煤層瓦斯含氣量預(yù)測

1、專題講演黑體三號(hào)煤層氣含氣量預(yù)測方法學(xué)生姓名：孫曉旭專業(yè)班級(jí)：煤層12-2學(xué)號(hào)：1201160215指導(dǎo)教師：陶梅完成日期：2016.1.10綜合成績：宋體四號(hào)、TimesNewRoman四號(hào)遼寧工程技術(shù)大學(xué)煤層含氣量預(yù)測方法摘要為了提高煤層含氣量預(yù)測效果，更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)煤層氣資源量、預(yù)測煤層氣開發(fā)前景，以及制定合理的開發(fā)方案，基于大量文獻(xiàn)調(diào)研，首先梳理了煤層氣及煤層含氣量的概念、影響因素，其次對(duì)煤層含氣量預(yù)測方法的特點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，進(jìn)而開展了煤層含氣量預(yù)測方法發(fā)展趨勢(shì)分析研究表明，煤層含氣量的影響因素主要包括煤的變質(zhì)程度、溫度、壓力、煤質(zhì)、煤層有效埋藏深度、儲(chǔ)層有效厚度、儲(chǔ)層物性等，其中，煤

2、變質(zhì)程度起著根本性作用煤層含氣量定量預(yù)測方法主要有等溫吸附曲線法、含氣量梯度法、測井法、地震法等合理選擇煤層含氣量預(yù)測方法，開展多學(xué)科、多種預(yù)測方法綜合預(yù)測含氣量研究、研發(fā)新的煤層含氣量預(yù)測方法是煤層含氣量預(yù)測的主要發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：煤層氣；含氣量；影響因素；預(yù)測方法Prediction method of gas content in coal seamABSTRACTIn order to improve the prediction of coalbed gas content, a more accurate evaluation of coalbed gas resource, pr

3、ediction of coalbed methane development prospects, and formulate a reasonable development plan, based on extensive literature research, firstly reviews the concept and factors of coal-bed gas and coal seam gas content, followed by the characteristics of coal seam gas content prediction methods are c

4、ompared and analyzed then, carry out the analysis of coalbed gas content prediction methods of the development trend of research shows that the influence factors of coal seam gas content mainly includes the metamorphic degree of coal, temperature, pressure, coal and coal seam buried depth, reservoir

5、 thickness, reservoir property, the degree of coal metamorphism plays a fundamental role in prediction of coalbed the main gas quantitative selection of isothermal adsorption curve method, gradient method, gas logging, seismic method of coal seam gas content prediction method, carry out Multi discip

6、line, multi prediction methods comprehensive prediction of gas content research, research and development of new coal bed gas content prediction method is the main development trend of coal seam gas content prediction.Keywords：coalbed gas；Gas content；Influence factor；Prediction method目錄1煤層含氣量的概念及影響因

7、素11.1煤層氣含氣量的概念21.2煤層氣含氣量的影響因素22煤層含氣量預(yù)測方法42.1等溫吸附曲線法52.2含氣量梯度法22.3鉆孔巖芯實(shí)測含氣量法52.4回歸分析法22.4.1單一因素回歸法32.4.2多因素線性回歸法62.4.3復(fù)合參數(shù)回歸法32.5含氣飽和度法22.6利用礦井瓦斯涌出量預(yù)測含氣量52.7地溫和地應(yīng)力法22.8利用煤層氣層背景值求含氣量52.9地震預(yù)測法22.10現(xiàn)代數(shù)學(xué)法52.10.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)32.10.2灰色關(guān)聯(lián)分析技術(shù)62.10.3支持向量機(jī)技術(shù)31煤層含氣量的概念及影響因素1.1煤層氣含氣量的概念煤層氣是指賦存在煤層中的以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面

8、為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。煤層含氣量是指單位數(shù)量煤體中所吸附的煤層氣數(shù)量，或者每噸原煤中所含煤層氣的量（m3/t）1.2煤層氣含氣量的影響因素煤層含氣量是煤化作用、構(gòu)造活動(dòng)、埋藏演化過程中經(jīng)過多次吸附解吸、擴(kuò)散滲流、運(yùn)移后，在現(xiàn)今地質(zhì)條件下動(dòng)平衡的結(jié)果。由于煤層氣在煤儲(chǔ)層中的儲(chǔ)集及滲流機(jī)理與常規(guī)天然氣大不相同5其影響因素多樣而復(fù)雜煤層含氣量的主要因素煤的變質(zhì)程度、溫度、壓力、煤層有效埋藏深度、有效厚度、構(gòu)造特征、水文地質(zhì)特征、煤層頂、底板巖性等（表1）其中，煤變質(zhì)程度起著根本性作用此外，煤層含氣量還與煤儲(chǔ)層物性和顯微組分有關(guān)2煤層含氣量預(yù)測方法幾十年來，前人對(duì)煤層含氣

9、量的定量預(yù)測作了大量研究目前，我國在煤層氣資源評(píng)價(jià)中確定煤層含氣量主要采用直接法和間接法直接法主要是參照美國礦業(yè)局直接法直接法，還有改進(jìn)的直接法，間接法包括等溫吸附曲線法、含氣量梯度法、測井曲線法、地震法、溫度一壓力一吸附曲線法、煤質(zhì)一灰分一含氣量類比法、地質(zhì)條件綜合分析法、模擬法等2.1等溫吸附曲線法一般來說，80%一90%以上的煤層氣以吸附氣狀態(tài)存在于煤層之中研究表明，煤對(duì)甲烷的吸附能力與溫度和壓力有關(guān)，Langmuir實(shí)驗(yàn)定律可以較好地描述這一特性。標(biāo)準(zhǔn)Langmuir公式為：V=VL/（pL+p）式中：VL為Langmuir體積，m3/t；pL為Langmuir壓力，MPa；p為地層壓

10、力，MPa；V為吸附量，m3/t。由Langmuir方程可知，如果知道VL和pL值即可求出煤樣的吸附等溫線，從而利用吸附等溫線求出不同壓力下的含氣量，通常VL和pL值由工業(yè)分析數(shù)據(jù)得到。但是趙毅1等在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)利用Langmuir公式得到的含氣量是純煤層中吸附的最大含氣量，并不代表真實(shí)含氣量，與實(shí)際煤層的含氣量相差很大，需要進(jìn)行多方面的校正由于煤層中的吸附氣很大程度上取決于煤層灰分、固定碳、地層壓力和溫度，因此，U.Ahmed根據(jù)以上條件對(duì)Langmuir公式方程作出改進(jìn)。趙毅1等研究表明，在高階煤中應(yīng)用改進(jìn)的Langmuir方程可以很好的表征煤層中實(shí)際的含氣量。2.2含氣量梯度法煤層含氣

11、量梯度是指同一煤層中增加單位深度含氣量的增量，通常用每百米噸煤增加的含氣量來表示含氣梯度法主要適用于同一構(gòu)造單元中的深部外推預(yù)測區(qū)，或不同構(gòu)造單元中地質(zhì)條件基本相近的預(yù)測區(qū)，是具有較高可靠性的煤層氣含量預(yù)測方法之一其應(yīng)用的理論基礎(chǔ)是：在構(gòu)造相對(duì)簡單的同一構(gòu)造單元中，控制煤層含氣量的其他因素基本相同時(shí)，含氣性主要受控于煤層的埋藏深度。一般而言，隨著埋深的增加，煤層的溫度和壓力增加，氣體的生成量也越大，且逸出難度增大，因而，煤層氣含量越大對(duì)煤層有效埋深與含氣量進(jìn)行線性回歸，從而對(duì)同一構(gòu)造單元含氣量進(jìn)行預(yù)測。聶懷耀2、王愛國3、李靜4等人分別對(duì)鐵法煤田、壽陽礦區(qū)巧號(hào)煤層、焦作煤田圖應(yīng)用含氣梯度法進(jìn)行

12、了含氣量預(yù)測，取得了較好的應(yīng)用效果2.3鉆孔巖芯實(shí)測含氣量法直接法測試，其含氣量包括：解吸氣、逸散氣、殘余氣3項(xiàng)之和。該方法是利用現(xiàn)場鉆井煤芯或有代表性的煤屑測定實(shí)際含氣量，適用于新探區(qū)的取芯井，可提供參考依據(jù)2.4回歸分析法2.4.1單一因素回歸法單一因素回歸法主要利用含氣量與密度測井值（或深度、灰分）的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，來預(yù)測含氣量。李金珊5對(duì)川南筠連沐愛地區(qū)煤層含氣量進(jìn)行預(yù)測時(shí)，利用已有鉆孔煤層氣資料，通過相關(guān)關(guān)系擬合獲得了研究區(qū)煤層底板標(biāo)高與含氣量間的預(yù)測模型。利用該模型預(yù)測研究區(qū)8號(hào)主采煤層含氣量分布。2.4.2多因素線性回歸法將煤層含氣量與測井值、煤質(zhì)及其他參數(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析，建立相

13、應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式來預(yù)測含氣量何晶6將含氣量作為因變量，R0、煤層上覆有效地層厚度、鏡質(zhì)組含量和灰分含量作為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析獲得線性方程，用該線性方程預(yù)測含氣量。趙青平7根據(jù)巖樣實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)同測井資料的相關(guān)性，通過多元線性回歸方法，建立了通過多條測井曲線計(jì)算煤層氣含氣量的公式。趙青平8利用沁水盆地A區(qū)的煤心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測井資料評(píng)價(jià)煤層結(jié)構(gòu)，結(jié)合常規(guī)測井曲線與含氣量的關(guān)系，建立了以煤層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的多元回歸方法的煤層含氣量計(jì)算模型。2.4.2復(fù)合參數(shù)回歸法張妮9、楊東銀12、王安龍10、周婷11利用與含氣量相關(guān)性較好的參數(shù)，通過構(gòu)建復(fù)合參數(shù)，建立復(fù)合參數(shù)與含氣量的關(guān)系模型來預(yù)測煤層氣含量。楊東銀

14、12研究和順地區(qū)時(shí)，利用聲波時(shí)差/密度組合參數(shù)來求取含氣量，與實(shí)驗(yàn)測定的含氣量相比，點(diǎn)數(shù)基本對(duì)稱分布于45°線附近。王安龍10利用測井資料中的聲波時(shí)差、自然伽馬和體積密度構(gòu)成復(fù)合參數(shù)P（P=AC/(GR×DEN)），建立P與含氣量的關(guān)系模型（圖2），以該模型預(yù)測含氣量，效果較好2.5含氣飽和度法余常忠13利用煤層孔隙度、含氣飽和度與密度測井參數(shù)結(jié)合，就可以計(jì)算煤層含氣量:Q=×Sg/g其中，Q-煤層含氣量，m3/t；-煤層孔隙度，%；Sg-煤層含氣飽和度，%；g-煤層密度，t/m3。2.6利用礦井瓦斯涌出量預(yù)測含氣量楊敏芳14采用礦井瓦斯涌出量推算的方法來預(yù)測不同

15、深度煤層含氣量。利用各礦區(qū)瓦斯相對(duì)涌出量與開采深度實(shí)測數(shù)據(jù)擬合出相應(yīng)關(guān)系式，然后將鉆井解吸測定的含氣量對(duì)應(yīng)的深度值代入關(guān)系式，得到此深度對(duì)應(yīng)的瓦斯相對(duì)涌出量；再用此瓦斯涌出量除該深度的解吸含量，得到瓦斯涌出量與煤層氣含量的折算系數(shù)；最后利用開采深度與瓦斯涌出量的相關(guān)公式，計(jì)算出不同深度的瓦斯相對(duì)涌出量；再利用計(jì)算出的瓦斯相對(duì)涌出量除以折算系數(shù)，得出不同深度的含氣量數(shù)據(jù)。2.7地溫和地應(yīng)力法大量研究表明，現(xiàn)今煤層氣含量主要由其保存條件決定。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，生氣時(shí)形成的壓力絕大部分因構(gòu)造變動(dòng)和運(yùn)移而散失，現(xiàn)今煤層氣壓力主要為構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖層自重應(yīng)力壓縮孔隙所致，生氣形成的壓力甚微。根據(jù)這一理論假設(shè)

16、，在計(jì)算煤層氣壓力時(shí)作適當(dāng)力學(xué)簡化，主要考慮孔隙壓縮壓力這一主要因素，忽略生氣壓力。煤層中的甲烷含量由吸附、游離和水溶解甲烷3部分組成，其中，水溶解甲烷含量甚微，故不考慮計(jì)算。地應(yīng)力、地溫場中煤層氣含量，即Q=Q游+Q吸式中：p-游離甲烷壓力，MPa；Ta-標(biāo)準(zhǔn)狀況下熱力學(xué)溫標(biāo)，273K；T-煤層溫度對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫標(biāo)，K；Pa-標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，0。1MPa；ARD-煤層視密度，g/cm3；Z-氣體壓縮系數(shù)；-有效應(yīng)力系數(shù)；0-地面實(shí)驗(yàn)室室溫下測定的無外載時(shí)煤體孔隙率；1-含甲烷煤體體積壓縮系數(shù)；2-含甲烷煤體的熱膨脹系數(shù)；D-地應(yīng)力梯度，MPa/m；H-計(jì)算點(diǎn)埋深，m；G-地溫梯度，/m；k

17、和q-實(shí)驗(yàn)常數(shù)，k=0。200。45，一般取0。31，煤質(zhì)為濕煤時(shí)，k=0。27，q=0。51。0，一般為1。0；W-煤的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；A-原煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；a、b-吸附常數(shù)值。2.8利用煤層氣層背景值求含氣量煤層氣層背景值指煤層氣層不含天然氣時(shí)的測井讀數(shù)。煤層氣層測量值是從測井中實(shí)際測得的煤層氣層的數(shù)值，以常用的補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差測井曲線為例，利用體積模型，可以建立求解煤層氣含量的計(jì)算公式：Vg=（b*-b）/（w-g）Vg=（CNb*-CNb）/（CNw-CNg）Vg=（tb*-tb）/（tw-tg）式中：b*、b、w、g分別為煤層氣層密度背景值、密度測量值、水的體積密

18、度值、煤層氣體積密度值；CNb*、CNb、CNw、CNg分別為煤層氣層中子背景值、中子測量值、水的補(bǔ)償中子值、煤層氣補(bǔ)償中子值；tb*、tb、tw、tg分別為煤層氣層聲波背景值、聲波測量值、水的聲波時(shí)差值、煤層氣聲波時(shí)差值2.9地震預(yù)測方法胡朝元15研究山西沁水煤層氣地震勘探工程時(shí)，發(fā)現(xiàn)可采含氣量與地震反射瞬時(shí)振幅成反比關(guān)系。陳信平、霍麗娜16、朱正平17等人基于地震資料分析，發(fā)現(xiàn)煤層含氣量與密度、縱波速度、橫波速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，消除埋深影響的地震吸收衰減屬性與含氣量呈明顯正相關(guān)性，構(gòu)造（正）曲率與含氣量呈負(fù)相關(guān)性等，據(jù)此可評(píng)價(jià)煤層含氣量。孫斌18利用AVO地震屬性探討了煤儲(chǔ)層含氣量與地震彈性

19、參數(shù)之間的關(guān)系及AVO地震響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)煤儲(chǔ)層的含氣量隨縱波速度、橫波速度、密度的增大而減小，高產(chǎn)井所在的煤儲(chǔ)層一般有較強(qiáng)的AVO異常。2.10現(xiàn)代數(shù)學(xué)法由于煤層含氣量受多種地質(zhì)因素影響，它們之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，有些甚至是隨機(jī)的、模糊的，利用傳統(tǒng)的方法難以表達(dá)它們之間的內(nèi)在關(guān)系叫因此，可以運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)、支持向量機(jī)等方法進(jìn)行精細(xì)分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測。2.10.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是基于人們對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)，將人的大腦功能加以模型化的一種計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有極強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力、卓越的組織能力、訓(xùn)練精度高、非線性逼近能力強(qiáng)、建模方式靈活多變等優(yōu)點(diǎn)，該算

20、法對(duì)于已知存在某種潛質(zhì)的聯(lián)系但又無法用確切方程或算法表達(dá)的求解問題有其獨(dú)到之處孟召平19、連承波24、吳東平20等人應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分別對(duì)沁水盆地南部主采煤層、東灘礦區(qū)、山西柳林楊家坪地區(qū)主力煤層4、5、8號(hào)煤層進(jìn)行了煤層含氣量預(yù)測，取得了較好的效果2.10.2灰色關(guān)聯(lián)分析技術(shù)煤層氣含量是受多因素影響的參數(shù)，且各因素對(duì)煤層含氣量的影響程度不同，其中有些因素是已知信息，有些是未知信息，而且這些影響因素是一個(gè)系統(tǒng)變化過程，即煤層氣含量實(shí)際上是一個(gè)（由多個(gè)影響因素組成的）灰色系統(tǒng)，而灰色關(guān)聯(lián)分析方法能夠有效解決灰色問題?；疑P(guān)聯(lián)分析是對(duì)研究系統(tǒng)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，通過對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程進(jìn)行量化分析，抓

21、住影響系統(tǒng)的主要矛盾、主要特征和主要因素?；疑P(guān)聯(lián)分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于具有簡便、快速、樣本量要求較小、評(píng)價(jià)原理直觀明了、易于操作且定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果吻合高的特點(diǎn)，因而得到較為廣泛的應(yīng)用。田敏21、楊欣超22、杜志強(qiáng)23應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析技術(shù)分別對(duì)沁水煤田晉城礦區(qū)號(hào)煤層、淮南礦區(qū)個(gè)評(píng)價(jià)單元、沁水盆地晉城礦區(qū)號(hào)煤層煤層氣含量進(jìn)行了預(yù)測和評(píng)價(jià)結(jié)果均表明，灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)在煤層含氣量預(yù)測與評(píng)價(jià)中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。2.10.3支持向量機(jī)技術(shù)Vapnik等人提出了支持向量機(jī)算法，該算法是一種新型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其優(yōu)點(diǎn)在于具有非線性逼近能力，并能進(jìn)行高維模式識(shí)別，避免了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以

22、確定、過學(xué)習(xí)和欠學(xué)習(xí)以及局部極小等問題，目前被認(rèn)為是針對(duì)小樣本的分類、回歸等問題的較好方法。劉愛華等以沁水盆地南部煤層氣勘探研究測試成果為例，采用支持向量機(jī)回歸方法建立煤層含氣量預(yù)測模型，并對(duì)煤層含氣量進(jìn)行預(yù)測，取得了較好的應(yīng)用效果此外，預(yù)測煤層含氣量的方法還有煤質(zhì)一灰分一含氣量類比法、地質(zhì)條件綜合分析法、模擬法。參考文獻(xiàn)1趙毅，毛志強(qiáng)，蔡文淵，等。煤層氣儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)方法研究J。測井技術(shù)，2011，35（1）25-30。2聶懷耀，李俊生，張俊。焦作煤田深部煤層含氣量預(yù)測J。煤礦安全，2009（6）：79-823王愛國，林建法，王洪林，等。壽陽礦區(qū)深部煤層含氣量預(yù)測J。中國煤田地質(zhì)，1999，1

23、1（2）：26-274李靜，李小彥，楊利軍，等。煤層含氣量預(yù)測方法J。煤田地質(zhì)與勘探，1998，26（1）：31-335李金珊、楊敏芳、朱維耀等。川南筠連沐愛地區(qū)煤層含氣量預(yù)測及控制因素分析J，東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36(5):724-728。6何晶、胡雅蓉，柳林楊家坪試驗(yàn)區(qū)煤層氣含氣量模型探討J，天然氣勘探與開發(fā)，2001，24(3):51-54。7趙青平，鄂爾多斯盆地煤層氣含氣量計(jì)算方法研究與探索J，國外測井技術(shù)，2014，27-32。8趙青平、王建功、劉文華等，基于煤巖結(jié)構(gòu)的煤層含氣量測井評(píng)價(jià)方法J，中國煤層氣，2014，11(4):22-25。9張妮、劉仲敕、薛媛，利用測井資料評(píng)價(jià)煤層含氣量的新方法J，國外油田工程，2010，26(3):53-56。10王安龍，煤層氣測井資料建模及其應(yīng)用評(píng)價(jià)研究J，中國煤層氣，2014，11(4):31-35。11周婷、張平松、肖玉林等，利用鉆孔測井復(fù)合參數(shù)綜合評(píng)價(jià)煤層含氣量J，礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，4