煤層氣的勘探開發(fā)

1、煤層氣的勘探開發(fā)第 八 章 煤儲(chǔ)層的地球物理特征*1第 十 章 煤層氣數(shù)值模擬技術(shù)與方法16第十一章 煤層氣的勘探開發(fā)技術(shù)35第八章 煤儲(chǔ)層的地球物理特征*隨著測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，測(cè)井響應(yīng)不但能提供巖層層位、巖性、煤巖煤質(zhì)參數(shù)、含水層參數(shù)、孔隙度、力學(xué)參數(shù)及沉積環(huán)境分析等多種測(cè)井成果。近年來(lái)，在煤層氣含量擬合、煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)及煤儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)方面也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。第一節(jié) 煤層氣測(cè)井方法為評(píng)價(jià)煤層氣的儲(chǔ)層特征，普遍采用的測(cè)井方法有電阻率、自然電位、自然伽瑪、密度（伽瑪伽瑪）、聲波、中子、自然伽瑪射線能譜、地球化學(xué)測(cè)井等。一、電阻率測(cè)井地層電阻率是一種巖石特征，它反映巖石對(duì)電流的傳導(dǎo)能力。電阻率測(cè)井有兩

2、種基本形式，一種是“電”測(cè)井，另一種是“感應(yīng)”測(cè)井。電測(cè)井是一種用一系列電極測(cè)量地層電阻率的技術(shù)。電流在兩個(gè)電極之間通過(guò)，測(cè)得其它電極間的綜合電壓。根據(jù)地層中已知的電流流動(dòng)模式，可將測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換成地層的電阻率。電流流動(dòng)模式是各種參數(shù)（如井徑、鉆井液、鹽度等）之間電極距的函數(shù)。知道了這些參數(shù)，電壓量就能換算成地層的電阻率值。因此，一系列讀數(shù)就變換成地層電阻率的測(cè)井值。電極距的大小影響探測(cè)深度?！疤綔y(cè)深度”是指從井孔中進(jìn)入巖石內(nèi)代表總的讀出數(shù)據(jù)達(dá)50的輻射深度。地層的電阻率隨探測(cè)深度的變化而變化，因?yàn)樵阢@井過(guò)程中，當(dāng)泥漿柱壓力高于地層壓力時(shí)，泥漿濾液向可滲透的巖層侵入，在滲透層靠近井孔的部分形成

3、泥漿濾液的侵入帶，并在井壁上形成泥餅。從而出現(xiàn)泥餅、侵入帶和非侵入帶電阻率的差異。微電阻率測(cè)井的原理正基于此，它測(cè)得的是鉆孔周圍直接相鄰地層中，兩個(gè)不同深度的電阻率，一個(gè)是泥餅的電阻率，另一個(gè)是地層（或煤層）的電阻率。由于泥餅的電阻率比煤層低，所以，如果在穿越一個(gè)煤層段時(shí)鉆井中有泥餅形成，則兩條電阻率曲線將分開。這種微電阻率測(cè)井曲線的幅度差，可以定性評(píng)價(jià)煤層裂隙的發(fā)育程度。目前，煤中裂隙的定量評(píng)價(jià)可用雙側(cè)向測(cè)井通過(guò)交繪圖技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙側(cè)向測(cè)井適合于煤層氣井，因?yàn)樗茉诿簩舆@種具有高電阻率的地層中獲得較精確的電阻率測(cè)量值。通常，用雙側(cè)向測(cè)井測(cè)得的煤層厚度比用感應(yīng)測(cè)井測(cè)得的煤層厚度更加精確。更重要

4、的是，雙側(cè)向測(cè)井是唯一能夠運(yùn)用深側(cè)向測(cè)井和淺側(cè)向測(cè)井電阻率值的響應(yīng)曲線對(duì)煤中裂隙（主要為垂直裂隙）進(jìn)行定量的方法。因?yàn)闇\側(cè)向測(cè)井和深側(cè)向測(cè)井電導(dǎo)率的分離以及深側(cè)向測(cè)井和煤基質(zhì)電導(dǎo)率的差值，已被證明為裂隙孔隙度大小和鉆井泥漿電導(dǎo)率的函數(shù)。雙側(cè)向測(cè)井主要用于含鹽泥漿循環(huán)系統(tǒng)鉆進(jìn)的煤層氣井，泥漿鹽度多為50000×10-6（nacl）。電阻率測(cè)井給出了作為深度函數(shù)的電阻率值和由井孔進(jìn)人巖石的距離二者之間的測(cè)井曲線圖。一般情況下，電阻率測(cè)井的探測(cè)深度從數(shù)厘米到數(shù)米，微電阻率測(cè)井在數(shù)厘米之間，深側(cè)向測(cè)井達(dá)數(shù)米的范圍。在純煤中，電阻率測(cè)井常常顯示高值（圖8-1）。圖8-1 煤系基本測(cè)井響應(yīng)（sc

5、holes，1993）“感應(yīng)”測(cè)井獲得的感應(yīng)電阻率與電的電阻率截然不同，正如其含義，感應(yīng)電阻率是通過(guò)感應(yīng)電流進(jìn)人地層而獲得的，它通過(guò)放置在儀器內(nèi)的一系列線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。磁場(chǎng)的存在(由儀器內(nèi)線圈中電流流動(dòng)而引起)引起鉆孔周圍地層中電流的流動(dòng)，地層電流路徑類似圍繞井孔的環(huán)形線。反過(guò)來(lái)，地層電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)引起儀器中其它測(cè)量線圈中電流的流動(dòng)。測(cè)量線圈上的電壓是地層電流的函數(shù)，而地層電流是地層電阻率的反函數(shù)。因此，來(lái)自測(cè)量線圈上的電壓經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)化和校正，即可作為地層電阻率而顯示。一般而言，多數(shù)感應(yīng)儀器（如雙感應(yīng)測(cè)井儀）有數(shù)十厘米到數(shù)米的探測(cè)深度，垂直分辨率也在這一范圍。已研制出的高分辨感應(yīng)測(cè)井儀（hr

6、i）和相量感應(yīng)測(cè)井儀都可達(dá)到0.6m的垂向分辨率，最新的組合感應(yīng)測(cè)井儀（ait）能顯示5條感應(yīng)曲線，探測(cè)深度深至2.3m，淺到25.4cm。二、自然電位測(cè)井與電阻率測(cè)井（從技術(shù)而言并非電阻率測(cè)量）常常有關(guān)的是自然電位（sp）測(cè)井，這種電位很簡(jiǎn)單的電極組合測(cè)得，即測(cè)量井內(nèi)電位與地表電極固定電位之間的差值。自然電位通常來(lái)自電化學(xué)反應(yīng)，這種電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在當(dāng)一種鹽度的流體（如泥漿濾液）在多孔或可滲透性介質(zhì)（如儲(chǔ)集巖）中與另一種鹽度的流體（如地層水）相遇時(shí)。當(dāng)其它因素已知（如泥漿的電阻率、地層溫度等）時(shí)，自然電位的主要用途是作為滲透巖石（儲(chǔ)層）的指標(biāo)和計(jì)算地層水鹽度（電阻率）的來(lái)源。因此，在某些地區(qū)自

7、然電位測(cè)井有時(shí)可作為煤層滲透率的定性指標(biāo)，但自然電位測(cè)井不能用于僅為氣飽和的煤層氣井中。為改善這一條件，可以用水充滿井筒，再進(jìn)行自然電位測(cè)井。三、自然伽瑪測(cè)井自然伽瑪測(cè)井是測(cè)量地層中放射的自然伽瑪射線，即記錄地層內(nèi)的天然放射性。所有巖石都顯示出一定的天然放射性，這種放射性已經(jīng)并將繼續(xù)由地下巖層發(fā)射。其發(fā)射伽瑪射線數(shù)量的大小，取決于巖石中鉀、釷和鈾的含量。含煤地層中砂巖、頁(yè)巖和煤的總天然放射性不同。一般而言，巖層發(fā)射的自然你瑪射線量越高，作為潛在儲(chǔ)層的可能性越低。泥巖通常滲透性很低或沒有滲透性，也不可能有流體存在，其放射性要高于有效孔隙空間良好發(fā)育的巖石。煤層在自然伽瑪射線上常顯示為低的總天然放

8、射性（一般小于70api單位）。因此，可以利用自然伽瑪射線曲線向左偏移來(lái)識(shí)別煤層（圖8-1）。但是，若煤中含有較多的粘土礦物或煤層中有夾矸存在，那么將會(huì)增加測(cè)得的天然放射性。在某些局部條件下（如高嶺石含量高，含量變化范圍大），灰分含量可根據(jù)自然伽瑪射線測(cè)井憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)定。由于自然伽瑪射線測(cè)井可在下套管井中進(jìn)行，所以它在完井和修井作業(yè)中極為有用。在下套管井中不能進(jìn)行自然電位測(cè)井，或在裸眼井中自然電位測(cè)井不太滿意時(shí)，常常以自然伽瑪測(cè)井代替自然電位測(cè)井。自然伽瑪測(cè)井也可作為其它下套管井電纜作業(yè)（如射孔和生產(chǎn)測(cè)井）時(shí)的對(duì)比測(cè)井。四、密度測(cè)井（伽瑪伽瑪測(cè)井）密度測(cè)井是以研究巖層對(duì)入射伽瑪射線的散射和吸收為基

9、礎(chǔ)的一種測(cè)井方法。它所測(cè)量的是被巖層所散射的伽瑪射線強(qiáng)度，由于被測(cè)定的散射伽瑪射線強(qiáng)度與巖石的密度有關(guān)，故稱為密度測(cè)井。因煤層密度與鉆孔剖面上其它巖層的密度差別很大，故密度測(cè)井可用來(lái)很好地區(qū)分煤層并確定煤層厚度，高分辨密度測(cè)井可使垂向分辨率達(dá)到15.2cm（圖8-1）。另外，在煤的評(píng)價(jià)方面，為計(jì)算煤特性（如工業(yè)分析，包括固定碳、水分、灰分、揮發(fā)分），密度測(cè)井亦十分有用。由伽瑪源發(fā)射的伽瑪射線進(jìn)人巖層后，由被測(cè)物質(zhì)中的原子軌道電子所散射。這種現(xiàn)象稱之為康普頓散射，它導(dǎo)致伽瑪射線能量損失。如果物質(zhì)很致密（電子較多），伽瑪射線會(huì)產(chǎn)生更多的散射，有更多的伽瑪射線被物質(zhì)吸收，所以到達(dá)探測(cè)器的伽瑪射線很少

10、；在密度較低（電子較少）的地層中，伽瑪射線沒有被減慢到同等程度，所以有較多的伽瑪射線到達(dá)探測(cè)器。密度測(cè)井儀采用了伽瑪射線源和一定距離外（0.3m范圍）的伽瑪射線探測(cè)器。探測(cè)器中的伽瑪射線計(jì)數(shù)率是巖石密度的反函數(shù)。若基質(zhì)密度不變，則巖石密度就是孔隙度的反函數(shù)。因此，計(jì)數(shù)率是孔隙度的直接函數(shù)，也就是說(shuō)，隨孔隙度增加，伽瑪射線計(jì)數(shù)率增加。這是因?yàn)榭紫抖雀邥r(shí)，伽瑪射線從發(fā)射源穿過(guò)巖石到達(dá)接收器所尋路徑更為容易。改進(jìn)的密度測(cè)井增加了短距伽瑪探測(cè)器，用于補(bǔ)償泥餅和井孔不規(guī)則變化時(shí)的體積密度。密度測(cè)井通?？煞譃轶w積密度測(cè)井和能譜密度測(cè)井。體積密度測(cè)井是識(shí)別和評(píng)價(jià)煤層的良好方法。通常，可通過(guò)比較煤層的體積密度

11、與其它地層的體積密度來(lái)識(shí)別煤層（圖8-l）。煤層密度受灰分含量影響，灰分含量越高，對(duì)測(cè)井的密度影響也越高。能譜密度測(cè)井與體積密度測(cè)井相似，但除了測(cè)量來(lái)自康普頓散射的伽瑪射線（它表示體積密度）外，也測(cè)量來(lái)自光電效應(yīng)的伽瑪射線（它表示巖性）。通過(guò)對(duì)比這兩種不同的伽瑪射線讀數(shù)，可以確定光電吸收率和巖性。五、聲波測(cè)井和中子測(cè)井聲波測(cè)井和中子測(cè)井主要用于常規(guī)的地層孔隙度測(cè)量。其中聲波測(cè)井也是套管周圍水泥膠結(jié)質(zhì)量測(cè)量（水泥膠結(jié)測(cè)井）的基礎(chǔ)。聲波測(cè)井是研究聲波在地層中傳播時(shí)間和其它聲學(xué)特性變化的各種測(cè)井方法，它建立在巖石為彈性介質(zhì)、在外力作用下產(chǎn)生切變和壓縮彈性變形這一基礎(chǔ)上。聲波測(cè)井儀發(fā)射某些聲波特性，然

12、后用一個(gè)或多個(gè)接收器探測(cè)。被測(cè)定的聲波特性通常是指聲波傳播時(shí)間和聲波振幅，它們被記錄在測(cè)井膠帶上以形成井孔的“圖像”。由于聲波傳播時(shí)間與巖石孔隙度有關(guān)（一般為負(fù)相關(guān)關(guān)系），所以可應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式把聲波傳播時(shí)間和巖石孔隙度聯(lián)系起來(lái)。然而，在煤層氣井中，由于氣體賦存于煤基質(zhì)的微孔隙中，從傳統(tǒng)意義上說(shuō)，聲波測(cè)井不能探測(cè)這些作為孔隙度的微孔隙，所以這里的聲波測(cè)井比油田中應(yīng)用的聲波測(cè)井價(jià)值要低。聲波測(cè)井也可用來(lái)幫助識(shí)別煤層（表現(xiàn)出高孔隙度）和用于確定煤級(jí)，但它沒有密度測(cè)井和伽瑪射線測(cè)井那樣精確。大多數(shù)波形聲波測(cè)井在煤層氣井中用于評(píng)價(jià)巖石的力學(xué)性質(zhì)。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)方程式，可從鉆井中煤層和非煤地層的波至?xí)r間計(jì)算出泊

13、松比和彈性模量。然后，利用這些巖石特性估算壓裂處理期間可能產(chǎn)生的最大裂縫高度。中子測(cè)井與聲波測(cè)井一樣，也有多種類型，常見的是“補(bǔ)償”型。它使用一個(gè)中子源和多個(gè)中子監(jiān)測(cè)器，中子源發(fā)射中子進(jìn)入地層，這種中子與地層中氫原子碰撞并被減速，監(jiān)測(cè)器測(cè)量發(fā)生碰撞的中子的速度或能量，該測(cè)量反映了地層中氫的含量。然而，在煤層中，高含量的氫往往使中子測(cè)井顯示錯(cuò)誤的高孔隙度（煤中氫由儀器作為高孔隙度解釋），常高出4070。而實(shí)際上煤的孔隙度很低（26）。在煤層氣井中，補(bǔ)償中子測(cè)井通常有助于確定煤的工業(yè)分析和估算含氣量。補(bǔ)償中子測(cè)井能在裸眼井或是下套管井中進(jìn)行，并且所測(cè)結(jié)果具有相同的可靠性。對(duì)煤而言，聲波測(cè)井和中子測(cè)

14、井都不是直接作為孔隙度測(cè)井來(lái)使用，而是應(yīng)用于煤層的綜合評(píng)價(jià)模型，它有助于我們了解煤的組成。六、自然（誘導(dǎo)）伽瑪射線能譜測(cè)井自然伽瑪射線能譜測(cè)井主要使測(cè)量地層中天然放射性元素釷、鉀和鈾的密度，它把天然產(chǎn)生的伽瑪射線轉(zhuǎn)化成能發(fā)射伽瑪射線的非常相似的元素成分，其元素模型是基于釷、鉀和鈾。據(jù)此，可較準(zhǔn)確地劃分出泥質(zhì)巖，鑒別粘土礦物的種類，以及確定在某種情況下出現(xiàn)的裂隙的可能性，也可用于模擬沉積環(huán)境。當(dāng)?shù)貙又凶匀划a(chǎn)生的伽瑪射線轟擊自然伽瑪探測(cè)器時(shí)，它以一定的能量撞擊探測(cè)器，利用數(shù)學(xué)模型，用伽瑪射線能譜來(lái)確定放射源的元素。在純煤中，產(chǎn)生的自然伽瑪射線量相當(dāng)?shù)?。若某種煤的自然伽瑪射線值比純煤高，則煤里常常存

15、在天然放射性物質(zhì)，這通常是因煤中粘土礦物存在的緣故。粘土一般是煤中灰分的主要成分，因此自然伽瑪射線能譜測(cè)井有助于驗(yàn)證由密度計(jì)算的灰分含量，并能為識(shí)別與煤層相鄰的巖層及井與井之間夾矸層的對(duì)比提供有用信息。誘導(dǎo)伽瑪射線能譜測(cè)井的目的是辨別巖石的元素組成。從儀器獲得的資料，可根據(jù)選擇的元素豐度給出巖層的描述。誘導(dǎo)伽瑪射線能譜儀常使用脈沖中子源來(lái)誘導(dǎo)伽瑪射線，這種中子源可以打開，用中子轟擊地層，然后關(guān)閉，關(guān)閉后的循環(huán)周期給出時(shí)間以測(cè)量包含在伽瑪射線中的伽瑪射線譜信息，即伽瑪能級(jí)。這種伽瑪射線來(lái)源于巖石中元素對(duì)中子的捕獲，故稱之為捕獲模型?；蛘哧P(guān)閉后循環(huán)周期給出復(fù)位時(shí)間，這個(gè)復(fù)位時(shí)間緊跟在脈沖轟擊期間獲

16、得伽瑪射線能譜信息之后，稱之為非彈性模型。對(duì)任一模型，與數(shù)學(xué)模型相連接的伽瑪射線譜（能級(jí)）數(shù)據(jù)都可以得到巖石元素組成的結(jié)論。不同元素序列的確定，取決于所使用的模型（捕獲或非彈性）。七、地球化學(xué)測(cè)井和碳/氧測(cè)井地球化學(xué)測(cè)井測(cè)定地層中化學(xué)元素的組成，由這些測(cè)井資料可建立起煤層的沉積模式，并在各井之間進(jìn)行夾矸層對(duì)比，這一點(diǎn)類似于自然伽瑪射線能譜測(cè)井。碳/氧測(cè)井測(cè)定的是地層的碳含量，在煤層氣井中主要用來(lái)確定煤的發(fā)熱量，也可以利用煙煤在砂泥巖基線上與煤中碳氧比值上的反差，識(shí)別套管后的煤層。地球化學(xué)測(cè)井和碳/氧測(cè)井經(jīng)常結(jié)合使用，并在計(jì)算機(jī)處理圖像上顯示。煤在各種測(cè)井方法中的響應(yīng)見表8-1，除以上所述測(cè)井方

17、法外，尚有為檢查井孔特征而進(jìn)行的井徑儀測(cè)井；為獲得地層溫度而進(jìn)行的溫度測(cè)井；為確定煤層割理方向而研制的地層顯微掃描器等等。表8-1 煤在各種測(cè)井方法中的響應(yīng)（scholes，1993）測(cè)井方法煤層的響應(yīng)電阻率測(cè)井·純煤的電阻率一般較高·煤中粘土(灰成分*)常常引起電阻率讀數(shù)低，因?yàn)榕c粘土經(jīng)常伴生的結(jié)合水增加了導(dǎo)電性自然伽瑪測(cè)井·純煤的自然伽瑪值很低·粘土礦物的存在引起較高的讀數(shù)，因?yàn)檎惩恋V物吸附天然放射性元素·其它灰成分，如細(xì)砂，通常對(duì)煤的自然伽瑪讀數(shù)無(wú)影響密度測(cè)井(伽瑪伽瑪測(cè)井)·由于煤基質(zhì)密度低，所以密度測(cè)井顯示低密度值(高的視孔

18、隙度)·灰成分，如細(xì)粒石英，能引起密度值增高·與密度測(cè)井相關(guān)聯(lián)的光電效應(yīng)(pe)曲線，在純煤中為0.17%-0.20%，灰成分會(huì)使其極度增高(灰成分礦物的光電效應(yīng)至少是煤的10倍)聲波測(cè)井·在煤中顯示高孔隙度(高傳播時(shí)間)·粘土礦物對(duì)煤的這些測(cè)井值無(wú)大影響，因?yàn)榧冋惩僚c煤的孔隙度范圍相同·其它灰成分，如細(xì)粒石英，可能降低煤的視孔隙度中子測(cè)井·在煤中常常顯示高的視孔隙度，因?yàn)樗０衙褐袣渥鳛榭紫抖鹊闹甘径@示·粘土礦物對(duì)煤的視孔隙度無(wú)大影響，因?yàn)檎惩僚c煤的視孔隙度范圍相同·其它灰成分，如細(xì)粒石英，可能降低煤的視孔隙度

19、自然伽瑪·在純煤中顯示低值能譜測(cè)井·根據(jù)粘土中鉀、釷、鈾的貢獻(xiàn)，粘土?xí)黾觾x器讀數(shù)·其它灰成分，如細(xì)粒的砂，一般對(duì)應(yīng)于低計(jì)數(shù)率中子伽瑪·對(duì)煤的元素組成以高精度響應(yīng)，通常足以識(shí)別煤中的碳和氫能譜測(cè)井·灰成分（包括粘土礦物）具有指示更多元素的效應(yīng)，增加的典型元素有硅、鈣、鐵、鋁和鉀注：*灰成分指煤中能形成灰分的礦物成分第二節(jié) 測(cè)井響應(yīng)解釋煤層氣含量煤層含氣量與成煤物質(zhì)、沉積環(huán)境、煤巖組成、煤體結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度、埋深、煤厚及水文地質(zhì)條件等關(guān)系密切。煤層含氣量隨鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組含量及煤厚的增加而增加，隨煤體結(jié)構(gòu)破碎程度的加大而增大，隨變質(zhì)程度和埋深的加深而

20、增加。煤巖組成直接影響到煤層電阻率（數(shù)字測(cè)井，下同）或視電阻率（模擬測(cè)井，下同）的高低，煤層體積密度與煤體結(jié)構(gòu)相關(guān)，可直接從密度（數(shù)字測(cè)井，下同）或伽瑪伽瑪（模擬測(cè)井，下同）測(cè)井曲線上得到反映。在相鄰礦區(qū)或井田內(nèi)，由于成煤物質(zhì)、沉積環(huán)境、變質(zhì)程度、水分和礦物質(zhì)含量相似，煤層含氣量和煤體結(jié)構(gòu)將在測(cè)井響應(yīng)上得到反映。一、測(cè)井評(píng)價(jià)煤層物性的理論依據(jù)煤層氣大部分以吸附態(tài)存在于煤中微孔隙的內(nèi)表面，少部分以游離態(tài)存在于煤裂隙和大孔隙中，極小部分溶解于煤層內(nèi)的水體中。煤中甲烷含量與煤中有機(jī)質(zhì)（純煤）、礦物雜質(zhì)和水分之間存在著明顯的物性差異（表8-2）。甲烷氣體的電阻率為104109m,密度為0.716kg/

21、cm3，考慮煤層甲烷的吸附性，它的密度是其與孔壁之間距離的函數(shù)，其密度亦不超過(guò)0.2 g/cm3，聲波時(shí)差為2260m/s；而煙煤純煤的電阻率僅為100500m，密度為1.251.35 g/cm3，聲波時(shí)差為400560m/s。煤層的物性要受到煤中甲烷含量的影響。在成煤物質(zhì)、沉積環(huán)境、煤變質(zhì)程度、水分和礦物雜質(zhì)含量相似的煤層中，煤體結(jié)構(gòu)愈破碎，煤層體積密度愈低，孔隙率愈大，甲烷含量愈高，煤層電阻率愈大，自然伽瑪減弱，而聲波時(shí)差則相應(yīng)增大。近年來(lái)，施工的煤層氣井大多采用清水鉆進(jìn)，并進(jìn)行井徑校正，數(shù)字測(cè)井與上述特征較為吻合，但以往煤田地質(zhì)勘探多采用泥漿護(hù)壁，由于構(gòu)造煤的塌落、泥餅的形成，模擬測(cè)井響

22、應(yīng)值與上述特征存在一定的差異。表 8-2 純煤、礦物質(zhì)、水分和甲烷的物理性質(zhì)物質(zhì)名稱物理性質(zhì)電阻率m密度g/cm3聲波時(shí)差m/s自然伽瑪api有機(jī)質(zhì)褐煤的純煤4040001.101.254005600煙煤的純煤10050001.251.35無(wú)煙煤的純煤0.0011001.351.50無(wú)機(jī)質(zhì)礦物質(zhì)石英101210142.651820但正長(zhǎng)石為255.29長(zhǎng)石4×10112.60180方解石5×1085×10122.71156白云石5×1085×10122.85143粘土礦物n×1032.002.60180250高嶺石：7.85蒙脫石：4

23、.45伊利石：86.68綠泥石：94.86黃鐵礦10-810-45.05901000水份10-8 n×1021.001.22620655純水為0甲烷氣體1041090.000716822600據(jù)b. 勞森等，1987二、測(cè)井響應(yīng)擬合煤層氣含量測(cè)井響應(yīng)擬合煤層氣含量的工作步驟依次為數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、逐步回歸分析、數(shù)學(xué)模型建立和質(zhì)量檢驗(yàn)。若效果顯著，就可以利用該數(shù)學(xué)模型對(duì)有測(cè)井曲線而無(wú)煤層氣含量的鉆孔進(jìn)行煤層含氣性預(yù)測(cè)。1、數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是從鉆探取芯、化驗(yàn)測(cè)試和測(cè)井解釋成果中分別取得煤樣的甲烷含量、鉆探取樣的深度、取芯的長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)的測(cè)井深度、測(cè)井響應(yīng)值等原始數(shù)據(jù)。1）采樣深度為了反應(yīng)外

24、界壓力（地層壓力）和環(huán)境溫度（地溫）對(duì)煤層甲烷含量的影響，掌握其規(guī)律，除采集煤層甲烷含量及煤工業(yè)分析等原始數(shù)據(jù)外，還同時(shí)采集測(cè)定甲烷含量的取樣深度。取樣深度采自鉆探取芯深度的記錄，但鉆探深度與測(cè)井解釋深度不一致時(shí)，要作深度校正，使實(shí)測(cè)甲烷含量深度與采集的測(cè)井響應(yīng)值深度相對(duì)應(yīng)。2）測(cè)井參數(shù)4模擬測(cè)井資料采集視電阻率（r）、伽瑪伽瑪（rr）、和自然伽瑪（r）三種參數(shù)（圖8-2）。而數(shù)字測(cè)井資料則采集電阻率（r）、密度（）、自然伽瑪（r）和聲波時(shí)差（t）四種參數(shù)（圖8-3）。測(cè)井參數(shù)是采自與測(cè)定甲烷含量的取樣深度、取樣長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)層段的測(cè)井響應(yīng)的平均值。圖8-2煤層模擬測(cè)井曲線2、預(yù)處理預(yù)處理是指對(duì)鉆

25、探的取樣深度與測(cè)井深度進(jìn)行匹配、煤層甲烷含量基準(zhǔn)換算和測(cè)井響應(yīng)值的歸一化。1）鉆探取樣深度校正鉆探的取樣深度、厚度與測(cè)井解釋的結(jié)果往往不一致，甚至有時(shí)差別還較大，為此必須對(duì)鉆探取樣深度進(jìn)行校正，才能使煤樣的甲烷含量與測(cè)井響應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。若煤層取芯率高，煤層結(jié)構(gòu)的測(cè)井解釋結(jié)果與鉆探取芯相差不大，則取樣深度校正方法如圖8-4所示。校正后的取樣深度為： （8-1）式中，h、鉆探取芯和測(cè)井解釋所得的煤層厚度； d1、d2、d 鉆探的煤層頂、底界面深度和取樣深度；、 測(cè)井解釋所得的煤層頂、底界面深度和經(jīng)校正后的取樣深度。 2）甲烷含量基準(zhǔn)換算我國(guó)早期集氣法所測(cè)煤層氣含量結(jié)果偏低，資料一般不能使用。測(cè)井響應(yīng)

26、擬合煤層氣含量可采用解吸法所測(cè)成果。測(cè)井參數(shù)是煤層處于原始狀態(tài)條件下記錄的，煤層甲烷含量要用原煤的，對(duì)干燥無(wú)灰基甲烷含量、干燥基甲烷含量、空氣干燥基甲烷含量都要經(jīng)過(guò)換算成收到基甲烷含量。即： （8-2）式中，（ch4）甲烷含量；a、m煤樣灰分含量和水分含量；ar、ad、d、daf分別為收到基、空氣干燥基、干燥基和干燥無(wú)灰基。 圖 8-3煤層數(shù)字測(cè)井曲線3）物性參數(shù)歸一化處理數(shù)據(jù)歸一化處理的目的在于消除儀器性能差異和克服參與回歸分析的數(shù)據(jù)因數(shù)量級(jí)不同帶來(lái)的影響。在采集煤層物性參數(shù)的同時(shí)，采集標(biāo)志層相對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)及各種參數(shù)剔除基巖風(fēng)化層、氧化層后的最大值、最小值。標(biāo)志層為區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，物性特征明

27、顯且全區(qū)可對(duì)比的巖層，一般選擇鋁質(zhì)泥巖或純石灰?guī)r作為物性標(biāo)志層?；鶐r風(fēng)氧化帶內(nèi)發(fā)生了一系列的物理和化學(xué)作用，巖石結(jié)構(gòu)疏松、顆粒間的聯(lián)結(jié)性較弱、裂隙發(fā)育、含水增多、強(qiáng)度降低、并產(chǎn)生次生礦物，表現(xiàn)在測(cè)井曲線上，其響應(yīng)值亦發(fā)生了相應(yīng)變化，視電阻率、自然伽瑪及密度降低，聲波時(shí)差增大。在基 圖8-4 取樣深度校正示意圖巖風(fēng)氧化帶內(nèi)，風(fēng)氧化作用的強(qiáng)度不同，愈靠近地表，風(fēng)氧化作用愈強(qiáng)，向下逐漸減弱，直至風(fēng)氧化作用停止。正因?yàn)轱L(fēng)氧化作用這一垂向變化的規(guī)律性表現(xiàn)在測(cè)井曲線上由淺入深、相應(yīng)地呈現(xiàn)出漸變過(guò)程，直至恢復(fù)正常，其視電阻率由淺入深，曲線幅值逐漸升高，密度曲線反映的變化呈現(xiàn)由小到大的趨勢(shì)，曲線形態(tài)緩波狀較為

28、明顯，聲波速度曲線跳躍明顯。利用上述校正的取樣深度和煤樣長(zhǎng)度，在測(cè)井曲線上相應(yīng)深度和長(zhǎng)度內(nèi)采集取樣深度范圍內(nèi)的測(cè)井響應(yīng)平均值。并對(duì)采集的物性參數(shù)，數(shù)字測(cè)井按下式進(jìn)行歸一化處理，即： （8-3）模擬測(cè)井按下式進(jìn)行歸一化處理，即： （8-4）式中，x原始數(shù)據(jù)， xb 標(biāo)志層的原始數(shù)據(jù)；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)；xmax、xmin剔除風(fēng)氧化帶后煤層或基巖物性參數(shù)的最大值和最小值。3、逐步回歸分析逐步回歸分析是眾所周知的、常見的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法之一，實(shí)際上是一種最優(yōu)化的多元回方程逐步選擇的過(guò)程，其基本思路是將自變量一個(gè)一個(gè)地引入，每次引入自變量的條件是：該變量必須在上次引入中與因變量的偏回歸平方和的f檢驗(yàn)為最顯著；

29、同時(shí)在引入新變量時(shí)，對(duì)已引入的老變量作重復(fù)檢驗(yàn)，并剔除已變?yōu)椴伙@著的老變量，依次循環(huán)往復(fù)直到最后一個(gè)自變量為止，最終得到的即為最優(yōu)化的多元回歸方程。對(duì)多元回歸方程必須進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)（包括顯著性檢驗(yàn)和精度檢驗(yàn)），以示其可靠性和精確程度。第三節(jié) 測(cè)井響應(yīng)評(píng)價(jià)煤體結(jié)構(gòu)煤體結(jié)構(gòu)是煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下形變的產(chǎn)物，是煤層滲透率的間接反映。自然界的煤層在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，不僅隨圍巖一起發(fā)生褶皺和斷裂，而且煤層在彎曲變形時(shí)，還不同程度地發(fā)生順層滑動(dòng)，滑面可以出現(xiàn)在煤層和頂板之間，造成頂部煤層破碎為“構(gòu)造煤”、“軟煤”或“酥煤”，也可以發(fā)生在煤層中間，造成中部煤層破碎為“構(gòu)造煤”， 也可以發(fā)生在煤層底部，造成

30、底部煤層破碎為“構(gòu)造煤”。有些地區(qū)受滑脫構(gòu)造的影響，厚煤層絕大部分為構(gòu)造煤。由于破碎程度不一，有碎裂狀、角礫狀、鱗片狀，煤儲(chǔ)層滲透性差異巨大；構(gòu)造煤分布形式多種多樣，有的順層分布，有的局部出現(xiàn)在斷層的兩側(cè)，有的出現(xiàn)在次級(jí)褶皺的軸部；構(gòu)造煤原因復(fù)雜，可由構(gòu)造或巖漿巖而引起，也可由頂、底板圍巖所導(dǎo)致，還可因煤厚及其變化而產(chǎn)生。一、煤體結(jié)構(gòu)分類基于煤與瓦斯突出的研究，原蘇聯(lián)礦業(yè)研究所（1958）將煤體結(jié)構(gòu)分為五類：類非破壞煤；類破壞煤；類強(qiáng)烈破壞煤（片狀煤）；類碎粉煤（粒狀煤）；類全粉煤（土狀煤）。原中國(guó)煤炭工業(yè)部1988年頒發(fā)的“防治煤與瓦斯突出細(xì)則”中也采用這五類。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)瓦斯組1979年根

31、據(jù)煤與瓦斯突出難易程度把煤體結(jié)構(gòu)分為甲、乙、丙三類。焦作礦業(yè)學(xué)院袁崇孚教授1982年將煤體結(jié)構(gòu)分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粉煤和糜棱煤四類，之后各種分類不斷出現(xiàn)，如1993年焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究所根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)的宏觀和微觀特征、力學(xué)性質(zhì)、瓦斯特征、超聲波傳播特征和瓦斯突出參數(shù)等進(jìn)行了煤體結(jié)構(gòu)的定量劃分。朱興珊（1995）在對(duì)南桐礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上將煤體結(jié)構(gòu)劃分為二大類四型七種。傅雪海（1999）結(jié)合地球物理測(cè)井曲線將煤體結(jié)構(gòu)分為原生結(jié)構(gòu)碎裂煤（類）、碎斑煤（類）和糜棱煤或碎粉煤（類）三類。 原生結(jié)構(gòu)煤碎裂煤具有煤層氣勘探開發(fā)的良好物性條件，碎斑煤、糜棱煤或碎粉煤煤體松軟，強(qiáng)度低，滲透性差

32、。無(wú)疑，就煤層氣開發(fā)而言，尋找原生結(jié)構(gòu)煤碎裂煤分布區(qū)作為煤層氣的勘探選區(qū)，避開煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈破壞區(qū)段，將是煤體結(jié)構(gòu)特征研究的主要目的。二、煤體結(jié)構(gòu)研究方法研究煤體結(jié)構(gòu)最直接的方法是鉆孔編錄和井下實(shí)際觀察，間接的方法可通過(guò)區(qū)域構(gòu)造演化歷史來(lái)分析，或利用三維地震勘探和測(cè)井曲線來(lái)解釋。1、井下觀察和鉆孔編錄生產(chǎn)礦井煤體結(jié)構(gòu)常分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粉煤和糜棱煤四類。其主要特征見表8-3。 陸國(guó)楨等（1990）對(duì)淮北宿東向斜蘆嶺礦8煤層進(jìn)行了詳細(xì)煤體結(jié)構(gòu)描述。8煤層頂部為原生結(jié)構(gòu)煤碎裂煤，中部為碎粉煤，碎粉煤上下全為糜棱煤（圖8-5）。表8-3煤體結(jié)構(gòu)特征類型賦存狀態(tài)和分層特點(diǎn)光澤和層理煤體破碎程度裂

33、隙、揉皺發(fā)育程度手試程度原生結(jié)構(gòu)煤層狀、似層狀，與上下分層整合接觸煤巖類型界線清晰，原生條帶狀結(jié)構(gòu)明顯呈現(xiàn)較大的保持棱角狀的塊體，塊體間無(wú)相對(duì)位移內(nèi)、外生裂隙均可辨認(rèn)，未見揉皺鏡面不動(dòng)或成厘米級(jí)塊碎裂煤層狀、似層狀透鏡狀，與上下分層呈整合接觸煤巖類型界線清晰，原生條帶結(jié)構(gòu)斷續(xù)可見呈現(xiàn)棱角狀塊體，但塊間已有相對(duì)位移煤體被多組互相交切的裂隙切割，未見揉皺鏡面可捻搓成厘米、毫米級(jí)或煤粉碎粉煤透鏡狀、團(tuán)塊狀，與上下分層呈構(gòu)造不整合接觸光澤暗淡，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞煤被揉搓捻碎,主要粒級(jí)在1mm以上構(gòu)造鏡面發(fā)育易捻搓成毫米級(jí)碎粒或煤粉糜棱煤透鏡狀、團(tuán)塊狀，與上下分層呈構(gòu)造不整合接觸光澤暗淡，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞

34、煤被揉搓捻碎得更小，主要粒級(jí)在1mm以下構(gòu)造、揉皺鏡面發(fā)育極易捻搓成粉末或粉塵碎粉煤糜棱煤圖8-5 蘆嶺礦8煤層煤體結(jié)構(gòu)類型圖 （1:100，引自陸國(guó)楨等，1990）2、測(cè)井曲線分析井巷編錄對(duì)未采區(qū)的資料無(wú)法獲取，鉆孔取芯常因構(gòu)造煤松軟，取芯率低，進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確度不高，地球物理測(cè)井曲線評(píng)價(jià)煤體結(jié)構(gòu)是一種嶄新的思路和方法。 不同煤體結(jié)構(gòu)類型的劃分主要是通過(guò)煤層測(cè)井曲線幅值大小和形態(tài)特征的對(duì)比、數(shù)據(jù)采集來(lái)確定。因此利用鉆孔測(cè)井曲線研究煤體結(jié)構(gòu)時(shí)，以不同煤體結(jié)構(gòu)類型的測(cè)井曲線反映為依據(jù)，由已知到未知，由點(diǎn)到面逐步展開。 首先，掌握研究區(qū)內(nèi)主要煤層原生結(jié)構(gòu)煤的地球物理性質(zhì)及測(cè)井參數(shù)幅值變化和基本

35、形態(tài)特征。了解所研究的煤層測(cè)井曲線幅值和基本形態(tài)在區(qū)域及層域上的變化規(guī)律。 其次， 對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)觀察、描述、分層和統(tǒng)計(jì)，并與生產(chǎn)礦井所揭露的勘探鉆孔測(cè)井曲線進(jìn)行對(duì)照，尋找煤體結(jié)構(gòu)類型與測(cè)井參數(shù)幅值變化之間的關(guān)系； 第三，在上述分析和研究的基礎(chǔ)上，將要分析的層點(diǎn)測(cè)井曲線與同一煤層的原生結(jié)構(gòu)煤的測(cè)井曲線進(jìn)行對(duì)比，比較同一種參數(shù)曲線之間的差異，以確定該點(diǎn)測(cè)井曲線有無(wú)變化及變化的部位和變化的明顯程度； 第四，將要分析的層點(diǎn)測(cè)井曲線與同一鉆孔中其它煤層的測(cè)井響應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比，分析該點(diǎn)測(cè)井曲線幅值和基本形態(tài)是否符合層域之間的變化規(guī)律，對(duì)異常變化部位要分析其影響因素，保證判識(shí)的淮確性； 第五，將要分

36、析的層點(diǎn)測(cè)井曲線與鄰近鉆孔中同一煤層的測(cè)井響應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比，分析該點(diǎn)測(cè)井曲線幅值和基本形態(tài)是否符合區(qū)域上的變化規(guī)律，對(duì)異常變化部位要分析其影響因素，保證資料解釋的一致性；第六，對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)劃分時(shí)，適當(dāng)參考鉆孔煤芯的煤體結(jié)構(gòu)描述。3、聚類分析 選擇1：50的精測(cè)曲線，對(duì)煤層按1m或0.5m的間隔采集一組測(cè)井響應(yīng)值（包括已知煤體結(jié)構(gòu)的測(cè)井曲線，編上順序號(hào)，便于聚類分析），按式（8-3）或式（8-4）進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)利用聚類分析法劃分煤體結(jié)構(gòu)類型。聚類分析是多元統(tǒng)計(jì)方法中的一種數(shù)學(xué)分類方法，就是把研究對(duì)象看作空間中的點(diǎn)，然后用數(shù)學(xué)方法研究點(diǎn)與點(diǎn)之間的疏密關(guān)系或研究對(duì)象之間的相似

37、性，最后把關(guān)系密切的點(diǎn)歸為一類，以達(dá)到對(duì)研究對(duì)象分類或?qū)Ρ鹊哪康摹２捎胵型聚類分析中“相關(guān)系數(shù)”、“相似系數(shù)”、“歐氏距離”、“斜交距離”、“類平均值法”、“離差平方和增量”、“最長(zhǎng)距離法”、“最短距離法”和“重心法”分別進(jìn)行聚類分析，經(jīng)與井下或鉆孔對(duì)照，選擇最合適的方法劃分煤體結(jié)構(gòu)類型。如傅雪海（1997）對(duì)淮北宿南向斜桃園井田cq-4數(shù)字測(cè)井孔以“最短距離”法劃分煤體結(jié)構(gòu)如圖8-6， 測(cè)井曲線劃分的煤體結(jié)構(gòu)類型與井下觀察和鉆孔描述的基本一致。圖8-6 淮北宿南向斜桃園井田cq-4煤層氣井煤體結(jié)構(gòu)井下觀察與測(cè)井解釋對(duì)照?qǐng)D第四節(jié) 煤儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)影響煤儲(chǔ)層滲透率的因素是十分復(fù)雜的，主要有地應(yīng)力

38、、煤體結(jié)構(gòu)、天然裂隙、地質(zhì)構(gòu)造、埋深、煤巖、煤質(zhì)及水文地質(zhì)條件等，有時(shí)是多因素綜合作用，有時(shí)是某因素起主導(dǎo)作用。大量的實(shí)測(cè)資料和研究成果均已揭示出煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率有重要影響，碎斑煤（）、糜棱煤（）的發(fā)育與分布是造成煤層滲透率降低及區(qū)域變化的主要原因，了解和預(yù)測(cè)、類煤的分布特征，將是預(yù)測(cè)煤層滲透率區(qū)域變化的一種有效途徑。因此，在利用地球物理測(cè)井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可依據(jù)、類煤的發(fā)育程度，預(yù)測(cè)煤儲(chǔ)層滲透率的區(qū)域變化，為構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)煤層氣勘探部署提供新的決策依據(jù)，也可為煤層氣開發(fā)前景評(píng)價(jià)提供可資借鑒的思路和方法。一、煤體結(jié)構(gòu)類型的厚度和比例計(jì)算 各種結(jié)構(gòu)類型煤分層的定厚應(yīng)在反映變化

39、相對(duì)明顯的主要測(cè)井參數(shù)曲線上進(jìn)行，以發(fā)生變化的始、末點(diǎn)作為分層界線點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的煤厚即為該結(jié)構(gòu)類型煤的分層厚度。鉆孔見煤層點(diǎn)中、類煤的發(fā)育程度可以由、類煤的厚度或、類煤厚度占層點(diǎn)純煤總厚的百分比兩種方式予以表征?？紤]到各煤層的自然賦存厚度在平面上有較大的差別和一定的變化，使、類煤厚度的可比性較差，為了便于、類煤發(fā)育程度的相互比較，可采用鉆孔見煤點(diǎn)、類煤的厚度百分比作為評(píng)價(jià)、類煤發(fā)育程度及煤體結(jié)構(gòu)分布特征的基本參數(shù)。據(jù)此，將、類煤發(fā)育程度及區(qū)域分布劃分為三種級(jí)別類型，即：、類煤不發(fā)育區(qū)、類煤厚度比例小于20的層點(diǎn)分布區(qū)；、類煤較發(fā)育區(qū)、類煤厚度比例界于2050%的層點(diǎn)分布區(qū)；、類煤發(fā)育區(qū)、類煤厚

40、度比例大于50的層點(diǎn)分布區(qū)。二、滲透率預(yù)測(cè)基于、類煤厚度百分比的計(jì)算和煤層氣試井成果，建立煤層氣井煤儲(chǔ)層滲透率與、類煤發(fā)育程度間的相互關(guān)系，對(duì)同一礦區(qū)或井田內(nèi)沒有進(jìn)行煤層氣試井的地區(qū)的煤儲(chǔ)層滲透度進(jìn)行預(yù)測(cè)。如淮南潘謝礦區(qū)、類煤厚度百分比與實(shí)測(cè)滲透率之間具有良好的相關(guān)性（圖8-7），即、類煤比例越高，滲透率越低，反之滲透率越高。這一解釋成果既進(jìn)一步證實(shí)了、類煤的發(fā)育乃是造成滲透率偏低的主要原因，同時(shí)也反證了測(cè)井曲線判識(shí)、類煤方法的可行性和對(duì)所取得的曲線形態(tài)認(rèn)識(shí)的可靠性。圖8-7中煤層滲透率值與、類煤厚度比例間相互關(guān)系*葉詩(shī)忠，章云根，曾慶華等. 兩淮煤田煤層氣儲(chǔ)層特征、甲烷富集機(jī)制及開發(fā)前景評(píng)價(jià)

41、.科研報(bào)告. 1998，可近似地表達(dá)為： （8-5）式中，k煤儲(chǔ)層滲透率，10-3m2；煤層中、類煤所占的厚度比。由式（8-5）可知，當(dāng)目的煤層中、類煤厚度比例大于50時(shí)，其煤儲(chǔ)層滲透率將小于0.110-3m2；只有在、類煤所占厚度比低于25時(shí)， 滲透率才有可能達(dá)到110-3m2以上。 圖8-7 實(shí)測(cè)滲透率與、類煤厚度比關(guān)系圖三、 滲透率分布根據(jù)前述、類煤厚度比分區(qū)，相應(yīng)地把滲透率亦分為三種不同級(jí)別類型，即：高滲區(qū) 、類煤厚度比例小于20，滲透率大于110-3m2；中滲區(qū) 、類煤厚度比例介于2050%，滲透率介于0.1110-3m2；低滲區(qū) 、類煤厚度比例大于50，滲透率小于0.110-3m2

42、。綜上所述，原生結(jié)構(gòu)碎裂煤（類煤）分布區(qū)，就是相對(duì)高滲區(qū)，、類煤發(fā)育區(qū)，即為相對(duì)低滲區(qū)。低滲區(qū)的分布有以下特點(diǎn)。 區(qū)域上，推覆構(gòu)造下盤或推覆體夾塊部位，是、類煤相對(duì)發(fā)育部位。在擠壓應(yīng)力作用下，沿煤層這一軟弱層產(chǎn)生強(qiáng)烈層間滑動(dòng)所致；在層域上，厚度大的煤層、類煤分層相對(duì)較為發(fā)育，這是由于厚煤層總體力學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)較差，強(qiáng)度相對(duì)較低，在相同的構(gòu)造應(yīng)力作用下，更易產(chǎn)生層間滑動(dòng)，導(dǎo)致煤體破壞。就同一煤層而言，、類煤的發(fā)育具有如下特點(diǎn)： 1）在印支燕山期形成的斷層面附近，是、類煤的主要發(fā)育部位。斷層越密集，、類煤越發(fā)育；斷層規(guī)模越大，、類煤發(fā)育帶越寬。在斷層兩側(cè)，煤層中均發(fā)育與斷層走向近于平行的、類煤帶，斷

43、層的延展方向控制了煤體結(jié)構(gòu)的走勢(shì)。這是由于斷層除對(duì)煤層產(chǎn)生直接破壞外，還在斷層附近形成構(gòu)造應(yīng)力集中帶，造成煤層順層剪切過(guò)程中的破壞加劇而形成斷層帶附近的、類煤發(fā)育條帶。 2）在煤層厚度變化較大的部位，易發(fā)育、類煤。煤厚急劇變化現(xiàn)象本身就是煤層碎裂流變的結(jié)果，也可能是因?yàn)槊簩釉穸染植客蛔?。在突變帶?nèi)，煤的受力狀態(tài)與正常煤厚帶不同而導(dǎo)致偏應(yīng)力的存在，煤層易受破壞。3）在煤層走向急劇轉(zhuǎn)折部位，易發(fā)育、類煤。煤層走向的急劇轉(zhuǎn)折必然導(dǎo)致應(yīng)力方向的改變，造成煤體破壞程度的提高。第十章 煤層氣數(shù)值模擬技術(shù)與方法數(shù)值模擬技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中應(yīng)用較廣。煤層氣儲(chǔ)層模擬是進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè)、地面開發(fā)前景評(píng)價(jià)和生產(chǎn)工

44、藝優(yōu)選等的重要手段；煤層氣地史演化數(shù)值模擬則主要用于定量研究煤層氣的生成、逸散和賦存的演化規(guī)律。此外，數(shù)值模擬技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層研究和儲(chǔ)量計(jì)算等方面。第一節(jié) 煤層氣儲(chǔ)層模擬技術(shù)一、 概述煤層氣儲(chǔ)層模擬（reservoir simulation）又稱為產(chǎn)能模擬（coalbed methane production modeling），無(wú)論是在常規(guī)油氣還是在煤層氣勘探開發(fā)過(guò)程中，通常都需要進(jìn)行這項(xiàng)工作。儲(chǔ)層模擬是將地質(zhì)、巖石物性和生產(chǎn)作業(yè)集于一體的過(guò)程，在此過(guò)程中使用的工具就是儲(chǔ)層模擬軟件。儲(chǔ)層模擬實(shí)際上是在生產(chǎn)井的部分參數(shù)已知的條件下，解算描述儲(chǔ)層中流體流動(dòng)的一系列方程，通過(guò)歷史匹配，

45、對(duì)井的產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量等參數(shù)及其變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)的工作。預(yù)測(cè)的時(shí)間可在幾個(gè)月、幾年甚至幾十年。產(chǎn)能參數(shù)是選擇開采工藝、開采設(shè)備的重要依據(jù)，同時(shí)，還可根據(jù)產(chǎn)能參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)井的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨著煤層氣開發(fā)試驗(yàn)的相繼實(shí)施和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，科技工作者對(duì)煤層氣的生氣、儲(chǔ)集和運(yùn)移規(guī)律有了更深入的理解，同時(shí)，也意識(shí)到需要有一個(gè)有效的工具，來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)井氣、水產(chǎn)量數(shù)據(jù)的歷史擬合，以便獲取更為客觀的煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)，預(yù)測(cè)煤層氣井的長(zhǎng)期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量。同時(shí)為井網(wǎng)布置、完井方案、生產(chǎn)工作制度、氣藏動(dòng)態(tài)管理，煤層氣開發(fā)方案等提供科學(xué)依據(jù)。正是在這種背景下，煤儲(chǔ)層數(shù)值模擬研究工作，在繼續(xù)圍繞煤礦瓦斯研究的同時(shí)，借

46、鑒油氣藏?cái)?shù)值模擬理論、技術(shù)和方法，擴(kuò)展到地面煤層氣資源勘探、開發(fā)領(lǐng)域。1981年，由美國(guó)天然氣研究所（gri）主持，美國(guó)鋼鐵公司（us steel）和賓州大學(xué)等承擔(dān)了煤層氣產(chǎn)量模擬器與數(shù)學(xué)模型開發(fā)項(xiàng)目（development of coal gas production simulators and mathematical models for well test strategies）。在該項(xiàng)目中，pavone和schwerer基于雙孔隙、擬穩(wěn)態(tài)、非平衡吸附模型，建立了描述煤儲(chǔ)層中氣、水兩相流動(dòng)的偏微分方程組，采用全隱式進(jìn)行求解，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件arrays。該軟件包括well1d

47、和well2d兩個(gè)程序，分別模擬未壓裂、壓裂的單個(gè)煤層氣井（單井規(guī)模）和多個(gè)煤層氣井（全氣田規(guī)模）的氣、水產(chǎn)能動(dòng)態(tài)。與此同時(shí)，賓州大學(xué)的ertekin和king，開發(fā)了類似于arrays模型的單井模型psu-1。該模型對(duì)方程組在空間和時(shí)間上進(jìn)行差分離散，按全隱式、newton-raphson方法進(jìn)行求解。后來(lái)，psu-1模型和arrays模型組合在一起形成了grussp軟件包，被推廣應(yīng)用。1984年，remner把psu-1模型升級(jí)為psu-2模型，使其能夠處理多個(gè)煤層氣井（全氣田規(guī)模）的數(shù)值工作。1987年sung開發(fā)的psu-4模型，包括了有限導(dǎo)流裂縫、水平鉆孔和生產(chǎn)煤礦工作面。1987年

48、，在美國(guó)天然氣研究所的支持下，icf lewin energy開發(fā)出了專門用于煤層氣藏模擬的雙孔隙、二維、氣-水兩相模型comet（coalbed methane technology），隨后又推出了微機(jī)版的cometpc 模型。comet模型是從sugarwat模型（devonian 泥巖模擬器）修改而成的。comet模型與arrays模型和psu模型有許多相同的物理和數(shù)值特性，其最重要的貢獻(xiàn)是友好的用戶界面。1989年，美國(guó)天然氣研究所與國(guó)際先進(jìn)能源公司（advanced resource international, inc.，簡(jiǎn)稱ari公司）等13個(gè)公司和工業(yè)財(cái)團(tuán)聯(lián)合，在cometpc

49、模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)出了cometpc-3d模型，它是一個(gè)功能強(qiáng)大、三維、氣-水兩相流的計(jì)算機(jī)模型，可模擬多井、多層和壓裂井，同時(shí)考慮了重力效應(yīng)、溶解氣、孔隙壓縮系數(shù)、煤基質(zhì)收縮系數(shù)以及應(yīng)力對(duì)滲透率的影響。與此同時(shí)， s.a.holditch & associates, inc.（sah）獨(dú)立開發(fā)了另一個(gè)可模擬煤層氣和非常規(guī)氣的儲(chǔ)層模擬器coalgas。其煤層氣模擬的特性與grussp和comet模擬器類似。該模擬器具有平衡吸附和擬穩(wěn)態(tài)非平衡吸附兩種選項(xiàng)，以及圖示化、菜單式的前處理和后處理功能，因而操作方便，顯示結(jié)果直觀。1998年，ari公司又推出新產(chǎn)品comet 2，2000年9

50、月升級(jí)到comet2.10版。該軟件增加了三孔隙雙滲透率模型，差分方程組采用全隱式求解，井按全隱式算法處理，可模擬注二氧化碳或氮?dú)馓岣呒淄椴墒章?，運(yùn)行的操作系統(tǒng)為windows98、windows2000、windowsxp或windowsnt，從而使模型的功能更強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定性更好，計(jì)算精度更高；同時(shí)運(yùn)行速度大大加快，縮短了模擬計(jì)算時(shí)間，提高了模擬工作效率。雖然至今已有52個(gè)煤層氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型問(wèn)世，但是已形成計(jì)算機(jī)軟件的不多，其中有arrays（well1d、well2d）、psu（psu-1、psu-2、psu-3、psu-4）、grussp、comet、cometpc、comet3d

51、、comet2和coalgas，真正得到推廣應(yīng)用的可能只有g(shù)russp、comet和coalgas軟件。盡管comet2軟件是目前功能最強(qiáng)大的煤層氣模擬軟件，但目前在煤層氣勘探開發(fā)研究和生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的軟件是comet3d。雖然我國(guó)瓦斯抽放開展得較早，煤層氣開發(fā)也進(jìn)行了相當(dāng)一段時(shí)間，但總體而言煤層氣儲(chǔ)層模擬工作開展不多。近年來(lái)，一些單位引進(jìn)了comet或coalgas軟件，進(jìn)行過(guò)零星的模擬研究，但針對(duì)中國(guó)煤儲(chǔ)層特點(diǎn)的儲(chǔ)層模擬軟件尚沒有。二、 煤層氣產(chǎn)出的地質(zhì)和數(shù)學(xué)模型煤層氣的產(chǎn)出大致可分為三個(gè)階段。第一階段稱為單相流動(dòng)階段，隨著井筒附近壓力的下降，首先只有水沿著裂隙流向井筒而產(chǎn)出，因?yàn)檫@時(shí)壓

52、力下降比較少，井壁附近只有單相（水）流動(dòng)（圖6-1）。第二階段稱為非飽和單相流動(dòng)階段，儲(chǔ)層壓力進(jìn)一步下降，開始有一定數(shù)量的甲烷解吸出來(lái)，形成孤立的氣泡，這些氣泡不能流動(dòng)，但它們阻礙了水的流動(dòng)。第三階段為氣、水兩相流動(dòng)階段，隨著解吸甲烷的增加，氣泡相互連接形成流線，氣、水兩相同時(shí)流向井筒而產(chǎn)出。這三個(gè)階段是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，由井筒沿徑向逐漸向周圍的煤層中推進(jìn)。地面煤層氣井氣、水產(chǎn)能也可以分成三個(gè)階段。第一階段為抽水降壓階段，通過(guò)抽水，形成一個(gè)以井筒為中心的降壓漏斗（圖10-2），當(dāng)壓力降到臨界解吸壓力以下時(shí)，甲烷開始解吸，煤層氣的產(chǎn)量逐漸升高，這一階段的時(shí)間可在幾天或數(shù)月之間。第二

53、階段為穩(wěn)定生產(chǎn)階段，產(chǎn)氣量相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)水量逐漸下降，產(chǎn)氣量在此階段內(nèi)達(dá)到最高峰，這一階段通常在35年之間（圖10-2）。第三階段為產(chǎn)量下降階段，此階段內(nèi)只產(chǎn)出少量的水，產(chǎn)氣量逐漸下降，生產(chǎn)時(shí)間一般在10年以上。煤層煤層地面地面降壓漏斗臨界解吸壓力煤層氣解吸區(qū)抽水引起壓力降落儲(chǔ)層初始?jí)毫D10-1 煤層氣排水降壓產(chǎn)出示意圖水氣iiiiii時(shí)間產(chǎn)量 圖10-2 煤層氣、水產(chǎn)量變化的三個(gè)階段煤層氣的產(chǎn)出包括解吸擴(kuò)散滲流三個(gè)階段，這與砂巖、碳酸鹽巖等儲(chǔ)層中的常規(guī)天然氣只有通過(guò)巖石孔隙滲流的產(chǎn)出過(guò)程具有很大的差別。1、擴(kuò)散與解吸煤層氣的解吸與吸附是一個(gè)可逆過(guò)程，所以其解吸同樣可用朗格繆爾方程來(lái)描述。 （1