基于层次分析法的新疆煤层气田资源潜力评价

杨明明 杨 亿 张 娜 王 刚 来 鹏

(1.新疆煤田地质局煤田地质信息中心，新疆 830091；2.新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 830091；3.新疆煤田地质局煤层气研发中心，新疆 830091)

新疆是煤炭资源大省区，2000m以浅煤炭资源量1.9×1012t,位居全国第一。煤炭是煤层气的源岩及储集岩，丰富的煤炭资源也蕴藏着大量的煤层气资源，新疆的煤层气资源主要分布在准噶尔盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山系列盆地、巴里坤-三塘湖盆地。新疆煤层气勘查工作自2013年以来已经开展，但勘查程度整体偏低。

层次分析法是一种排序的方法，即最终将各因素排出优劣次序，作为选区评价的依据。它先将选区评价的问题看作受多种因素影响的大系统，按照之间的隶属关系从高到低构成递接层次结构，然后各因素两两比较，利用数学方法对各因素排序，最后对排序结果进行分析。

本文拟结合新疆煤田地质局近些年来煤层气勘查工作取得的成果，利用煤层气选区评价技术中的层次分析法对新疆目前主要的21个煤层气田的煤层气关键参数进行评价,以期为新疆煤层气勘查开发工作提供参考。

1 确定评价对象及评价因素

本文根据煤层气勘查开发规范、结合新疆煤层气勘查成果资料实际，选取了准南煤田、后峡煤田、准东煤田、卡姆斯特煤田、托里-和什托洛盖煤田、达坂城煤田、艾维尔沟煤产地、托克逊煤田、吐鲁番煤田、鄯善煤田、沙尔湖煤田、哈密煤田、大南湖-梧桐窝子煤田、伊宁煤田、尼勒克煤田、焉耆煤田、库拜煤田、温宿煤田、阳霞煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、巴里坤煤田等21个煤田作为评选对象，评选参数主要为煤层气资源丰度、区域构造复杂程度、渗透率、煤层稳定程度、煤层气地质资源量、煤层气主控因素6项指标。

为了对各评价参数进行量化，制定量化原则(表1)。

表1 各评价参数分类评价级别打分标准

通过召集在本区域长期从事煤层气勘查工作的专家开展打分，专家结合其自身经验按照各煤田的各项评价参数所对应的评价级别对全疆21个煤田的6项评价参数进行打分。各专家根据各煤田的每项评价指标的实际等级赋予相应分值。最后将不同专家对同一煤田的同一评价参数赋予的分值取平均值，经过统计得到各煤田参数量化分数表(表2)。

表2 各煤田6项评价参数量化分数表

2 层次分析评价法

层次分析是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法，可靠度比较高，误差比较小。特别适用于那些难于完全用定量进行分析的复杂问题，为解决这类问题提供一种简便实用的方法。层次分析法解决问题最突出的特点是分层比较，综合优化，解决问题的具体步骤如下：

①分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构，一般层次结构分为三层，第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为方案层；

②构造两两比较矩阵(判断矩阵)，对于同一层次的各因素关于上一层中某一准则(目标)的重要性进行两两比较，构造出两两比较的判断矩阵；

③由比较矩阵计算被比较因素对每一准则的相对权重，并进行判断矩阵的一致性检验；

④计算方案层对目标层的组合权重和组合一致性检验，并进行排序。

3 模型的建立

(1)建立层次结构

层次结构共分三层，第一层为目标层(O)：综合排序；第二层为准则层(C)：相关评价因素，共6个，依次为煤层气资源丰度(C1)、区域构造复杂程度(C2)、渗透率(C3)、煤层稳定程度(C4)、煤层气地质资源量(C5)、煤层气主控因素(C6)，分别记为Ck(k=1，2，…，6)；第三层为方案层(P)：N(N≥2)个参评煤田，N=21，记为Pn(n=1,2，……，21)。

(2)确定准则层(C)对目标层(O)的权重W1

为确定准则层(C)中各影响因素Ck(k=1，2，…，6)对目标层(O)的权重W1的权重，需要将准则层(C)中各影响因素Ck(k=1，2，…，6)进行两两比对，对任意两个因素Ci(i=1，2，…，6)和Cj(j=1，2，…，6)对目标层(O)的影响程度之比，按1～9的比例标度aij来度量(i,j=1,2,…，n)，不同标度aij的含义不同，aij=1，表示Ci与Cj的影响相同；aij=3，表示Ci比Cj的影响稍强；aij=5，表示Ci比Cj的影响强；aij=7，表示Ci比Cj的影响明显地强；aij=9，表示Ci比Cj的影响绝对地强；2,4,6,8表示Ci与Cj的影响之比在上述两个相邻等级之间；1/2,…，1/9表示Cj与Ci的影响之比为aij的互反数，于是可得到两两成对的比较矩阵A=(aij)n×n，也叫判断矩阵。

经过与专家讨论认为煤层气资源丰度(C1)、区域构造复杂程度(C2)、渗透率(C3)、煤层稳定程度(C4)、煤层气地质资源量(C5)、煤层气主控因素(C6)这6个因素对决策目标的影响程度是煤层气地质资源量(C5)、煤层气主控因素(C6)稍强，其次为区域构造复杂程度(C2)、渗透率(C3)、煤层稳定程度(C4)，最后为煤层气资源丰度(C1)，因此构造比较矩阵A如下：

这是一个6阶的正互反矩阵，经计算求得A的最大特征λ≈6.179，对相应的特征向量作归一化可得确定准则层(C)对目标层(O)的权重W1：

W1=(0.303642，0.225253，0.167101，0.132628，0.098388，0.072988)T

(3)判断矩阵的一致性检验

平均随机一致性指标(RI)是多次(500次以上)重复进行随机判断矩阵特征根计算之后取算数平均值得到的。参照龚木森等(1986)提出的1～15阶判断矩阵重复计算1000次的平均随机一致性指标见表3。

表3 1～15 阶判断矩阵的RI值

对应的随机一致性指标RI=1.26，一致性比率指标CR1=CI/RI≈0.028469<0.1，即判断矩阵大体上是一致的，可以满足传递性，此判断矩阵可以接受。于是W1可以作为C层对O层的权重向量。

(4)确定方案层(P)对准则层(C)的权重W2

对每个煤田各项条件的量化指标能够充分反映出每个煤田的综合状况，由此可以分别构造出P层对准则Ck的比较矩阵

记w2=[w(1),w(2),…,w(6)]21×6，经计算矩阵W2的各元素取值如表4。

表4 矩阵W2的各元素值

(5)确定方案层(P)对目标层(O)的组合权重W

由于准则层C对目标层O的权重为W1和方案层P对准则层C的权重为W2，则方案层P对目标层O的权重为W=W2·W1=[W(1),W(2),…,W(6)]·W1=(w1，w2,…,wn)T(n=1,2,…，21)。将数据带入模型公式，经过矩阵计算，可得结果如下：

W=W2·W1=(w1，w2,…,wn)T=(0.054163224，0.049155916，0.049212594，0.046639736，0.046205558，0.048478842，0.05160378，0.037879106，0.043753973，0.048658474，0.051660833，0.046341652，0.046122158，0.051508633，0.044299056，0.043107172，0.052957526，0.037660576，0.050662853，0.051864132，0.048064205)

其组合一致性比率指标为CR=CR2+CR1≈0.028469<0.1，因此组合权重W可作为目标决策的依据。

(6)综合排序

矩阵W=(w1，w2,…,wn)T中wn(n=1,2,…，21)是参评煤田Pn对目标O层的权重，即wn就是参评煤田Pn的综合评分，按其大小依次排序，就可得到决策方案。以矩阵W的21个分量作为21个煤田的综合评分，按大小依次排序后，结果见表5。

表5 各煤田综合评分排序

4 结论和建议

运用层次分析给出了一个合理的评价方案，用此方案综合了21个煤田的不同评价指标得到排序结果。通过采用层次分析法综合对全疆21个煤田进行区带评价，按照模型计算出组合权重，最终按评分从高到低依次排序为，准南煤田、库拜煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、沙尔湖煤田、艾维尔沟煤产地、伊宁煤田、阳霞煤田、准东煤田、后峡煤田、鄯善煤田、达坂城煤田、巴里坤煤田、卡姆斯特煤田、哈密煤田、托里-和什托洛盖煤田、大南湖-梧桐窝子煤田、尼勒克煤田、吐鲁番煤田、焉耆煤田、托克逊煤田、温宿煤田。

专家们对不同煤田各项参数打分情况，受不同评价参数权重差异影响，而与各煤田综合评分结果排序情况不完全相同。但各煤田综合评分结果的排序，总体上体现了专家们对不同煤田各项参数打分情况，各项参数打分都比较高的煤田，最终综合评分也相对靠前；相反，则相对靠后。该评价结果，经参加评判的专家审核，普遍认为比较符合实际情况。

从结果上看，该评价模型达到了问题的决策目标，也使得每个煤田的不同评价指标的优势都得以充分体现。既考虑到资源量、主控因素、资源丰度等资源禀赋条件，又考虑到了煤层稳定程度、区域构造复杂程度、渗透率等影响煤层气产出和开发难易程度的条件。既比较符合实际情况，又利于对进一步开展勘探开发工作提供参考。