煤層氣井排采過程中煤儲層水系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測

傅雪海，李 升，于景邨，吳有信

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830047；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 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(zhì)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(tǒng)的動態(tài)監(jiān)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(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830047；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 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(zhì)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(tǒng)的動態(tài)傳播特征，基于煤系不同巖層不同含水狀態(tài)的導(dǎo)電性差異，在沁南地區(qū)選擇一口煤層氣排采井，分別在該井排采前、排采半年后進(jìn)行了煤儲層水系統(tǒng)瞬變電磁動態(tài)探測。在該井排采范圍內(nèi)設(shè)置400m×300m的矩形測網(wǎng)，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(wǎng)內(nèi)部形成20m×10m的觀測坐標(biāo)網(wǎng)格，通過數(shù)據(jù)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(jié)果表明排采前煤儲層水系統(tǒng)分布相對較均一，排采半年后煤儲層水系統(tǒng)非均質(zhì)性十分明顯。在連通性差的區(qū)域，排采半年后煤儲層水系統(tǒng)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(qū)域，由于地下水動態(tài)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(tǒng)；地下水動態(tài)傳播；瞬變電磁技術(shù)；視電阻率；沁南地區(qū)

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(dǎo)致煤層氣解吸、擴散、滲流，并運移至井筒產(chǎn)出，因而研究地下水動態(tài)變化規(guī)律是煤層氣井開發(fā)及排采控制的基礎(chǔ)[1-3]。前期排采中的地下水動態(tài)變化研究多基于井口數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而從地球化學(xué)、數(shù)值模擬角度展開，間接推測煤儲層水系統(tǒng)內(nèi)的含水性變化[4-5]。如果在排采范圍內(nèi)加密布設(shè)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(tài)不同，導(dǎo)電能力不同，富水導(dǎo)電性好，電阻率低；貧水導(dǎo)電性差，電阻率高。因而能夠利用電磁感應(yīng)類探測方法進(jìn)行無損探測。近年來發(fā)展的瞬變電磁技術(shù)(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(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于地下水勘查及隱伏含(導(dǎo))水構(gòu)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(tǒng)動態(tài)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(jiān)測煤層氣井排采過程中煤儲層水系統(tǒng)動態(tài)變化特征，研究煤層氣井排采地下水流動規(guī)律，為煤層氣井排采優(yōu)化提供有用的信息。

1 煤儲層水系統(tǒng)的地電性

煤儲層水系統(tǒng)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(lián)系的其他含水層。

煤儲層水系統(tǒng)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(xiàn)。煤儲層水系統(tǒng)在含水性穩(wěn)定情況下視電阻率值分布穩(wěn)定，等值線分布均勻、平緩；若煤儲層水系統(tǒng)含有相對富水區(qū)和含水、導(dǎo)水構(gòu)造時，則呈現(xiàn)低阻異常，視電阻率值產(chǎn)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(tài)傳播瞬變電磁監(jiān)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(yīng)形象地加以闡明。地表接收的二次電磁場是由于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下而產(chǎn)生地下感應(yīng)渦流場而產(chǎn)生的，其渦流以等效電流環(huán)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(zhì)的影響，這樣從“煙圈效應(yīng)”的觀點看，可知早期瞬變電磁場是近地表感應(yīng)電流產(chǎn)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(yīng)電流產(chǎn)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(zhì)電性的垂向變化[9-10]。

圖1 地下感應(yīng)電流環(huán)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(fā)送回線的磁矩；SR為接收線圈的有效面積；ε(t)為感應(yīng)電動勢；t為延遲時間。

2.2 測網(wǎng)布設(shè)

本次對沁南潘莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)井PE-055井(位于晉城潘莊區(qū)塊中部，單排采3號煤層)排采范圍進(jìn)行了瞬變電磁法動態(tài)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(biāo)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(tǒng)動態(tài)探測的瞬變電磁法監(jiān)測儀器為澳大利亞產(chǎn)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(shù)據(jù)采集由微機控制，自動記錄和存儲，與微機連接可實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jìn)行探測。一般框-回裝置發(fā)射回線采用邊長數(shù)百米甚至千余米的矩形線圈，采用小型線圈或探頭，回線內(nèi)部中心1/3面積范圍內(nèi)布線逐點測量。由于發(fā)射回線固定，可采用大功率發(fā)射設(shè)備供以大電流，加之發(fā)射回線面積大，能夠提供很強的發(fā)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(yīng)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(fā)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(shù)小回線，在發(fā)射回線中心1/3范圍內(nèi)進(jìn)行煤儲層排采水動態(tài)探測。以PE-055開發(fā)井為中心，考慮到現(xiàn)場的地形和地物，布置成400m×320m的矩形測網(wǎng)，在測網(wǎng)內(nèi)部形成20m×10m的觀測坐標(biāo)網(wǎng)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?？碧矫娣e為0.12km2。按上述測網(wǎng)密度，在測區(qū)范圍內(nèi)設(shè)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(shù)相同，點距為10m，測點編號為0～400，測線總長達(dá)6 400km。其中PE-055井位于6線200點位置(圖2)。

2.3 動態(tài)監(jiān)測

煤層氣井排采前瞬變電磁探測總工作量為646個坐標(biāo)點，檢查點25個；排采半年后為647個坐標(biāo)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(shù)據(jù)對比，反演煤儲層水系統(tǒng)視電阻率的動態(tài)變化，分析煤層氣排采井煤儲層水系統(tǒng)含水性的動態(tài)變化特征。

3 監(jiān)測結(jié)果分析與討論

3.1 數(shù)據(jù)后處理方法

采用中國礦業(yè)大學(xué)地球物理研究所自行開發(fā)和研制的“瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng)”軟件進(jìn)行資料處理和解釋。后處理時，先將各測線的原始數(shù)據(jù)由接收機傳入計算機，通過多種校正、轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換為深度函數(shù)，進(jìn)而得到不同深度下的煤巖層視電阻率。根據(jù)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(jù)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(guī)律。依據(jù)兩類圖件中地層相對高、低阻電性分布情況，得到探測區(qū)內(nèi)煤巖層電阻率立體分布信息，從而判斷煤儲層水系統(tǒng)的含水性變化特征。

3.2 煤儲層水系統(tǒng)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(shù)字為視電阻率值，低電阻率值用藍(lán)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(xiàn)變化的是在進(jìn)入煤系后，排采半年后探測視電阻率數(shù)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(jìn)行深度反演計算，獲取不同深度的視電阻率值。對比分析結(jié)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(yīng)深度的排采前探測結(jié)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(shù)據(jù)反映結(jié)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(yīng)相似深度的結(jié)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(tǒng)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(qū)域，反映地下介質(zhì)維持相對平衡的電性均一狀態(tài)；排采半年后探測3煤層順層切片視電阻率數(shù)值出現(xiàn)強弱異常變化(圖5)，圖5中紅色線區(qū)域標(biāo)注為視電阻率升高區(qū)域，藍(lán)色線標(biāo)注區(qū)域為視電阻率降低區(qū)域。煤層氣井排水使煤儲層水系統(tǒng)的儲存和水力聯(lián)系產(chǎn)生動態(tài)變化，排水使煤儲層水系統(tǒng)的水力關(guān)系活化，造成煤儲層水系統(tǒng)出現(xiàn)不同狀態(tài)的補給關(guān)系變化，由于煤儲層水系統(tǒng)不同區(qū)域水力連通狀態(tài)不同，在連通性差的區(qū)域，地下水抽排后出現(xiàn)電性參數(shù)升高異常，即視電阻率有不同程度的升高；在連通性較好區(qū)域，水力動態(tài)補給，電性參數(shù)出現(xiàn)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(xiàn)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(qū)域(圖6)；排采半年后探測3號煤層頂板砂巖視電阻率數(shù)值出現(xiàn)趨勢變化，圖6中紅色線區(qū)域標(biāo)注為視電阻率升高區(qū)域，藍(lán)色線標(biāo)注區(qū)域為視電阻率降低區(qū)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(fā)現(xiàn)，抽排水引起水力活化，連通性較好的區(qū)域產(chǎn)生水力聯(lián)系、相互補給，3號煤層與其頂板砂巖含水層有一定的導(dǎo)通(巖石裂隙)，當(dāng)產(chǎn)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(qū)域2。區(qū)域1無水力聯(lián)系，消耗煤儲層水系統(tǒng)內(nèi)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F(xiàn)ig.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F(xiàn)ig.6 Apparent resistivity bedding slice chart of aquifer of No.3 coal seam roof sandstones

4 結(jié) 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(tǒng)動態(tài)變化的有效手段。通過在地面對煤層氣井排采區(qū)域合理布設(shè)測網(wǎng)、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(jiān)測煤儲層水系統(tǒng)的動態(tài)傳播特征。

(2)煤層氣井排采前煤儲層水系統(tǒng)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(dǎo)致排采范圍內(nèi)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(dǎo)致煤層與其頂板砂巖含水層導(dǎo)通，產(chǎn)生水力補給，煤儲層視電阻率降低。

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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(chǔ)研究發(fā)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(qū)引進(jìn)高層次人才和“天山學(xué)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(dǎo)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(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測[J].煤炭學(xué)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