地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

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煤层气渗流规律及其实验方法研究

煤层气渗流规律及其实验方法研究一、引言渗流力学是研究多孔介质内流体流动规律及其应用的科学。

自1856年Darcy 提出线性渗流定律以来，渗流力学就一直在不断地发展，并逐渐与其他学科交叉，在能源、资源的开发与利用以及工程建设中得到了非常广泛的应用。

渗流力学最先应用在水利工程和地下水资源开发等领域；随后又成为石油和天然气工业的一项基础理论。

随着煤层气这一新型清洁能源的重视与开发，渗流理论又应用在煤层气的开发与利用中。

煤层气渗流力学是研究煤层内瓦斯压力分布及其流动变化规律的理论，是由渗流力学、煤地质学、固体力学及采矿学等学科互相交叉渗透发展形成的。

自煤层气渗流力学创立至今深受有关研究人员的关注，尤其自20世纪80年代以来发展更为迅速，表现在：应用范围更广；基本理论不断深化；研究手段及方法不断现代化。

二、煤层气渗流规律研究内容及现状煤层气的渗流理论可分为线性渗流理论，非线性渗流理论，地球物理场效应的渗流理论和多煤层瓦斯越流理论，下面依次对其研究内容及现状做一简要介绍。

（一）线性渗流理论1、线性渗透理论为了适应采矿采煤业的大力发展，控制瓦斯技术已成为当时研究的关键技术之一，早在20世纪40年代末，前苏联学者就已经建立起考虑吸附煤层瓦斯作用的瓦斯控制方程[式(1) ]。

在我国，周世宁院士等[1]首先进行了将达西定律应用于煤层瓦斯流动理论的开拓性研究，认为煤层瓦斯的流动基本符合线性渗流规律，其观点对煤层瓦斯渗流的应用和瓦斯动力学研究具有相当重要的指导意义。

v k p nμ∂=-∂ （1）式中：v 为流速；k 为煤层的渗透率；μ为瓦斯黏度系数；p 为瓦斯压力；p n ∂∂为瓦斯压力在流动方向上的偏导数。

此外还导出了瓦斯流量方程[式(2) ]：p q nλ∂=-∂ （2）式中，q 为瓦斯流量；λ为煤层透气系数。

20世纪80年代，多位研究者在修正和完善数学模型、流动方程方而开展了相应的工作。

由于大多数井下瓦斯流动都可简化为一维的平行流动和径向流动的有限流场、无限流场或其组合，为此，郭勇义等[2]针对一维流动，结合相似理论提出了修正的流动方程。

煤层气地面集输泄漏扩散模拟及风险评价的思考

煤层气地面集输泄漏扩散模拟及风险评价的思考本文以FLUENT技术构建煤层气地面集输泄露扩散模型，并对其进行风险评价。

经过研究与分析可以得知，煤层气地面泄露时，风向与风速与对其产生较大影响。

对煤层气泄露扩散研究区域建立了网格模型，以更好地分析煤层气泄露影响。

对其进行的风险评价可以得知，煤层气集输泄露的致死半径为100-200m 左右，可以通过疏散人群来降低风险。

标签：煤层气；集输泄露；FLUENT模型煤层气通常也被称作瓦斯，是煤炭资源衍生物的一种，与天然气有一定的相似之处，但主要成分有所差异。

煤层气作为清洁能源的一种，具有较小的环境影响与较高的热效率，能够作为常规能源使用。

但同时，煤层气的使用也具有较大的风险，容易造成爆炸与中毒等问题，影响周边居民的生命财产安全。

1 煤层气地面集输泄露扩散模拟1.1 煤层气泄露扩散模型以管道运输的煤层气为例，可以通过质量与动量守恒定律确定煤层气流动方程，并针对煤层气的特性，结合热力学基本规律状态参数确定其状态方程。

在煤层气流场中选择平行六面体微元，并对其边长进行设置，分别为dx，dy，dz，并对微元六面体的形心坐标加以假设，分别为x，y，z，在t时间经过形心的流体质点坐标轴速度分量为u，v，w，流体密度为ρ，则确定其连续性方程：（1）（2）状态方程：（3）在以上方程中，V为煤层气体积；m为煤层气质量；M为煤层气的分子质量；R0为摩尔气体常数。

1.2 建立控制方程组在确定以上方程的基础上建立控制房充足，通过FLUENT来构建多组分传输模型，可以使用标准模型k-ε。

在控制方程组中，以字母Ψ代表变量，则控制方程为：（4）1.3 FLUENT模拟1.3.1 网格划分假设二维计算区域100×100m，管道泄露口径假定为0.1m。

煤层气的泄露是以高速喷射的形式，在上方会产生一定的速度梯度，因此应当确保其具备一定的网格密度，并对网格进行适当加密，但由于煤层气泄露之后，气体的密度与速度回慢慢扩散，因此所确定的网格应当随着泄露时间的推进而逐渐稀疏，因而可以对网格模型进行区块划分。

煤样瓦斯渗流的数值分析

２结果与讨论
２．１与实验数据的比较
ｏ．０２５
计算时分别选取低渗透率的寺河矿和高渗透率
的赵庄矿，参照文献［５］中的实验条件和相关数据，
妄［ｖ）＋（ｒ每］＋［ｒ，ｖｒｖ，）一等
＋
軎告＋］］＋熹ｚ鲁一ｃＶ）］
１数学模型及参数设置
１．１基本假设
拈
ｐ
建立煤层瓦斯渗流数学模型的假设如下：煤样中瓦斯视为理想气体；煤样为各向同性多孔介质；煤样中有效应力恒定，渗透率在流动过程中保持恒定；瓦斯运移符合达西定律；煤岩介质为单相的瓦斯所饱和；不考虑煤样对瓦斯的吸附且运移过程中温度
数学模型由质量守恒方程（１）、动量守恒方程（２）和（３）、惯性阻力系数方程（４）、渗透率方程（５）和
瓦斯状态方程（６）构成叫。
田智威［６］对瓦斯渗流过程中物性对渗流过程的影响
进行了研究，肖晓春等［７］等研究了低压下Ｋｌｉｎｋｅｎ —
第３期
煤样瓦斯渗流的数值分析
４７
附和解吸影响的质量源项，Ｐａ／ｓ；为甲烷的动力粘
（４）对称轴边界
度，Ｐａ・ｓ；Ｓ（一，．，）是作用在微元体上的外部作用力，即动量源项，ｍ２／ｓ￣Ｃ２为惯性阻力系数，ｍ＿。；
式中Ｐ为煤样中甲烷压力，Ｐａ；为煤样中甲烷密度，ｋｇ・Ｉｎ；Ｐ为标准状态下的甲烷压力，

煤层气储层的地球物理测井评价方法

四、煤层气储层的测井评价方法
4.4.1、利用与煤层气相关的测井响应，如密度、声波时差、电阻率，以及其它相关因素，如有效埋深等，与煤心分析的含气量建立统计相关关系，这种关系也可以利用人工神经网络获得，这两种方法都要求有足够的样本[12][13]；
四、煤层气储层的测井评价方法
4.4.2、利用近似分析得到的结果，如灰分含量，根据吸附和解吸机制直接建立与煤层含气量之间的对应关系[8]，
二、煤层气与煤层气储层的特征
2.1、煤层气的生成与煤级关系及存在状态
二、煤层气与煤层气储层的特征
• 在成岩作用早期，天然气主要通过生物活动析出； • 后生作用是在温度压力增大条件下发生，是碳氢化合物形成阶段； • 变生作用几乎将干酪根全部转化成碳，甲烷或干气与非烃类气 CO2、N2形成。
三、影响煤层气储层特性的因素
四、煤层气储层的测井评价方法
4.1、煤层的识别与划分煤层的密度、电阻率和声波速度等参数与围岩有明显差异。因此利用常规测井方法，包括电阻率测井、密度测井、中子测井、自然伽马测井和声波速度测井，通常可以成功的识别和划分出煤层。煤的密度、电阻率和声波速度以及水分如下图所示。
三、影响煤层气储层特性的因素
焦作某区山西组煤甲烷含量与上覆地层有效厚度关系图
三、影响煤层气储层特性的因素
3.2. 煤层含气量与煤级的关系煤级又称煤阶，表示煤化作用程度的等级，也用以表示煤变质程度。1926年，怀特(D．White)首次以干燥无灰基的碳含量表示。煤级有时也借助煤化过程中变化明显而且有一定规律性的物理、化学性质，即煤级参数或煤化(程度) 参数表征。在煤化过程中，芳香环缩合程度加大，增长为更大的结构单元，导致镜质组反射率值增高；而非芳香馏分则逐渐减少，导致挥发分降低。由于镜质组反射率和挥发分都与镜质组结构单元的芳构化程度有关，因而镜质组反射率的增高和挥发分的降低，在变化程度上几乎是同步的。因此，碳含量、挥发分含量和镜质组反射率常常作为煤级参数。总体上，含气量随煤级的增高而增大。低煤阶的煤含气量一般为2.5cm3／g，高煤阶的煤含气量可达 31cm3/ g。

应力场、温度场、声场作用下煤层气的渗流方程

第３５卷第３期２０１０年３月
煤炭学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹ
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．３Ｍａｒ．２０１０
文章编号：０２５３－９９９３（２０１０）０３－０４３４－０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｅｌｆｅｘｐｌｏｒｅｄｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｏｒｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｆｌｏｗｗａｓｕｓｅｄｉｎｃｏａｌｂｅｄ．Ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｎｏｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔ，ｗｈｅｎｒｏｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｋｅｅｐｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅｉｎｆｉｌｔｒａ，ｐｏｒｅｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｍｏｕｎｔｉｎｇ．Ｗｉｔｈｎｏｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｗｈｅｎａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｋｅｅｐｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｏｅｓｕｐ．Ｗｈｅｎｗｉｔｈｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄ，ａｘｉａｌｓｔｒａｉｎ，ｒｏｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｋｅｅｐｃｅｒｔａｉｎ，ｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅ，ａｎｄｔｈｅｒａｔｅｇｅｔｓｅｎｌａｒｇｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇｏｆｔｉｍｅ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｅｎｈａｎｃｉｎｇｃｏａｌｂｅｄｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｒａｔｅｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｃｏｍｅｓｍａｉｎｌｙｆｒｏｍｓｏｕｎｄｗａｖｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｉｔｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｏｕｔｔｈｅｅｍｐｉｒｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｇａｓｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｒａｔｅｕｎｄｅｒｓｔｒｅｓｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄ，ｂｕｉｌｄｕｐａｎｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｒｉｆｉｅｌｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄ；ｃｏａｌｂｅｄｇａｓ；ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ声波技术广泛应用于探伤、加工、医疗、粉碎、种子

煤层气渗流规律及其实验方法研究

煤层气渗流规律及其实验方法研究一、引言渗流力学是研究多孔介质内流体流动规律及其应用的科学。

渗流力学最先应用在水利工程和地下水资源开发等领域；随后又成为石油和天然气工业的一项基础理论。

随着煤层气这一新型清洁能源的重视与开发，渗流理论又应用在煤层气的开发与利用中。

煤层气渗流力学是研究煤层内瓦斯压力分布及其流动变化规律的理论，是由渗流力学、煤地质学、固体力学及采矿学等学科互相交叉渗透发展形成的。

v k p nμ∂=-∂ （1）式中：v 为流速；k 为煤层的渗透率；μ为瓦斯黏度系数；p 为瓦斯压力；p n ∂∂为瓦斯压力在流动方向上的偏导数。

此外还导出了瓦斯流量方程[式(2) ]：p q nλ∂=-∂ （2）式中，q 为瓦斯流量；λ为煤层透气系数。

20世纪80年代，多位研究者在修正和完善数学模型、流动方程方而开展了相应的工作。

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

(1)
采用实验模拟了加载和卸载
[7]
三维应力下煤层气的渗流运移过程；徐剑良等研究了煤层气开采过程中的煤岩变形与渗流运移的关系。但以往研究中的渗流方程大多未能将地应力和地温列入方程进行计算，缺乏实验中应力与原岩地应力的联系过程。目前以重庆大学为代表，地球物理场中煤层气
式中：为流动甲烷密度(g/cm3)； vx ， v y ， vz 分别为直角坐标系中 x ，y ，z 方向上甲烷流动速度(cm/s)；
， 9]
，但均未进行实验
1
引
言
测试和计算检验，同时部分参数的计算方法上尚存在一些不足，如王宏图等[9]得到的应力和温度理论上同时为 0 时的初始渗透率与实验存在较大误差。温度与渗透率的关系至今仍然没有统一的认识，甚至有相反的结论，如贺玉龙等[10 度升高而降低，而梁冰等出统一的合理解释。针对目前地球物理场中煤层气渗流运移理论及实验中存在的不足，本研究将地应力和地温列入计算，建立了新的煤层气渗流控制方程，并进行了考虑温度和应力的各项实验测试。以重庆沥鼻峡矿区为研究目标区，根据测试参数，结合实际地质资料，进行了地球物理场中煤层气渗流方程的一维、二维数值模拟。尝试考虑地温和地应力因素，动态反映煤层气渗流运移能力对煤层气储集和富集能力的影响，希望寻找到提高抽采率的有效途径。
收稿日期：2008–03–22；修回日期：2008–07–20 基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目(50621403)；重庆市院士基金专项资助项目(CSTC2005AB007)；中国博士后科学基金资助项目(2005037020) 作者简介：李志强(1975–)，男，1999 年毕业于焦作工学院采矿工程系矿山通风与安全专业，现为博士研究生，主要从事煤层气开发及矿井瓦斯防治等方面的研究工作。E-mail：maximos592@

煤层气扩散渗流机理の研究

煤层气扩散—渗流机理的研究摘要Ｉ本文首先概述了国内外煤层气开发和利用现状和国内外对煤层气运移机理的研究现状。

进而论述了煤体孔隙和裂隙结构特征、煤体瓦斯吸附和解吸特性以及孔隙瓦斯对煤体结构特性的影响。

接着用容量法实验测试了块煤煤样吸附和解吸扩散动力过程，对实验现象和结果进行了分析处理。

得出块煤瓦斯吸附过程也是一个扩散一渗流过程，对比分析了块煤与煤粒解吸扩散过程的不同之处。

然后以扩散和渗流理论为基础，进一步分析了煤层气在孔隙和裂隙二重介质中的扩散一渗流规律，建立了煤层气扩散一渗流物理数学模型。

该模型充分考虑了扩散系统及渗流系统与吸附平衡之间的关系，以及两系统之间的质交换关系。

并对煤层气扩散一渗流偏微分方程进行了理论上的推导。

对第三类边界条件下的扩散系统的扩散方程推导出了其解析解；渗流系统的渗流方程通过建立差分格式，借助计算机解算出方程的数值解，并对方程进行因次分析无量纲化，得出具有普遍意义一维瓦斯平行流动有限流场准数曲线。

最后，对扩散一渗流偏微分方程进行了数值模拟应用。

关键词煤层气渗流扩散数值模拟２ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＤｉｆｆｎｓｉｏｎ＆ｎｄＰｅｌ翟ｅ８ｔｉｏｎ誓毒ｃｌｌａｎｉ锄ｏｆＣＤ８１ｂｅｄ越９ｔＡ８ｎｅＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｕ衄ａｒｉｚｅｄｔｈｅａｃｔａｕｌｉｔｙｏｆｅｘＤｌｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｏａｌｂｅｄＭｅｔｈａｎｅａｎｄｔｈｅｆｌｕｘｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＣｏａｌｂｅｄＭｅｔｈａｎｅ，ｉｎＣｈｉｎａａｎｄｏｕｔＣｈｉｎａ。

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔｓｔａｔｅｄｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｏｒｅａｎｄｆｉｓｓｕｒｅｏｆｃｏａｌ，ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＣｏａｌｂｅｄＭｅｔｈａｎｅａｎｄｔｈｅａｆｆｅｃｔｏｆｃｏａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｏｎｅｂｙＣｏａｌｂｅｄＭｅｔｈａｎｅ。

煤层气开采流固耦合

1控制方程1.1渗流场控制方程煤基质中煤层气运移方程：()fg m g m g m s s g s m L mL p p RT M p RT M p RT M p P p V t --=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∂∂τφρ (1) 裂隙系统中同时存在地下水和煤层气，流体的运移为气-水两相流状态；煤基质为裂隙提供了质量源，可得到煤层气和水的渗流场控制方程：()()()fg m g f fg wr wr w gr wr wr w g rg fg g fg g f g p p RTMp s s s s s s s kk RT b p M p RT M s t --=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----+-⋅∇+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂τφμφ111112201 (2) ()0140=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∇⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⋅∇+∂∂fw wr wrw w rw ww f w p s s s kk s t μρρφ (3)基于毛细管压力曲线，Corey 提出了气-水两相流的相对渗透率模型，该模型为：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=4022011111wr wr w rw rw wr wr w gr wr wr w rg rg s s s k k s s s s s s s k k (4)式中：s wr 为束缚水饱和度；s gr 为残余气饱和度；k rg 0为气相端点相对渗透率；k rw 0为水相端点相对渗透率。

气-水两相流中气体压力和水压力关系为：cgw fg fw p p p -= (5)式中：p cgw 为毛细管压力，MPa ，可由两相流实验测得。

1.2应力场控制方程煤体为双重孔隙介质，其力学特性受到孔隙和裂隙的影响。

煤体的总应变是应力引起的应变，瓦斯和水引起应变，瓦斯吸附解吸引起应变，温度变化导致的应变之和：ij a ij f f m m ij kk ij ij K p p K G G δεδααδσσε33916121+++⎪⎭⎫ ⎝⎛--=（6）其中，()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⋅-=-=-=-=+=⋅+=n f s m s sn s K a K K K E K D K D G K a E D /1/1213/213/12//1/1/1ααννν 式中：ij δ为Kronecker 符号；D 为等效煤体弹性模量，GPa ；G 为煤体剪切模量，GPa ；K 为煤体体积模量，GPa ；K s =E s /3(1-2ν)为煤骨架体积模量，GPa ；E s 为煤骨架弹性模量，GPa ；K n 为裂隙刚度；GPa ；υ为泊松比；αm 和αf 分分别为孔隙和裂隙对应的Biot 有效应力系数；T α为煤骨架热膨胀系数，1/K ；T ∆为煤层温度变化量，K ；a ε为骨架吸附瓦斯应变；f p 为裂隙流体压力，MPa ；a 为基质体的宽度，m 。

地球物理测井方法在煤层气储层评价中的应用

地球物理测井方法在煤层气储层评价中的应用【摘要】煤层气是一种重要的非常规天然气资源，其开发对能源安全具有重要意义。

地球物理测井方法在煤层气储层评价中发挥着重要作用。

本文从引言、地震测井、电磁测井、密度测井、声波测井和核磁共振测井几个方面探讨地球物理测井方法在煤层气储层评价中的应用。

通过这些方法，可以对煤层气储层进行有效评估，为煤层气资源的合理开发提供重要参考。

地球物理测井方法在煤层气储层评价中具有很多优势，并且对煤层气行业的未来发展具有积极意义。

对地球物理测井方法在煤层气储层开发中的前景进行展望，有助于推动煤层气资源的有效利用，促进煤层气产业的健康发展。

【关键词】关键词：地球物理测井方法、煤层气储层评价、地震测井、电磁测井、密度测井、声波测井、核磁共振测井、优势、发展前景1. 引言1.1 煤层气资源开发的重要性在煤层气资源开发的过程中，对煤层气储层进行准确评价至关重要。

煤层气储层的地质结构复杂，单一的地质勘探方法无法全面揭示储层的情况。

需要借助各种地球物理测井方法来获取更加详细和全面的储层信息，从而指导煤层气的开发和生产。

地球物理测井方法在煤层气储层评价中起着至关重要的作用，不仅可以有效评估煤层气资源的储量和产能，还可以提高煤层气勘探的准确性和效率。

煤层气资源的开发与地球物理测井方法的结合，将为能源领域的发展带来新的机遇和挑战。

1.2 地球物理测井方法的概述地球物理测井方法是指利用地球物理学原理和仪器设备对井下储层进行测量和分析的一种技术手段。

地球物理测井方法通过测量地下储层中的物理性质参数，如地震波速度、电磁特性、密度、声波特性和核磁共振等，来获取与地层构造、岩性、含气性等相关的信息。

地球物理测井方法在煤层气储层评价中发挥着重要作用，帮助研究人员对煤层气资源进行合理评估和开发。

地球物理测井方法可以为煤层气勘探提供丰富的地质信息，有利于确定煤储层的储集性质、厚度和分布规律，为煤层气勘探和开发提供重要的技术支持。

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＤｉｓａｓｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０００４４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｏｆｃｏａｌｓａｍｐｌｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅａｃｈｓｉｎｇｌｅｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓ，ｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ＩｔｕｓｅｓＡｎｓｙｓ１２．０ｔｏｎｕｍｅｒｉｃａｌ－ｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｌａｗｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｓｅｅｐａｇｅ，ｃｏａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅａｃｈｓｉｎｇｌｅｆｉｅｌｄａｎｄｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇａｓｓｅｅｐａｇｅｌａｗｉｎｔｈｅｃｏａｌｕｎｄｅｒｅａｃｈｓｉｎｇｌｅｆｉｅｌｄｓｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅａｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｇａｓｓｅｅｐａｇｅａｎｄａｖｅｒａｇｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｔｒｅｓｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｅｄｉｓｎｅｇａｔｉｖｅｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ．Ｓｔｒｅｓｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉ－ｍｅｎｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｆｉｅｌｄ．ＴｈｅａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓｏｎｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｅｓＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｂｙｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅｉｎ－ｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓｏｎｔｈｅｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｐｏｒｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｕｎｄｅｒｔｈｅａｃ－ｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｉｓｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｐｒｏ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｕｎｄｅｒｅａｃｈｓｉｎｇｌｅｆｉｅｌｄ．Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｌａｗｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ，ｉｔｓｈｏｕｌｄｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇａｓ－ｓｏｌｉｄ－ｈｅａｔａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ；ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｓｅｅｐａｇｅｆｉｅｌｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

地球物理技术在煤层气勘探中的应用

地球物理技术在煤层气勘探中的应用
李华（山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安２７１０００）
摘要：我国煤层气勘探开发历经了三个阶段，由最早的地质探索，再到后来的技术引进，最后到产业化发展。截至２０１３年底，我国煤层气产量达到了２０．５×１０亩。随着我国国民经济对于能源需求量日益增大，加大地球物理技术在煤层气勘探中的应用就显得尤为重要。本文结合笔者多年的工作经验，就地球物理技术在煤层气勘探中的应用进行了较为深入的探讨，分别分析了地震技术（频谱分解技术、纵波方位ＡＶＯ技术、转换横波法、数字滤波法）和测井技术（煤层气储层识别技术、煤层气储层参数定量解释技术），得出结论：在煤层气勘探中应该综合利用测井技术和地震技术，将它们各自优势进行充分发挥，实现煤层气勘探的可持续性发展关键词：地球物理技术；煤层气；勘探；应用
１地震技术１．１频谱分解技术
情况。当裂隙与入射方位垂直时，会出现快波；当裂隙与入射方位平行时，则会出现慢波。在水平方向和垂直方向，快波和慢波的时差会为零；在裂隙走向与入射方位呈４５。角时，快波和慢波的时差会达到最大。
煤层气是指在煤化作用过程中，煤经热解作用和生物化学作用生成的以ＣＨ为主的非常规天然气，其以吸附态储存于煤层裂隙。煤层气勘探对于减少温室气体排放、保障煤矿安全生产、优化能源结构具有较大的影响。近年来，我国煤层气勘探开发历经了３个阶段，由最早的地质探索，再到后来的技术引进，最后到产业化发展。截止到２０１３年底，我国煤层气产量达到了２Ｏ．５Ｘ１０。亩。随着我国国民经济对于能源需求量日益增大，加大地球物理技术在煤层气勘探中的应用就显得尤为重要。

煤层气地球物理勘探技术方法分析

煤层气地球物理勘探技术方法分析煤层气是优质高效清洁的新型能源，我国煤层气资源量十分丰富，加大对煤层气勘探技术的研究，能够更好的实现煤层气的开发与利用，对于改善我国能源结构具有重要意义，同时还能降低瓦斯事故的发生，减少温室气体的排放，带来丰厚的经济效益。

基于煤层气开采与利用的良好前景，各国对于其勘探技术的研究都十分重视，文章从煤层气勘探常用技术手段地球物理勘探技术方法出发，从地震技术以及测井技术进行了详细分析。

标签：煤层气；地球物理勘探；地震技术；测井技术0 引言煤层气俗称“瓦斯”，属于煤的伴生资源，主要由甲烷以及烃类气体组成，是最近国际上兴起的一种新型能源，用途十分广泛、可以作为民用、工业、化工等多个行业的燃料进行使用。

煤层气的热值较高，能够作为一种高效能源使用，燃烧后几乎不会有废气产生，环保性能良好，对煤层气加以合理利用，可以从根源上杜绝瓦斯爆炸事故的发生，缓解全球温室效应，拥有十分广阔的开采利用前景，我国出台了一系列政策推动了煤层气产业的发展。

1 地震技术1.1 纵波方位A VO技术方向各向异形是纵波在裂缝地层中表现出来的一种特征，纵波的速度和振幅是由裂缝与入射方向之间的关系决定的，当两者垂直时，波速较慢、振幅较强；当两者平行时，波速较快、振幅较弱，根据纵波速度、振幅的不同可以对地下情况进行判断[1]。

经大量研究证明裂缝系统发育地带往往会有大量的煤层气，此时煤层的褶曲转折部位与断层两侧表现为明显的各向异性特性。

目前A VO技术已经被广泛应用于煤层气勘探中，应用范围包括二维地震勘测、三维三分量地震勘探等，特别是在三维三分量地震勘探中的应用，可以得到准确的地震资料，对降低裂缝检测风险具有重要意义。

但是A VO技术也存在一定的局限性，当地层的较多且裂缝方向和角度不同时，不适合使用A VO技术，要根据实际情况合理选用A VO技术。

1.2 转换横波技术地震波在地层中传播过程中，当裂缝的走向与入射方向关系不同时，横波所表现出来的分裂情况也会不同，两者垂直时，波速较快；两者平行时，波速较慢，与纵波的波速情况正好相反。

地球物理测井在煤层气勘探开发中的应用探析

地球物理测井在煤层气勘探开发中的应用探析摘要：地球物理测井是进行煤层气勘探开发的一项重要技术，主要是用来获取煤层气储层测井的地质信息的，对这项技术进行研究与发展也是非常有意义的。

下面我们就对此进行了深入的探讨，希望能够为有关人员提供一些参考。

关键词：煤田地球物理测井；煤层气勘探开发；地球物理测井类型及应用导言：煤气层其实是植物在地质时期煤化过程中的伴生产物，这种矿产资源是比较清洁与高效的。

相关数据显示，我国有31.46×1012m3的埋深在两千米以下的煤层气资源，其开发应用的价值是非常大的。

对于煤层气的勘探开发来说地球物理测井技术是一项非常重要的技术，不过，如今，对于怎样对这一技术进行有效的应用还缺少系统、全面的总结。

1煤层气地球物理测井技术发展现状、存在的问题及面临的挑战1.1发展现状与常规的油气储层不同的是煤层气储层的结构是双孔隙类型的，要更加的复杂，而且这些煤层气储层大多都按照单分子层的形式在煤层表面进行附着的，很少有形成游离状态的，这样吸附气对于测井曲线的影响也不再是传统的气体的形式，而是还要考虑煤的四种工业分析，要对其进行科学的组分。

煤层气测井技术是在煤田测井和石油测井等技术的基础上发展起来的。

对于油气勘探和开发来说石油井是有着至关重要的作用的，且因为沉井技术的发展，精度越来越高，应用范围变得更广，这也大大的提升了煤层气测井技术的勘测精度，能够更准确的提供地质信息；然而煤田测井只能是用来标定煤层，它的应用方法还是很单一的。

各界对于煤层气测井采集技术的应用都是为了对煤层气进行勘探、开发收集地质条件信息，或者是为了研究，需要分析各种因素才能确定是否这一技术进行应用。

目前来说煤层气在勘探以及开发阶段的评价目的并不是完全一直的，国内外对于煤系地层在进行沉井采集方法的选用时也不一样。

总体上来将，可以将煤层气测井的评价方法有下面几种，一是定性识别法，其思想基础就是常规的天然气储层评价思想，二是储层评价法，有两种基础，分别是概率统计模型和神经网络模型，三是储层解释法，它的基础是体积模型。

煤层气田注水开发的数值模拟研究

煤层气田注水开发的数值模拟研究煤层气田注水开发是一种利用地下煤层中的水资源来提高煤层气开采率的方法。

在注水开发过程中，需要进行数值模拟研究，以更好地理解注水开发对煤层气田产气量及渗流动态的影响。

本文将从数值模拟的原理、方法和应用领域三个方面对煤层气田注水开发进行研究。

一、数值模拟的原理数值模拟是通过建立数学模型，使用计算机进行计算和分析，模拟和预测真实物理过程的方法。

在煤层气田注水开发中，数值模拟可以通过建立煤层气田开发的数学模型，模拟地层变化、气水流动、气体产量及注水效果等过程。

二、数值模拟的方法数值模拟的方法主要包括数值计算、离散化处理、边界条件确定和参数输入等步骤。

数值计算是指通过数学方法将煤层气田开发的物理过程转化为数学方程，运用数值计算方法求解方程并得到近似解。

离散化处理是将煤层气田划分为若干小区域，并将每个小区域进行网格划分，将煤层气田的物理过程转化为有限个小区域上的物理过程。

边界条件确定是指根据实际情况，确定煤层气田不同边界区域的物理条件，例如井筒口的产气量、地面温度、压力变化等。

参数输入是将实际的煤层气田地质数据以及物化参数通过数值模拟软件输入模型中，以提供基础数据和条件。

三、数值模拟的应用领域首先，通过数值模拟可以进行煤层气田注水开发的优化设计，根据地层特点和注水条件，确定最佳的注水量、注水时间以及注水方案等。

其次，数值模拟可以帮助选择最佳的注水方案。

通过模拟煤层气田的气水两相流动情况，可以预测不同注水方案下的产气量、煤层水压变化等，以指导注水开发的决策。

最后，数值模拟还可以进行气水两相流模拟，研究不同压力、温度、注水量等条件下的气水流动规律和气体产量变化，并预测不同开采方案对煤层气田的影响。

总之，煤层气田注水开发的数值模拟研究对于指导煤层气田的优化开发具有重要意义。

通过数值模拟，可以更好地理解注水开发对煤层气田的影响，优化开发方案，提高煤层气田的产能和开采效率。

地球物理学在地下煤层气开发中的应用

地球物理学在地下煤层气开发中的应用地下煤层气是一种非常重要的能源资源，其开发和利用对于能源的可持续发展至关重要。

地球物理学是一门研究地球内部物理性质以及地球的物理过程的学科，其在地下煤层气开发中起着重要作用。

本文将探讨地球物理学在地下煤层气开发中的应用，并解析其在勘探、开采和监测方面的重要性。

一、地球物理勘探技术在地下煤层气开发中的应用地球物理勘探技术是通过观测和分析地球的物理现象，以获取地下结构和地质信息的方法。

在地下煤层气开发中，地球物理勘探技术可以提供地质模型、储量评估和选址等关键信息，帮助开发人员做出科学决策。

1. 重力勘探技术重力勘探技术是通过测量和分析地球的重力场变化，以揭示地下的密度变化、盆地深度和构造特征等信息。

在地下煤层气开发中，重力勘探技术可以帮助确定煤层的厚度、富集程度和分布范围，为煤层气的勘探提供重要参考。

2. 震波勘探技术震波勘探技术是通过产生震源并记录地震波在地下的传播和反射情况，以获取地下地层结构和岩性信息的方法。

在地下煤层气开发中，震波勘探技术可以帮助确定煤层和煤层间的界面、裂缝和孔隙特征，为煤层气的开发提供重要依据。

3. 电磁勘探技术电磁勘探技术是通过测量和分析地下的电磁场变化，以了解地下环境和储层特征的方法。

在地下煤层气开发中，电磁勘探技术可以帮助确定煤层的导电性、水含量和厚度等关键参数，为煤层气的勘探和评价提供重要信息。

二、地球物理技术在地下煤层气开发中的应用地球物理技术是指利用地球物理现象和理论，结合相关仪器设备，对地下煤层气进行勘探和开采的技术手段。

它们可以帮助探寻煤层气的分布、储量和运移规律，为煤层气的高效开发提供科学依据。

1. 井下地球物理技术井下地球物理技术是指在井筒内或井口周围进行的地球物理勘探方法。

通过井下地球物理技术，可以获取井壁周围地层的地质信息、地层应力状况等。

这些信息对于煤层气的勘探和开采具有重要意义。

2. 三维地震勘探技术三维地震勘探技术是利用震源、检波器和数据处理等手段，对地下进行立体观测和分析的方法。

地电场作用下煤中甲烷气体渗流性质的实验研究

action of electric field
进行渗流实验时，先将试件放入与圆柱状试件尺寸相当的热缩管内并对试件两端周边加热，使热缩管紧贴试件柱面并作为隔油层，然后放入三轴渗流实验装置内。实验时，打开实验装置油缸的排气阀，启动高压油泵并开启进油阀，此时压力油将缓慢地进入压力室内，压力室内原有的空气将通过排气阀排入大气中。当排气阀门中有油渗出时，说明压力室内的空气已排出，压力油已充满压力室，这时应立即关闭排气阀和进油阀。再开启 10 t 压力机和高压油泵进油阀，加载时，保持轴向压力和围压相等，且两者同步增加，直至达到预定的载荷值。随后开始对试件抽真空，即关闭进气阀，将回气阀开启并使之与真空泵相连接，开动真空泵连续抽 1 h。抽真空的目的在于除去试件中的空气和水蒸气等气体杂质。抽真空完毕后，关闭回气阀并使之与流量计相连接。打开进气阀，高压瓦斯瓶中的甲烷气体经减压阀减压后，通过进气阀沿进气管路流入试件。当进、出气口两端(试样煤两端)的气压相等
其渗流速度和渗流系数比无电场作用时提高大约
15%。因此，相同甲烷气体压力梯度下，加电场后
的甲烷气体渗流速度 ve 大于无电场时的甲烷渗流速
度 v；同时，这也表明，加电场后，由于电场的作用，甲烷气体在煤中的渗流速度提高了，即等效于煤的渗透系数增大；加电场后煤的渗透系数 ke 大于无电场时煤的渗透系数 k。
在盛有液体的容器中，用多孔板隔开，并对隔板两边的金属电极通电，则在电位差的作用下，液体将从多孔隔板的一边流向另一边。瓦斯在煤体中的流动也是属于流体在多孔介质中的流动问题。如果有外加电场作用，电场对煤层中瓦斯渗流性质有什么影响，这将是本文研究的问题。
2 实验
2 种煤样 m1 和 m2 取自南桐煤田不同变质程度煤层，其挥发成份 V(daf)分别为 11.23%和 22.66%。

煤层气地球物理

煤田地震勘探的需求 • 精细构造：3米左右的小断层、裂缝、褶曲、冲刷带、陷落柱、构造煤 • 岩性：顶底板 • 煤质：水分、灰分、炭 • 孔渗与含水饱和度 • 瓦斯含量 • 地应力
（三）煤与煤层气勘探的特殊性
煤与煤层气勘探的特殊性
• 薄层的波场反射特征与AVO/A反演 • 非流体相的瓦斯检测 • 煤岩易碎性所导致的孔渗预测误差 – 岩电实验：孔渗的计算误差 – 岩石物理实验：瓦斯含量与波场特征的关系 • 强各向异性的影响及裂缝隙的预测：割理、裂缝隙发育 • 地下水、瓦斯与构造煤的探测
（一）需要基础实验支撑的问题
• 岩石/物理实验
– 煤层气吸附与解吸过程的弹性波响应或其它地球物理场响应 – 非砂泥岩洞缝型储层的孔隙度、渗透率重新观测、试验与经验公式
• 数值模拟实验
– 裂缝型各向异性介质的弹性波传播 – 单薄层的AVO及波场特征 – 薄互层（VTI）的AVO及波场特征
（二）需要应用基础支撑的问题
煤田物探研究的对象
• 固体相地质体
– 煤层 – 顶底板 – 构造，包括裂缝隙
• 流体相
–水 – 瓦斯/煤层气？

双相耦合

比表面积孔隙度渗透率
转入煤岩岩石物理部分
煤层气地震勘探需要找的主要目标
• • • • 断层（大小）及破碎带、裂缝隙发育带压力异常区地温异常区构造煤
面临的挑战
科学问题汇总二、科学问题汇总
• 煤层的厚度、煤层中精细断层与裂缝、顶底板的岩性、孔渗、流体含量的精确预测 • 煤层中瓦斯含量与渗流、解吸规律的精确预测
– 薄阻抗差层的AVO特征及其反演（软、互、缝）
– 吸附与解吸平衡态薄层的 AVO特征及其反演 – 非砂泥岩的孔渗规律及反演 – 裂缝有关的各向异性弹性波传播规律及其反问题 – 应力场的地震预测