西南石油大学学报（自然版）  2015, Vol. 37 Issue (4): 41-50
引用本文
熊德明, 张明峰, 吴陈君, 等 .海相碳酸盐烃源岩生烃潜力模糊评价方法[J]. 西南石油大学学报（自然版）, 2015, 37(4): 41-50.
Xiong Deming, Zhang Mingfeng, Wu Chenjun, et al . The Evaluation Method of Marine Carbonate Source Rocks' Hydrocarbon Potential by Fuzzy AHP[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2015, 37(4): 41-50.
海相碳酸盐烃源岩生烃潜力模糊评价方法    [PDF全文]
熊德明1,2 , 张明峰1, 吴陈君1,2, 妥进才1    
1. 中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室, 甘肃 兰州 730000;
2. 中国科学院大学, 北京 石景山 100049
收稿日期: 2013-10-17 ; 网络出版时间: 2015-07-07
基金项目: 中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-12);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-EW-104)。
作者简介: 张明峰, 1979年生, 男, 汉族, 甘肃兰州人, 副研究员, 博士, 主要从事地球化学和油气地球化学研究。E-mail:zhangmingfeng-9@hotmail.com;
吴陈君, 1988年生, 男, 汉族, 安徽池州人, 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:wcj627@163.com;
妥进才, 1962年生, 男, 回族, 新疆沙湾人, 研究员, 博士生导师, 主要从事天然气地质和油气地球化学研究。E-mail:jctuo@lzb.ac.cn。
通信作者: 熊德明, 1984年生, 男, 汉族, 四川大竹人, 博士研究生, 主要从事油藏动态分析、油藏注气提高采收率、天然气地质和油气地球化学研究。E-mail:xiongdeming2004@126.com
摘要: 烃源岩主要包括泥岩、页岩和碳酸盐岩。因此, 海相碳酸盐岩烃源岩也是油气成藏和含油气系统的基础。对于海相碳酸盐岩烃源岩的评价, 通常只侧重于物理化学性质的研究。由于不同的沉积盆地在沉积古环境, 母质类型的输入以及有机质所经历的热演化程度等方面差异较大, 仅以烃源岩物理化学性质为侧重点的烃源岩评价方法很难评价不同沉积盆地中烃源岩的生烃潜力。因此, 为了快速有效评价碳酸盐烃源岩生烃能力, 对有机质丰度、有机质类型、有机质成熟度和生烃过程4个方面因素进行分析研究, 确定了海相碳酸盐岩烃源岩生烃潜力评价指标体系。并运用层次分析法和模糊数学, 建立烃源岩生烃潜力评价新模型; 避免了在碳酸盐岩烃源岩评价过程中由于参数过多而导致的矛盾现象, 避免了选取参数时的盲目性, 提高了烃源岩评价效率。在渤海湾盆地进行了生烃潜力评价, 实际应用表明该方法快速、实用、可靠, 具有一定的推广价值。
关键词: 碳酸盐岩     模糊层次分析法     评价标准     生烃潜力     模糊综合评价    
The Evaluation Method of Marine Carbonate Source Rocks' Hydrocarbon Potential by Fuzzy AHP
Xiong Deming1,2 , Zhang Mingfeng1, Wu Chenjun1,2, Tuo Jincai1    
1. Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, Gansu 730000, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Shijingshan, Beijing 100049, China
Abstract: Source rocks include mudstone, shale and carbonate rocks. And carbonate source rocks are also the basis for oil or gas accumulation and petroleum system. The evaluation of marine source rock in the past is only focused on the study of the physical and chemical properties. Because different basins have different marine sedimentary environments, the entrance material types and degree of thermal evolution are different. If only the physical and chemical properties are considering, it is difficult to objectively evaluate hydrocarbon potentiality and to rank the hydrocarbon generation potentiality of the carbonate source rocks. So, to quickly and efficiently evaluate hydrocarbon potentiality of carbonate source rocks, we investigate and survey the current research data, build a new evaluation index system and ensure the range of each parameter. In this paper, there are four factors being considered, the abundance of organic matter, organic matter type, organic maturity and hydrocarbon generation. With the criteria, we have built a new evaluation model of marine carbonate source rock which is based on fuzzy AHP mathematics. Using this model, we can avoid the paradox in the evaluation process of the carbonate source rocks and blindness in selecting parameters. It also helps to improve efficiency of carbonate source rocks evaluation. It is found that the method is rapid, practical and reliable in the application of Bohai Bay Basin, so it is worth promoting.
Key words: carbonate source rocks     fuzzy analytic hierarchy process mathematics     evaluation criteria     hydrocarbon potentiality     fuzzy comprehensive evaluation    
引言

烃源岩是含油气系统和油气成藏的基础[1-2]。1960年人们就开始对烃源岩可溶有机质进行了研究[3-4]，1970年开始对干酪根和深埋藏烃源岩进行研究[5-6]。关于烃源岩，不同学者对其定义不太一样。Tissot B P，Welte D H[7]认为是已经生成或可能生成、或具有生成油气潜力的岩石。Hunt J M[8]却认为是在自然环境下，曾经生成并排除过足以形成商业性油气聚集烃类的细粒沉积物，仅认为Tissot B P的定义更合理[9]。

烃源岩主要包括泥岩、页岩和碳酸盐岩[9]。根据不同的沉积环境，可分为海相烃源岩和陆相烃源岩；其中海相烃源岩的岩石类型包括碳酸盐岩和碎屑岩。目前采用陆相碎屑岩的烃源岩评价标准来评价海相碎屑岩的生烃潜力[10]。但是碳酸盐岩的评价却没形成统一的标准。目前普遍采用的评价指标主要参考Peters的标准[6]。

与国外海相沉积相比，中国碳酸盐岩沉积的特点是时代老、沉积厚度大、有机质丰度低、有机质热演化程度高等[11-12]。正因为如此，在正确认识与评价碳酸盐岩生烃潜力方面存在很大的困难。但是，国内很多学者对海相沉积碳酸盐岩做了大量探讨性的研究[13-31]，随着海相油气勘探的不断深入，人们对海相沉积盆地烃源岩的认识也在逐步深入与改变[11, 31-41]，这些研究成果使人们对中国海相烃源岩的分布、发育条件及生烃潜力等有了进一步的认识。但是，多数人建立的碳酸盐烃源岩的评价标准[30, 41-43]只是关于有机质丰度的，并没有建立完整的海相碳酸盐岩生烃潜力评价标准。只有少数人采用了模糊数学对油气勘探进行了评价，如诸克军等[44]、程顶胜等[45]、郭长春等[46]。

由于不同的沉积盆地在沉积古环境，母质类型的输入以及有机质所经历的热演化过程等方面差异较大，仅以烃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[47]。模糊数学作为研究和处理模糊体系规律的理论和方法，在烃源岩生烃潜力模糊综合评价方面具有一定的优势[48]，本文采用模糊数学方法[49-50]建立烃源岩评价新模型，对渤海湾盆地烃源岩生烃潜力进行综合评价。

1 模糊层次分析法原理 1.1 模糊综合评判原理

在模糊综合评判中，一般是用模糊集合表示有关的模糊概念，然后用模糊概念的形式评判运算过程，从而得到一个评价结果(模糊集合)，最后将其转化为所需形式的结论。模糊综合评判包括单级模糊综合评判和多级模糊综合评判(如图 1，图 2)。

图1 单级模糊综合评判流程 Fig. 1 The process of single-level fuzzy comprehensive evaluation
图2 多级模糊综合评判流程 Fig. 2 The process of multi-level fuzzy comprehensive evaluation

将影响烃源岩生烃能力的指标称作评价对象。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(指标)构成的集合称为因素集，记作U={u1，u2，…，um]。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，…，bn} (×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vj的评价结果。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。

1.2 隶属函数的确定

建立单因素评价向量是综合评价的关键一步，其实质即为确定各评价因素相应于评价集合的隶属函数。评价因素ui的评语集为V={v1，v2，…，v5]，其评价标准见表 1。

表1 因素ui的评价标准 Table 1 The evaluation criteria of factor ui

表 1中的评价标准是用于确定评价区间的，没有考虑各评价等级间的边界模糊性。再根据隶属函数确定原则，采用岭形隶属函数[49-51]。

1.3 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，采用匹兹堡大学教授Saaty T L提出的层次分析法进行分析[49-51]。

层次分析方法是把专家意见、分析者主客观判断用数学方法进行量化分析，判断各个因素的重要性，是一种定性和定量相结合的方法。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(表 2)，构建判断矩阵，计算矩阵的最大特征根及其特征向量，获得各因素的排序后归一化结果，最后得到某一层因素相对上一层某一个因素的权重系数。

表2 层次分析法9标度含义 Table 2 The meaning of 1~9 scale in the Analytic Hierarchy Process

因专家知识水平和个人偏好对判断矩阵有较大的影响，为了保证矩阵的可信度和准确性，需要对矩阵进行一致性检验。为此，特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；其中$ C_{\rm I}=\dfrac{\lambda_{\rm{max}}-n}{n-1} $(λmax-判断矩阵的最大特征根)，RI值可查表 3得到。

表3 平均随机一致性指标RI值 Table 3 The average of random consistency test indicators RI

CI与RI的比值称为一致性比率，记作CR。判断矩阵的一致性准则为CR=CI/RI < 0.10。即当CI < 0.10时，则判断矩阵有可接受的一致性；否则，就认为建立的判断矩阵不能令人满意，需要重新赋值并通过一致性检验方可。

2 影响烃源岩生烃能力的因素

有效烃源岩是指既有油气生成又有油气排出的岩层[1]，它的识别和评价是含油气系统和油气成藏研究的基础[2]。有学者对海相有效烃源岩做出了新的定义“对现有可保存油气的圈闭或在晚期生烃、晚期成藏中有实质性贡献的岩石”[23]。对海相烃源岩评价标准的讨论由来已久，不同的学者持有的观点不一样，如薛海涛等[42]、秦建中等[30]、成海燕[10]、李鲜蓉[41]、陈建平等[43]等都建立了自己的海相烃源岩评价标准。但是他们给出的标准很不全面，只含有机质丰度这一方面的评价标准。

2.1 有机质丰度 2.1.1 主要参数

烃源岩有机质丰度是单位质量岩石的有机质含量。在其他条件相近的情况下，岩石中有机质含量(有机质丰度)越高，生烃潜力越大。有机质丰度评价指标包括总有机碳(TOC)、氯仿沥青“A”、总烃(HC)、生烃潜力(S1-游离烃含量，mg/g；S2-裂解烃含量，mg/g。)和排烃强度等。

碳酸盐岩烃源岩有机碳下限标准一直是学术界争论的热点。Gehman(1962)[52]统计表明，现代碳酸盐岩烃源岩的有机碳平均含量约为1.20%，与现代泥质烃源岩(1.00%)和古代泥质烃源岩(1.40%)比较接近，而古代碳酸盐岩烃源岩的有机碳平均含量约为0.24%，远远小于现代碳酸盐岩烃源岩的有机质丰度。这可能与碳酸盐岩中的成岩作用有关，因为在成岩过程中，有机质容易损失。关于碳酸盐岩烃源岩的有机质丰度评价，不同的学者、不同时期所给的标准存在很大差别。对碳酸盐烃源岩有机质丰度特征有两种观点：(1) 碳酸盐岩在进入高演化阶段前，已有烃类排出，所以有机碳含量减低，其下限值较低；(2) 碳酸盐岩有机碳含量与泥岩有机碳含量并无差别，其有机碳含量受热演化影响较小，下限值为0.40%~0.50%，如表 4。本次主要参考1998年Peters的标准[6]来评价烃源岩的有机质丰度，如表 5。

表4 海相碳酸盐岩烃源岩有机碳丰度下限标准 Table 4 The lower limit of total organic carbon in carbonate source rocks
表5 海相碳酸盐岩烃源岩有机质丰度评价标准 Table 5 The evaluation criteria of organic matter abundance in marine carbonate source rocks
2.1.2 排烃强度

排烃强度是指单位面积的烃源岩所能生成的油气量。目前以排烃强度作为评价标准判断烃源岩的品质还比较少。只有少数人对排烃强度做了研究，如程克明等(表 6)[53]、薛海涛[42]等。

表6 陆相沉积盆地的生烃强度评价标准[53] Table 6 The evaluation criterion of oil-expulsing capacity in terrestrial sedimentary basin

参考程克明等[53]和薛海涛[42]沉积盆地排烃强度评价标准(排烃强度=生烃强度—残油强度)，经过综合分析得到各级别所对应的排烃强度，见表 7。

表7 排烃强度的烃源岩评价标准 Table 7 The evaluation criterion of oil-expulsing capacity in marine sedimentary basin

其中，烃源岩处于评价标准“差”的选项时，表明该烃源岩有一定的生烃能力，但生烃强度小于残油强度，不能形成油藏，其界限值为0.25×106 t/km2。这类油源岩需要其他条件达到成熟后才能成藏，或为其他油源提供有益的补充。

2.2 有机质类型

有机质类型是评价烃源岩质量的指标。不同组成和来源的有机质，其生烃潜力有很大的差别。因此，要客观地认识和评价烃源岩的生烃能力，仅仅评价有机质丰度是不够的，必须对有机质类型进行评价。

有机质类型同样也决定了生成物的不同，如Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根以生烃为主，Ⅲ型干酪根以生气为主。这主要与有机质的化学组成和结构有关。

鉴别烃源岩有机质类型的方法主要有3种[9]：

(1) 依据有机质来源划分；

(2) 依据干酪根的显微组分组成划分；

(3) 依据干酪根元素来划分。

本次评价主要采用三类五分法评价干酪根的类型，主要参考1998年Peters的标准来评价烃源岩的有机质类型，如表 8，其中：HI=HC/TOC；S3-热解过程中CO2的含量，mg/g。

表8 海相碳酸盐岩烃源岩有机质类型划分表 Table 8 The evaluation criteria of organic matter type in marine carbonate source rocks
2.3 有机质成熟度

众所周知，有机质含量不等于原油含量，它只是原油形成的物质基础，只有当它达到一定热演化程度的时候才能转化成石油。衡量这个变化过程的参数就是成熟度指标，对这些指标的研究就是有机质成熟度评价。因此，有机质成熟度不仅可以帮助判断有机质成烃时间，还可以帮助判断油藏成藏时间。

由于碳酸盐岩烃源岩缺少镜质体，不能直接用高等植物碎屑的镜质组反射率来评价碳酸盐岩的有机质成熟度。只能利用海相岩石中各种有机显微组分的光线参数和干酪根的化学结构参数与镜质组反射率之间的相互关系来获取等效镜质组反射率，比如沥青反射率，海相镜质组反射率，动物有机碎屑反射率，牙形刺色变指数(荧光性)等等。由于这些参数均有各自的限制条件和使用范围，因此，需要综合评价。本次研究主要考虑成熟作用和产率两个因素来评价碳酸盐岩烃源岩的有机质成熟度。参考1998年Peters的标准来进行评价，如表 9。

表9 海相碳酸盐岩烃源岩有机质演化阶段划分表 Table 9 The evaluation criteria of organic matter maturity in marine carbonate source rocks
2.4 生烃过程

烃源岩的生烃潜力不仅受生烃物质基础的影响，而且受到生烃过程影响。影响生烃过程的主要参数包括最大埋藏深度、生烃持续时间、生烃期次以及模拟生、排烃量等参数。通过对这些参数的定量分析，可以知道各个参数对烃源岩生烃潜力是否有利(表 10)。

表10 海相碳酸盐生烃过程评价标准 Table 10 The evaluation criteria of hydrocarbon generating process in marine carbonate source rocks

一般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]；埋藏深度越深，生烃率越高[54]；烃源岩生烃量[55]和排烃量[54]越大，有机质转化为油气的比例越高；烃源岩生烃潜力也就越大。

3 烃源岩生烃潜力评价模型 3.1 烃源岩生烃潜力指标体系

通过对影响碳酸盐岩烃源岩生烃能力因素的分析和研究，提取了21个指标进行评价，这21个指标的性质对目标碳酸盐岩烃源岩的生烃能力起着决定性作用；其中有机质丰度评价包含6个评价指标，有机质类型包含4个评价指标，有机质成熟度包含6个评价指标，生烃过程包含5个评价指标。依据前面的分析可建立碳酸盐岩烃源岩生烃潜力评价指标体系，如图 3所示。

图3 烃源岩生烃潜力评价指标体系 Fig. 3 The structure of multi-level fuzzy comprehensive evaluation
3.2 烃源岩生烃潜力评价模型

通过对碳酸盐岩烃源岩研究，确定了21个影响烃源岩生烃潜力评价指标。此次所用参数包括有机质含量、氯仿沥青“A”、镜质反射率、S1、S2等等。本文根据模糊数学的原理建立模糊评价模型。在建立模型过程中，将每个参数作为烃源岩评价的单因素，且每个单因素下面的几个单因素评价向量组成一个矩阵，就可以变成多因素评判矩阵。

关于目标烃源岩参数的权重，需要确定反映同一烃源岩不同参数的相对重要性的权重。本次采用模糊层次分析法来确定权重，即通过构建能反映人们思维和客观事实一致性的模糊矩阵来求取各个参数的权重分配，详情见1.3节。各个参数的权重如图 3。最后通过模糊变换得到评价结果。

4 实例计算

本次实例计算主要是借用渤海湾盆地的地化参数来评价本次所建立的方法。渤海湾盆地位于中国东部地区，呈菱形地形，中部宽，南北窄。它是一个中、新生代盆地，盆地平面含有多个凹陷和隆起台地。盆地内发育了中国重要的含油气区，如辽河油气区，大港油气区和冀东油气区，华北油气区、胜利油气区等等。本次研究系统统计了渤海湾盆地3个评价单元的烃源岩参数[56](如表 11所示)，利用模糊层次分析法对烃源岩进行了综合评价。

表11 海相碳酸盐生烃过程评价标准 Table 11 The evaluation criteria of hydrocarbon generating process in marine carbonate source rocks

渤海湾盆地碳酸盐岩烃源岩综合评价为三级评价，评价结构及权重见图 3。运用模糊数学可以获得各个区块的评价结果，如表 12。

表12 渤海湾盆地烃源岩有机质综合评价结果 Table 12 The evaluation result of marine carbonate source rocks in BoHai Bay Basin

根据最大隶属度原则，渤海湾盆地烃源岩综合评价结果为“较差”水平。这和渤海湾盆地烃源岩分析结果基本吻合，如表 12中黑体数字。

5 结论

(1) 通过分析影响碳酸盐岩烃源岩生烃能力主要参数，确定了模糊综合评价指标体系的21个评价指标，并运用模糊数学建立了新的综合评价模型。

(2) 本次所建立的模型对许多影响因素都进行了考虑，用层次分析法确定了各参数的权重，避免了烃源岩评价过程中由于参数过多而导致的矛盾现象，避免了选取参数时的盲目性，提高了烃源岩评价效率。

(3) 对渤海湾盆地应用表明渤海湾盆地的生烃潜力属于较差水平。

(4) 该方法的评价是实用、合理的、可靠的，能够客观地对烃源岩进行评价，具有推广价值。

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