煤層含氣量評價方法研究與應(yīng)用

梁紅藝，謝小國，2，羅 兵，王一鳴

(1.四川省煤田地質(zhì)局，四川 成都 610072；2.成都理工大學，四川 成都 610059；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

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煤層含氣量評價方法研究與應(yīng)用

梁紅藝1，謝小國1，2，羅 兵1，王一鳴3

(1.四川省煤田地質(zhì)局，四川 成都 610072；2.成都理工大學，四川 成都 610059；3.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

川南大村勘查區(qū)二疊系龍?zhí)督M沉積了多套煤層，為了準確預(yù)測該區(qū)主要煤層的含氣量，了解煤層含氣量的分布規(guī)律，提出一種基于綜合因素對含氣量影響評價的組合法。該組合法與密度測井、KIM方程以及煤層工業(yè)組分等計算方法預(yù)測煤層含氣量的結(jié)果相比，組合法預(yù)測含氣量的精度高，與測試含氣量相關(guān)性好。利用組合法對研究區(qū)多口井進行分析，揭示了C17煤層含氣量的平面分布規(guī)律，該煤層含氣量較好的區(qū)域主要分布于二郞壩向斜西翼，沿核桃壩斷層、馬桑坪斷層、文昌宮斷層分布。該方法充分考慮煤層含氣量的影響因素，有助于提高煤層含氣量的預(yù)測精度。

煤層含氣量；測井；KIM方程；工業(yè)組分；組合法；川南地區(qū)

0 引 言

煤層氣(即煤層甲烷)是有機質(zhì)在地質(zhì)演化過程中經(jīng)生物成因和熱成因形成的以吸附作用為主，賦存于煤儲層的一種非常規(guī)天然氣。煤層氣儲層既是生氣源巖，又是煤層氣儲集層，裂縫發(fā)育，具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)性較強等特點[1-5]。作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，煤層中含氣量的大小不僅影響著煤礦生產(chǎn)的安全，同時也是煤層氣勘探開發(fā)的重要條件[6-7]，因此，對煤層含氣量進行定量分析和預(yù)測，對于煤層氣的賦存規(guī)律與分布狀態(tài)具有重要的指示作用。

四川省川南煤田古敘礦區(qū)大村勘查區(qū)煤系為上二疊系龍?zhí)督M(P3l)，以海陸過渡相含煤沉積為主，巖性為砂泥巖，含多層可采無煙煤，煤的成熟度和生烴率高，具有較豐富的煤層氣儲量[8-11]。煤層含氣量測定方法較多[12-13]，在分析幾種常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，提出組合法預(yù)測煤層含氣量，該方法精度高、適用性強。

1 地質(zhì)特征

西南地區(qū)上二疊統(tǒng)賦存著豐富的煤炭資源[14]，川南地區(qū)晚二疊系龍?zhí)督M是一套海陸交替相含煤地層，形成于殘積平原—湖泊、三角洲和潮坪環(huán)境[15-16]。大村勘查區(qū)龍?zhí)督M屬海陸交互相含煤沉積，地層厚度平均為84 m。共含煤層20余層，可對比的有10層，其中，全區(qū)可采煤層為3層(C17、C23、C25)，大部分可采煤層為4層(C11、C13、C14、C24)，局部可采煤層為1層(C16)，另有零星可采煤層為2層(C12、C21)。

2 煤層含氣量常規(guī)評價方法及適應(yīng)性分析

2.1 密度測井方法預(yù)測煤層含氣量

測井數(shù)據(jù)預(yù)測煤層含氣量的方法比較成熟[17-19]。利用川南煤田古敘礦區(qū)大村勘查區(qū)含氣量解析數(shù)據(jù)與測井曲線擬合分析，煤層含氣量與密度的相關(guān)關(guān)系如下：

QCDEN=-38.38ρDEN+74.01

(1)

式中：QCDEN為密度測井法計算的煤層吸附氣量，m3/t；ρDEN為測井密度，g/cm3，相關(guān)系數(shù)為0.802。密度測井方法預(yù)測含氣量見圖1a。

密度測井方法具有簡單、快速的優(yōu)點，能夠很好地對全部煤層進行處理，但是采用該方法預(yù)測煤層含氣量，需要較高的測井數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于西南地區(qū)二疊系龍?zhí)督M煤系地層易垮塌，導(dǎo)致井身擴徑明顯，測井數(shù)據(jù)的預(yù)測精度較低。

圖1 不同方法預(yù)測煤層含氣量結(jié)果對比分析

2.2 KIM方程計算煤層含氣量

KIM方程是將煤層工業(yè)分析組分和等溫吸附理論相結(jié)合計算煤層含氣量的方法[20-21]。采用KIM方程的修正形式進行煤層含氣量的計算，公式如下：

QCKIM=0.75(1-w-a)×

(2)

式中：QCKIM為KIM方程計算的煤層吸附氣量，m3/t；w和a分別為水分和灰分的質(zhì)量含量；h為地層埋深，m；p0為地表大氣壓，101.325 kPa；T為地層溫度，℃；FC和VM為煤心固定碳和揮發(fā)分質(zhì)量含量，%。KIM方程計算煤層含氣量見圖1b。

KIM方程適用于以吸附氣為主的煤層含氣量預(yù)測，該方法綜合考慮溫度、壓力、煤層工業(yè)組分、煤層埋深等因素對煤層含氣量的影響，有利于全面分析煤層含氣量的大小。但該方法需要大量的測試數(shù)據(jù)，各測試數(shù)據(jù)的準確性都將影響含氣量的預(yù)測精度。

2.3 煤層工業(yè)組分計算煤層含氣量

煤層工業(yè)組分是評價煤質(zhì)的主要指標，同時也是影響含氣量的重要因素[18，22-23]。利用煤層灰分、固定碳與測試含氣量進行多元線性回歸分析，公式如下：

QCIC=5.3-0.26Ad+0.25FCd

(3)

式中：QCIC為煤層工業(yè)組分計算的煤層吸附氣量，m3/t；Ad為煤層灰分體積含量，%；FCd為煤層固定碳體積含量，%。相關(guān)系數(shù)為0.905。煤層工業(yè)組分計算煤層含氣量見圖1c。

煤層的固定碳、灰分含量與含氣量具有較好的相關(guān)性，基于煤層工業(yè)組分的多元回歸能夠較直觀地定性、定量預(yù)測煤層含氣量的大小，但該方法同樣需要大量的煤層工業(yè)組分測試數(shù)據(jù)。

3 組合法預(yù)測煤層含氣量

不同含氣量預(yù)測方法具有不同的適用性，預(yù)測精度也存在差異。如果不同方法的適用性能夠得到充分利用，局限性得到抑制，將極大地提高煤層含氣量的預(yù)測精度。基于以上考慮，提出組合法預(yù)測煤層含氣量。組合法是將密度測井方法、KIM方程和煤層工業(yè)組分方法分別預(yù)測的煤層含氣量值與測試值進行最小二乘法擬合，得到誤差最小的預(yù)測值。組合法公式如下：

QCW=-2.03+0.54QCDEN+0.62QCKIM-0.06QCIC

(4)

式中：QCW為組合法計算的煤層吸附氣量，m3/t，相關(guān)系數(shù)達到0.933。組合法預(yù)測煤層含氣量見圖1d。

4 組合法與常規(guī)方法預(yù)測精度對比

4種方法預(yù)測煤層含氣量精度對比見表1、圖1。與常規(guī)方法相比，組合法預(yù)測煤層含氣量的精度得到了很大的提高，精度誤差平均為-0.15 m3/t。

表1 煤層含氣量預(yù)測精度對比

5 組合法應(yīng)用實例

C17煤層為勘查區(qū)內(nèi)主要可采煤層，煤層較厚，平均為2.29 m，煤層結(jié)構(gòu)變化較大，規(guī)律性較明顯，煤體結(jié)構(gòu)主要為碎粒煤、粉煤[24]。

利用組合法對研究區(qū)81口井的C17煤層的含氣量進行預(yù)測分析，其中，含氣量小于5 m3/t有2口井，含氣量在5～10 m3/t有4口井，含氣量在10～15 m3/t有22口井，含氣量在15～20 m3/t有44口井，含氣量在20～25 m3/t有9口井，因此，研究區(qū)C17煤層的含氣量較高，基本大于10 m3/t(圖2)。

從圖2可以看出，C17煤層含氣量較高的區(qū)域主要分布于二郞壩向斜西翼，沿核桃壩斷層、馬桑坪斷層和文昌宮斷層分布，地理位置集中在復(fù)陶、新華以南，大村以東，中樂南東方向。

6 結(jié) 論

(1) 煤層含氣量預(yù)測方法比較多，密度測井方法能夠很好地對全部煤層進行快速處理，含氣量較大時，利用測井密度計算的含氣量誤差相對較小；KIM方程受溫度、壓力、煤層工業(yè)組分、煤層埋深等因素影響，含氣量較小時，KIM方程計算的含氣量誤差值較小；含氣量值中等時，基于煤層工業(yè)組分的多元回歸計算的含氣量誤差較小。

(2) 組合法是將密度測井方法、KIM方程、煤層工業(yè)組分方法進行優(yōu)化組合來預(yù)測煤層含氣量，該方法綜合考慮了含氣量的影響因素，預(yù)測結(jié)果精度高，效果良好。

(3) 利用組合法對研究區(qū)C17煤層的含氣量預(yù)測結(jié)果表明，C17煤層的含氣量較高，主要分布于二郞壩向斜西翼，地理位置為復(fù)陶、新華以南，大村以東，中樂南東方向。

圖2 研究區(qū)C17煤層含氣量分布規(guī)律

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編輯 黃華彪

20151130；改回日期：20160310

四川省地質(zhì)勘查項目“四川省古藺縣川南煤田古敘礦區(qū)大村礦段地質(zhì)詳查”(20081111)

梁紅藝(1965-)，男，高級工程師，1990年畢業(yè)于佛山地質(zhì)學院物探專業(yè)，現(xiàn)主要從事地球物理勘探與遙感研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.010

P631.8

A

1006-6535(2016)03-0044-04