煤層氣富集區(qū)地球物理綜合評(píng)價(jià)方法研究
——以長治地區(qū)為例

譚青松周然然崔瑾郭增強(qiáng)曹成有殷亮亮

(1.中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北062552;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北430074; 3.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北062552)

煤層氣富集區(qū)地球物理綜合評(píng)價(jià)方法研究
——以長治地區(qū)為例

譚青松1，2周然然1崔瑾2郭增強(qiáng)3曹成有1殷亮亮1

(1.中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北062552;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北430074; 3.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北062552)

本文緊緊圍繞影響煤層氣富集的主控因素，從構(gòu)造特征研究、煤儲(chǔ)層預(yù)測研究和巖電特征研究三方面展開工作，探索出了一套適合于煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)的地球物理綜合評(píng)價(jià)方法。研究表明，用這套方法對(duì)沁水盆地煤層氣富集區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選區(qū)塊與實(shí)鉆結(jié)果吻合程度較高，對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)有重要指導(dǎo)意義。

地球物理方法 評(píng)價(jià)優(yōu)選 煤層氣 沁水盆地

1概況

長治區(qū)塊位于山西省沁水盆地的東南部，是沁水向斜盆地的一部分，主要煤系地層為下二疊統(tǒng)的山西組和上石炭統(tǒng)的太原組，其中，山西組的3號(hào)煤和太原組的15號(hào)煤是該區(qū)分布最穩(wěn)定、單層厚度最大的煤層，是煤層氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)層系。目前該區(qū)二維地震基本達(dá)到全區(qū)覆蓋，并在其基礎(chǔ)上完成一塊三維地震;已鉆評(píng)價(jià)井近百口，勘探程度較高，為地球物理評(píng)價(jià)技術(shù)研究提供了條件。

2地球物理技術(shù)評(píng)價(jià)方法及流程

影響煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)的因素很多，利用地球物理技術(shù)方法能解決的問題主要包括煤層厚度、埋深、煤巖結(jié)構(gòu)、含氣性、裂縫、構(gòu)造條件及圍巖封閉條件等。本文以3號(hào)煤為例介紹地球物理評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用效果。

2.1構(gòu)造精細(xì)解釋

2.1.1層位解釋

利用井震標(biāo)定中主要目的層地震反射特征，從已知井和主干剖面出發(fā)，以點(diǎn)到線到面到體的方式進(jìn)行目的層地震同相軸識(shí)別、對(duì)比、追蹤、閉合，實(shí)現(xiàn)了地震資料的精細(xì)解釋。

為了能夠真實(shí)的反映煤層微幅褶區(qū)構(gòu)造，同時(shí)滿足屬性預(yù)測精度的要求，對(duì)于反射較強(qiáng)、連續(xù)性較好的3號(hào)煤頂，主要采用自動(dòng)追蹤的解釋方式來拾取波形和相位，以保證解釋精度。

2.1.2斷層落實(shí)

斷層在地震剖面上以斷點(diǎn)形式存在，在地震反射同相軸上主要表現(xiàn)為波組錯(cuò)斷、終止、扭曲、相位轉(zhuǎn)換、分叉合并、產(chǎn)狀突變、頻率變化、斷面波、繞射波等特征。

實(shí)際解釋斷層過程中，在充分利用斷層地震反射特征的基礎(chǔ)上，借助“三瞬”屬性剖面(見圖1)對(duì)小斷層進(jìn)行輔助精細(xì)識(shí)別、刻畫。另外，還可以利用相干(見圖2)、曲率屬性精細(xì)識(shí)別和刻畫小斷層，確定斷層產(chǎn)狀，斷距最小可達(dá)到10m。在斷裂的組合方面，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律和構(gòu)造發(fā)育史分析，分析切割關(guān)系，利用相同斷層性質(zhì)的相似性和繼承性，對(duì)其進(jìn)行合理組合。

圖1 反射強(qiáng)度剖面圖

本區(qū)目的層段的斷層主要形成于喜山期，展布方向多為北東向、北北東向和近南北向，與區(qū)域主斷裂方向一致，斷層常成對(duì)出現(xiàn)，且較破碎。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育四組北東向、兩組近南北向的斷層，控制褶皺構(gòu)造形態(tài)。北東向斷層屬晚期斷層，受張扭應(yīng)力所致;南北向斷層屬早期斷層，這與整個(gè)沁水盆地的地質(zhì)背景吻合。

2.1.3陷落柱識(shí)別

陷落柱的存在使煤層封閉條件遭到破壞，造成煤巖破碎，地層壓力降低，煤層氣解吸而逸散。因此，搞清陷落柱的成因機(jī)理、分布規(guī)律，對(duì)煤層氣開發(fā)部署具有十分重要的作用。

本區(qū)目的層段陷落柱在地震反射剖面上主要反射特征為標(biāo)準(zhǔn)反射波在小范圍內(nèi)突然中斷、消失或變?nèi)跫胺瓷洳ㄍ噍S有不同程度的彎曲或向陷落柱中心傾斜的現(xiàn)象。上述地震反射特征不一定同時(shí)出現(xiàn)，只要出現(xiàn)一種或幾種反射特征就可以確定陷落柱的存在，解釋過程中，主要依據(jù)這些現(xiàn)象相互驗(yàn)證來識(shí)別陷落柱，同時(shí)利用相干體、沿層切片等相互驗(yàn)證(圖2)。陷落柱直徑一般在50～300m，最大450m，集中分布于斷裂、褶皺帶，呈條帶狀展布。

圖2 長治三維區(qū)3號(hào)煤相干切片圖

2.1.4空間變速成圖

本區(qū)屬典型山地區(qū)，地表?xiàng)l件復(fù)雜，煤層埋深，橫向巖性變化較大且煤巖厚度較薄，用擬合速度進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，易造成構(gòu)造形態(tài)失真，難于滿足精準(zhǔn)構(gòu)造成圖及水平井軌跡設(shè)計(jì)的要求。

為了解決這一難題，經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，利用疊加速度譜建立初始空間速度場，然后再用聲波測井速度、VSP測井速度、實(shí)鉆數(shù)據(jù)和構(gòu)造解釋層位數(shù)據(jù)提取井點(diǎn)時(shí)深數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定、校正，得最終速度場，最后時(shí)深轉(zhuǎn)換成圖，其井誤差基本小于1m，提高了成圖精度，真實(shí)反映了煤層微幅褶曲構(gòu)造，能夠滿足煤層氣勘探開發(fā)的需求。

煤層埋深直接影響著煤層的含氣性及開發(fā)效果。利用基準(zhǔn)面(b)、高程(h1)及構(gòu)造深度數(shù)據(jù)(H)，依照公式:埋深h=H+b－h(huán)1，直接求出煤層埋深數(shù)據(jù)，最終得到煤層實(shí)際埋深圖，指導(dǎo)煤層氣勘探。本區(qū)3號(hào)煤層埋深基本在600～1600m之間，適合煤層氣勘探，選區(qū)時(shí)，需考慮成本因素，最有利深度范圍為600～1000m。

2.1.5構(gòu)造特征

研究工區(qū)整體為西傾斜坡，地層較平緩，背斜、向斜交替發(fā)育，具有“南北分區(qū)，東西分帶”的構(gòu)造格局。根據(jù)構(gòu)造特征可劃分為三個(gè)構(gòu)造帶:

西部隆起帶:軸向?yàn)镹NW的背斜構(gòu)造，正、逆斷層均較為發(fā)育，以NS-NNW向斷層為主;

中部斜坡帶:是區(qū)內(nèi)分布面積最廣的一個(gè)區(qū)帶，斷層、陷落柱、微幅褶曲較發(fā)育;

東部褶皺帶:其東為軸向NNE的向斜構(gòu)造帶，北部和中部為斷裂不甚發(fā)育，其南為斷裂、陷落柱密集發(fā)育帶。

2.2巖電特征分析

由于煤巖及圍巖物理性質(zhì)的差別，在測井響應(yīng)特征上易產(chǎn)生明顯差異。就煤體本身而言，受后期構(gòu)造作用的影響，煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞，其各種物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，從而引起煤巖電性曲線特征的差異。利用不同測井曲線，可以準(zhǔn)確探測煤巖的各種物理性質(zhì)的變化。煤層在測井曲線上形態(tài)特征明顯，具有“三高二低”的曲線特征，即高電阻、高中子、高時(shí)差和低密度、低伽瑪。

2.2.1煤巖結(jié)構(gòu)識(shí)別

根據(jù)煤體破碎程度，煤巖通常被分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4類。由于構(gòu)造煤(碎粒煤與糜棱煤統(tǒng)稱)結(jié)構(gòu)松軟、強(qiáng)度低、滲透性差，易造成卡鉆、砂埋、井堵等事故，所以選區(qū)布井時(shí)應(yīng)規(guī)避。為了能掌握構(gòu)造煤分布規(guī)律，通過對(duì)本區(qū)內(nèi)近百口井煤巖及圍巖測井資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造煤具有井徑明顯擴(kuò)大和電阻率明顯下降的特征(見圖3)。

本區(qū)西側(cè)斷層發(fā)育，構(gòu)造活動(dòng)劇烈，尤其應(yīng)力交匯處，煤巖結(jié)構(gòu)破碎，井徑擴(kuò)經(jīng)嚴(yán)重，是構(gòu)造煤發(fā)育區(qū);東側(cè)地層平緩，斷層不發(fā)育，是原生煤發(fā)育區(qū)。部署井位時(shí)，西側(cè)應(yīng)以直井為主，而東側(cè)可部署羽狀水平井。

圖3 構(gòu)造煤測井曲線特征圖

2.2.2裂縫識(shí)別

通過比較深、淺雙側(cè)向電阻率(RD、RS)及沖洗帶電阻率值(Rxo)差異，結(jié)合時(shí)差、井徑、密度等曲線開展裂縫發(fā)育及滲透性研究，總結(jié)得出以下結(jié)論:

若RD值＞500Ω·m，且RD≈RS≈Rxo，裂縫不發(fā)育，滲透性中等;

若RD值＞500Ω·m，且RD≈RS＞Rxo，裂縫較發(fā)育，滲透性中等;

若RD值＞500Ω·m，且RD＞RS＞Rxo，且值相差很大，裂縫發(fā)育，滲透性好;

若RD值＞500Ω·m，且RD≈RS＜Rxo，裂縫不發(fā)育，滲透性差。

利用成像測井解釋結(jié)果和實(shí)鉆取芯資料標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，與電性特征解釋結(jié)果吻合性較好，說明用這種方法較為可靠。因此可以利用深淺電阻率差值與裂縫發(fā)育程度這一相關(guān)性，選擇其與聲波時(shí)差進(jìn)行擬合反演來預(yù)測裂縫發(fā)育情況。從預(yù)測結(jié)果圖來看(圖4):q14－30、q17－27井區(qū)為割理縫、斷裂帶及微裂縫發(fā)育區(qū)，利用14口評(píng)價(jià)井產(chǎn)氣量進(jìn)行標(biāo)定符合率達(dá)62%，說明這種方法較可靠，為裂縫研究提供了一種新的方法。

圖4 沁南東3號(hào)煤深淺電阻率差值和聲波擬合約束反演圖

2.3儲(chǔ)層預(yù)測研究

煤儲(chǔ)層預(yù)測是煤層氣地震勘探的一項(xiàng)重要技術(shù)，它利用地震與測井資料，分析煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，找出地震資料的各種屬性與煤層空間展布(厚度)、含氣量、孔滲大小及頂?shù)装鍘r性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推斷影響煤層氣富集各主控因素有利區(qū)分布范圍，從而達(dá)到評(píng)價(jià)選區(qū)的目的。

2.3.1煤儲(chǔ)層厚度及頂?shù)装孱A(yù)測

針對(duì)煤儲(chǔ)層空間展布特征的預(yù)測，常用的技術(shù)方法主要有以下四項(xiàng):常規(guī)地震屬性分析、地震拓頻技術(shù)、頻譜分解技術(shù)、波阻抗模型反演。前三種方法能定性或半定量預(yù)測煤層分布，而與巖石密度、速度參數(shù)密切相關(guān)的波阻抗模型反演能夠充分利用地震橫向高分辨率、測井縱向高分辨率的特點(diǎn)，通過約束，客觀真實(shí)地反映薄儲(chǔ)層橫向上的變化，且解釋性強(qiáng)，可定量預(yù)測煤層及其頂?shù)装逭共肌?/p>

本區(qū)3號(hào)煤層沉積比較穩(wěn)定，且已鉆多井，適用于測井約束模型反演。從3號(hào)煤的波阻抗曲線與自然伽瑪曲線交會(huì)結(jié)果來看:該區(qū)的波阻抗能夠很好的識(shí)別煤、泥巖、砂巖與灰?guī)r，故優(yōu)選波阻抗為敏感曲線進(jìn)行模型反演，來對(duì)煤層及其頂?shù)装鍘r性及泥巖厚度進(jìn)行預(yù)測。3號(hào)煤波阻抗值小于5000mg ·m/cm3·s為煤層，以此門檻提取3號(hào)煤厚度平面圖;波阻抗值5000～11000m/cm3·s為純泥巖;波阻抗值11000～13000m/cm3·s為砂巖(見圖5)。

從反演結(jié)果可看出長治地區(qū)3號(hào)煤全區(qū)分布，煤層實(shí)鉆厚度一般在3～8m，預(yù)測厚度與實(shí)鉆結(jié)果吻合較好，絕對(duì)誤差小于0.5m，相對(duì)誤差小于7%，符合預(yù)測精度要求。

圖5 3號(hào)煤層波阻抗與自然伽馬交會(huì)圖

3號(hào)煤頂板泥巖厚度和平均波阻抗平面分布顯示，頂?shù)装迥鄮r厚度西厚東薄，厚度基本大于15m，對(duì)煤層氣保存較為有利。相對(duì)來說，西部頂板平均波阻抗值低，泥巖厚度高，表明泥巖比較發(fā)育，保存條件好;東部平均波阻抗值高，泥巖厚度低，表明砂巖發(fā)育，有利常規(guī)游離氣儲(chǔ)存。底板除斷裂帶泥巖厚度較薄，東西部泥巖厚度分布與頂板一致。預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆井統(tǒng)計(jì)頂?shù)装迥鄮r厚度較為吻合，證明方法可靠。

2.3.2煤儲(chǔ)層含氣性預(yù)測

煤層含氣量的分析研究主要通過預(yù)測技術(shù)和實(shí)鉆井測試化驗(yàn)資料實(shí)現(xiàn)。常見煤層氣預(yù)測手段有:頻率吸收衰減屬性、疊前AVO反演技術(shù)、多屬性聚類分析、子波分解與重構(gòu)。通過對(duì)各種預(yù)測方法效果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在三維區(qū)疊后頻率衰減屬性與疊前AVO屬性反演技術(shù)效果較好;對(duì)二維區(qū)來說，頻率衰減梯度效果相對(duì)其它方法要好，故本次優(yōu)選對(duì)煤層含氣性進(jìn)行了預(yù)測。

地震波在含流體(油、氣、水)的介質(zhì)中傳播時(shí)具有高頻能量的吸收衰減增大的特性，因此可用地震資料的頻率衰減梯度屬性預(yù)測儲(chǔ)層含氣性。通過與井對(duì)應(yīng)的各種疊后屬性交會(huì)及單井頻譜分析發(fā)現(xiàn)，頻率衰減梯度對(duì)煤層氣最敏感，因此優(yōu)選其預(yù)測儲(chǔ)層含氣性。

從長治地區(qū)煤層頻率衰減梯度屬性平面圖可以看出長治三維區(qū)3號(hào)煤含氣情況西部好于東部，含氣量高值區(qū)被斷裂分為三個(gè)北東向展布的條帶(見圖6)，區(qū)內(nèi)24口井測試含氣量中有19口與預(yù)測值相符，吻合率為70%，預(yù)測結(jié)果精度高。

圖6 長治3號(hào)煤頻率衰減梯度平面圖

2.3.3煤儲(chǔ)層裂縫預(yù)測

煤層含氣量大證明煤巖中煤層氣富集，但能不能開采出來，能開采出多少卻不一定。煤層能否產(chǎn)氣以及產(chǎn)氣的多少取決于煤層滲透率的大小。煤巖是一種雙重孔隙介質(zhì)，由基質(zhì)孔隙和割理裂隙組成。煤巖割理控制煤層滲透率的大小，煤巖割理及裂隙越發(fā)育，煤巖滲透率越高。利用地球物理方法直接進(jìn)行煤層滲透率研究不好實(shí)現(xiàn)，而煤巖割理、裂縫發(fā)育程度卻可以通過地球物理的方法實(shí)現(xiàn)，這里主要通過儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)多尺度、多方法綜合分析煤巖割理、裂縫發(fā)育程度來間接的研究煤層滲透性，僅限于三維區(qū)。常見煤層裂縫預(yù)測手段有:應(yīng)力場數(shù)值模擬(百米級(jí))、相干屬性分析(十米級(jí))、疊前方向各向異性(米－分米級(jí))和深淺側(cè)向電阻率差值法(厘米級(jí))。根據(jù)預(yù)測尺度的大小，這里選擇了疊前方向各向異性來闡述。由于裂縫的存在造成地震屬性振幅、頻率、波阻抗等方向各向異性，因此其是預(yù)測微裂縫或割理縫有效方法之一。由各向異性所擬合出的橢圓，可預(yù)測裂縫的發(fā)育程度。

由3號(hào)煤波阻抗方向異性扁率圖(見圖7)可以看出，長治地區(qū)3號(hào)煤q14－30西北區(qū)為節(jié)理、割理或構(gòu)造煤發(fā)育程度較好的地區(qū)，斷裂發(fā)育區(qū)裂縫也較發(fā)育，且初步利用區(qū)內(nèi)14口評(píng)價(jià)產(chǎn)氣量進(jìn)行標(biāo)定符合率達(dá)71%，裂縫發(fā)育情況與實(shí)鉆井裂縫發(fā)育情況吻合較好，總的來說本區(qū)裂縫比較發(fā)育，對(duì)煤層氣開采有利。

圖7 長治三維區(qū)3號(hào)煤波阻抗方向異性扁率圖

研究表明，煤儲(chǔ)層隨著裂縫或含氣量的增加，煤層密度及速度都會(huì)降低，而波阻抗值與速度、密度呈正比，因此，煤層波阻抗值越低，煤層氣的富集程度越高、滲透性越好。因此，可通過最小波阻抗預(yù)測煤層氣富集區(qū)，富集區(qū)具有高含氣、高滲透性的特點(diǎn)。長治地區(qū)西北、東南部最小波阻抗低，說明兩區(qū)煤儲(chǔ)層物性較好，為選區(qū)評(píng)價(jià)提供了新的依據(jù)。

3建立選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選有利區(qū)

煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)主要是通過對(duì)影響煤層氣富集的主控因素進(jìn)行綜合對(duì)比分析，提出各項(xiàng)有利因素分布范圍及空間展布特征，以此為依據(jù)，優(yōu)選出煤層氣高滲富集區(qū)。影響煤層氣富集及評(píng)價(jià)優(yōu)選的因素主要包括:煤演化程度、煤層厚度、煤層埋深、構(gòu)造條件、封蓋條件、含氣性、滲透率、煤巖結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力條件等，這些因素關(guān)系到煤層氣可采性和經(jīng)濟(jì)性。評(píng)價(jià)選區(qū)過程需要制定詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)外煤層氣公司都嘗試制定了各自不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但是國內(nèi)外不同盆地的地質(zhì)特征和采用的開發(fā)工藝的不同，所制定的選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)也有所差異，不能照搬。根據(jù)本區(qū)的地質(zhì)和開發(fā)特點(diǎn)，對(duì)地球物理技術(shù)能解決的煤層氣選區(qū)的關(guān)鍵參數(shù)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討，并初步建立了適合本區(qū)選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1 長治地區(qū)煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

通過對(duì)影響煤層氣儲(chǔ)層的構(gòu)造條件、煤厚條件、埋深條件、封蓋條件、煤體結(jié)構(gòu)及煤儲(chǔ)層條件等多方面單因素分析評(píng)價(jià)，按照權(quán)重比將有利區(qū)分布范圍進(jìn)行疊合，評(píng)價(jià)優(yōu)選出兩個(gè)一類有利開發(fā)區(qū)，為井位部署提供了建議。通過將本區(qū)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)的井投到疊合圖中，產(chǎn)氣量高的井位于有利區(qū)中吻合率達(dá)到70%，證明這種地球物理評(píng)價(jià)方法較可靠。

4結(jié)語

(1)此煤層氣富集區(qū)地球物理綜合評(píng)價(jià)方法效果較好，適合在本區(qū)及周邊地質(zhì)特征相似地區(qū)展開推廣。

(2)上述所選用的測井評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層預(yù)測方法對(duì)本區(qū)來說較為適用，不一定適用其它地區(qū)，推廣應(yīng)用時(shí)需重新對(duì)比分析加于篩選。

(3)評(píng)價(jià)選區(qū)時(shí)需綜合考慮各項(xiàng)因素，目前主要按照上述標(biāo)準(zhǔn)采用單因素疊合法，所選有利區(qū)范圍難免受人為因素影響，需探索出一套多屬性融合技術(shù)，對(duì)多個(gè)目標(biāo)按權(quán)重大小進(jìn)行綜合考慮，最終優(yōu)選有利目標(biāo)。

(4)目前建立的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)僅選用了地球物理方法能解決的一些因素，且只針對(duì)本地區(qū)，下步還需在今后的研究過程中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

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(責(zé)任編輯韓甲業(yè))

Research on Geophysical Comprehensive Evaluation Method of Coalbed Methane Enrichment Region—Taking Zhengzhuang Region for Example

TAN Qingsong1，2，ZOU Ranran1，CUIJin2，GUO Zengjian3，CAO Chengyou1，YIN Liangliang1
(1.Geophysical Exploration Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei062552; 2.China University of Geosicenece(Wuhan)，Hubei430074; 3.Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei062552)

This article concentrating on the main controlling factors of coalbed methane enrichment，based on the studies of tectonic characteristics，coal reservoir prediction research and rock electrical characteristics，finds a geophysical comprehensive evaluation method suitable for coalbed methane geological characteristics.Studies show thatusing thismethod to optimize coalbedmethane enrichment region in Qinshui Basin，the block selection conform well with the drilling results and thismethod has an important guiding significance for the coalbed methane exploration and development.

Geophysicalmethod;evaluation and optimization;coalbed methane;Qinshui Basin

譚青松，男，工程師，現(xiàn)主要從事石油天然氣、煤層氣地質(zhì)與物探技術(shù)綜合研究。