煤層氣井排采過程中煤儲層水系統的動態監測

傅雪海，李 升，于景邨，吳有信

(1.新疆大學 地質與礦業工程學院 新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830047；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008;4.安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽 宿州 234000)

煤層氣井排采過程中煤儲層水系統的動態監測

傅雪海1,2,3，李 升1,2,3，于景邨2,3，吳有信4

(1.新疆大學 地質與礦業工程學院 新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830047；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008;4.安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽 宿州 234000)

為了研究煤層氣井排采過程中煤儲層水系統的動態傳播特征，基于煤系不同巖層不同含水狀態的導電性差異，在沁南地區選擇一口煤層氣排采井，分別在該井排采前、排采半年后進行了煤儲層水系統瞬變電磁動態探測。在該井排采范圍內設置400m×300m的矩形測網，垂直地層走向布置16條測線，每條測線上布置400個測點，在測網內部形成20m×10m的觀測坐標網格，通過數據采集、資料處理與定量解釋，獲得排采前、排采半年后各測線、測點煤系視電阻率對比圖、視電阻率擬斷面對比圖、視電阻率順層切片圖，分析結果表明排采前煤儲層水系統分布相對較均一，排采半年后煤儲層水系統非均質性十分明顯。在連通性差的區域，排采半年后煤儲層水系統中靜水儲量部分被排出，煤層及其頂板砂巖視電阻率有不同程度地升高；在連通性較好區域，由于地下水動態補給，煤層及其頂板砂巖視電阻率降低。

煤層氣；煤儲層水系統；地下水動態傳播；瞬變電磁技術；視電阻率；沁南地區

煤儲層通過儲層壓力對煤層氣吸附富集起控制作用。在煤層氣井排采的過程中，煤儲層壓力逐漸降低，導致煤層氣解吸、擴散、滲流，并運移至井筒產出，因而研究地下水動態變化規律是煤層氣井開發及排采控制的基礎[1-3]。前期排采中的地下水動態變化研究多基于井口數據采集，進而從地球化學、數值模擬角度展開，間接推測煤儲層水系統內的含水性變化[4-5]。如果在排采范圍內加密布設水文鉆孔直接觀測，則成本昂貴而耗時，信息也不夠全面。由于含煤地層含水狀態不同，導電能力不同，富水導電性好，電阻率低；貧水導電性差，電阻率高。因而能夠利用電磁感應類探測方法進行無損探測。近年來發展的瞬變電磁技術(Transient Electromagnetic Method，TEM)基于對含水體敏感、受地形影響較小、分辨率高、信息豐富等優點已被廣泛應用于地下水勘查及隱伏含(導)水構造探測等方面[6-8]。筆者基于煤層氣井排采過程中煤儲層水系統動態變化觀測的直觀性、無損性，利用瞬變電磁法探測成果反演煤層氣井排采過程中煤系電阻率變化，監測煤層氣井排采過程中煤儲層水系統動態變化特征，研究煤層氣井排采地下水流動規律，為煤層氣井排采優化提供有用的信息。

1 煤儲層水系統的地電性

煤儲層水系統系指煤層氣井排采時直接或間接供給煤層氣井地下水的煤巖層組合。由煤儲層、直接給水含水層和間接給水含水層組成。直接給水含水層在煤層氣井排采時直接流入煤儲層或排采井；間接給水含水層系指與直接給水含水層有水力聯系的其他含水層。

煤儲層水系統的含水性變化特征可通過不同深度、不同時間段的地電特征來體現。煤儲層水系統在含水性穩定情況下視電阻率值分布穩定，等值線分布均勻、平緩；若煤儲層水系統含有相對富水區和含水、導水構造時，則呈現低阻異常，視電阻率值產生明顯的畸變，等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。

2 排采水動態傳播瞬變電磁監測方法

2.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法的探測原理可用“煙圈”效應形象地加以闡明。地表接收的二次電磁場是由于導電介質在階躍變化的電磁場激發下而產生地下感應渦流場而產生的，其渦流以等效電流環向下并向外擴散，形如“煙圈”(圖1)。隨著時間的推移，“煙圈”的傳播與分布將受到地下介質的影響，這樣從“煙圈效應”的觀點看，可知早期瞬變電磁場是近地表感應電流產生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的，反映深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場強弱、空間分布特性和時間特性，可以探測地下介質電性的垂向變化[9-10]。

圖1 地下感應電流環分布Fig.1 Distribution of underground inductive current circle

瞬變電磁法全空間視電阻率ρt的計算公式[11]為

式中，M為發送回線的磁矩；SR為接收線圈的有效面積；ε(t)為感應電動勢；t為延遲時間。

2.2 測網布設

本次對沁南潘莊區塊煤層氣開發井PE-055井(位于晉城潘莊區塊中部，單排采3號煤層)排采范圍進行了瞬變電磁法動態探測(圖2)。3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖32.2m，下距K7砂巖7.85m；煤層平均厚度為5.95m，埋深525.2m，底板標高為293.36 m。地層走向北西，傾向南西，傾角小于5°，較平緩。

圖2 瞬變電磁法探測點布置Fig.2 Distribution of detection points of TEM

排采煤儲層水系統動態探測的瞬變電磁法監測儀器為澳大利亞產的Terra TEM型瞬變電磁儀。該瞬變電磁儀具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點。數據采集由微機控制，自動記錄和存儲，與微機連接可實現數據回放[12]。

目前，工程探測實踐中常用的回線裝置形式有同點裝置、偶極裝置和框-回裝置，幾類裝置適用條件及效果各不相同[11-12]。筆者采用框-回裝置，又稱大回線定源裝置進行探測。一般框-回裝置發射回線采用邊長數百米甚至千余米的矩形線圈，采用小型線圈或探頭，回線內部中心1/3面積范圍內布線逐點測量。由于發射回線固定，可采用大功率發射設備供以大電流，加之發射回線面積大，能夠提供很強的發射磁矩，磁場均勻，特別適于地層水探測。此外，由于采用輕便的接收線圈，使得裝置移動靈活，不僅可以測量磁感應強度的Z分量，而且也可以測量X,Y分量(圖1)[13-14]。

此次大地源瞬變電磁法發射線框為200m×200m的正方形回線，接收回線采用邊長為5m的多匝數小回線，在發射回線中心1/3范圍內進行煤儲層排采水動態探測。以PE-055開發井為中心，考慮到現場的地形和地物，布置成400m×320m的矩形測網，在測網內部形成20m×10m的觀測坐標網格，局部地段加密為10m×10m，測線盡量垂直地層走向，空間采樣間隔、最大頻點間距滿足勘探精度要求。勘探面積為0.12km2。按上述測網密度，在測區范圍內設計北東向測線16條，依次編號為1～16線，線距為20m。每條測線上測點數相同，點距為10m，測點編號為0～400，測線總長達6 400km。其中PE-055井位于6線200點位置(圖2)。

2.3 動態監測

煤層氣井排采前瞬變電磁探測總工作量為646個坐標點，檢查點25個；排采半年后為647個坐標點，檢查點22個。通過排水采氣前測試的視電阻率與排采半年后的數據對比，反演煤儲層水系統視電阻率的動態變化，分析煤層氣排采井煤儲層水系統含水性的動態變化特征。

3 監測結果分析與討論

3.1 數據后處理方法

采用中國礦業大學地球物理研究所自行開發和研制的“瞬變電磁法數據處理與解釋系統”軟件進行資料處理和解釋。后處理時，先將各測線的原始數據由接收機傳入計算機，通過多種校正、轉換和正、反演計算求出地層視電阻率值，并把視電阻率時間函數轉換為深度函數，進而得到不同深度下的煤巖層視電阻率。根據得到的視電阻率值生成視電阻率擬斷面圖和順層切片圖。其中視電阻率擬斷面圖是根據同一剖面上不同測深點和不同深度的視電阻率值勾繪的等值線斷面圖，用于分析剖面上不同深度地電斷面的特征和規律。依據兩類圖件中地層相對高、低阻電性分布情況，得到探測區內煤巖層電阻率立體分布信息，從而判斷煤儲層水系統的含水性變化特征。

3.2 煤儲層水系統電性擬斷面成果分析

由5線排采前、排采半年后視電阻率擬斷面對比(圖3，曲線為視電阻率等值線，曲線上數字為視電阻率值，低電阻率值用藍色表示，高電阻率值用紅色表示)可以看出在電性意義上，淺地表地層變化不大，視電阻率出現變化的是在進入煤系后，排采半年后探測視電阻率數值相對排采前有所增加(圖3)，說明部分煤儲層水被排出，視電阻率增大。

以2線280點、6線200點、16線200點為例，進行深度反演計算，獲取不同深度的視電阻率值。對比分析結果表明：2線280點排采前、排采半年后探測的視電阻率比對應深度的排采前探測結果略高(圖4)，表明此點地下水被排出；6線200點排采前、排采半年后采集數據反映結果差異性較小，深度及視電阻率對比基本無明顯變化，表明此點地下水排出與補給相平衡；16線200點排采半年后比排采前對應相似深度的結果低，表明此點地下水補給量大于排出量。

圖3 5線排采前、排采半年后視電阻率擬斷面的對比Fig.3 Comparison of line 5apparent resistivity section before drainage and after half a year

圖4 2線280號測點排采前、排采半年后視電阻率的對比Fig.4 Comparison of apparent resistivity of the 280th point on line 2before drainage and after half a year

3.3 煤儲層水系統順層切片成果分析

排采前探測3煤層順層切片視電阻率基本均一，無明顯強弱異常區域，反映地下介質維持相對平衡的電性均一狀態；排采半年后探測3煤層順層切片視電阻率數值出現強弱異常變化(圖5)，圖5中紅色線區域標注為視電阻率升高區域，藍色線標注區域為視電阻率降低區域。煤層氣井排水使煤儲層水系統的儲存和水力聯系產生動態變化，排水使煤儲層水系統的水力關系活化，造成煤儲層水系統出現不同狀態的補給關系變化，由于煤儲層水系統不同區域水力連通狀態不同，在連通性差的區域，地下水抽排后出現電性參數升高異常，即視電阻率有不同程度的升高；在連通性較好區域，水力動態補給，電性參數出現降低異常，即視電阻率有一定范圍的降低。

排采前與排采半年后探測3號煤層頂板砂巖含水層視電阻率切片圖出現微弱變化，排采前探測3號煤層頂板砂巖視電阻率基本均一，阻值變化幅值較小，無明顯強弱異常區域(圖6)；排采半年后探測3號煤層頂板砂巖視電阻率數值出現趨勢變化，圖6中紅色線區域標注為視電阻率升高區域，藍色線標注區域為視電阻率降低區域(圖6)。對比3號煤層頂板砂巖含水層排采前探測與排采半年后探測視電阻率切片成果圖可以發現，抽排水引起水力活化，連通性較好的區域產生水力聯系、相互補給，3號煤層與其頂板砂巖含水層有一定的導通(巖石裂隙)，當產生水力補給后，地下水的補給造成排水后視電阻率降低，如區域2。區域1無水力聯系，消耗煤儲層水系統內地下水的靜儲量，排水后視電阻率升高。

圖5 3號煤層視電阻率順層切片Fig.5 Apparent resistivity bedding slice chart of No.3 coal seam

圖6 3號煤層頂板砂巖含水層視電阻率順層切片Fig.6 Apparent resistivity bedding slice chart of aquifer of No.3 coal seam roof sandstones

4 結 論

(1)瞬變電磁法是快速、直觀探測煤層氣井排采過程中煤儲層水系統動態變化的有效手段。通過在地面對煤層氣井排采區域合理布設測網、測點、測線，選擇有效的回線裝置，排采前、排采過程中通過多次探測可以監測煤儲層水系統的動態傳播特征。

(2)煤層氣井排采前煤儲層水系統含水性分布較均一，排采后由于煤系巖層水力連通性的差異導致排采范圍內煤層與其頂板砂巖視電阻率升高/降低程度不等。

(3)煤層氣井排采還將引起水力活化導致煤層與其頂板砂巖含水層導通，產生水力補給，煤儲層視電阻率降低。

[1] 許 浩,湯達禎,秦 勇,等.黔西地區煤儲層壓力發育特征及成因[J].中國礦業大學學報,2011,40(4):556-560. Xu Hao，Tang Dazhen，Qin Yong，et al.Characteristics and origin of coal reservoir pressure in the west Guizhou area[J].Journal of China University of Mining & Technology，2011，40(4):556-560.

[2] 葉建平,武 強,王子和.水文地質條件對煤層氣賦存的控制作用[J].煤炭學報，2001,26(5):459-462. Ye Jianping，Wu Qiang，Wang Zihe.Controlled characteristics of hydrogeological conditions on the coalbed methane migration and accumulation[J].Journal of China Coal Society，2001,26(5):459-462.

[3] 王興隆,趙益忠,吳 桐.沁南高煤階煤層氣井排采機理與生產特征[J].煤田地質與勘探,2009,37(5):19-22. Wang Xinglong，Zhao Yizhong，Wu Tong.Analysis of typical production mechanism and characteristics of coalbed methane wells for high rank coal in south Qinshui basin[J].Coal Geology & Exploration，2009,37(5):19-22.

[4] 朱衛平,唐書恒,王曉峰,等.煤層氣井產出水中氯離子變化規律回歸分析模型[J].煤田地質與勘探,2012,40(5):34-36. Zhu Weiping，Tang Shuheng，Wang Xiaofeng，et al.Prediction model for the ion concentration change of co-produced water from coalbed methane wells[J].Coal Geology & Exploration，2012,40(5):34-36.

[5] 劉會虎.沁南地區煤層氣排采井間干擾的地球化學約束機理[D].徐州：中國礦業大學,2011.

[6] 羅平平,范 波,李松營.井下瞬變電磁法在底板富水異常區探測中的應用[J].河南理工大學學報,2011,30(1):27-33. Luo Pingping，Fan Bo，Li Songying.Application of mine transient electromagnetic method in detecting water anomaly area of floor[J].Journal of Henan Polytechnic University，2011,30(1):27-33.

[7] 于景邨,劉振慶,廖俊杰.全空間瞬變電磁法在煤礦防治水中的應用[J].煤炭科學技術,2011,39(9):110-113. Yu Jingcun，Liu Zhenqing，Liao Junjie.Application of full space transient electromagnetic method to mine water prevention and control[J].Coal Science and Technology，2011,39(9):110-113.

[8] 縱躍進,魯金海,程建忠.瞬變電磁法探測陷落柱技術在袁莊煤礦的應用[J]．煤炭科學技術,2008,36(6):100-102． Zong Yuejin，Lu Jinhai，Cheng Jianzhong.Application of transient electromagnetic method to probe sink hole in Yuanzhuang Mine[J].Coal Science and Technology，2008,36(6):100-102．

[9] 程志平.電法勘探教程[M].北京:冶金工業出版社,2007.

[10] 劉樹才,岳建華,劉志新.煤礦水文物探技術與應用[M].徐州:中國礦業大學出版社,2005.

[11] 高 波,王傳雷,劉金濤，等.瞬變電磁方法在河南某煤礦深部含水構造探測中的應用[J].工程地球物理學報,2006,3(4):283-287. Gao Bo，Wang Chuanlei，Liu Jintao，et al.Application of TEM to deep coal mining in Henan for prospecting water-bearing structures[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2006,3(4):283-287.

[12] 于景邨,劉志新,湯金云.用瞬變電磁法探查綜放工作面頂板水體的研究[J].中國礦業大學學報,2007,36(4):542-546. Yu Jingcun，Liu Zhixin，Tang Jinyun.Transient electromagnetic detecting technique for water hazard to the roof of fully mechanized sub-level caving face[J].Journal of China University of Mining & Technology,2007,36(4):542-546.

[13] 李金銘,羅延鐘.電法勘探新進展[M].北京:地質出版社,1996.

[14] 方文藻,李予國.大回線法瞬變電磁測深正演計算[J].煤田地質與勘探,1991,19(2):49-53. Fang Wenzao，Li Yuguo.Large loop transient electromagnetic sounding forward method[J].Coal Geology & Exploration，1991,19(2):49-53.

Dynamicmonitoroncoalreservoirwatersystemduringdrainageprocessofcoalbedmethanewell

FU Xue-hai1,2,3，LI Sheng1,2,3，YU Jing-cun2,3，WU You-xin4

(1.GollegeofGeologicalandMiningEngineering,XinjiangUniversity,ürümqi830047,China;2.SchoolofResourceandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;3.KeyLaboratoryofCBMResourcesandDynamicAccumulationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;4.AnhuiCoalfieldGeologyBureauGeophysicalProspectingEntity,Suzhou234000,China)

In order to study dynamic propagation characteristics of coal reservoir water system during drainage process of coalbed methane well,based on different electrical conductivity of different lithology and water content of coal strata,a CBM production well in Qinnan area was chosen to conduct transient electromagnetic dynamic detections of coal reservoir water system before drainage and after half a year respectively.A rectangular survey grid of 400m×300m was set up with 16 survey lines perpendicular to the strata strike and 400survey points distributed in each line,resulting in an observation coordinate network of 20m×10m within the survey grid.By means of data acquisition,data processing and quantitative interpretation,apparent resistivity bedding slice chart,comparison diagram of coal apparent resistivity and apparent resistivity section of each survey line and point were available before drainage and after half a year.The analysis results show that,distribution of coal reservoir water system is relatively uniform before drainage,while its anisotropy becomes very obvious after half a year.In the poor connectivity regions,apparent resistivity of coal seam and roof sandstone increases in different degrees because static water reserves of coal reservoir water system are partly dewatered,to the contrary,that of coal seam and roof sandstone in the preferable connectivity regions decreases in a certain range because of hydraulic dynamic supply.

coalbed methane;coal reservoir water system;dynamic propagation of groundwater;transient electromagnetic method;apparent resistivity;Qinnan area

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0919

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2009CB219605)；國家科技重大專項資助項目(2011ZX05034)；新疆維吾爾族自治區引進高層次人才和“天山學者”啟動基金資助項目(11100213)

傅雪海(1965—)，男，湖南衡陽人，教授,博士生導師，博士。E-mail：fuxuehai@163.com

P618.11

A

0253-9993(2014)01-0026-06

傅雪海，李 升，于景邨,等.煤層氣井排采過程中煤儲層水系統的動態監測[J].煤炭學報,2014,39(1):26-31.

Fu Xuehai，Li Sheng，Yu Jingcun,et al.Dynamic monitor on coal reservoir water system during drainageprocess of coalbed methane well[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):26-31.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0919