煤层气的勘探开发

1、煤层气的勘探开发第 八 章 煤储层的地球物理特征*1第 十 章 煤层气数值模拟技术与方法16第十一章 煤层气的勘探开发技术35第八章 煤储层的地球物理特征*随着测井技术的发展，测井响应不但能提供岩层层位、岩性、煤岩煤质参数、含水层参数、孔隙度、力学参数及沉积环境分析等多种测井成果。近年来，在煤层气含量拟合、煤体结构评价及煤储层渗透率预测方面也取得了长足发展。第一节 煤层气测井方法为评价煤层气的储层特征，普遍采用的测井方法有电阻率、自然电位、自然伽玛、密度（伽玛伽玛）、声波、中子、自然伽玛射线能谱、地球化学测井等。一、电阻率测井地层电阻率是一种岩石特征，它反映岩石对电流的传导能力。电阻率测井有两

2、种基本形式，一种是“电”测井，另一种是“感应”测井。电测井是一种用一系列电极测量地层电阻率的技术。电流在两个电极之间通过，测得其它电极间的综合电压。根据地层中已知的电流流动模式，可将测得的电压转换成地层的电阻率。电流流动模式是各种参数（如井径、钻井液、盐度等）之间电极距的函数。知道了这些参数，电压量就能换算成地层的电阻率值。因此，一系列读数就变换成地层电阻率的测井值。电极距的大小影响探测深度。“探测深度”是指从井孔中进入岩石内代表总的读出数据达50的辐射深度。地层的电阻率随探测深度的变化而变化，因为在钻井过程中，当泥浆柱压力高于地层压力时，泥浆滤液向可渗透的岩层侵入，在渗透层靠近井孔的部分形成

3、泥浆滤液的侵入带，并在井壁上形成泥饼。从而出现泥饼、侵入带和非侵入带电阻率的差异。微电阻率测井的原理正基于此，它测得的是钻孔周围直接相邻地层中，两个不同深度的电阻率，一个是泥饼的电阻率，另一个是地层（或煤层）的电阻率。由于泥饼的电阻率比煤层低，所以，如果在穿越一个煤层段时钻井中有泥饼形成，则两条电阻率曲线将分开。这种微电阻率测井曲线的幅度差，可以定性评价煤层裂隙的发育程度。目前，煤中裂隙的定量评价可用双侧向测井通过交绘图技术来实现。双侧向测井适合于煤层气井，因为它能在煤层这种具有高电阻率的地层中获得较精确的电阻率测量值。通常，用双侧向测井测得的煤层厚度比用感应测井测得的煤层厚度更加精确。更重要

4、的是，双侧向测井是唯一能够运用深侧向测井和浅侧向测井电阻率值的响应曲线对煤中裂隙（主要为垂直裂隙）进行定量的方法。因为浅侧向测井和深侧向测井电导率的分离以及深侧向测井和煤基质电导率的差值，已被证明为裂隙孔隙度大小和钻井泥浆电导率的函数。双侧向测井主要用于含盐泥浆循环系统钻进的煤层气井，泥浆盐度多为50000×10-6（nacl）。电阻率测井给出了作为深度函数的电阻率值和由井孔进人岩石的距离二者之间的测井曲线图。一般情况下，电阻率测井的探测深度从数厘米到数米，微电阻率测井在数厘米之间，深侧向测井达数米的范围。在纯煤中，电阻率测井常常显示高值（图8-1）。图8-1 煤系基本测井响应（sc

5、holes，1993）“感应”测井获得的感应电阻率与电的电阻率截然不同，正如其含义，感应电阻率是通过感应电流进人地层而获得的，它通过放置在仪器内的一系列线圈来实现。磁场的存在(由仪器内线圈中电流流动而引起)引起钻孔周围地层中电流的流动，地层电流路径类似围绕井孔的环形线。反过来，地层电流产生磁场，这种磁场引起仪器中其它测量线圈中电流的流动。测量线圈上的电压是地层电流的函数，而地层电流是地层电阻率的反函数。因此，来自测量线圈上的电压经适当转化和校正，即可作为地层电阻率而显示。一般而言，多数感应仪器（如双感应测井仪）有数十厘米到数米的探测深度，垂直分辨率也在这一范围。已研制出的高分辨感应测井仪（hr

6、i）和相量感应测井仪都可达到0.6m的垂向分辨率，最新的组合感应测井仪（ait）能显示5条感应曲线，探测深度深至2.3m，浅到25.4cm。二、自然电位测井与电阻率测井（从技术而言并非电阻率测量）常常有关的是自然电位（sp）测井，这种电位很简单的电极组合测得，即测量井内电位与地表电极固定电位之间的差值。自然电位通常来自电化学反应，这种电化学反应发生在当一种盐度的流体（如泥浆滤液）在多孔或可渗透性介质（如储集岩）中与另一种盐度的流体（如地层水）相遇时。当其它因素已知（如泥浆的电阻率、地层温度等）时，自然电位的主要用途是作为渗透岩石（储层）的指标和计算地层水盐度（电阻率）的来源。因此，在某些地区自

7、然电位测井有时可作为煤层渗透率的定性指标，但自然电位测井不能用于仅为气饱和的煤层气井中。为改善这一条件，可以用水充满井筒，再进行自然电位测井。三、自然伽玛测井自然伽玛测井是测量地层中放射的自然伽玛射线，即记录地层内的天然放射性。所有岩石都显示出一定的天然放射性，这种放射性已经并将继续由地下岩层发射。其发射伽玛射线数量的大小，取决于岩石中钾、钍和铀的含量。含煤地层中砂岩、页岩和煤的总天然放射性不同。一般而言，岩层发射的自然你玛射线量越高，作为潜在储层的可能性越低。泥岩通常渗透性很低或没有渗透性，也不可能有流体存在，其放射性要高于有效孔隙空间良好发育的岩石。煤层在自然伽玛射线上常显示为低的总天然放

8、射性（一般小于70api单位）。因此，可以利用自然伽玛射线曲线向左偏移来识别煤层（图8-1）。但是，若煤中含有较多的粘土矿物或煤层中有夹矸存在，那么将会增加测得的天然放射性。在某些局部条件下（如高岭石含量高，含量变化范围大），灰分含量可根据自然伽玛射线测井凭经验测定。由于自然伽玛射线测井可在下套管井中进行，所以它在完井和修井作业中极为有用。在下套管井中不能进行自然电位测井，或在裸眼井中自然电位测井不太满意时，常常以自然伽玛测井代替自然电位测井。自然伽玛测井也可作为其它下套管井电缆作业（如射孔和生产测井）时的对比测井。四、密度测井（伽玛伽玛测井）密度测井是以研究岩层对入射伽玛射线的散射和吸收为基

9、础的一种测井方法。它所测量的是被岩层所散射的伽玛射线强度，由于被测定的散射伽玛射线强度与岩石的密度有关，故称为密度测井。因煤层密度与钻孔剖面上其它岩层的密度差别很大，故密度测井可用来很好地区分煤层并确定煤层厚度，高分辨密度测井可使垂向分辨率达到15.2cm（图8-1）。另外，在煤的评价方面，为计算煤特性（如工业分析，包括固定碳、水分、灰分、挥发分），密度测井亦十分有用。由伽玛源发射的伽玛射线进人岩层后，由被测物质中的原子轨道电子所散射。这种现象称之为康普顿散射，它导致伽玛射线能量损失。如果物质很致密（电子较多），伽玛射线会产生更多的散射，有更多的伽玛射线被物质吸收，所以到达探测器的伽玛射线很少

10、；在密度较低（电子较少）的地层中，伽玛射线没有被减慢到同等程度，所以有较多的伽玛射线到达探测器。密度测井仪采用了伽玛射线源和一定距离外（0.3m范围）的伽玛射线探测器。探测器中的伽玛射线计数率是岩石密度的反函数。若基质密度不变，则岩石密度就是孔隙度的反函数。因此，计数率是孔隙度的直接函数，也就是说，随孔隙度增加，伽玛射线计数率增加。这是因为孔隙度高时，伽玛射线从发射源穿过岩石到达接收器所寻路径更为容易。改进的密度测井增加了短距伽玛探测器，用于补偿泥饼和井孔不规则变化时的体积密度。密度测井通常可分为体积密度测井和能谱密度测井。体积密度测井是识别和评价煤层的良好方法。通常，可通过比较煤层的体积密度

11、与其它地层的体积密度来识别煤层（图8-l）。煤层密度受灰分含量影响，灰分含量越高，对测井的密度影响也越高。能谱密度测井与体积密度测井相似，但除了测量来自康普顿散射的伽玛射线（它表示体积密度）外，也测量来自光电效应的伽玛射线（它表示岩性）。通过对比这两种不同的伽玛射线读数，可以确定光电吸收率和岩性。五、声波测井和中子测井声波测井和中子测井主要用于常规的地层孔隙度测量。其中声波测井也是套管周围水泥胶结质量测量（水泥胶结测井）的基础。声波测井是研究声波在地层中传播时间和其它声学特性变化的各种测井方法，它建立在岩石为弹性介质、在外力作用下产生切变和压缩弹性变形这一基础上。声波测井仪发射某些声波特性，然

12、后用一个或多个接收器探测。被测定的声波特性通常是指声波传播时间和声波振幅，它们被记录在测井胶带上以形成井孔的“图像”。由于声波传播时间与岩石孔隙度有关（一般为负相关关系），所以可应用经验关系式把声波传播时间和岩石孔隙度联系起来。然而，在煤层气井中，由于气体赋存于煤基质的微孔隙中，从传统意义上说，声波测井不能探测这些作为孔隙度的微孔隙，所以这里的声波测井比油田中应用的声波测井价值要低。声波测井也可用来帮助识别煤层（表现出高孔隙度）和用于确定煤级，但它没有密度测井和伽玛射线测井那样精确。大多数波形声波测井在煤层气井中用于评价岩石的力学性质。应用经验方程式，可从钻井中煤层和非煤地层的波至时间计算出泊

13、松比和弹性模量。然后，利用这些岩石特性估算压裂处理期间可能产生的最大裂缝高度。中子测井与声波测井一样，也有多种类型，常见的是“补偿”型。它使用一个中子源和多个中子监测器，中子源发射中子进入地层，这种中子与地层中氢原子碰撞并被减速，监测器测量发生碰撞的中子的速度或能量，该测量反映了地层中氢的含量。然而，在煤层中，高含量的氢往往使中子测井显示错误的高孔隙度（煤中氢由仪器作为高孔隙度解释），常高出4070。而实际上煤的孔隙度很低（26）。在煤层气井中，补偿中子测井通常有助于确定煤的工业分析和估算含气量。补偿中子测井能在裸眼井或是下套管井中进行，并且所测结果具有相同的可靠性。对煤而言，声波测井和中子测

14、井都不是直接作为孔隙度测井来使用，而是应用于煤层的综合评价模型，它有助于我们了解煤的组成。六、自然（诱导）伽玛射线能谱测井自然伽玛射线能谱测井主要使测量地层中天然放射性元素钍、钾和铀的密度，它把天然产生的伽玛射线转化成能发射伽玛射线的非常相似的元素成分，其元素模型是基于钍、钾和铀。据此，可较准确地划分出泥质岩，鉴别粘土矿物的种类，以及确定在某种情况下出现的裂隙的可能性，也可用于模拟沉积环境。当地层中自然产生的伽玛射线轰击自然伽玛探测器时，它以一定的能量撞击探测器，利用数学模型，用伽玛射线能谱来确定放射源的元素。在纯煤中，产生的自然伽玛射线量相当低。若某种煤的自然伽玛射线值比纯煤高，则煤里常常存

15、在天然放射性物质，这通常是因煤中粘土矿物存在的缘故。粘土一般是煤中灰分的主要成分，因此自然伽玛射线能谱测井有助于验证由密度计算的灰分含量，并能为识别与煤层相邻的岩层及井与井之间夹矸层的对比提供有用信息。诱导伽玛射线能谱测井的目的是辨别岩石的元素组成。从仪器获得的资料，可根据选择的元素丰度给出岩层的描述。诱导伽玛射线能谱仪常使用脉冲中子源来诱导伽玛射线，这种中子源可以打开，用中子轰击地层，然后关闭，关闭后的循环周期给出时间以测量包含在伽玛射线中的伽玛射线谱信息，即伽玛能级。这种伽玛射线来源于岩石中元素对中子的捕获，故称之为捕获模型。或者关闭后循环周期给出复位时间，这个复位时间紧跟在脉冲轰击期间获

16、得伽玛射线能谱信息之后，称之为非弹性模型。对任一模型，与数学模型相连接的伽玛射线谱（能级）数据都可以得到岩石元素组成的结论。不同元素序列的确定，取决于所使用的模型（捕获或非弹性）。七、地球化学测井和碳/氧测井地球化学测井测定地层中化学元素的组成，由这些测井资料可建立起煤层的沉积模式，并在各井之间进行夹矸层对比，这一点类似于自然伽玛射线能谱测井。碳/氧测井测定的是地层的碳含量，在煤层气井中主要用来确定煤的发热量，也可以利用烟煤在砂泥岩基线上与煤中碳氧比值上的反差，识别套管后的煤层。地球化学测井和碳/氧测井经常结合使用，并在计算机处理图像上显示。煤在各种测井方法中的响应见表8-1，除以上所述测井方

17、法外，尚有为检查井孔特征而进行的井径仪测井；为获得地层温度而进行的温度测井；为确定煤层割理方向而研制的地层显微扫描器等等。表8-1 煤在各种测井方法中的响应（scholes，1993）测井方法煤层的响应电阻率测井·纯煤的电阻率一般较高·煤中粘土(灰成分*)常常引起电阻率读数低，因为与粘土经常伴生的结合水增加了导电性自然伽玛测井·纯煤的自然伽玛值很低·粘土矿物的存在引起较高的读数，因为粘土矿物吸附天然放射性元素·其它灰成分，如细砂，通常对煤的自然伽玛读数无影响密度测井(伽玛伽玛测井)·由于煤基质密度低，所以密度测井显示低密度值(高的视孔

18、隙度)·灰成分，如细粒石英，能引起密度值增高·与密度测井相关联的光电效应(pe)曲线，在纯煤中为0.17%-0.20%，灰成分会使其极度增高(灰成分矿物的光电效应至少是煤的10倍)声波测井·在煤中显示高孔隙度(高传播时间)·粘土矿物对煤的这些测井值无大影响，因为纯粘土与煤的孔隙度范围相同·其它灰成分，如细粒石英，可能降低煤的视孔隙度中子测井·在煤中常常显示高的视孔隙度，因为它常把煤中氢作为孔隙度的指示而显示·粘土矿物对煤的视孔隙度无大影响，因为粘土与煤的视孔隙度范围相同·其它灰成分，如细粒石英，可能降低煤的视孔隙度

19、自然伽玛·在纯煤中显示低值能谱测井·根据粘土中钾、钍、铀的贡献，粘土会增加仪器读数·其它灰成分，如细粒的砂，一般对应于低计数率中子伽玛·对煤的元素组成以高精度响应，通常足以识别煤中的碳和氢能谱测井·灰成分（包括粘土矿物）具有指示更多元素的效应，增加的典型元素有硅、钙、铁、铝和钾注：*灰成分指煤中能形成灰分的矿物成分第二节 测井响应解释煤层气含量煤层含气量与成煤物质、沉积环境、煤岩组成、煤体结构、变质程度、埋深、煤厚及水文地质条件等关系密切。煤层含气量随镜质组、惰质组含量及煤厚的增加而增加，随煤体结构破碎程度的加大而增大，随变质程度和埋深的加深而

20、增加。煤岩组成直接影响到煤层电阻率（数字测井，下同）或视电阻率（模拟测井，下同）的高低，煤层体积密度与煤体结构相关，可直接从密度（数字测井，下同）或伽玛伽玛（模拟测井，下同）测井曲线上得到反映。在相邻矿区或井田内，由于成煤物质、沉积环境、变质程度、水分和矿物质含量相似，煤层含气量和煤体结构将在测井响应上得到反映。一、测井评价煤层物性的理论依据煤层气大部分以吸附态存在于煤中微孔隙的内表面，少部分以游离态存在于煤裂隙和大孔隙中，极小部分溶解于煤层内的水体中。煤中甲烷含量与煤中有机质（纯煤）、矿物杂质和水分之间存在着明显的物性差异（表8-2）。甲烷气体的电阻率为104109m,密度为0.716kg/

21、cm3，考虑煤层甲烷的吸附性，它的密度是其与孔壁之间距离的函数，其密度亦不超过0.2 g/cm3，声波时差为2260m/s；而烟煤纯煤的电阻率仅为100500m，密度为1.251.35 g/cm3，声波时差为400560m/s。煤层的物性要受到煤中甲烷含量的影响。在成煤物质、沉积环境、煤变质程度、水分和矿物杂质含量相似的煤层中，煤体结构愈破碎，煤层体积密度愈低，孔隙率愈大，甲烷含量愈高，煤层电阻率愈大，自然伽玛减弱，而声波时差则相应增大。近年来，施工的煤层气井大多采用清水钻进，并进行井径校正，数字测井与上述特征较为吻合，但以往煤田地质勘探多采用泥浆护壁，由于构造煤的塌落、泥饼的形成，模拟测井响

22、应值与上述特征存在一定的差异。表 8-2 纯煤、矿物质、水分和甲烷的物理性质物质名称物理性质电阻率m密度g/cm3声波时差m/s自然伽玛api有机质褐煤的纯煤4040001.101.254005600烟煤的纯煤10050001.251.35无烟煤的纯煤0.0011001.351.50无机质矿物质石英101210142.651820但正长石为255.29长石4×10112.60180方解石5×1085×10122.71156白云石5×1085×10122.85143粘土矿物n×1032.002.60180250高岭石：7.85蒙脱石：4

23、.45伊利石：86.68绿泥石：94.86黄铁矿10-810-45.05901000水份10-8 n×1021.001.22620655纯水为0甲烷气体1041090.000716822600据b. 劳森等，1987二、测井响应拟合煤层气含量测井响应拟合煤层气含量的工作步骤依次为数据采集、预处理、逐步回归分析、数学模型建立和质量检验。若效果显著，就可以利用该数学模型对有测井曲线而无煤层气含量的钻孔进行煤层含气性预测。1、数据采集数据采集是从钻探取芯、化验测试和测井解释成果中分别取得煤样的甲烷含量、钻探取样的深度、取芯的长度及对应的测井深度、测井响应值等原始数据。1）采样深度为了反应外

24、界压力（地层压力）和环境温度（地温）对煤层甲烷含量的影响，掌握其规律，除采集煤层甲烷含量及煤工业分析等原始数据外，还同时采集测定甲烷含量的取样深度。取样深度采自钻探取芯深度的记录，但钻探深度与测井解释深度不一致时，要作深度校正，使实测甲烷含量深度与采集的测井响应值深度相对应。2）测井参数4模拟测井资料采集视电阻率（r）、伽玛伽玛（rr）、和自然伽玛（r）三种参数（图8-2）。而数字测井资料则采集电阻率（r）、密度（）、自然伽玛（r）和声波时差（t）四种参数（图8-3）。测井参数是采自与测定甲烷含量的取样深度、取样长度相对应层段的测井响应的平均值。图8-2煤层模拟测井曲线2、预处理预处理是指对钻

25、探的取样深度与测井深度进行匹配、煤层甲烷含量基准换算和测井响应值的归一化。1）钻探取样深度校正钻探的取样深度、厚度与测井解释的结果往往不一致，甚至有时差别还较大，为此必须对钻探取样深度进行校正，才能使煤样的甲烷含量与测井响应一一对应。若煤层取芯率高，煤层结构的测井解释结果与钻探取芯相差不大，则取样深度校正方法如图8-4所示。校正后的取样深度为： （8-1）式中，h、钻探取芯和测井解释所得的煤层厚度； d1、d2、d 钻探的煤层顶、底界面深度和取样深度；、 测井解释所得的煤层顶、底界面深度和经校正后的取样深度。 2）甲烷含量基准换算我国早期集气法所测煤层气含量结果偏低，资料一般不能使用。测井响应

26、拟合煤层气含量可采用解吸法所测成果。测井参数是煤层处于原始状态条件下记录的，煤层甲烷含量要用原煤的，对干燥无灰基甲烷含量、干燥基甲烷含量、空气干燥基甲烷含量都要经过换算成收到基甲烷含量。即： （8-2）式中，（ch4）甲烷含量；a、m煤样灰分含量和水分含量；ar、ad、d、daf分别为收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基。 图 8-3煤层数字测井曲线3）物性参数归一化处理数据归一化处理的目的在于消除仪器性能差异和克服参与回归分析的数据因数量级不同带来的影响。在采集煤层物性参数的同时，采集标志层相对应的物性参数及各种参数剔除基岩风化层、氧化层后的最大值、最小值。标志层为区内发育稳定，物性特征明

27、显且全区可对比的岩层，一般选择铝质泥岩或纯石灰岩作为物性标志层。基岩风氧化带内发生了一系列的物理和化学作用，岩石结构疏松、颗粒间的联结性较弱、裂隙发育、含水增多、强度降低、并产生次生矿物，表现在测井曲线上，其响应值亦发生了相应变化，视电阻率、自然伽玛及密度降低，声波时差增大。在基 图8-4 取样深度校正示意图岩风氧化带内，风氧化作用的强度不同，愈靠近地表，风氧化作用愈强，向下逐渐减弱，直至风氧化作用停止。正因为风氧化作用这一垂向变化的规律性表现在测井曲线上由浅入深、相应地呈现出渐变过程，直至恢复正常，其视电阻率由浅入深，曲线幅值逐渐升高，密度曲线反映的变化呈现由小到大的趋势，曲线形态缓波状较为

28、明显，声波速度曲线跳跃明显。利用上述校正的取样深度和煤样长度，在测井曲线上相应深度和长度内采集取样深度范围内的测井响应平均值。并对采集的物性参数，数字测井按下式进行归一化处理，即： （8-3）模拟测井按下式进行归一化处理，即： （8-4）式中，x原始数据， xb 标志层的原始数据；预处理后的数据；xmax、xmin剔除风氧化带后煤层或基岩物性参数的最大值和最小值。3、逐步回归分析逐步回归分析是众所周知的、常见的数理统计方法之一，实际上是一种最优化的多元回方程逐步选择的过程，其基本思路是将自变量一个一个地引入，每次引入自变量的条件是：该变量必须在上次引入中与因变量的偏回归平方和的f检验为最显著；

29、同时在引入新变量时，对已引入的老变量作重复检验，并剔除已变为不显著的老变量，依次循环往复直到最后一个自变量为止，最终得到的即为最优化的多元回归方程。对多元回归方程必须进行质量检验（包括显著性检验和精度检验），以示其可靠性和精确程度。第三节 测井响应评价煤体结构煤体结构是煤层在构造应力作用下形变的产物，是煤层渗透率的间接反映。自然界的煤层在地质构造运动的影响下，不仅随围岩一起发生褶皱和断裂，而且煤层在弯曲变形时，还不同程度地发生顺层滑动，滑面可以出现在煤层和顶板之间，造成顶部煤层破碎为“构造煤”、“软煤”或“酥煤”，也可以发生在煤层中间，造成中部煤层破碎为“构造煤”， 也可以发生在煤层底部，造成

30、底部煤层破碎为“构造煤”。有些地区受滑脱构造的影响，厚煤层绝大部分为构造煤。由于破碎程度不一，有碎裂状、角砾状、鳞片状，煤储层渗透性差异巨大；构造煤分布形式多种多样，有的顺层分布，有的局部出现在断层的两侧，有的出现在次级褶皱的轴部；构造煤原因复杂，可由构造或岩浆岩而引起，也可由顶、底板围岩所导致，还可因煤厚及其变化而产生。一、煤体结构分类基于煤与瓦斯突出的研究，原苏联矿业研究所（1958）将煤体结构分为五类：类非破坏煤；类破坏煤；类强烈破坏煤（片状煤）；类碎粉煤（粒状煤）；类全粉煤（土状煤）。原中国煤炭工业部1988年颁发的“防治煤与瓦斯突出细则”中也采用这五类。中国矿业大学瓦斯组1979年根

31、据煤与瓦斯突出难易程度把煤体结构分为甲、乙、丙三类。焦作矿业学院袁崇孚教授1982年将煤体结构分为原生结构煤、碎裂煤、碎粉煤和糜棱煤四类，之后各种分类不断出现，如1993年焦作矿业学院瓦斯地质研究所根据煤体结构的宏观和微观特征、力学性质、瓦斯特征、超声波传播特征和瓦斯突出参数等进行了煤体结构的定量划分。朱兴珊（1995）在对南桐矿区煤体结构研究的基础上将煤体结构划分为二大类四型七种。傅雪海（1999）结合地球物理测井曲线将煤体结构分为原生结构碎裂煤（类）、碎斑煤（类）和糜棱煤或碎粉煤（类）三类。 原生结构煤碎裂煤具有煤层气勘探开发的良好物性条件，碎斑煤、糜棱煤或碎粉煤煤体松软，强度低，渗透性差

32、。无疑，就煤层气开发而言，寻找原生结构煤碎裂煤分布区作为煤层气的勘探选区，避开煤体结构强烈破坏区段，将是煤体结构特征研究的主要目的。二、煤体结构研究方法研究煤体结构最直接的方法是钻孔编录和井下实际观察，间接的方法可通过区域构造演化历史来分析，或利用三维地震勘探和测井曲线来解释。1、井下观察和钻孔编录生产矿井煤体结构常分为原生结构煤、碎裂煤、碎粉煤和糜棱煤四类。其主要特征见表8-3。 陆国桢等（1990）对淮北宿东向斜芦岭矿8煤层进行了详细煤体结构描述。8煤层顶部为原生结构煤碎裂煤，中部为碎粉煤，碎粉煤上下全为糜棱煤（图8-5）。表8-3煤体结构特征类型赋存状态和分层特点光泽和层理煤体破碎程度裂

33、隙、揉皱发育程度手试程度原生结构煤层状、似层状，与上下分层整合接触煤岩类型界线清晰，原生条带状结构明显呈现较大的保持棱角状的块体，块体间无相对位移内、外生裂隙均可辨认，未见揉皱镜面不动或成厘米级块碎裂煤层状、似层状透镜状，与上下分层呈整合接触煤岩类型界线清晰，原生条带结构断续可见呈现棱角状块体，但块间已有相对位移煤体被多组互相交切的裂隙切割，未见揉皱镜面可捻搓成厘米、毫米级或煤粉碎粉煤透镜状、团块状，与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡，原生结构遭到破坏煤被揉搓捻碎,主要粒级在1mm以上构造镜面发育易捻搓成毫米级碎粒或煤粉糜棱煤透镜状、团块状，与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡，原生结构遭到破坏

34、煤被揉搓捻碎得更小，主要粒级在1mm以下构造、揉皱镜面发育极易捻搓成粉末或粉尘碎粉煤糜棱煤图8-5 芦岭矿8煤层煤体结构类型图 （1:100，引自陆国桢等，1990）2、测井曲线分析井巷编录对未采区的资料无法获取，钻孔取芯常因构造煤松软，取芯率低，进行煤体结构分析准确度不高，地球物理测井曲线评价煤体结构是一种崭新的思路和方法。 不同煤体结构类型的划分主要是通过煤层测井曲线幅值大小和形态特征的对比、数据采集来确定。因此利用钻孔测井曲线研究煤体结构时，以不同煤体结构类型的测井曲线反映为依据，由已知到未知，由点到面逐步展开。 首先，掌握研究区内主要煤层原生结构煤的地球物理性质及测井参数幅值变化和基本

35、形态特征。了解所研究的煤层测井曲线幅值和基本形态在区域及层域上的变化规律。 其次， 对生产矿井进行煤体结构观察、描述、分层和统计，并与生产矿井所揭露的勘探钻孔测井曲线进行对照，寻找煤体结构类型与测井参数幅值变化之间的关系； 第三，在上述分析和研究的基础上，将要分析的层点测井曲线与同一煤层的原生结构煤的测井曲线进行对比，比较同一种参数曲线之间的差异，以确定该点测井曲线有无变化及变化的部位和变化的明显程度； 第四，将要分析的层点测井曲线与同一钻孔中其它煤层的测井响应值进行对比，分析该点测井曲线幅值和基本形态是否符合层域之间的变化规律，对异常变化部位要分析其影响因素，保证判识的淮确性； 第五，将要分

36、析的层点测井曲线与邻近钻孔中同一煤层的测井响应值进行对比，分析该点测井曲线幅值和基本形态是否符合区域上的变化规律，对异常变化部位要分析其影响因素，保证资料解释的一致性；第六，对测井曲线进行煤体结构划分时，适当参考钻孔煤芯的煤体结构描述。3、聚类分析 选择1：50的精测曲线，对煤层按1m或0.5m的间隔采集一组测井响应值（包括已知煤体结构的测井曲线，编上顺序号，便于聚类分析），按式（8-3）或式（8-4）进行数据预处理，对处理后的数据利用聚类分析法划分煤体结构类型。聚类分析是多元统计方法中的一种数学分类方法，就是把研究对象看作空间中的点，然后用数学方法研究点与点之间的疏密关系或研究对象之间的相似

37、性，最后把关系密切的点归为一类，以达到对研究对象分类或对比的目的。采用q型聚类分析中“相关系数”、“相似系数”、“欧氏距离”、“斜交距离”、“类平均值法”、“离差平方和增量”、“最长距离法”、“最短距离法”和“重心法”分别进行聚类分析，经与井下或钻孔对照，选择最合适的方法划分煤体结构类型。如傅雪海（1997）对淮北宿南向斜桃园井田cq-4数字测井孔以“最短距离”法划分煤体结构如图8-6， 测井曲线划分的煤体结构类型与井下观察和钻孔描述的基本一致。图8-6 淮北宿南向斜桃园井田cq-4煤层气井煤体结构井下观察与测井解释对照图第四节 煤储层渗透率预测影响煤储层渗透率的因素是十分复杂的，主要有地应力

38、、煤体结构、天然裂隙、地质构造、埋深、煤岩、煤质及水文地质条件等，有时是多因素综合作用，有时是某因素起主导作用。大量的实测资料和研究成果均已揭示出煤体结构类型对煤储层渗透率有重要影响，碎斑煤（）、糜棱煤（）的发育与分布是造成煤层渗透率降低及区域变化的主要原因，了解和预测、类煤的分布特征，将是预测煤层渗透率区域变化的一种有效途径。因此，在利用地球物理测井曲线划分煤体结构的基础上，可依据、类煤的发育程度，预测煤储层渗透率的区域变化，为构造煤发育地区煤层气勘探部署提供新的决策依据，也可为煤层气开发前景评价提供可资借鉴的思路和方法。一、煤体结构类型的厚度和比例计算 各种结构类型煤分层的定厚应在反映变化

39、相对明显的主要测井参数曲线上进行，以发生变化的始、末点作为分层界线点，两点之间的煤厚即为该结构类型煤的分层厚度。钻孔见煤层点中、类煤的发育程度可以由、类煤的厚度或、类煤厚度占层点纯煤总厚的百分比两种方式予以表征。考虑到各煤层的自然赋存厚度在平面上有较大的差别和一定的变化，使、类煤厚度的可比性较差，为了便于、类煤发育程度的相互比较，可采用钻孔见煤点、类煤的厚度百分比作为评价、类煤发育程度及煤体结构分布特征的基本参数。据此，将、类煤发育程度及区域分布划分为三种级别类型，即：、类煤不发育区、类煤厚度比例小于20的层点分布区；、类煤较发育区、类煤厚度比例界于2050%的层点分布区；、类煤发育区、类煤厚

40、度比例大于50的层点分布区。二、渗透率预测基于、类煤厚度百分比的计算和煤层气试井成果，建立煤层气井煤储层渗透率与、类煤发育程度间的相互关系，对同一矿区或井田内没有进行煤层气试井的地区的煤储层渗透度进行预测。如淮南潘谢矿区、类煤厚度百分比与实测渗透率之间具有良好的相关性（图8-7），即、类煤比例越高，渗透率越低，反之渗透率越高。这一解释成果既进一步证实了、类煤的发育乃是造成渗透率偏低的主要原因，同时也反证了测井曲线判识、类煤方法的可行性和对所取得的曲线形态认识的可靠性。图8-7中煤层渗透率值与、类煤厚度比例间相互关系*叶诗忠，章云根，曾庆华等. 两淮煤田煤层气储层特征、甲烷富集机制及开发前景评价

41、.科研报告. 1998，可近似地表达为： （8-5）式中，k煤储层渗透率，10-3m2；煤层中、类煤所占的厚度比。由式（8-5）可知，当目的煤层中、类煤厚度比例大于50时，其煤储层渗透率将小于0.110-3m2；只有在、类煤所占厚度比低于25时， 渗透率才有可能达到110-3m2以上。 图8-7 实测渗透率与、类煤厚度比关系图三、 渗透率分布根据前述、类煤厚度比分区，相应地把渗透率亦分为三种不同级别类型，即：高渗区 、类煤厚度比例小于20，渗透率大于110-3m2；中渗区 、类煤厚度比例介于2050%，渗透率介于0.1110-3m2；低渗区 、类煤厚度比例大于50，渗透率小于0.110-3m2

42、。综上所述，原生结构碎裂煤（类煤）分布区，就是相对高渗区，、类煤发育区，即为相对低渗区。低渗区的分布有以下特点。 区域上，推覆构造下盘或推覆体夹块部位，是、类煤相对发育部位。在挤压应力作用下，沿煤层这一软弱层产生强烈层间滑动所致；在层域上，厚度大的煤层、类煤分层相对较为发育，这是由于厚煤层总体力学稳定性相对较差，强度相对较低，在相同的构造应力作用下，更易产生层间滑动，导致煤体破坏。就同一煤层而言，、类煤的发育具有如下特点： 1）在印支燕山期形成的断层面附近，是、类煤的主要发育部位。断层越密集，、类煤越发育；断层规模越大，、类煤发育带越宽。在断层两侧，煤层中均发育与断层走向近于平行的、类煤带，断

43、层的延展方向控制了煤体结构的走势。这是由于断层除对煤层产生直接破坏外，还在断层附近形成构造应力集中带，造成煤层顺层剪切过程中的破坏加剧而形成断层带附近的、类煤发育条带。 2）在煤层厚度变化较大的部位，易发育、类煤。煤厚急剧变化现象本身就是煤层碎裂流变的结果，也可能是因为煤层原生厚度局部突变。在突变带内，煤的受力状态与正常煤厚带不同而导致偏应力的存在，煤层易受破坏。3）在煤层走向急剧转折部位，易发育、类煤。煤层走向的急剧转折必然导致应力方向的改变，造成煤体破坏程度的提高。第十章 煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工

44、艺优选等的重要手段；煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。此外，数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。第一节 煤层气储层模拟技术一、 概述煤层气储层模拟（reservoir simulation）又称为产能模拟（coalbed methane production modeling），无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中，通常都需要进行这项工作。储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程，在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下，解算描述储层中流体流动的一系列方程，通过历史匹配，

45、对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据，同时，还可根据产能参数，对生产井的经济价值进行评价。随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累，科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解，同时，也意识到需要有一个有效的工具，来进行生产井气、水产量数据的历史拟合，以便获取更为客观的煤层气储层参数，预测煤层气井的长期生产动态和产量。同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理，煤层气开发方案等提供科学依据。正是在这种背景下，煤储层数值模拟研究工作，在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时，借

46、鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法，扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。1981年，由美国天然气研究所（gri）主持，美国钢铁公司（us steel）和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目（development of coal gas production simulators and mathematical models for well test strategies）。在该项目中，pavone和schwerer基于双孔隙、拟稳态、非平衡吸附模型，建立了描述煤储层中气、水两相流动的偏微分方程组，采用全隐式进行求解，并开发了相应的计算机软件arrays。该软件包括well1d

47、和well2d两个程序，分别模拟未压裂、压裂的单个煤层气井（单井规模）和多个煤层气井（全气田规模）的气、水产能动态。与此同时，宾州大学的ertekin和king，开发了类似于arrays模型的单井模型psu-1。该模型对方程组在空间和时间上进行差分离散，按全隐式、newton-raphson方法进行求解。后来，psu-1模型和arrays模型组合在一起形成了grussp软件包，被推广应用。1984年，remner把psu-1模型升级为psu-2模型，使其能够处理多个煤层气井（全气田规模）的数值工作。1987年sung开发的psu-4模型，包括了有限导流裂缝、水平钻孔和生产煤矿工作面。1987年

48、，在美国天然气研究所的支持下，icf lewin energy开发出了专门用于煤层气藏模拟的双孔隙、二维、气-水两相模型comet（coalbed methane technology），随后又推出了微机版的cometpc 模型。comet模型是从sugarwat模型（devonian 泥岩模拟器）修改而成的。comet模型与arrays模型和psu模型有许多相同的物理和数值特性，其最重要的贡献是友好的用户界面。1989年，美国天然气研究所与国际先进能源公司（advanced resource international, inc.，简称ari公司）等13个公司和工业财团联合，在cometpc

49、模型的基础上进一步开发出了cometpc-3d模型，它是一个功能强大、三维、气-水两相流的计算机模型，可模拟多井、多层和压裂井，同时考虑了重力效应、溶解气、孔隙压缩系数、煤基质收缩系数以及应力对渗透率的影响。与此同时， s.a.holditch & associates, inc.（sah）独立开发了另一个可模拟煤层气和非常规气的储层模拟器coalgas。其煤层气模拟的特性与grussp和comet模拟器类似。该模拟器具有平衡吸附和拟稳态非平衡吸附两种选项，以及图示化、菜单式的前处理和后处理功能，因而操作方便，显示结果直观。1998年，ari公司又推出新产品comet 2，2000年9

50、月升级到comet2.10版。该软件增加了三孔隙双渗透率模型，差分方程组采用全隐式求解，井按全隐式算法处理，可模拟注二氧化碳或氮气提高甲烷采收率，运行的操作系统为windows98、windows2000、windowsxp或windowsnt，从而使模型的功能更强，运行稳定性更好，计算精度更高；同时运行速度大大加快，缩短了模拟计算时间，提高了模拟工作效率。虽然至今已有52个煤层气产量预测的数学模型问世，但是已形成计算机软件的不多，其中有arrays（well1d、well2d）、psu（psu-1、psu-2、psu-3、psu-4）、grussp、comet、cometpc、comet3d

51、、comet2和coalgas，真正得到推广应用的可能只有grussp、comet和coalgas软件。尽管comet2软件是目前功能最强大的煤层气模拟软件，但目前在煤层气勘探开发研究和生产中应用最广泛的软件是comet3d。虽然我国瓦斯抽放开展得较早，煤层气开发也进行了相当一段时间，但总体而言煤层气储层模拟工作开展不多。近年来，一些单位引进了comet或coalgas软件，进行过零星的模拟研究，但针对中国煤储层特点的储层模拟软件尚没有。二、 煤层气产出的地质和数学模型煤层气的产出大致可分为三个阶段。第一阶段称为单相流动阶段，随着井筒附近压力的下降，首先只有水沿着裂隙流向井筒而产出，因为这时压

52、力下降比较少，井壁附近只有单相（水）流动（图6-1）。第二阶段称为非饱和单相流动阶段，储层压力进一步下降，开始有一定数量的甲烷解吸出来，形成孤立的气泡，这些气泡不能流动，但它们阻碍了水的流动。第三阶段为气、水两相流动阶段，随着解吸甲烷的增加，气泡相互连接形成流线，气、水两相同时流向井筒而产出。这三个阶段是一个连续的过程，随着时间的延长，由井筒沿径向逐渐向周围的煤层中推进。地面煤层气井气、水产能也可以分成三个阶段。第一阶段为抽水降压阶段，通过抽水，形成一个以井筒为中心的降压漏斗（图10-2），当压力降到临界解吸压力以下时，甲烷开始解吸，煤层气的产量逐渐升高，这一阶段的时间可在几天或数月之间。第二

53、阶段为稳定生产阶段，产气量相对稳定，产水量逐渐下降，产气量在此阶段内达到最高峰，这一阶段通常在35年之间（图10-2）。第三阶段为产量下降阶段，此阶段内只产出少量的水，产气量逐渐下降，生产时间一般在10年以上。煤层煤层地面地面降压漏斗临界解吸压力煤层气解吸区抽水引起压力降落储层初始压力图10-1 煤层气排水降压产出示意图水气iiiiii时间产量 图10-2 煤层气、水产量变化的三个阶段煤层气的产出包括解吸扩散渗流三个阶段，这与砂岩、碳酸盐岩等储层中的常规天然气只有通过岩石孔隙渗流的产出过程具有很大的差别。1、扩散与解吸煤层气的解吸与吸附是一个可逆过程，所以其解吸同样可用朗格缪尔方程来描述。 （1