基于層次分析法的新疆煤層氣田資源潛力評價

楊明明 楊 億 張 娜 王 剛 來 鵬

(1.新疆煤田地質局煤田地質信息中心，新疆 830091；2.新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830091；3.新疆煤田地質局煤層氣研發中心，新疆 830091)

新疆是煤炭資源大省區，2000m以淺煤炭資源量1.9×1012t,位居全國第一。煤炭是煤層氣的源巖及儲集巖，豐富的煤炭資源也蘊藏著大量的煤層氣資源，新疆的煤層氣資源主要分布在準噶爾盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山系列盆地、巴里坤-三塘湖盆地。新疆煤層氣勘查工作自2013年以來已經開展，但勘查程度整體偏低。

層次分析法是一種排序的方法，即最終將各因素排出優劣次序，作為選區評價的依據。它先將選區評價的問題看作受多種因素影響的大系統，按照之間的隸屬關系從高到低構成遞接層次結構，然后各因素兩兩比較，利用數學方法對各因素排序，最后對排序結果進行分析。

本文擬結合新疆煤田地質局近些年來煤層氣勘查工作取得的成果，利用煤層氣選區評價技術中的層次分析法對新疆目前主要的21個煤層氣田的煤層氣關鍵參數進行評價,以期為新疆煤層氣勘查開發工作提供參考。

1 確定評價對象及評價因素

本文根據煤層氣勘查開發規范、結合新疆煤層氣勘查成果資料實際，選取了準南煤田、后峽煤田、準東煤田、卡姆斯特煤田、托里-和什托洛蓋煤田、達坂城煤田、艾維爾溝煤產地、托克遜煤田、吐魯番煤田、鄯善煤田、沙爾湖煤田、哈密煤田、大南湖-梧桐窩子煤田、伊寧煤田、尼勒克煤田、焉耆煤田、庫拜煤田、溫宿煤田、陽霞煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、巴里坤煤田等21個煤田作為評選對象，評選參數主要為煤層氣資源豐度、區域構造復雜程度、滲透率、煤層穩定程度、煤層氣地質資源量、煤層氣主控因素6項指標。

為了對各評價參數進行量化，制定量化原則(表1)。

表1 各評價參數分類評價級別打分標準

通過召集在本區域長期從事煤層氣勘查工作的專家開展打分，專家結合其自身經驗按照各煤田的各項評價參數所對應的評價級別對全疆21個煤田的6項評價參數進行打分。各專家根據各煤田的每項評價指標的實際等級賦予相應分值。最后將不同專家對同一煤田的同一評價參數賦予的分值取平均值，經過統計得到各煤田參數量化分數表(表2)。

表2 各煤田6項評價參數量化分數表

2 層次分析評價法

層次分析是一種定性和定量相結合的、系統化的、層次化的分析方法，可靠度比較高，誤差比較小。特別適用于那些難于完全用定量進行分析的復雜問題，為解決這類問題提供一種簡便實用的方法。層次分析法解決問題最突出的特點是分層比較，綜合優化，解決問題的具體步驟如下：

①分析系統中各因素之間的關系，建立系統的遞階層次結構，一般層次結構分為三層，第一層為目標層，第二層為準則層，第三層為方案層；

②構造兩兩比較矩陣(判斷矩陣)，對于同一層次的各因素關于上一層中某一準則(目標)的重要性進行兩兩比較，構造出兩兩比較的判斷矩陣；

③由比較矩陣計算被比較因素對每一準則的相對權重，并進行判斷矩陣的一致性檢驗；

④計算方案層對目標層的組合權重和組合一致性檢驗，并進行排序。

3 模型的建立

(1)建立層次結構

層次結構共分三層，第一層為目標層(O)：綜合排序；第二層為準則層(C)：相關評價因素，共6個，依次為煤層氣資源豐度(C1)、區域構造復雜程度(C2)、滲透率(C3)、煤層穩定程度(C4)、煤層氣地質資源量(C5)、煤層氣主控因素(C6)，分別記為Ck(k=1，2，…，6)；第三層為方案層(P)：N(N≥2)個參評煤田，N=21，記為Pn(n=1,2，……，21)。

(2)確定準則層(C)對目標層(O)的權重W1

為確定準則層(C)中各影響因素Ck(k=1，2，…，6)對目標層(O)的權重W1的權重，需要將準則層(C)中各影響因素Ck(k=1，2，…，6)進行兩兩比對，對任意兩個因素Ci(i=1，2，…，6)和Cj(j=1，2，…，6)對目標層(O)的影響程度之比，按1～9的比例標度aij來度量(i,j=1,2,…，n)，不同標度aij的含義不同，aij=1，表示Ci與Cj的影響相同；aij=3，表示Ci比Cj的影響稍強；aij=5，表示Ci比Cj的影響強；aij=7，表示Ci比Cj的影響明顯地強；aij=9，表示Ci比Cj的影響絕對地強；2,4,6,8表示Ci與Cj的影響之比在上述兩個相鄰等級之間；1/2,…，1/9表示Cj與Ci的影響之比為aij的互反數，于是可得到兩兩成對的比較矩陣A=(aij)n×n，也叫判斷矩陣。

經過與專家討論認為煤層氣資源豐度(C1)、區域構造復雜程度(C2)、滲透率(C3)、煤層穩定程度(C4)、煤層氣地質資源量(C5)、煤層氣主控因素(C6)這6個因素對決策目標的影響程度是煤層氣地質資源量(C5)、煤層氣主控因素(C6)稍強，其次為區域構造復雜程度(C2)、滲透率(C3)、煤層穩定程度(C4)，最后為煤層氣資源豐度(C1)，因此構造比較矩陣A如下：

這是一個6階的正互反矩陣，經計算求得A的最大特征λ≈6.179，對相應的特征向量作歸一化可得確定準則層(C)對目標層(O)的權重W1：

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

(3)判斷矩陣的一致性檢驗

平均隨機一致性指標(RI)是多次(500次以上)重復進行隨機判斷矩陣特征根計算之后取算數平均值得到的。參照龔木森等(1986)提出的1～15階判斷矩陣重復計算1000次的平均隨機一致性指標見表3。

表3 1～15 階判斷矩陣的RI值

對應的隨機一致性指標RI=1.26，一致性比率指標CR1=CI/RI≈0.028469<0.1，即判斷矩陣大體上是一致的，可以滿足傳遞性，此判斷矩陣可以接受。于是W1可以作為C層對O層的權重向量。

(4)確定方案層(P)對準則層(C)的權重W2

對每個煤田各項條件的量化指標能夠充分反映出每個煤田的綜合狀況，由此可以分別構造出P層對準則Ck的比較矩陣

記w2=[w(1),w(2),…,w(6)]21×6，經計算矩陣W2的各元素取值如表4。

表4 矩陣W2的各元素值

(5)確定方案層(P)對目標層(O)的組合權重W

由于準則層C對目標層O的權重為W1和方案層P對準則層C的權重為W2，則方案層P對目標層O的權重為W=W2·W1=[W(1),W(2),…,W(6)]·W1=(w1，w2,…,wn)T(n=1,2,…，21)。將數據帶入模型公式，經過矩陣計算，可得結果如下：

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)

其組合一致性比率指標為CR=CR2+CR1≈0.028469<0.1，因此組合權重W可作為目標決策的依據。

(6)綜合排序

矩陣W=(w1，w2,…,wn)T中wn(n=1,2,…，21)是參評煤田Pn對目標O層的權重，即wn就是參評煤田Pn的綜合評分，按其大小依次排序，就可得到決策方案。以矩陣W的21個分量作為21個煤田的綜合評分，按大小依次排序后，結果見表5。

表5 各煤田綜合評分排序

4 結論和建議

運用層次分析給出了一個合理的評價方案，用此方案綜合了21個煤田的不同評價指標得到排序結果。通過采用層次分析法綜合對全疆21個煤田進行區帶評價，按照模型計算出組合權重，最終按評分從高到低依次排序為，準南煤田、庫拜煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、沙爾湖煤田、艾維爾溝煤產地、伊寧煤田、陽霞煤田、準東煤田、后峽煤田、鄯善煤田、達坂城煤田、巴里坤煤田、卡姆斯特煤田、哈密煤田、托里-和什托洛蓋煤田、大南湖-梧桐窩子煤田、尼勒克煤田、吐魯番煤田、焉耆煤田、托克遜煤田、溫宿煤田。

專家們對不同煤田各項參數打分情況，受不同評價參數權重差異影響，而與各煤田綜合評分結果排序情況不完全相同。但各煤田綜合評分結果的排序，總體上體現了專家們對不同煤田各項參數打分情況，各項參數打分都比較高的煤田，最終綜合評分也相對靠前；相反，則相對靠后。該評價結果，經參加評判的專家審核，普遍認為比較符合實際情況。

從結果上看，該評價模型達到了問題的決策目標，也使得每個煤田的不同評價指標的優勢都得以充分體現。既考慮到資源量、主控因素、資源豐度等資源稟賦條件，又考慮到了煤層穩定程度、區域構造復雜程度、滲透率等影響煤層氣產出和開發難易程度的條件。既比較符合實際情況，又利于對進一步開展勘探開發工作提供參考。