煤層含氣量評價方法研究與應用

梁紅藝，謝小國，2，羅 兵，王一鳴

(1.四川省煤田地質局，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)組分等計算方法預測煤層含氣量的結果相比，組合法預測含氣量的精度高，與測試含氣量相關性好。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)是有機質在地質演化過程中經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，具有雙重孔隙結構、非均質性較強等特點[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)方法的基礎上，提出組合法預測煤層含氣量，該方法精度高、適用性強。

1 地質特征

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)評價方法及適應性分析

2.1 密度測井方法預測煤層含氣量

測井數(shù)據(jù)預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關系如下：

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，相關系數(shù)為0.802。密度測井方法預測含氣量見圖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，但是采用該方法預測煤層含氣量，需要較高的測井數(shù)據(jù)質量。由于西南地區(qū)二疊系龍?zhí)督M煤系地層易垮塌，導致井身擴徑明顯，測井數(shù)據(jù)的預測精度較低。

圖1 不同方法預測煤層含氣量結果對比分析

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 組合法預測煤層含氣量

不同含氣量預測方法具有不同的適用性，預測精度也存在差異。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測精度。基于以上考慮，提出組合法預測煤層含氣量。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，相關系數(shù)達到0.933。組合法預測煤層含氣量見圖1d。

4 組合法與常規(guī)方法預測精度對比

4種方法預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 煤層含氣量預測精度對比

5 組合法應用實例

C17煤層為勘查區(qū)內主要可采煤層，煤層較厚，平均為2.29 m，煤層結構變化較大，規(guī)律性較明顯，煤體結構主要為碎粒煤、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，地理位置集中在復陶、新華以南，大村以東，中樂南東方向。

6 結 論

(1) 煤層含氣量預測方法比較多，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??；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??；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)化組合來預測煤層含氣量，該方法綜合考慮了含氣量的影響因素，預測結果精度高，效果良好。

(3) 利用組合法對研究區(qū)C17煤層的含氣量預測結果表明，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)大村礦段地質詳查”(20081111)

梁紅藝(1965-)，男，高級工程師，1990年畢業(yè)于佛山地質學院物探專業(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