煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态监测

傅雪海，李 升，于景邨，吴有信

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830047；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；3.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008;4.安徽省煤田地质局物探测量队，安徽 宿州 234000)

煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态监测

傅雪海1,2,3，李 升1,2,3，于景邨2,3，吴有信4

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830047；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；3.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008;4.安徽省煤田地质局物探测量队，安徽 宿州 234000)

为了研究煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态传播特征，基于煤系不同岩层不同含水状态的导电性差异，在沁南地区选择一口煤层气排采井，分别在该井排采前、排采半年后进行了煤储层水系统瞬变电磁动态探测。在该井排采范围内设置400m×300m的矩形测网，垂直地层走向布置16条测线，每条测线上布置400个测点，在测网内部形成20m×10m的观测坐标网格，通过数据采集、资料处理与定量解释，获得排采前、排采半年后各测线、测点煤系视电阻率对比图、视电阻率拟断面对比图、视电阻率顺层切片图，分析结果表明排采前煤储层水系统分布相对较均一，排采半年后煤储层水系统非均质性十分明显。在连通性差的区域，排采半年后煤储层水系统中静水储量部分被排出，煤层及其顶板砂岩视电阻率有不同程度地升高；在连通性较好区域，由于地下水动态补给，煤层及其顶板砂岩视电阻率降低。

煤层气；煤储层水系统；地下水动态传播；瞬变电磁技术；视电阻率；沁南地区

煤储层通过储层压力对煤层气吸附富集起控制作用。在煤层气井排采的过程中，煤储层压力逐渐降低，导致煤层气解吸、扩散、渗流，并运移至井筒产出，因而研究地下水动态变化规律是煤层气井开发及排采控制的基础[1-3]。前期排采中的地下水动态变化研究多基于井口数据采集，进而从地球化学、数值模拟角度展开，间接推测煤储层水系统内的含水性变化[4-5]。如果在排采范围内加密布设水文钻孔直接观测，则成本昂贵而耗时，信息也不够全面。由于含煤地层含水状态不同，导电能力不同，富水导电性好，电阻率低；贫水导电性差，电阻率高。因而能够利用电磁感应类探测方法进行无损探测。近年来发展的瞬变电磁技术(Transient Electromagnetic Method，TEM)基于对含水体敏感、受地形影响较小、分辨率高、信息丰富等优点已被广泛应用于地下水勘查及隐伏含(导)水构造探测等方面[6-8]。笔者基于煤层气井排采过程中煤储层水系统动态变化观测的直观性、无损性，利用瞬变电磁法探测成果反演煤层气井排采过程中煤系电阻率变化，监测煤层气井排采过程中煤储层水系统动态变化特征，研究煤层气井排采地下水流动规律，为煤层气井排采优化提供有用的信息。

1 煤储层水系统的地电性

煤储层水系统系指煤层气井排采时直接或间接供给煤层气井地下水的煤岩层组合。由煤储层、直接给水含水层和间接给水含水层组成。直接给水含水层在煤层气井排采时直接流入煤储层或排采井；间接给水含水层系指与直接给水含水层有水力联系的其他含水层。

煤储层水系统的含水性变化特征可通过不同深度、不同时间段的地电特征来体现。煤储层水系统在含水性稳定情况下视电阻率值分布稳定，等值线分布均匀、平缓；若煤储层水系统含有相对富水区和含水、导水构造时，则呈现低阻异常，视电阻率值产生明显的畸变，等值线扭曲、变形为圈闭或呈密集条带状等。

2 排采水动态传播瞬变电磁监测方法

2.1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法的探测原理可用“烟圈”效应形象地加以阐明。地表接收的二次电磁场是由于导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生地下感应涡流场而产生的，其涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”(图1)。随着时间的推移，“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响，这样从“烟圈效应”的观点看，可知早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场强弱、空间分布特性和时间特性，可以探测地下介质电性的垂向变化[9-10]。

图1 地下感应电流环分布Fig.1 Distribution of underground inductive current circle

瞬变电磁法全空间视电阻率ρt的计算公式[11]为

式中，M为发送回线的磁矩；SR为接收线圈的有效面积；ε(t)为感应电动势；t为延迟时间。

2.2 测网布设

本次对沁南潘庄区块煤层气开发井PE-055井(位于晋城潘庄区块中部，单排采3号煤层)排采范围进行了瞬变电磁法动态探测(图2)。3号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩32.2m，下距K7砂岩7.85m；煤层平均厚度为5.95m，埋深525.2m，底板标高为293.36 m。地层走向北西，倾向南西，倾角小于5°，较平缓。

图2 瞬变电磁法探测点布置Fig.2 Distribution of detection points of TEM

排采煤储层水系统动态探测的瞬变电磁法监测仪器为澳大利亚产的Terra TEM型瞬变电磁仪。该瞬变电磁仪具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放[12]。

目前，工程探测实践中常用的回线装置形式有同点装置、偶极装置和框-回装置，几类装置适用条件及效果各不相同[11-12]。笔者采用框-回装置，又称大回线定源装置进行探测。一般框-回装置发射回线采用边长数百米甚至千余米的矩形线圈，采用小型线圈或探头，回线内部中心1/3面积范围内布线逐点测量。由于发射回线固定，可采用大功率发射设备供以大电流，加之发射回线面积大，能够提供很强的发射磁矩，磁场均匀，特别适于地层水探测。此外，由于采用轻便的接收线圈，使得装置移动灵活，不仅可以测量磁感应强度的Z分量，而且也可以测量X,Y分量(图1)[13-14]。

此次大地源瞬变电磁法发射线框为200m×200m的正方形回线，接收回线采用边长为5m的多匝数小回线，在发射回线中心1/3范围内进行煤储层排采水动态探测。以PE-055开发井为中心，考虑到现场的地形和地物，布置成400m×320m的矩形测网，在测网内部形成20m×10m的观测坐标网格，局部地段加密为10m×10m，测线尽量垂直地层走向，空间采样间隔、最大频点间距满足勘探精度要求。勘探面积为0.12km2。按上述测网密度，在测区范围内设计北东向测线16条，依次编号为1～16线，线距为20m。每条测线上测点数相同，点距为10m，测点编号为0～400，测线总长达6 400km。其中PE-055井位于6线200点位置(图2)。

2.3 动态监测

煤层气井排采前瞬变电磁探测总工作量为646个坐标点，检查点25个；排采半年后为647个坐标点，检查点22个。通过排水采气前测试的视电阻率与排采半年后的数据对比，反演煤储层水系统视电阻率的动态变化，分析煤层气排采井煤储层水系统含水性的动态变化特征。

3 监测结果分析与讨论

3.1 数据后处理方法

采用中国矿业大学地球物理研究所自行开发和研制的“瞬变电磁法数据处理与解释系统”软件进行资料处理和解释。后处理时，先将各测线的原始数据由接收机传入计算机，通过多种校正、转换和正、反演计算求出地层视电阻率值，并把视电阻率时间函数转换为深度函数，进而得到不同深度下的煤岩层视电阻率。根据得到的视电阻率值生成视电阻率拟断面图和顺层切片图。其中视电阻率拟断面图是根据同一剖面上不同测深点和不同深度的视电阻率值勾绘的等值线断面图，用于分析剖面上不同深度地电断面的特征和规律。依据两类图件中地层相对高、低阻电性分布情况，得到探测区内煤岩层电阻率立体分布信息，从而判断煤储层水系统的含水性变化特征。

3.2 煤储层水系统电性拟断面成果分析

由5线排采前、排采半年后视电阻率拟断面对比(图3，曲线为视电阻率等值线，曲线上数字为视电阻率值，低电阻率值用蓝色表示，高电阻率值用红色表示)可以看出在电性意义上，浅地表地层变化不大，视电阻率出现变化的是在进入煤系后，排采半年后探测视电阻率数值相对排采前有所增加(图3)，说明部分煤储层水被排出，视电阻率增大。

以2线280点、6线200点、16线200点为例，进行深度反演计算，获取不同深度的视电阻率值。对比分析结果表明：2线280点排采前、排采半年后探测的视电阻率比对应深度的排采前探测结果略高(图4)，表明此点地下水被排出；6线200点排采前、排采半年后采集数据反映结果差异性较小，深度及视电阻率对比基本无明显变化，表明此点地下水排出与补给相平衡；16线200点排采半年后比排采前对应相似深度的结果低，表明此点地下水补给量大于排出量。

图3 5线排采前、排采半年后视电阻率拟断面的对比Fig.3 Comparison of line 5apparent resistivity section before drainage and after half a year

图4 2线280号测点排采前、排采半年后视电阻率的对比Fig.4 Comparison of apparent resistivity of the 280th point on line 2before drainage and after half a year

3.3 煤储层水系统顺层切片成果分析

排采前探测3煤层顺层切片视电阻率基本均一，无明显强弱异常区域，反映地下介质维持相对平衡的电性均一状态；排采半年后探测3煤层顺层切片视电阻率数值出现强弱异常变化(图5)，图5中红色线区域标注为视电阻率升高区域，蓝色线标注区域为视电阻率降低区域。煤层气井排水使煤储层水系统的储存和水力联系产生动态变化，排水使煤储层水系统的水力关系活化，造成煤储层水系统出现不同状态的补给关系变化，由于煤储层水系统不同区域水力连通状态不同，在连通性差的区域，地下水抽排后出现电性参数升高异常，即视电阻率有不同程度的升高；在连通性较好区域，水力动态补给，电性参数出现降低异常，即视电阻率有一定范围的降低。

排采前与排采半年后探测3号煤层顶板砂岩含水层视电阻率切片图出现微弱变化，排采前探测3号煤层顶板砂岩视电阻率基本均一，阻值变化幅值较小，无明显强弱异常区域(图6)；排采半年后探测3号煤层顶板砂岩视电阻率数值出现趋势变化，图6中红色线区域标注为视电阻率升高区域，蓝色线标注区域为视电阻率降低区域(图6)。对比3号煤层顶板砂岩含水层排采前探测与排采半年后探测视电阻率切片成果图可以发现，抽排水引起水力活化，连通性较好的区域产生水力联系、相互补给，3号煤层与其顶板砂岩含水层有一定的导通(岩石裂隙)，当产生水力补给后，地下水的补给造成排水后视电阻率降低，如区域2。区域1无水力联系，消耗煤储层水系统内地下水的静储量，排水后视电阻率升高。

图5 3号煤层视电阻率顺层切片Fig.5 Apparent resistivity bedding slice chart of No.3 coal seam

图6 3号煤层顶板砂岩含水层视电阻率顺层切片Fig.6 Apparent resistivity bedding slice chart of aquifer of No.3 coal seam roof sandstones

4 结 论

(1)瞬变电磁法是快速、直观探测煤层气井排采过程中煤储层水系统动态变化的有效手段。通过在地面对煤层气井排采区域合理布设测网、测点、测线，选择有效的回线装置，排采前、排采过程中通过多次探测可以监测煤储层水系统的动态传播特征。

(2)煤层气井排采前煤储层水系统含水性分布较均一，排采后由于煤系岩层水力连通性的差异导致排采范围内煤层与其顶板砂岩视电阻率升高/降低程度不等。

(3)煤层气井排采还将引起水力活化导致煤层与其顶板砂岩含水层导通，产生水力补给，煤储层视电阻率降低。

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Dynamicmonitoroncoalreservoirwatersystemduringdrainageprocessofcoalbedmethanewell

FU Xue-hai1,2,3，LI Sheng1,2,3，YU Jing-cun2,3，WU You-xin4

(1.GollegeofGeologicalandMiningEngineering,XinjiangUniversity,Ürümqi830047,China;2.SchoolofResourceandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;3.KeyLaboratoryofCBMResourcesandDynamicAccumulationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;4.AnhuiCoalfieldGeologyBureauGeophysicalProspectingEntity,Suzhou234000,China)

In order to study dynamic propagation characteristics of coal reservoir water system during drainage process of coalbed methane well,based on different electrical conductivity of different lithology and water content of coal strata,a CBM production well in Qinnan area was chosen to conduct transient electromagnetic dynamic detections of coal reservoir water system before drainage and after half a year respectively.A rectangular survey grid of 400m×300m was set up with 16 survey lines perpendicular to the strata strike and 400survey points distributed in each line,resulting in an observation coordinate network of 20m×10m within the survey grid.By means of data acquisition,data processing and quantitative interpretation,apparent resistivity bedding slice chart,comparison diagram of coal apparent resistivity and apparent resistivity section of each survey line and point were available before drainage and after half a year.The analysis results show that,distribution of coal reservoir water system is relatively uniform before drainage,while its anisotropy becomes very obvious after half a year.In the poor connectivity regions,apparent resistivity of coal seam and roof sandstone increases in different degrees because static water reserves of coal reservoir water system are partly dewatered,to the contrary,that of coal seam and roof sandstone in the preferable connectivity regions decreases in a certain range because of hydraulic dynamic supply.

coalbed methane;coal reservoir water system;dynamic propagation of groundwater;transient electromagnetic method;apparent resistivity;Qinnan area

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0919

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2009CB219605)；国家科技重大专项资助项目(2011ZX05034)；新疆维吾尔族自治区引进高层次人才和“天山学者”启动基金资助项目(11100213)

傅雪海(1965—)，男，湖南衡阳人，教授,博士生导师，博士。E-mail：fuxuehai@163.com

P618.11

A

0253-9993(2014)01-0026-06

傅雪海，李 升，于景邨,等.煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态监测[J].煤炭学报,2014,39(1):26-31.

Fu Xuehai，Li Sheng，Yu Jingcun,et al.Dynamic monitor on coal reservoir water system during drainageprocess of coalbed methane well[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):26-31.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0919