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煤瓦斯突出研究方法探索

孙叶 谭成轩 孙炜锋 王瑞江 吴树仁 陈群策

张林, 刘建朝, 王行运, 等, 2013. 综合测井识别水溶气层新方法——以固市凹陷为例. 地质力学学报, 19 (3): 343-350.
引用本文: 孙叶, 谭成轩, 孙炜锋, 等, 2007. 煤瓦斯突出研究方法探索. 地质力学学报, 13 (1): 7-14.
ZHANG Lin, LIU Jian-chao, WANG Xing-yun, et al., 2013. A NEW METHOD FOR WATER SOLUBLE GAS RECOGNITION BASED ON COMPREHENSIVE LOGGING: TAKING GUSHI SAG AS AN EXAMPLE. Journal of Geomechanics, 19 (3): 343-350.
Citation: SUN Ye, TAN Cheng-xuan, SUN Wei-feng, et al., 2007. AN APPROACH TO THE STUDY OF COAL AND GAS OUTBURSTS. Journal of Geomechanics, 13 (1): 7-14.

煤瓦斯突出研究方法探索

详细信息
    作者简介:

    孙叶(1932-), 男, 研究员, 长期从事地质力学、地应力场、地壳稳定性等研究工作

  • 中图分类号: P694

AN APPROACH TO THE STUDY OF COAL AND GAS OUTBURSTS

  • 摘要: 构造应力、能量集中与采动应力叠加, 是煤瓦斯突出的根本原因, 是现今构造活动的表现, 由现今地壳失稳所致, 属于地质力学问题。借鉴李四光倡导的地震地质工作经验, 从现今活动构造体系研究入手, 采用岩石力学与构造应力场的研究思路方法、技术, 结合地壳稳定性评价实践经验, 探索煤瓦斯突出减灾防灾的基本思路。

     

  • 水溶天然气(简称水溶气)是指溶解在地层水中的以甲烷气为主的气体,属于非常规油气资源。全球已查明的水溶气资源量非常丰富,盆地中地层水溶性天然气资源量约为33837×1012 m3,为常规天然气资源量的一百多倍。在日本、美国、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、阿塞拜疆、土库曼斯坦、匈牙利、意大利、菲律宾、尼泊尔、伊朗等国都发现了水溶天然气,并开展了勘探、开发及地质综合研究。尤其在日本,大约四分之一国土都发现了水溶气,目前,开采量约为10×108 m3/a,并累计了70多年的勘探开发工作经验[1]

    从理论上讲,水溶气资源的分布领域较常规天然气的分布领域更加广泛[1]。但由于水溶气目前还属于一个新型非常规能源,研究程度较低,所以对水溶气层的判断开发还没有一个统一的标准。

    渭河盆地位于陕西省中部(关中平原),是秦岭造山带与鄂尔多斯盆地2个大地构造单元接合部位的新生代断陷盆地,其地层属华北地层区南缘分区。研究区固市凹陷位于渭河盆地东部,属于渭河盆地的一个次级凹陷[2~3]。在固市凹陷地热勘探过程中,钻至第三系张家坡组时发生甲烷天然气井喷,发现了水溶甲烷气藏。对浅层气水层的识别通常是依据单纯的常规测井电阻率曲线变化及补偿声波是否发生周波跳跃来进行快速简单的判断。但由于水溶气属于非常规能源,水气互溶,常规测井解释的气层和水层相互干扰较大,而且补偿声波测井对其常常有误判[4]。从试气结果来看,该方法对本地区的非常规水溶甲烷气藏应用效果不明确,必须配合其他的测井手段进行综合分析,建立一套适合本区储层特征的气水层识别方法和标准。

    研究区地层为第三系,埋藏较浅,一般小于2000 m,属于湖相沉积。固市凹陷在实际工作中划分为3种储层类型,即含水气层、气水同层、含气水层(包含差气层)。储层圈闭类型为岩性圈闭,在横向上对比较整齐,储层段气水互溶性好,为自生自储的非常规气藏,具有统一的气水界面[4~5]。从已有的岩心分析资料看,该区储层孔隙度虽较高,但由于岩石结构和成分成熟度均低,颗粒大小混杂,分选差,杂基含量较高[6~7],所以渗透率中等,仅偶尔出现较高的渗透率,表现出高孔中渗的物性特征。总体上来说储层岩性粒度较细,砂泥互层较发育,岩性界面较模糊且灰质含量较高,储层横向展布对比较稳定。

    由岩心实验数据得知,储层中游离水和束缚水含量不同。研究区可采水溶气一般赋存于游离水中,在高含气储层段,游离水含量高;而差气层束缚水含量高,游离水含量相对较低,因此形成高含气水层和低含气水层。高含气水层和低含气水层含水均较高,从而导致储层和水层在声波时差和电阻率上的差异较小,造成常规测井对气层和水层极难识别[4]

    正常情况下,储层含气易使声波时差明显增大,甚至有可能发生周波跳跃;但当储层岩性较松散或含水较多时可能会引起声波时差变化不大,不易区别储层与含水层。研究区地层属于第三系,埋藏较浅,未经过强压实作用,故岩性疏松;加之水溶气藏气水互溶,使得补偿声波测井在该区的储层时差变化较小,区分气水层效果非常不明显。此外对于水溶气藏,研究区储层与非储层的含水都较高而导致电性特征差异小,因此电测井对水溶甲烷气水层的识别也较困难。

    宏观上渭河盆地构造断层较多,小断层较发育,但本区凹陷被小断层所包围,内部连续稳定。东西向较大规模的断裂造成渭河盆地南北边缘形成一系列东西向展布的断阶,北东向或北西向断层相互切割,形成众多大小不一的次级凹陷,各个凹陷互相独立,形成自生自储式气藏[1]。研究区是位于渭河盆地东部的次一级凹陷,储层横向上连通性接触关系较好,小层对比较稳定,因此气水连通互溶性好,测井曲线对气水互溶层响应差异较小,导致气水层较难判别。

    本文通过自然电位曲线和自然伽马曲线特征(电位负异常、低自然伽马)大致判断出渗透性砂岩储层[8];然后结合三电阻率(八侧向电阻率、中感应电阻率、深感应电阻率)的差异显示,对渗透层判别气水层,高中电阻处应为高含气层,低电阻为水层。应用标准化后的三孔隙度(补偿密度、声波时差、补偿中子)曲线在储层处重叠,并采用相同的视孔隙度横向比例显示,依据水溶气层的特殊响应特征进行判别:补偿声波孔隙度在水溶气层变化不大,处于基值,所以小于补偿中子和补偿密度孔隙度;补偿中子测井在水溶气层处“挖掘效应”不明显,所以补偿中子孔隙度大于补偿密度孔隙度和补偿声波孔隙度,这样在气层处三孔隙度曲线便出现明显的特征差异[9],用这种方法能快速直观地判别储层与非储层(见图 1)。

    图  1  气层测井响应特征曲线
    Figure  1.  Curves of log response characteristics of gas-bearing layers

    本文借鉴云南保山盆地的气水识别方法[4, 10~11],结合研究区实际地层特点,总结出一套以三孔隙度的差值及比值(即孔隙参数)法识别气水层。具体方法是:分别计算标准化后的三孔隙度的比值及差值,放大气层在三孔隙度测井曲线上的响应信息,利用孔隙度比值重叠显示和孔隙度差值对称显示,从而更加清楚地判断储层含气性。在张家坡组储层水溶气水层识别中,运用三孔隙度差值和比值(孔隙参数)法结合其他常规测井信息综合识别气水层效果较好(见图 2)。

    图  2  某单井孔隙参数法判别流体性质图
    Figure  2.  A map showing fluid properties in a well discriminated by porosity parameter method

    由于目的层段属于浅层的水溶气层,压实作用不强烈且受水气互溶因素的影响,具体实例中应用的都是标准化后的数据。由三孔隙度测井资料提取如下6种气层孔隙参数:DCD为视中子孔隙度与视密度孔隙度之差,DCA为视中子孔隙度与视声波孔隙度之差,DDA为视密度孔隙度与视声波孔隙度之差;RCD为视中子孔隙度与视密度孔隙度比值,RCA为视中子孔隙度与视声波孔隙度比值,RDA为视密度孔隙度与视声波孔隙度比值。

    对储层运用孔隙参数法,当孔隙参数DCDDCADDARCDRCARDA均大于1,并当DCDDCARCDRCA越小且越接近1,同时DDARDA越大时,判定气层可能性越大;各个孔隙参数的区间值分别指示了含水气层、气水同层和含气水层(差气层)的区别。通过对试气层孔隙参数与电阻率及各测井曲线综合对比交会,可确定这6个孔隙参数识别气水层的区间标准[12~13]

    研究区气测录井资料为电脱气测,根据录井全烃变化的特点,采用全烃的净增值法、比值法、显示厚度与测井资料厚度比值(饱满系数)法建立了研究区内气测识别气水层的标准。

    本文不仅对常规测井资料进行分析研究,而且结合了TNIS过套管成像测井,进一步对研究区浅层的气水层进行判别。TNIS过套管成像测井原理是:使用高能的中子发生器向地层发射14 MeV的快中子,经过一系列弹性与非弹性碰撞,最后被地层俘获,利用仪器上2个中子探测器得到的中子计数的比值可以计算出储层的含氢指数,进而计算孔隙度,判别气水层。如图 3所示,本区TNIS过套管成像测井结果显示,热中子俘获谱、衰减成像、俘获成像均表现为异常变高,黄色指示,判断为气层,与孔隙参数法及综合测井结论相吻合,确定了该方法在本研究区的适用性。

    图  3  图 2相同钻井层位的TNIS成像测井分析成果图[2]
    Figure  3.  TNIS imaging logging analyzing results for the same well layers as the Fig. 2

    综合测井资料及气测录井、TNIS过套管成像测井资料,建立了该区储层的浅层水溶气水层识别区间标准(见表 1)。

    表  1  气水层综合判别标准
    Table  1.  Comprehensive discriminant standard of gas-and water-bearing layers
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    图 2所示的单井气层判别情况,从图中可以看出,自然电位和自然伽马曲线表现异常,显示为典型的渗透层,三孔隙度差异明显,显示出明显的高孔隙层位,根据孔隙参数法计算出的孔隙参数:DCA=35,DCD=10,DDA=50,RCD=1.024,RCA=1.162,RDA=1.135,气测全烃从1%上升到6%,净增值5%,比值为6,饱满系数为1.1,以上参数都符合气层的综合判别标准,并且TNIS成像测井成果图也同样解释了该层为明显的含气异常层,故解释为含水气层,与试气结论相吻合。这类储层在以前解释时都比较困难,与水层、含气水层很难区分,但通过该套方法的建立,放大了测井信息,能较准确的识别出含气储层。

    通过建立的标准,对所有试气的储层(28层)进行了综合判断,14个含水气层,10个气水同层,4个含气水层(包含差气层),与现场实际试气成果符合率达到90%。

    结合气测录井资料,建立了一套适用于渭河盆地固市凹陷第三系张家坡组浅层疏松砂岩储层水溶气水层的识别方法,利用孔隙度重叠法、孔隙度差值及比值法(孔隙参数法)和适合于本地区的综合测井的补偿中子曲线与电阻率曲线对比分析法、TNIS成像测井综合识别水溶气水层的方法和标准。

    放大了气层在三孔隙度测井曲线上的响应信息;结合气测全烃资料的净增值、比值等参数,对储层的含气性质进行综合判断,在很大程度上解决了解释中存在的气水层识别困难问题。

    参照该方法对本研究区28个层段进行分析研究,与实际生产的试气对比得出,其符合率达90%,应用效果较好。

  • 图  1  构造应力集中与采动应力叠加示意图

    上图为应力叠加曲线变化示意图, 表示随着坑道掘进, 采动应力前移(虚线), 与构造应力集中部位(点画线)叠加曲线(实线); 下图为上图对应的平面示意图

    Figure  1.  Overlapping of tectonic stress concentration and mining-induced stress

    图  2  煤瓦斯突出研究基本内容框图

    Figure  2.  Block diagram of the general content of coal and gas outburst research

  • [1] 重庆煤炭科学研究所, 等. 煤、岩石和煤瓦斯突出(图外资料汇编). 1978、1979、1980, 科学技术文献出版重庆分社.
    [2] Lippmanon H.等, 关于煤矿中"突出"的理论[J].力学进展, 1990, 20. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK000005594461
    [3] 李四光.论地震[M].1977, 地质出版社.
    [4] 李四光.地震地质[M].1973, 科学出版社.
    [5] 李四光.地质力学概论(第二版)[M].1999, 地质出版社.
    [6] 李四光.天文, 地质, 古生物资料摘要(初稿)[M].1972, 科学出版社.
    [7] 陈庆宣, 王维襄, 孙叶, 等, 编著.岩石力学与构造应力场分析[M].1998, 地质出版社.
    [8] 孙叶, 谭成轩, 等, 著.区域地壳稳定性定量化评价(区域地壳稳定性地质力学)[M].1998, 地质出版社.
    [9] 《中国地质学》扩编委员会编著.中国地质学(扩编版)[M].1999, 地质出版社.
    [10] 孙叶, 等.地应力与经济建设[M], 1989, 地质出版社.
    [11] 王连捷, 等.地应力测量及其在工程中的应用[M], 1991, 地质出版社.
    [12] 黄庆华.三维变弹性模量光弹性模拟在地学上应用[J].科学通报, 1987, (6). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK000004317290
    [13] 廖椿庭, 等.金川矿区地应力测量与构造应力场[M].1985, 地质出版社.
    [14] 张我华.煤瓦煤突出过程中煤介质局部化破坏的损伤机理[J].岩土工程学报, 1999, 21(6):731~736. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.1999.06.022
    [15] 张宏伟, 陈学华, 王魁军.地层结构的应力分区与煤瓦斯突出预测分析[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(4):464~467. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2000.04.015
    [16] 张我华, 金荑, 陈云敏.煤瓦斯突出过程中的能量释放机理[J].岩石力学与工程学报, 2000, 19(增):829-835. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yslxygcxb2000z1001
    [17] Airey, E.M.Gase mission from broken coal:an experimental and theoretical investigation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1968, 5(4):475~494.
    [18] 中华人民共和国地质矿产部, 等.中国地质灾害与防治(图集)[M].1991, 地质出版社.
    [19] 李细光, 等.三峡库首区现今构造应力场的形成体制分析[J].地质力学学报, 2006, 12(2). http://journal.geomech.ac.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20060226&journal_id=dzlxxb
    [20] 谭成轩, 孙炜锋, 孙叶, 王连捷.地应力测量及其地下工程应用的思考[J].地质学报, 2006, 80(10):1627~1632. doi: 10.3321/j.issn:0001-5717.2006.10.018
    [21] 谭成轩, 孙叶, 王连捷.地应力测量值得注意的问题探讨[J].地质力学学报, 2003, 9(3):275~280. doi: 10.3969/j.issn.1006-6616.2003.03.010
    [22] 国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组. 一九七六年唐山地震[M]. 1982, 地震出版社.
    [23] Liao Chunting et al.Stress change near the Kunlun fault before and after the MS 8.1 earthquake[J].Geophysical Research Letter, 2003, 30(20):1~4. doi: 10.1029/2003GL018106/full
    [24] 谭成轩, 王连捷, 孙宝珊, 徐守礼, 胡道功.含油气盆地三维构造应力场数值摸拟方法[J].地质力学学报, 1997, 3(1):71~80. http://journal.geomech.ac.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=19970110&flag=1
    [25] 中华人民共和国地质矿产部发布, 中华人民共和国专业标准, 工程地质编图规范(1: 50万~1: 100万, ZBD14001-89)、工程地质调查规范(1: 10万~1: 20万, ZBD14002-89)、工程地质调查规范(1: 2. 5万~1: 5万, ZBD14003-89)[M]. 1990, 中国标准出版社.
  • 期刊类型引用(11)

    1. 刘文博,陶霓,孙敬博,温汉捷. 锆石激光原位微区U-Th-Pb-He双定年分析方法进展. 矿物岩石地球化学通报. 2025(01): 162-177 . 百度学术
    2. 钟畅,吴志雄,胡俊杰,李宗星,马立成,王嘉琦. 柴达木盆地北缘西段早二叠世沉积地层的发现及其地质意义. 天然气地球科学. 2024(02): 288-299 . 百度学术
    3. 范昱宏,祝禧艳,段庆松,马建锋,贾朝媛,刘书琪,赵太平. 太岳山17.9亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束. 岩石学报. 2024(04): 1327-1342 . 百度学术
    4. 赵佳楠,刘冲昊,邱际玮,苏宏亮,崔永春,曾凡杰. 粤北铀矿控矿断裂活动年代学特征与找矿规律——以南雄断裂带为例. 金属矿山. 2024(03): 158-171 . 百度学术
    5. 胡俊杰,施辉,马立成,马寅生,王嘉琦,钟畅. 柴达木盆地北缘西段下石炭统物源和构造背景:来自碎屑岩U-Pb年代学与地球化学的约束. 地质学报. 2024(04): 1056-1067 . 百度学术
    6. 王森,张拴宏,蔡梦颖,申佳奇,张琪琪,杨静. LA-ICP-MS石榴子石U-Pb定年方法在异剥钙榴岩和矽卡岩年代学研究中的应用. 地球学报. 2024(03): 386-400 . 百度学术
    7. 张琪琪,张拴宏,赵越,胡国辉. 辽北地区克拉通与造山带边界的限定:来自晚古生代—早中生代花岗质岩石锆石Hf同位素证据. 地质学报. 2024(06): 1715-1731 . 百度学术
    8. 王波,吴志雄,胡俊杰,马立成,马寅生,施辉. 柴北缘西段嗷唠山地区三叠系碎屑锆石U-Pb年代学特征及其地质意义. 高校地质学报. 2024(04): 397-408 . 百度学术
    9. 刘佳,钱涛. 柴达木盆地北缘早二叠世凝灰岩的发现及其地质意义. 地质力学学报. 2023(02): 290-300 . 本站查看
    10. 崔加伟,李振宏,井向辉,寇琳琳. 汾渭地堑系开启时限:基于中条山奇峰花岗斑岩岩脉的年代学约束. 地质力学学报. 2023(04): 485-496 . 本站查看
    11. 王嘉琦,施炜,李宗星,钟畅. 柴达木盆地东北缘晚新生代构造隆升——来自碎屑锆石U-Pb年代学证据. 地质论评. 2023(06): 2391-2406 . 百度学术

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  • 收稿日期:  2007-01-11
  • 刊出日期:  2007-03-01

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