognomy type of Zhaotong block

昭通区块的坡度和剖面曲率使用arcgis软件计算,并将其各自分类。

3.3 昭通区块地形适宜性

使用熵权法计算得到了地形影响因子权重,坡度指标权重为0.373 70，剖面曲率指标权重为0.227 18，地形起伏度指标权重为0.203 58，地貌类型指标权重为0.191 94。据式(11)计算得昭通区块的地形适宜度,并将昭通区块划分为高适宜区、较高适宜区、中等适宜区、较低适宜区和低适宜区,见图5。

图5 昭通区块地形适宜性分区示意图Fig.5 Zoning of terrain suitability in Zhaotong block

分析可知,昭通区块的地形适宜性以中等适宜为主,占总面积的49.07%,面积约11 008.68 km2。高适宜区仅占总面积的1.41%,面积约315.522 km2。较高适宜区占总面积的28.56%,面积约6 407.394 km2。较低适宜区面积约4 551.965 km2,占总面积的20.29%。低适宜区较少,面积约149.313 9 km2,只占总面积的0.67%。

高适宜区、较高适宜区主要分布在昭通市西南部即昭阳区及鲁甸县的东部和北部,但昭阳区同时也是昭通市经济发达、人口密集的市区,其社会经济条件不利于进行勘探开发活动。在其他各县市,也散布有高适宜区和较高适宜区,多与一般适宜区混杂,呈零星的块状分布。中等适宜区则在整个区块内广泛分布,多呈现为零星小块。低适宜区和较低适宜区主要沿地貌交替地带呈褶皱状分布,在巧家县、鲁甸县西部和永善县西、北部较为聚集。

页岩气开发井场及附属设施需要一定面积,筛选出单个图斑面积在1×104m2以上的高适宜区879处,大部分位于昭阳区、鲁甸县和巧家县西部长江沿岸,见图6。本方法为页岩气开发井场的选址提供初步参考位置,以便后续进行高效、经济化的勘查工作。

图6 昭通区块1×104 m2以上高适宜区的主要分布图Fig.6 Mainly distribution of highest suitability areas more than 10 000 m2 in Zhaotong block

4 结论

我国南方页岩气开发区块多山地丘陵地形,地貌复杂、井场难找,本研究提出一种页岩气勘探开发区块地形适宜性选区评价方法,并将其应用到昭通区块。该方法基于DEM数据,选取坡度、剖面曲率、地形起伏度和地貌类型4种地形评价指标,利用均值变点分析法、熵权法和GIS技术,将开发区块的地形适宜性分为高适宜、较高适宜、中等适宜、较低适宜、低适宜5个等级,为页岩气开发选址提供了位置参考。