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(岩)与瓦斯突出.ppt 165页
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煤(岩)与瓦斯突出及其防治
煤(岩)与瓦斯突出概况
　煤矿采掘过程中，在很短的时间内，从煤(岩)壁内部向采掘工作面空间突然喷出煤(岩)和瓦斯的现象，人们称为煤(岩)与瓦斯突出，简称瓦斯突出或突出。
　　煤(岩)与瓦斯突出是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，它能摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤（岩）抛出物，能造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故，导致生产中断等，因此它是煤矿最严重的灾害之一。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
歼依谬橙蹲屁聋酋丰迪恃聊酥亢仁两壶橱王复会卖缎柿陈挽孜奠雇慎软袖第二讲
(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
煤(岩)与瓦斯突出概况
世界上第一次有记载的突出——日法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面掘进时发生的（突出时，工人正在架棚，发现工作面煤壁处移，三个工人立即逃跑，巷道煤尘弥漫，一人被煤流埋没死亡，一人被瓦斯窒息牺牲，一人逃跑及时得救。该次突出突出煤沿巷道堆积13米长，煤粉散落15米长，迎头支架倾倒）。
世界上第一次猛烈的突出——日比利时阿拉波二号井，在掘上山时发生的（突出强度420吨煤，50万立方瓦斯。最初瓦斯喷出2000m3/min，瓦斯逆风流从提升井冲至地面，距该井口23米处的绞车房附近的火炉引燃了瓦斯，火焰高达50米，井口建筑物烧成
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(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
煤(岩)与瓦斯突出概况
一片废墟，2小时后火焰将要熄灭时，又连续发生7次瓦斯爆炸，井下209人，死亡121人，地面3人烧死，11人烧伤）。
世界上最大的突出——日前苏联顿巴斯煤田加加林矿石门揭煤时发生的（仅穿1.03米厚的煤层），突出煤量14000吨，瓦斯25万m3以上。
中国最大的突出——日天府矿务局三汇坝一矿主平硐揭煤时发生的，突出煤岩12780吨（煤占60%，矸石40%），瓦斯140万m3。
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(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
煤(岩)与瓦斯突出概况
我国煤与瓦斯突出发生的地点数据统计：煤层平巷、上山和下山的突出占76%，但突出强度较小；石门揭穿煤层时占5.8%，次数虽小但强度大，我国80%以上的特大型突出均发生在石门揭穿煤层工作面，大直径钻孔或其他原因占2.4%；采煤工作面发生的突出占15.8%，但近年了有所增加。
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(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
矿井瓦斯动力现象的分类及危险程度的划分
1、按动力现象的力学特征分类
可分为：突出、压出、倾出三类
发动突出的主要作用力是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力为主，瓦斯压力为辅，重力不起决定作用；实现突出的基本能源是煤内积蓄的高压瓦斯潜能。
发动与实现压出的主要作用力是地应力，瓦斯压力与煤的自重是次要因素，压出的基本能源是煤岩所积蓄的弹性变形能。
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(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
矿井瓦斯动力现象的分类及危险程度的划分
发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软，含有瓦斯致使内聚力降低的煤，在较高地应力作用下，突然破坏、失去平衡，为其位能的释放创造了条件，实现倾出的主要力是失稳煤的自重。
各类动力现象的特征:
1) 主要作用力与能源
突出:地应力,瓦斯压力;煤岩的弹性变形能,瓦斯潜能。
压出：地应力；煤岩的弹性变形能。
倾出：地应力，煤自重；煤岩的位能与弹性变形能。
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(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
矿井瓦斯动力现象的分类及危险程度的划分
2）突出物的搬运特征
突出：有气体搬运诸特征、随瓦斯风暴搬运至远处、可
随巷道拐弯、分流、甚至抛向高处；
压出：煤呈整体压出或碎体抛出，直线运移距离不大
（数米远）；
倾出：在重力作用下，向下方直线运动，运移距离不大（数米至数十米）；
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(岩)与瓦斯突出第二讲
(岩)与瓦斯突出
矿井瓦斯动力现象的分类及危险程度的划
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电火源引爆瓦斯的规律和特征研究.pdf 81页
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电火源引爆瓦斯的规律和特征研究
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学位论文使用授权声明
本人完全了解华北科技学院有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰
写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理，即：①研究生在校攻读学位
期间论文工作的知识产权单位属于华北科技学院，学校有权保存并向国家有关部
门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保
密论文外）；②为教学和科研目的，学校可以公布学位论文的全部或部分内容，
可以允许使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文，学校可以将公
开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、
浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。
本学位论文属于：
□保密，在
年解密后适用本授权书。
□不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
校内导师签名：
校外导师签名：
论文审阅认定书
在规定的学习年限内，按照研究生培养方案
的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本
学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，
论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文
送专家评审。
校内导师签字：
校外导师签字：
研究生三年的努力终于完成了硕士论文的研究。这期间几番波折几番辛苦，
但是更多的是成功的喜悦。正如文章中所叙述的，瓦斯爆炸问题一直是涉及多个
学科和领域的难题，而自己理论基础有限，在研究中遇到了爆轰理论、化学动力
学理论等诸多方面的难题。在此，我要特别感谢徐景德教授、徐胜利教授、王素
锋副司长的悉心指导。本文是在他们的全力指导下完成的，从理论到实践，从科
研到做人，三位导师都给予了相当大的帮助。在他们的帮助下，我阅读了大量的
相关文献，确定了本文的研究内容和技术路线。期间，我就论文的选题、实验方
案的确定、论文结构安排等，与徐景德老师进行了深入的讨论，徐老师从多个方
面给我提供了悉心的指导，他的严谨治学、勤奋敬业的精神和为人师表的风范我
将终身难忘。
学习期间，清华大学的徐胜利教授对论文的实验部分提供了关键性的技术指
导和理论支持。同时，中国科技大学的刘二伟博士，清华大学的崔巍博士都对本
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重点工作面的瓦斯管理
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煤层气储层测井评价方法及其应用
第章　 煤层气储层地质特征分析 　根 据国 内 外大 量 的煤 田 与油 气 勘 探开 发 工作 可 知 ，地 球上 的 煤 层 中 蕴藏 着 丰 富 的 煤 层气 资 源 。据 估算 ，世 界 上 主 要产 煤 国 的 煤层气资源约为（ 国的煤层气资源潜力最大 （见表表， 中， 罗 斯、 国 和
美 国 等 其 俄 中世界上几个主要产煤国煤炭与煤层气资源数据表（据等修 改，自世纪年代以来，人们深刻认识到合理开发与利用煤层气，不仅能够解决煤矿开采中瓦斯爆炸问题，而且还可以为人类 提供一种洁净能源。因此，对煤层气的勘探开发已经引起国内外 的广泛重视，而且相继开展了相关的勘探开发研究工作。目前美 国等西方国家已开始商业性开发，我国也已进行了相关的勘探开 发工作。因此，关于煤层气储层地质和储集特征等方面已取得了 许多可喜成果，下面就介绍有关这方面的研究成果。煤层气储集特征和产出机理煤层气就是指在煤层内产生和赋存的天然气 其 主 要 成 分 是甲烷）约 占 ，以上，又称煤层甲烷煤层吸附气或煤层瓦斯，它是煤层气的一种，是一种非常规天然气。煤 层气与常规天然气最大不同点就在于煤岩既是它的储集岩又是生 气原岩，它是煤层煤化作用的结果。煤的储集性和煤中天然气的 储集是整个成煤作用过程的结果。因此，在研究煤层气储集和产 出机理时应首先简述一下成煤作用过程；其次，讨论煤化作用与煤 层气形成的关系；最后，讨论煤层气的储集和产出机理。 煤化作用与煤层气的形成 高等植物经化学作用和热演化作用形成煤一般要经历 个阶 段，即泥炭化、成岩和变质（煤化）阶段。植物遗体在有水存在和微 生物参与下经分解化合等复杂生化过程形成泥炭，然后被覆盖，在 温、 影响 下， 过 压 实、 水、 结 成 岩， 渐 固 结 成 褐 煤； 着 温 压 经 脱 胶 逐 随 度和压力的继续增高，煤内部分子结构和物化性质作有规律的变 化，褐煤就变成烟煤、无烟煤。 煤化作用的结果除形成煤之外，还形成了甲烷、二氧化碳、氮 气和水等产物。由此可见，煤既是生气原岩，又是煤层气的储集 岩。甲烷的产生有两种机制：生物成因和热成因。早期阶段（成岩 作用）煤层埋藏浅，在温度低于℃时，腐植型干酪根受厌氧微生℃以上时，开始热降℃左右，物的降解作用生成气体，称为降解型煤层气（仅占煤层气的 ；埋深增加或地温增加而使温度达到 解的生气过程，随着煤的变质加深，在温度达到 的镜煤反射率在 生成， 至无烟煤气体大量生成，与常规天然气和石油生成门限温度基本相似，此时 之 间 肥 煤 到 焦 煤 阶 段 ）生 成 的 气 （ ， 。之后气体仍在继续 ，逐步停止生气。天 然 气 。这 些 气 体量约占从以上褐煤 到无烟煤总产量的 号， 镜煤反射率 煤层气的储集方式 煤化过程中每吨成熟煤大约可生产一部分扩散进入大气层，另一部分运移到煤层附近的其他岩层，形 成常规天然气藏，剩余的则残留在煤层中称为煤层气。常规天然 气主要是呈游离和溶解状态存在于储层中（例如，砂岩和灰岩），而煤层气除少量以游离态和溶解态存在外，以上是以分子状态呈单分子层吸附在煤的表面上。也就是说，储集在煤层中的煤层 气，绝大部分以单分子层的形式在压力作用下吸附在微孔隙的内 表面。是吸附在煤颗粒的表面上。一般认为，微孔隙中不为水所 充填。在未降压解吸前，微孔隙中也几乎无游离气体。即在微孔 隙中只有吸附气体。煤层通过吸附作用，比常规砂岩具有更高的 储气能力。 在生成甲烷的同时，凝胶化作用使煤以芳香核为基本单元的 聚合体，致使煤成为具有大量内表面积的多微孔物体（每 表面积可达煤比）。其表面有大量过剩自由能。固体表面分子的剩余力场能对碰到固体表面上来的气体分子产生吸引力， 使得气体分子在固体表面上发生相对聚集，以减少剩余力场，降低 固体表面能，使具有较大面积的固体变得较为稳定。因此，煤与同 体积常规储集岩相比，其储集天然气的能力是它们的 煤层气的产出特点 由于煤层气是在压力作用下吸附的，所以当煤层的压力降低 到 一定 程度 时 对应 的压 力称 为 临界 解吸 压力 ”， 层中 吸附 的 （ “ ）煤 气体就与微孔隙内表面分离，称为“解吸”。由于割理中的压力降 低，解吸作用也可在煤的割理 基质界面上发生。解吸的气体通过 煤基质和微孔隙扩散进入裂缝网络中，再经网络流向井筒。 煤对甲烷吸附依靠的是范德华力。属物理吸附，是的倍。可逆过程，即在一定条件下，吸附的甲烷会与煤的内表面脱离进入 游离相，这叫做煤层气的解吸。煤层甲烷气的解吸主要受压力控 制，降低煤层内的压力，则可使吸附气解吸释放。煤层中维系甲烷 吸附的压力是静水压力和气体压力。静水压力下的煤层气产出大 致要经历个阶段（见图单相流动阶段。水从割理系统中进入井筒被排出，储层压 力开始逐渐下降。 ）非饱和单相流动阶段。储层压力逐渐下降，两相流动阶段。甲烷已开始解吸，形成气泡，阻碍水的流动，水相相对渗透率下降， 但由于气泡是孤立的，尚未出现气体流动。着压力下降到一定程度和气体不断解吸，气饱和度提高，气泡互相 连接，形成连续气流，气水同时进入井筒。图煤层甲烷产出的三个阶段（据杨建业等，一旦两相流动开始，似乎有两种气体运移机理控制煤层甲烷 气的运移。其一机理指游离气穿过裂缝和微孔隙体系的流动；其 二机理指气体穿过固体煤的微孔隙空间的扩散流动 。从根本上 讲，是压差，即井眼与地层之间的压差值直接控制气的解吸与扩 散。美国两个主要煤层气田圣胡安气田和黑勇士气田目前均是通 过排水降压达到产气目的。控制煤层气富集的主要因素煤层气为自生自储式非常规天然气。因此，控制煤层储集性能的主要因素是煤岩性质、煤岩储集空间发育程度、煤层埋藏深 度、煤层厚度及地质构造和圈闭条件的优劣等等。 煤岩性质对煤层气富集的影响 煤岩性质对煤层气富集的影响主要表现在煤岩三大组分，即 镜质组、壳质组、惰性组的产气能力的差别。研究表明，壳质组产气能力 大致为镜质组惰性组。产烃气的比率在焦煤无烟煤阶 段，也有人研究认为镜质组产气略大于壳质组，原因是镜质组分气态烃产率较高，而壳质组所有成分产气能力各 有不同。另外，从对甲烷的吸附能力看，一般认为煤的吸附能力随 煤阶的增高而增加，在烟煤阶段（长焰煤组瘦 煤 ）不 同 组 分 的 吸 附 ， 号变质阶段，显微组分的能力变化是：惰性组（具有胞腔结构而无充填物的丝质体）＞镜质 惰性组 （无结构丝质体） ； 在无烟煤 吸附能力是镜质组＞惰性组。壳质组在三个组分中吸附能力最低。 以煤阶来分析，美国的研究与实践表明，煤化过程生气量较大 的煤阶， 一般储气量也较大 （表表， 中低挥发分烟煤 （镜煤反射率不同煤层的气体生成量数据表）的生气量最大，分别为和。从脱气试验结果看，中低挥发分烟煤的解吸量最高，分别是和我国煤炭系统通过分析矿井瓦斯分布和实际的研究认为从长焰煤到无烟煤，总趋势是煤层甲烷含量随煤化程度增高而增加，其中焦煤到无烟煤 产量最大，实测长焰煤到无烟煤的解吸量为 与国外的研究结果基本一致。 煤岩储集空间对煤层气储集的影响） 生 的 ， 这煤岩中孔隙分为两种，一种是基岩孔隙，第二种是裂缝孔隙。 因此煤层是具有双重孔隙结构的储集层，见图 。裂缝孔隙的主图煤层双重孔隙结构示意图要部分是指其内生裂隙，特称为割理。它是煤化作用过程中，由于 煤层脱水，干化收缩，而产生的大致互相垂直的两组微裂隙。主要 的一组可以延伸较远 （可达几百米）称为 ， “面割理” ； 次要的一组只 发育于两条面割理之间，称为“端割理”。这两组割理与煤层层面 正交或陡角相交。割理是很细微的裂缝，其张开度一般以微米计。 裂缝孔隙将煤分为许多块，称基岩块。基岩孔隙和割理在煤层气 的储集和产出中起的作用不同。割理在储集气方面作用不大，它 主 要作 用在 于提 高煤 层气 的采 收率 。割 理密 度与 煤阶 的变 化有 关，从长焰煤到中低级挥发分烟煤，割理密度不断增加，到无烟煤 有减少的趋势。割理在富含镜质组的煤岩中相对较发育，垂直层 理小裂缝发育是镜质组煤的特点。割理主要是煤化作用中产生的 内部收缩裂缝，此外局部构造应力也可引起裂缝，前者叫内生割理，后者叫外生割理。以煤阶而论，焦煤的内生割理最发育，内有条割理，长焰煤只有几条，无烟煤少于条， 此外密度低于（取决于灰分含量）的煤有利于割理发育。另外，煤层中还有构造形成的较大的裂隙，如断裂、褶皱、压实等引起的。 一般认为，未开采前的原地裂缝中，不含有气体，因此与含气 量无关。这些裂隙、孔隙只是流体流动的通道，只与渗透率有关。 基质孔隙是指煤层被大致互相垂直的面割理和端割理划分成 小块体中的孔隙。在这些基质块体中发育着孔洞孔隙，按直径大 小划分为 大孔 （， 孔 中 （ ） 微孔 小于 和 （ ， 煤的 对孔隙喉道大小研究表明，孔隙容积主要与中孔无关，而孔隙的内表 面积主要与微孔有关。基质孔隙是吸附气体的主要场所，与含气 量有关，基质块体可认为是供给裂隙系统的气源。这样，煤层的全 部介质就以三个相互作用的系统为特征：煤颗粒、孔隙和割理。 基岩 孔隙是 煤层气 储集 的主要 空间。 前苏联 学者 茨基认为煤吸附甲烷最有效的孔隙半径在（ 间， 汞试验表 明， 压 煤半 径在 （ 体积的，若再加上 （ 维索之间的孔隙体积占总 的那部分孔隙，则比例就更大。但是并非所有不同变质程度（煤阶）、不同显微 组分的煤对甲烷都具有同等程度的吸附能力，实验证明，从褐煤到 无烟煤，基岩的有效孔隙不断增加，到无烟煤 后，有效吸附孔隙有所降低。 从煤的显微组分看，惰质组和镜质组的有效吸附孔隙都比较 发育，而壳质组的有效吸附孔隙相比之下显得不太发育。此外，实 验证明煤中无机矿物（粘土矿物和黄铁矿等）含量增高，灰分增高， 有效吸附孔隙则减少，不利于煤层气的储集。 煤层埋深、圈闭类型与煤层气的储集 随着煤层埋深加大，地层温度增加，一方面煤的变质程度增 加，生气量加大，另一方面封闭条件变好，煤层中甲烷气体分压增 加，煤的吸附能力变大，煤层对甲烷的保存量在一定压力范围内显 著增加。全煤脱气实验结果表明，埋深在以上，煤层甲烷的号 （ ） 以平均含量为 量为， 埋深 在的煤层甲烷平均含气。但是当达到一定深度以后，煤层甲烷含量不再为煤层埋深的函数，因为地温升高 ，导致煤层对甲烷的吸附能力下 降。就我国情况而言，煤层含气量除受埋深影响外，煤阶的变化是 其主导因素 。一般 以上为瓦斯风化带，深 度内的煤的演化程度好，有煤层吸附气的大量聚集。 煤层气藏与常规天然气藏不同，它是一种特殊的压力圈闭气 藏，可以分为水压圈闭和气压圈闭两种类型 。水压圈闭是目前形 成大型煤层气田的主要圈闭形式 。水填充在煤层的割理中 ，并有 足够的静水压力，使吸附气不能解吸而得以保存。因为一般情况 下， 重 力 影 响， 向 低 处 流， 聚 集 在 构 造 低 部 位 ， 斜、 斜 低 受 水 先 向 单 部位是形成这类气藏的有利地区 ，也是勘探的主要方向。美国两 大含煤盆地都在向斜 、单斜低部位形成大的煤层气田就是很好的 证明。气压圈闭气藏，填充在煤层割理空间的若为气体，则气体达 到足够压力时，同样使煤层中的吸附气不能解吸，无法向割理运 移，因而得以保存。因此，气压圈闭必须在煤层之上有比较好的不 渗透层。其形成机理同一般气藏相似，不同的是其储层为煤层，储 集空间为微孔隙。从地质构造总体分析上看 ，在构造相对稳定的 沉积盆地才能容易形成以上两种煤层气藏的圈闭形式。因此，大 地构造稳定区是煤层气的主要保存地区。为此，美国在评价煤层 气资源时， 使用聚煤气系数， 稳定区用 ， 而活动区仅用煤层气储层参数及评价概论为了经济合理地开采煤层气资源，必须了解煤层气储层的一 些评价参数。这些评价参数主要包括如下几类： 煤层含气量。煤层总含气量应为解吸气量、逸散气量和残 余气量之和。在井场用普通取芯工具钻取煤芯，当煤芯提出井口 后，立即用密封罐采取煤样，利用解吸仪测定煤样中甲烷气随时间 变化规律，求出解吸气量，根据提钻到采样过程中煤样暴露时间计 算采样过程中的逸散气量，然后在实验室将煤样粉碎并测定残余气量， 述 上（种气量的总和除以煤样可燃质质量即得出气量。这只相当于实际含气量的下限值。目前美国采用密闭等压取芯测解吸量，比较接近实际含气量。此外通过吸附等温线可 间接求得最大饱和含气量，通过含气量与煤阶、温度的关系以及用 测井方法也可粗略估计出含气量。准确的含气量数据是煤层气评 价中优先考虑的因素。如果含气量测定结果有误，就不能提供可 靠的煤层气资源依据。 吸附特性实验参数。它是在实验室用静态容量法通过煤 芯的等温吸附试验，用传统的兰氏（ 时得出解吸曲线以分析含气量和解吸压力。 储层评价中往往通过吸附等温线求得的最大含气量（理论含 气量）与井场解吸求得的实际含气量比较，以确定煤层是否被气饱 和。因为在许多情况下，由于地壳上升剥蚀等原因，气体自然解吸 或煤的组成变化不同，产生不同的重烃类，使得煤层没有饱和气， 这对于确定开发方案是非常重要的。见图 ， 储层压力为煤样 含气量为） 吸附理论描述甲烷的吸附规律，记录不同压力下的吸附量，以求得煤的吸附等温线，同，因为煤被甲烷饱和，当煤被钻穿 ，则在现有储层压力后，钻孔压力开始下降，甲烷很快从基质中解吸出来。相反，煤样 没有达到饱和含气量，含气量为下 （， 甲烷不会解吸， 只有降低储层压力到图饱和气煤的含气量与储层压力在吸附等温线上的关系（据杨建业等，后，大量的气体才开始解吸。由此可见，吸附特性好的较低煤阶比 低饱和度和兰氏压力高的煤阶更好。此外，就吸附等温线的形态 分析，接近线性较陡的吸附等温线，对于提高甲烷产量更有利。 煤层物性参数。煤层物性参数通常指煤层的渗透率（包括 绝对渗透率和相对渗透率）和孔隙度。煤岩渗透率主要是指煤岩 裂隙的渗透率，它是决定储层气水流动的主要因素，也是煤层中最 重要而难以测定的参数。除了通过岩芯测试外，还常常采用不稳 定试井、测井和通过油藏模拟生产史谐配等方法求得。实验证明，煤层的渗透率只有大于 采才 能成 功 。具 有较 高渗 透性的 条件 是 ： 煤阶 ，密度低的煤有利于割理发育； 大曲率点最有利于裂隙的发育；，煤层气的开煤层埋深小于约，富含镜煤的煤层； 煤 层 的 密 度 小 于构造条件：褶皱轴的最裂隙或断裂发育部位。）来确定。其煤储集岩石学方面的参数， 主要指煤阶、 煤的显微组分、 煤 的显微硬度。煤阶通过测定煤中镜质组反射率（ 余则用反光显微镜区分，同时亦可以求得割理宽度和密度。 煤岩工业分析参数，该类评价参数是指煤的固定碳、挥发 分、灰分、水分，目的是对煤岩性能质量作出评价以及在储层评价 中校正含气量。 其他储层评价参数， 诸如煤层埋深、 煤层厚度 （有效厚度） 、 储层压力、温度、机械特性、水文特性及煤的资源量等参数亦是储 层评价不可缺的资料。其中煤层厚度较为重要。一般认为煤单层 厚度必须大于，若太薄不利于甲烷保存及压裂构造。对于厚）公司采用清水煤 层 可用 空 腔 完 井的 方 法 以 降低 生 产 成 本 。例 如 美 国 圣胡 安 盆 地，煤的单层厚度达到几十米，除阿莫克 （ 加砂压设计外，其他公司均采用了空腔完井这一完井方法。 为了确定上述煤层特性评价参数，目前所使用的非测井方法 主要包括岩芯、试井和定向取芯等。对于现行确定煤层特性的非 测井方法及相关事项见表 据内部交流资料 ， 。这几种方 法可取得较准确的煤储层评价参数，但是它们只能得到局部数值，而且具有方法费用高等不足。测井方法与非测井方法相比，不仅 可以获得井及其周围各处的煤储层评价参数，而且是一类较为经 济和快速的方法 ，因此 ，测井方法在煤储层评价中可发挥重要 作用。表确定煤层气储层评价参数的非测井方法煤层气储层与常规天然气砂岩储层的比较通过上面的讨论可以看出，煤层气储层是一种非常规天然气 储层，它与常规天然气砂岩储层有明显的差异。例如，在储层岩石 成 分、 气 能 力、 源、 气 方 式、 气 能 力、 层 物 性、 学 性 质、 生 气 储 储 储 力 以及开发等方面都有明显的差异，现将其不同的详细情况汇总，见表。因此为了有效评价煤层气储层，必须结合煤层气储层地质地球物理特点开展有关煤层气储层的评价研究工作。表常规天然气砂岩储层与煤层气储层的比较续表（据钱凯 等修改，参 考 文 献杨 建 业 ， 美 利 ， 小 鹏 等 煤层气藏的储集特征及储层评价西安地质学 杜 苏 院 学报 ， 地矿部 华北石油地 质局编 煤 层 气 译 文 集 郑州：河南科技出版社， 钱 凯 ， 庆 波 ， 泽成 等 编 著 煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术 赵 汪 北京：石油工业出版社， 赵庆 波， 刘兵， 姚超等 编世 界煤层 气工业 发展 现状 北京：地质出版社，：谭廷栋 裂缝性油气藏测井解释模型与评价方法 北京：石油工业出版社第章　 煤层气测井技术与储层 　 测井评价概论引 言由于煤层气工业的发展，煤层气资源的勘探开发已经引起国 内外的广泛重视，并且相继开展了有关的勘探开发研究工作。我 国 目前 已把 煤层 气 资源 的勘 探 开发 作为 能源 发 展的 战略 重点 之 一， 并且， 地矿、 煤炭和石油三系统将联合开发煤层气资源， 这预示 着我国煤层气的勘探开发将进入一个新的发展时期。 理论研究和实际应用表明，地球物理测井技术具有方法种类 多和较高的异常分辨率等特点，因此，它在煤层气资源的勘探开发 中可发挥重要作用。由第 章的讨论可知，煤层气储层与常规油 气储层相比有明显的差异，其最大特点就是前者既是煤层气的储 集层，又是它的生气源岩，并且煤层气储层包含了极为发育的自然 裂隙。因此，煤层气储层具有包括基质孔隙和裂缝孔隙的双重孔 隙结构。基于上述特点，必然导致其物性结构的非均质性和各向 异性等特征，而且造成储层地质特征与测井响应之间的关系进一 步复杂化，表现出更加明显的非线性特征以及给测井资料解释造 成更大的困难和给解释结果带来更强的多解性、模糊性和不确定 性。因此，国内外地球物理测井工作者紧密结合煤层气储层的特 点，相继开展了有关的研究和探索，其研究范围包括了煤层气储层 评价的地球物理测井数据采集技术和煤层气储层地球物理测井资 料处理及解释技术（评价技术）两个方面。本章就煤层气储层评价 的地球物理测井数据采集技术和煤层气储层地球物理测井评价技 术等方面进行较详细地综合分析。并指出煤层气常用的测井系列 和测井评价的基本内容。煤层气地球物理测井技术为了进行煤层气储层性质、产能评价以及指导设计经济有效 的煤层气完井和压裂措施等问题，地球物理测井技术可为其提供 一些重要的储层性质信息（见表 ， 因此测井技术在煤层气勘探 开发中占有重要地位。尽管到目前为止，还没有一种测井方法是表利用测井方法提供的一些重要的储层性质信息专门为探测煤层气储集层而设计的，但是，经过近 逐步形成了一门相对独立的测井技术 他测井技术， 可以分为如下 煤层气生产测井系列。 裸眼井煤层气测井系列种 类 型：多年的发展应用，基于石油测井数据采集技术和煤田测井数据采集技术，已经 煤层气地球物理测井技 术（简称煤层气测井技术）。煤层气测井技术的测井系列类似于其 裸眼井煤层气测井系列； 套管井煤层气测井系列；选择合理的裸眼井煤层气测井系列对于整个煤层气勘探开发 过程是至关重要的。根据国内外的大量生产实践和有关的理论研 究都表明， 为了进行煤层气 （储层） 识别和确定煤层厚度， 可采用如下 测井 技术： 密度测井、高分辨率密度测井与岩性密度测井； 井径测量； 自然伽马 测井； 双侧向、双感应、浅感应测井； 高分辨率感应测井（例如，相量感应测井、阵列感应测井 等） 。 为了进行煤岩工业分析、 计算煤层气储层的 （基质和裂缝） 孔隙 度、 含气量、 （基质和裂缝） 渗透率和岩石力学参数等， 除了使用密度 测井、 井径测量、 自然伽马测井之外， 可增加使用如下测井技术： 微电阻率测井； 双侧向测井、微球型聚焦测井； ）自然电位测井 （ ） 偿中子 测井、 补 中子 超 热 中 子 测 井； ）微电阻率扫描测井 （ 声波全波列测井、陈列声波测井； ）地球化学测井（自然伽马能谱测井、铝测井等）；碳氧比（）能谱测井； ） 井下 电视 （ 温度测井。 其中最常用的测井系列是密度测井、声波时差测井、自然伽马测井、电阻率测井和井径测量。例如，我国华北石油地质局数字测 井站在其煤层气试验区，标定煤层所使用的最佳测井系列即为密 度测井、声波时差测井、自然伽马测井、电阻率测井（井径测量 （） 和）四种测井方法，其他辅助性测井包括自然和图电位测井和温度测井（见图；辽河油田除使用上述基和表本测井方法，还使用了补偿中子测井等；根据美国黑勇士煤层气田 的测井实践，为了获得有关的煤储层信息，可以采用表 两者使用的主要测井方法是基本类似的。 所示的测井系列。对比我国与美国的煤层气测井系列可以看出图 表华北柳林煤层气试验区井煤层气测井曲线（美国黑勇士煤层气田所使用的裸眼勘探井测井系列图 表华北柳林煤层气试验区井煤层气测井曲线（美国黑勇士煤层气田所使用的裸眼开发井测井系列套管井煤层气测井系列 从原则上讲，为了获得准确的煤系地层信息测量结果，应该尽 可能进行裸眼井测井。如果条件不允许或者其他客观条件不能进 行裸眼井测井，我们仍可以进行套管井测井，以便解决套管井煤层 气储层评价以及井筒动态监测等问题。根据美国煤层气测井的实践，为了解决套管井煤层气储层的识别，确定储层厚度以及检查水 泥胶结情况等，可以采用如下测井技术： 密度测井、补偿中子测井、脉冲中子测井； 自然伽马测井、自然伽马能谱测井； 水泥胶结测井、声波变密度测井。 煤层气生产测井系列 煤层气生产测井是在煤层气井进入生产开发阶段之后，人们 为了了解该阶段井筒流体的动态参数和井内环境故障情况等的一 种测井组合。它是以测量流体动态参数为主，综合了工程测井和 借鉴了勘探井中常用的一些测井方法组成的。目前，煤层气井最 常用的生产测井技术包括如下几个方面： 流量测井（例如使用连续流量计）； 流体识别测井（例如使用压差密度计）； 温度测量； ） 井下 照相 （ ） 他。 其煤和岩石的 地球物理性质煤层是煤层气产出和储存的场所，煤及其围岩的地球物理性 质既是选择最佳煤层气综合测井方法的依据，也是正确进行煤层 气储层地球物理测井资料处理与解释的基础。目前，在煤层气储 层测井技术中常使用的煤岩地球物理性质主要有：密度、光电吸收 指 数、 阻 率 电 导 率 ） 然 放 射 性 伽 马 总 强 度 和 伽 马 能 谱 ） 电 （ 、 自 （ 、 中 子孔隙度以及弹性波传播速度（声波时差）等。常见岩石和煤的地 球物理性质见表 煤岩的密度是一个极为重要的物性参数。相对于一般岩石来 说，煤具有明显的低密度特性（见表 之间，而一般岩石的密度却在 。煤层的密度在之间 ，因此，煤与它的周围岩石相比有明显的密度差异。不仅如此，不同煤 阶的煤也有不同的密度，并且煤的密度与它的灰分之间还存在着相当密切的线性关系，这就为利用密度测井信息确定煤阶和计算 煤岩的灰分奠定了物性基础。 由表可知，煤的电阻率在 之间，其中无烟煤的电阻率最低。经研究表明，煤及其围岩的电性特征与煤化 作用程度有着十分密切的关系。根据前苏联的研究结果，煤化作 用（即由褐煤向烟煤、无烟煤的转化过程。）包括煤的成岩作用阶段 和变质作用阶段。表常见煤和 岩石的地球物 理性质在成岩作用阶段，煤的电阻率随煤化作用的加深而显著上升。 在变质过程阶段，各种岩石的孔隙度均随埋深的增加而进一步减 小，但不同粒度岩石的压实速度亦不相同。因此，在孔隙度曲线上 显示出砂岩的孔隙度最小，泥岩的孔隙度最大，而粉砂岩介于其 间。在密度曲线和弹性波传播速度曲线上，也有相应的关系。随 埋深的增大，煤的围岩的电阻率进一步增高，且砂岩、粉砂岩、泥岩 在电阻率上的差别越来越大。岩石，特别是砂岩的电阻率明显增加，是由于胶结作用使岩石的孔隙度进一步减小的缘故。 随着变质作用的加深，内在水分的减小，烟煤的电阻率越来越 高。 瘦煤煤）的电阻率是所有牌号的煤中电阻率最高的。从瘦）开始，变质作用使煤中自由电子数量明显增多，故煤的电阻率急剧下降。无烟煤含有大量的自由电子，它的电子导电性良 好，因此无烟煤的电阻率极低。 在通常情况下，矿物杂质的电阻率低于褐煤和烟煤有机质的 电阻率，而高于无烟煤有机质的电阻率。因此，褐煤和烟煤的电阻 率随灰分的增高而降低，无烟煤的电阻率则随灰分的增高而增大。 岩石和煤的自然放射性基本上不受成岩作用和变质作用的影 响。在一般情况下，煤的自然放射性很低，而围岩的自然放射性则 主要取决于地层中泥质含量的多少。 一般情况下，煤的自然放射性是很弱的。但是，由于矿物杂质 的主要成分是粘土矿物，所以煤的自然放射性随灰分的增高而增 强，表现出较好的线性关系。某些高灰分煤层甚至具有比围岩还 要高的自然放射性。 煤层的声波时差明显高于围岩的声波时差，反映在测井曲线上 十分清楚，因此，声波时差是煤层识别的重要的地球物理测井信息。 煤的性质除与煤化作用程度有关，还与煤岩成分，挥发分，特 别是矿物杂质（灰分）的含量等因素有关。 根据煤层及甲烷的地球物理性质可知，煤层具有低密度、高声 波时差、高中子孔隙度、高电阻率、低自然放射性等特征，但是直接 利用地球物理测井信息识别煤层甲烷有一定难度。煤层 气储层 测井评价 的基本 内容煤层气储层测井评价概述 煤层气储层地球物理测井评价技术总体上可以分为煤层气储层 定性识别技术、煤层气储层参数定量解释技术以及煤层气储层综合评 价分析技术。其中煤层气储层参数定量解释技术是测井评价研究的 核心。关于煤层气储层参数，目前利用测井方法可以确定的储层参数孔隙度 （基质孔隙度和 包括如下几个方面： 煤层气储层的含气量、 裂缝孔隙度） 和渗透率 （基质渗透率和裂缝渗透率） 煤岩工业分析 参数指煤的挥发分、 固定碳、 灰分、 水分和煤阶等； 煤层气的吸附／ 深度、 产能、 储层压力、 温度等。 解吸特性参数； 煤层厚度、 综合分析已有的研究工作不难看出，前人已提出的煤层气储 层地球物理测井评价技术可以大致分为如下几类： 然气储层评价思想的定性识别方法； 方 法； 信息处理方法的储层评价方法。 基于常规天然气储层评价思想的定性识别方法该类方法基于已知煤层气储层上单条或几条测井曲线及其变 换信息的变化规律，类似于常规天然气储层的测井响应模式（例 如，高阻、声波时差增大、低密度和高中子孔隙度等），通过对大量 已知煤层气储层上测井曲线及其变换信息变化规律的分析总结， 提出其定性识别准则例如 ，潘和平等 （基于常规天基于体积模型的储层评价 基于现代非线性基于概率统计模型的储层评价方法；）基于常规天然气储层评价思想，提出了煤成气储层的定性识别方法，其方法包括孔隙 差异法、声波差值法、空间模量差比法和电阻率比值法；柳孟文等 ）提出了煤层气储层孔隙度背景值的新概念，进而提出 基于孔隙度测井信息的煤层气储层的定性识别方法。 基于体积模型的储层评价方法 该类方法的研究思想类似于传统的体积模型，同时也适当考虑 了煤层气储层的若干特点。它首先建立煤层气储层的地球物理测 井体积模型， 进而建立测井响应 （例如， 声波、 密度和电阻率等） 与储 层参数（例如，孔隙度和含气饱和度等）之间的线性或非线性关系。 根据所建立的关系式，即可求取有关的储层参数。例如，潘和平等 ）根据煤层气储层的密度和电阻率等的测井响应方程，提出了 计算煤层气储层孔隙度（基质孔隙度和裂缝孔隙度）的密度 电阻率 方法和计算煤层气储层孔隙度和含气饱和度的弹性模量法。 基于概率统计模型的储层评价方法 该类方法就是把储层参数、定性识别结果和测井响应信息等都当作是随机变量，从概率统计理论的角度出发，对这些变量进行 统计分析，从大量已知的实际资料统计分析中得到有关的储层评 价数学表达式，从而实现储层评价的目的。它包括多元（线性与非 线性）回归分析、逐步线性回归分析、判别分析和模糊模式识别等。例如，法塞特 （等 （提出应用多元线性回归分析方法进）（ 等行煤质工业分析，随后，穆伦 （又对该方法提出了修正，以便适应不同地区的实际应用。此外，潘和平和黄智辉 ）提出应用模糊模式识别方法进行煤层气储层的定性识别。 基于现代非线性处理技术的储层评价方法 目前在物探中得到应用的现代非线性方法有神经网络、地球 物理反演理论等。基于现代非线性方法的储层评价方法（简称现 代非线性储层评价方法）可用于储层评价的全过程，即储层定性识 别、储层参数的定量计算、储层的综合评价分析。例如神经网络煤 储层评价方法，它有别与上述几种评价方法，即不用考虑具体的数 学模型，神经网络就能所谓“隐式”表达出煤层气储层评价结果与 测井响应信息之间的复杂关系，从而达到储层评价的目的（例如， 煤层气储层的定性识别，储层参数的定量计算和储层的综合评价 分析）。目前，人们已提出了近百种神经网络模型，但是，普遍认为， 以（误差反向传播）神经网络和自组织神经网络（无教师指 提出应用自组织神经网络方法进行煤层的自动导网络）方法理论较为完善以及应用较为成熟。例如，侯俊胜等 识别以及应用 神经网络进行煤层气储层参数（例如，煤层气储层的含气量、基质孔隙度和裂缝孔隙度等）的定量计算。并且，通 过若干实际测井资料的试算都已取得了较满意的应用效果。 煤层识别和确定煤层厚度 对于出露地表的煤层，可以通过野外实地考察，观测煤层厚 度、观察煤层的赋存状态、煤层的连续性等等，利用地质方法即可 进行煤储层描述。对于被地层覆盖的煤层来说，必须利用地球物 理方法，尤其是地球物理测井方法进行煤储层描述等。 根据煤层和岩石的测井响应特征可知，煤层一般具有“低密度、低自然伽马、高声波时差、高中子孔隙度和高电阻率（低阻无烟 煤除外）”等特点，因此综合利用上述测井信息，即可从钻井剖面中 识别煤层。例如图 井信息， 并参考 即可从钻井剖面中识别出和和图， 据 根和 和测个煤层。又如图所示， 据 根等曲线，即可确定煤层分布。图华北柳林煤层气试验区井煤层气测井曲线（图华北柳林煤层气试验区井煤层气测井曲线 （关于煤层厚度的确定，可利用煤层密度测井的截止值，确定出 煤层的边界，进而确定出煤层的深度和厚度。例如，美国设定煤层 密度测井的截止值为 层的深度和厚度。 确定煤层厚度的精度与所使用的测井仪器分辨率密切相关， 不同的测井仪器具有不同的分辨率（见表 。 此， 了提高煤 因 为 层分层解释的精度，必须使用高分辨率测井仪器数据采集，或者采 用高分辨率计算机处理技术提高测井曲线的分辨率。例如，美国 的矿产密度测井仪其分层解释的精度可高达， 于常用 对，确定煤层的边界，进而确定出煤图辽河东部凹陷莱号煤层气储层综合测井曲线测井信息通过采用高分辨率计算机处理技术可有效提高测井曲线 的分辨率（例如，石油密度测井仪通过提高采样率和高分辨率计算 机处理 ，其垂向 分辨率由 原来的 ） 。 煤岩的工业分析和确定煤阶 煤岩的工业分析就是要确定煤的固定碳、挥发分、灰分、水 分。目前，主要采用两大类方法：岩芯测试和测井评价。关于测）提高到井评价方法又有两种途径，即根据密度测井与灰分、挥发分、固 定碳和水分作相关分析，以及根据体积模型利用多种测井信息综 合确定。表常用测井仪器垂向分辨率数据（据李能根等修改，因为煤阶与煤层气关系密切，因此确定煤阶是煤层气测井评 价的一项重要内容。所谓煤阶是指在煤化作用过程中，煤的组成 和结构所发生的物理化学特性改变的程度。煤阶与煤级、煤类型 不同，煤级和煤类型在煤岩沉积时即已确定，而煤阶却是在煤岩埋 藏后，随着煤化作用的加深，物理化学特性不断改变而定。一般使 用镜煤反射率、固定碳含量和热值等来划分煤阶，其中最常用的就 是镜煤反射率。 各国划分煤阶时，标准并不一致。美国亚拉巴马大学教授解 富瑞 （） 议 根 据 煤 层 湿 度、 水 分 能 力、 值、 煤 建 含 热 镜反射率和含氢量来划分煤阶，提出了一个国际通用的划分煤阶标 准。我国也提出了自己的煤阶划分标准，其具体划分煤阶标准见 表表我国划分煤阶标准（据赵庆波等根据地球物理测井划分煤阶主要有两条途径，一是直接利用 不同煤阶的煤层具有不同的测井信息特征划分煤阶，由表可知，该途径有一定困难，因为不同煤阶之间物性差异不确定；二是 利用测井信息计算出含碳量、挥发分、镜煤反射率、热值等，然后依 据上述煤阶划分标准最后确定煤阶。但是，如何建立适应能力较 强的利用测井信息计算挥发分、含碳量、镜煤反射率、热值等测井 解释模型有一定困难。目前主要有两种解释模型，即体积模型和 概率统计模型。 煤储层裂缝孔隙度计算和渗透性评价 裂缝孔隙度的计算 在煤层气评价中，定量计算孔隙度主要是指裂缝孔隙度，其原 因是裂缝的发育程度将直接影响到煤层气的渗透性和产气率，因 此，裂缝孔隙度的计算是非常重要的。目前主要用双侧向测井资 料评价煤层的裂缝孔隙度（其详细的方法原理见后续章节），虽然浅探测电阻率测井 （例如， 高分辨率成像测井， 地层倾角测井等） 资 料也用来评价煤层的裂缝孔隙度，但是在定量评价煤层的裂缝孔 隙度中的应用不如双侧向测井资料广泛。 用双侧向测井资料计算裂缝孔隙度。目前人们已对利用 双侧向测井资料评价煤层裂缝孔隙度的方法进行了一些研究。研 究表明，只要在测井时井眼中有高导电性泥浆存在，则浅侧向电阻 率值应低于深侧向电阻率值，而且两条电阻率曲线的分离可为计 算裂缝孔隙度提供可靠的依据。国内外的一些应用实例已证实了 用双侧向测井资料计算裂缝孔隙度的效果。 用浅探测电阻率测井资料计 算裂缝孔隙度。由于浅探测 电阻率测井比深侧向电阻率测井具有更好的垂向分辨率，因此在 薄煤层中，最好使用浅探测电阻率测井资料计算裂缝孔隙度。用 于计算裂缝孔隙度比较理想的浅探测电阻率测井有电阻率成像测 井与地层倾角测井。由于探测深度浅，因此计算时假设裂缝系统 中水的电阻率为泥浆电阻率。 煤储层渗透性评价 煤储层渗透性评价常用的测井方法有微电阻率测井、自然电 位测井、地层微电阻率扫描测井、声波测井等。但是利用测井方法 进行煤层的渗透性评价目前主要是定性分析。关于煤储层渗透性 的定量评价方法见第 章的讨论。 煤层气含量的评价 目前确定煤层气含量的方法主要有两类，即直接法和间接法， 不同方法对比情况见表括。其中直接法包括种方法，间接法包种方法，相比起来直接法确定精度相对较高，间接法经济和效 煤层气地质储量计算方法 由前面的讨论可知，煤层气主要为吸附气（约占以上），率高。其次为游离气。由于这两种气体赋存条件和物理状态不同，因此， 其地质储量计算公式也不同（岳晓燕， 吸附气储量计算公式表煤层气含量主要确定方法注：直接法由美国矿物局 （）提出的直接法；艾瑞法 开姆法由艾瑞 由开姆提出的直接法；（据钱凯等提的间接法。）式中吸附气储量， 煤层气藏面积， 煤层有效厚度， 煤层总孔隙度； 煤岩密度， 煤层气含量，若， 式 则可简化为）游离气储量计算公式式中游离气储量， 标准温度， 原始地层压力， 地层温度， 标准压力， 气体偏差系数； 煤层基质孔隙度。 基于式 和式 其他 煤层气储层测井评价的其他评价内容，包括确定煤储层的岩两式，即可计算吸附气储量和游离气储量，总储量即为它们两者之和。石力学性质参数以及煤储层的综合评价等内容。关于岩石力学主 要指煤层的弹性模量等，煤层综合评价方法见第 章的讨论。参 考 文 献 钱凯， 赵庆波， 汪泽成等编著 煤层甲烷气勘探开发 理论与实验测试技术北京：石油工业出版社， 赵庆 波， 刘兵， 姚超等 编世 界煤层 气工业 发展 现状 北京：地质出版社，：中国矿业学院，西安矿业学院，江苏煤田地质勘探公司等 煤 田地 球物 理 测井 北京：煤炭工业出版社，丁次 乾主编 矿场地球物理 东营：石油大学出版社， 潘和平，黄智辉 测井资料解释煤成气方法研究 现 代 地质 ，柳孟文，赵文光，靳晓杰等 煤 层 气 识 别 方 法 中 国 地球 物 理 学 会年 刊 ，侯俊胜 基 于 神 经 网 络 与 随 机 优 化 的 物 探 数 据 解 释 方 法 研 究， 国 中地质大学博士后研 究工作报告侯俊胜， 尉中良 自 组织 神经 网络 在测 井资 料解 释中 的应 用 测井技术，：侯俊胜 煤 层气 储层 评 价的 地球 物 理测 井技 术 现代 地质 ， 侯 俊 胜， 颖 神经网络方法在煤层气 测井资料解释中的应用 地 质 与 勘 王 探，岳晓燕 利用测井资料计算煤层气单井控制地质储量 测井技 术， 雍世和，张超谟 测 井 数 据 处 理 与 综 合 解 释 东营 ：石油大学出版社 ， 潘和平， 黄智辉 利用模糊模式识别煤成气层 地 球 科 学 ，李能根，陆大卫，刘风亮等编著 实用英汉石油 测井技术词汇 北京：地质出版社，第章　 煤层气测井数据的预处理方法 　一般来说，煤层气地球物理测井曲线在进行资料解释等应用之 前必须进行一定的预处理。这是因为在测井数据采集过程中常常 要受到一些复杂的非岩性、非物理特征的环境影响，这些影响通常 来说是很复杂的， 它们主要包括井径、 泥浆、 泥饼、 侵入带、 地层水矿 化度、地层厚度及围岩等等的影响。为了提高煤层气地球物理测井 资料解释的精度及准确性，在应用之前对各种地球物理测井曲线分 别进行相应的处理是非常必要的。它们主要包括测井曲线的数字 滤波、环境影响校正和测井曲线的高分辨率处理等。测井资料数字 滤波处理和环境影响校正是测井资料处理解释的重要一环，为此本 章将主要讨论如下几个方面的问题： 用的数据格式， 即为磁盘 测井资料数据处理所常使测井资料 的空间 常用煤测井数据格式；域和频率域数字滤波，方法主要为空间域的滑动平均法；层气测井资料的环境影响校正方法，方法有自然伽马测井、密度测 井、中子测井、声波测井和电阻率测井等环境影响校正问题。测井数据处理格式在我国，目前所常用的测井数据格式有 中比较常用的测井数据格式为 处理系统中的 据格式源于原美国西方 阿特拉斯测井公司等， 其测井分析数据格式）。这种数 系列数字测井数字磁带数据格式。为实现数据交换，本书所讨论 数据格式。的测井数据处理解释方法的计算机程序统一使用的叫 法， 磁盘 即因为数据交换磁介质主要为磁盘，所以我们沿用中国新星石油公司数据 格式 。为此我 们编制 了测井 数据格 式转和换程序， 其中包括数据格式与磁带之间的互相转换。关于磁盘数据格式相比两者基本相似，它也是由一标题块和若干数据块组成，其中标题块基本内容见表表磁盘数据格式标题块基本内容通过对比磁盘出， 盘 磁数据格式与磁带数据格式可以看数据格式是在磁带数据格式的基础上，结合磁盘介质的特点提出的，它们有如下主要不同点： 文件类型不同。前者为随机文件，后者为顺序文件。 标题块长度不同。前者标题块长度为 条数为条， 者为 后条。， 者为 后）记录的测井曲线条数不同。前者最大可记录的测井曲线测井数 据的数字滤 波方法实际测井数据都可能包括一些与地层性质无关的高频干扰。 例如，放射性测井数据常出现一些与地层性质无关的统计起伏变 化；对于声波测井，由于声波探头与井壁的随机碰撞干扰，或在缝 洞孔隙和裂缝发育的地层中声波经过多次反射和折射，使测出的 声波曲线上出现许多毛刺干扰等。 为了压制实际测井数据中的高频干扰，根据数字滤波理论，应 对实际测井数据进行低通数字滤波。实现低通数字滤波可在空间域实现，也可在频率域实现。本节主要讨论应用空间域加权滑动 平均法进行测井数据数字滤波。 加权滑动平均法 对于离散测井数据，加权滑动平均法可使用如下公式实现数 字滤波式中加权滑动平均法数字滤波计算结果； 离 散测 井数 据；（ ）加权系数，在数字滤波中， ， 若令式）又称滤波因子。 即为最小二乘滑动平 （， 式 即 为最根据式 均法的点线性平滑公式；若令 （小二乘滑动平均法的五点平滑公式。 测井数据点数。 分析式为滑动窗口内离散不难看出，加权滑动平均法数字滤波效果如何关 。一般要求）应稍大些 。可用加权键是选取合理的加权系数（，并且当前采样点处的加权系数） 计算 来， ： 即函数根据实际测井数据中的统计起伏变化或毛刺干扰情况，可选用钟 形函数和汉明函数等作为 已知 钟形函 数为 ， 得出相应的平滑公式。 ） 来计算 （ ）基于钟形函数的平滑公式。其中如果令， 根据式和式即可计算出） 和， 故可得三点钟形函数平滑公式， 即同理，可得五点钟形函数平滑公式）基于汉明函数的平滑公式。 已知汉明函数为其中如果令， 据式 根和式即可计算出） 和（ ） ， 故可得三点汉明函数平滑公式同理 可得五点汉明函数平滑公式频率域数字滤波 目前，在频率域内进行测井资料的数字滤波，可利用的方法有 最佳线性数字滤波、 正则化数字滤波、 维纳数字滤波等方法， 但是实 际应用的基本步骤是类似的。它们的应用包括如下几个基本步骤： 测井资料的数字化； ）在频率域内对测井资料进行傅氏变换； 在频率域内将测井资料与数字滤波因子相乘，并对测井资 料进行傅氏反变换； 在空间域内输出数字滤波结果。 数字滤波的应用效果为了说明上述数字滤波方法的应用效果，利用华北柳林地区 井煤层气测井资料，分别采用三点平滑公式和五点平滑公式， 对其中的 （ 密 度 ） 分析图和图 （自然伽马总强度） 声波时差 ）测井资和图料，进行了空间域数字滤波，其数字滤波结果见图 可以看出（其中实线为原始测井数据），三点平滑公式和五点平滑公式可以有效压制高频干扰，并图华北柳林煤层气试验区井三点平滑公式数字滤波应用效果且五点平滑公式压制高频干扰效果比三点平滑公式明显。通过大 量的实际测井资料处理计算表明随着点数增多，压制高频干扰作 用增强，反之减弱。图华北柳林煤层气试验区井五点平滑公式数字滤波应用效果测井数据的环境影响校正方法测 井 环境 如 井 径、 浆密 度、 浆 矿化 度、 饼、 壁粗 糙 度、 泥 泥 泥 井泥浆侵入带、地层温度、地层压力、围岩、测井仪器外径以及仪器外 径与井壁之间的间隙等非地质因素，不可避免地要对各种测井曲 线产生重要影响；特别是在井眼及泥浆质量不好等情况下，这些非 地质因素的影响会使测井曲线发生严重的歪曲，致使直接使用这 些测井曲线难以取得合理的测井数据解释结果。 为了降低和消除测井环境对测井曲线产生的重要影响，人们 已提出许多方法进行测井数据的环境影响校正。目前，对测井曲 线进行环境影响校正的方法主要有解释图版法和计算机自动校正 法。解释图版是根据理论计算或实验结果作出的，人们先用解释 图版对测井曲线进行各种环境影响校正，求出尽可能少受环境影 响的、更能真实反映地层和流体性质的测井值，再进行测井数据解 释。显然，这种人工用解释图版作校正的方法只能对少数地层的 某些测井曲线进行个别环境影响因素的校正。由于解释图版法存 在许多不足，因此计算机自动校正法在测井数据的环境影响校正 中得到了广泛应用。 用计算机对测井曲线进行环境影响自动校正的方法， 主要是根据 理论研究或解释图版得出的校正公式，编制出测井曲线环境影响自动 校正的计算机程序来实现的。这种环境影响校正方法能对全井段所 有地层的测井曲线进行各种影响因素的校正，通过大量的实际测井资 料处理表明， 计算机自动校正方法具有简单、 迅速和有效等优点。 自然伽马测井环境校正公式 德莱赛 阿特拉斯校正公式。 根据德莱赛 阿特拉斯校正图版，有 ） 其中，和分别为校正前后的自然伽马测井值； 为泥浆密度和和分别为井径和仪器外径；分别为 仪器居中 仪器偏心斯仑贝谢校正公式。 根据斯仑贝谢校正图版，当当仪器偏心时，有， 仪器居中时， 有补偿密度测井环境校正公式首先， 利用如下公式 （ 计算出解释层段密度的下限值其中 计算，或为 解 释 层 段 的 泥 质 含 量 ，它 可 利 用 公 式为计算的测井相对值，等，和可为，，分别为的最小和最大值， 为 泥 质 密度 ， 为解释层段中孔隙度最大的纯地层密度值。其次， 进行逐点检验和校正， 由于井眼扩大或井壁不规则， 仪器极板贴井壁不好，导致测得的密度 该层密度的近似值； 反之， 若 ， 仍取 补偿中子测井环境校正公式 补 偿中 子测 井受 井径、 浆密 度、 泥 泥饼 厚度、 浆矿 化度、 层 泥 地 水矿化度、地层温度和仪器间隙等影响，下面给出它们各自的环境 影响校正公式。 井径影响校正。 ， 此时， 令， 作为作为该层密度值。其中，为校正前补偿中子测井值， 为井径测井值。 泥浆密度影响校正。其中，为泥浆密度， 泥饼厚度影响校正。）其中，为泥饼厚度，和泥浆矿化度影响校正。 其中， 为泥浆矿化度。 地层水矿化度影响校正。）其中，为水矿化度。 ）地层温度影响校正。其中，为地层温度。仪器间隙影响校正。 其中，（则有补偿中子测井环境校正公式其中， 为补偿中子测井环境校正后的测井值。 利用双侧向测 井和冲洗带电阻率计算 地层真电阻率 和侵入带直径 若和 ， 则其中，和分别为双侧向测井深浅侧向视电阻率，为冲洗带电阻率， 为地层真电阻率，若，则地层真电阻率计算公式为 ， 则地层真电阻率计算公式为若若， 则侵入带直径 （） 算公式为 计若则侵入带直径 （） 算公式为 计利用双感 应测井和八侧向 测井计算地层真 电阻率和侵 入 带直 径地层真电阻率的计算。其中，为八侧向测井视电阻率，和为双感应 测井深中感应视电阻率。 地层真电阻率的计算公式为其中，（，）侵入带直径的计算。侵入带直径的计算公式为声波时差测井环境校正公式 声波（时差）测井是煤层气勘探开发中普遍采用的一种重要测井方法。该测井方法测量的是有发射器反射的到达不同距离的两 个或多个接收器的沿井壁传播的滑行纵波的时间差。为了提高应 用效果，一般需做井孔校正（包括井壁不规则和井孔扩大校正）。 类似补偿密度测井的声波测井环境校正公式。 详细校正方法见节。井壁不规则影响的校正方法。 井壁不规则影响主要是指由于井壁参差不齐，使得两个接收 器所在深度相应的井径值不一样而对时差测量所造成的影响。其 校正方法为式中以为经井壁不规则影响校正后的声波时差值，为声波仪器测量的时差值，为两 个接 收探 头所 在深度 的井 径之 差除， 其计算公式为 分别 为记 录点 之上 和之 下几个 采样 点的 井径 值的 为泥浆滤液的声波时差。是 两 个 接 收 器 所 接 收 到 的 首 波 时 差 ，但 由其中， 和 平均值。井眼扩大的影响及其校正方法。在正常情况下，于扩径使首波衰减过大，致使两个接收器不一定都是首波触发，即 使 增大。假设声波测井的发射频率为 波形周期的倍，所以扩径影响时差变大的量值应该是数，即校正量以为单位， 其校正方法为 （李宝同，其 中， 正。分别为井径校正后的声波时差值和校正前的声波时为负值时，不作井径校差 值； 为实测井径与钻头井径之差，当参 考 文 献雍世和，洪有密 测井资料综合解释与数字处理 北京：石油工业出版社，雍世和， 张超谟 测井数据处理与综合解释 东营：石油大学出版社， 雍世和 最优化测井解释 东营：石油大学出版社， 李宝同 声波测井资料校正方法 地球物理测井， 丁次乾主编 矿场地球物理东营：石油大学出版社， 中国矿业学院，西安矿业学院，江苏煤田地质勘探公司 煤 田 地 球物 理 测 井 北京：煤炭工业出版社， 董敏煜编 地震勘探信号分析 东营：石油大学出版社， 申宁华，管志宁主编 磁法勘探问题 北京：地质出版社，第章　 利用常规测井资料 　 识别煤层和煤层气层利用测井信息识别煤层气层，首先利用测井信息识别煤层。目前，利用测井信息识别煤层的方法主要有两种： 止值直接划分出煤层； 利用密度截 通过综合分析各曲线特征，然后确定煤层。第一种方法由于单纯利用密度一条曲线，有时误差较大。第 二种方法由于有人为因素的影响，在层的厚度上可能有偏差。为 克服两者的缺陷，在综合分析前两种方法的识别思想基础上，我们 提出采用模式识别的方法进行煤层识别。 关于煤层气层识别问题，我们知道，孔隙差异法、声波差值法、 空间模量差比法和电阻率比值法等是当今较有效的解释常规气层 （例如，油成气层和煤成气层等）的测井解释方法（谭廷栋，和平 等，潘。本章将它们作适当变化之后，用于煤层气储层的测井解释，并探讨与之应用有关的几个问题。利用模式识别方法识别煤层根据模式识别的基本理论，在数学上把那些没有适当数学描 述的信息结构（或信号结构）称为模式。而所谓模式识别方法就是 用计算机模拟人的各种识别能力。一个模式识别系统通常由两个 连贯的阶段：分析阶段和实现阶段所组成，其中，实现阶段将分析 阶段的结果来构成系统。待识别的模式先要经过预处理环节，从 预处理的模式中挑选一批样本以进行分析，分析阶段的第一步是 进行特征选择，选取对完成分类要求来说可能达到目的的特征集。 特征选择环节决定了实现阶段中应该提取的特征集，于是特征提 取环节按此要求对模式提取特征。在实现阶段上，设在论域有 上个模糊子集，，…，它们分别代表分析阶段所选取的 个元素 法， 即（个特征集。对于上的任一， 要判别属于哪一种模式可采取下面的加权平均的方（）其中， 为每个模式对应的加权系数；隶 属 度。 通 过） 为对每个模式的）值判断其从属模式。利用这种方法我们可以识别煤层。把一口井的数据文件作为 一个论域，其中每条测井曲线作为其子集，并把所有地层分为煤层 和非煤层两种模式。因为通常识别煤层用密度、补偿中子、声波时 差、自然伽马、电阻率五种曲线，所以我们把这五种曲线作为识别煤 层的特征曲线，并根据其在煤层识别中所起的作用分别赋以不同的 权系数，然后通过加权平均计算隶属度，从而判别是否是煤层。 我们在测井曲线上识别出煤层以后，可以根据曲线确定出截 止值，一般用密度曲线，给定截止值后，就可确定煤层边界，煤层厚 度也就自然确定了。 另外，通过模式识别的方法确定煤层后，计算深度差，从而就 确定了煤层的厚度。 在辽河东部凹陷地区我们利用这种方法识别煤层，经过大量 的实际资料处理表明，在该区我们认为隶属度 地层为煤层。取得了很好的效果。以荣桃） 于 大 井、 界 表 的井、 欧井、井为例说明对比效果，具体对比效果见表表 荣井模式识别与人工识别煤层结果对比表续表表欧井模式识别与人工识别煤层结果对比表表界井模式识别与人工识别煤层结果对比表表桃井模式识别与人工识别煤层结果对比表从上面四个对比表可看出，用模式识别的方法判断煤层和人 工划分的煤层基本上吻合，这说明这种方法是可行的，同时使用这 种方法还可避免人工分层中个人因素的影响以及提高解释效率。三孔隙度曲线分析法由于煤层气储层上测得的声波时差测井值偏高、密度测井值 偏低与中子测井值偏高等特征，因此可以直接利用声波时差、密度 测井与中子测井上述变化特征进行煤层气储层的识别。 其次，可利用测井体积模型计算出声波时差孔隙度、密度测井 孔隙度和中子测井孔隙度，并利用下面的方法（柳孟文等， ，计算出煤层气储层孔隙度背景值，即或其中 时差。为声波时差孔隙度，和分别为煤层和流体的声波或其中 井 值。为密度测井孔隙度，和分别为煤层和流体的密度测或 其中为中子测井孔隙度，和分别为煤层和流体的中子测井 值。其中为煤层气储层孔隙度背景值。所谓煤层气储层孔隙度背景值， 就是假设在煤系地层中， 在某一地层压力、 温度作用下， 煤层 中无孔隙和无自由水，在这种条件下测得的声波时差测井、密度测 井与中子测井孔隙度值就称为在这种条件下的煤层气储层孔隙度 背景值。由于煤系地层的埋藏深度不同，地层压力、温度也就不 同，其孔隙度背景值也就不同，在实际情况下，是很难直接测量到 煤层气储层孔隙度背景值，一般来说是利用经验公式或统计分析 确 定。 定， 范围在 其 为系数项，可根据煤层气储层的埋藏深度和煤级确 之 间； 为裂缝孔隙度，可根据阿桂乐（等人提出的方法确定。 因此，通过对比声波时差测井孔隙度值、密度测井孔隙度值和 中子测井孔隙度值和煤层气储层孔隙度背景值即可识别煤层气储 层，若声波时差测井孔隙度值、密度测井孔隙度值和中子测井孔隙 度值大于煤层气储层孔隙度背景值，该层即为煤层气储层，否则即 为非煤层气储层；或者将声波时差测井孔隙度值、密度测井孔隙度 值和中子测井孔隙度值和煤层气储层孔隙度背景值进行交会，综 合分析，进而确定煤层气储层。空间模量差比法空间 模量 差比定义为其中式中是目的层为非煤层气储层岩石的空间模量，是目的层为煤层气储层岩石的空间模量。 根据弹性力学理论，纵波在岩石中的传播速度与岩石的空间 模量之间的关系为其中 井值。为纵波在岩石中的传播速度，已知声波纵波时差为空间模量， 为 密 度 测的导等于纵波在岩石中的传播速度数， 即将式代入式，经整理可得岩石的空间模量和密度测井值、声波纵波时差的关系式为由式和式，可得利用密度测井值、声波纵波时差确定空间模量差比的计算公式为其中分别为目的层非煤层气储层岩石的密度测井值和声 分别为目的层煤层气储层岩石的密度测井值波纵波时差，和声波纵波时差。根据式可 知， 当，指示目的层为煤层气储层：当，指示目的层为非煤层气储层。电阻率比值法根据电阻率测井理论，地层电阻率比值 等于测量的原状地 与计算的水层电阻率 之比，即层电阻率而地层临界电阻率比值 等于计算的煤层气储层临界电阻率 之比， 即 与计算的水层电阻率）根据煤层气储层上的电阻率一般表现为高阻特征，因此可利用 和 直观指示煤层气储层，当 时，指示目的层为煤层气储层； 当时，指示目的层为非煤层气储层。方法对比和综合分析分析上述不同煤层气层识别方法的实质不难看出，三孔隙度 曲线法主要是利用煤层气储层上表现为声波时差测井值偏高、密 度测井值偏低与中子测井值偏高等特征，但是煤层气储层孔隙度 背景值不易确定；空间模量差比法是利用煤层气储层与常规储层 相比，其空间模量较小的特征，而反映在测井曲线上一般表现为声 波时差测井值偏高、密度测井值偏低的特征，因此该方法是三孔隙 度曲线法的变种，其实质是一样的；电阻率比值法是利用煤层气储 层上表现为高阻特征进行储层识别，煤层气储层临界电阻率 水层电阻率与不易确定。因此，为了有效识别煤层气储层，可综合利用上述不同方法进行煤层气储层识别，以克服不同方法各自 的缺点，提高煤层气储层测井解释的精度。参 考 文 献 谭廷栋 几种有效的测井找气方法，地球物理学报潘和平，黄智辉 柳孟文，赵文光测 井资 料解 释煤 成 气方 法研 究 靳晓杰等现代地质，煤层气识别方法中国地球物理学会年刊，柳 孟 文， 能 根， 文 光 等 李 赵 李纪森煤层气综合评价技术初探测井 技术，测井技术，煤层气测井技术与解释分析侯俊胜煤层气储层评价的地球物理测井技术侯 俊 胜， 颖 王 探，现代地质， 　神经网络方法在煤层气测井资料解释中的应用，地质与勘 ，中国地质大学王颖煤层气储层测井资料评价方法的应用研究 （ 北京 ） 士学 位毕 业论 文 学 丁次乾主编 理测井 矿场地球物理 东营：石油大学出版社，中国矿业学院，西安矿业学院，江苏煤田地质勘探公司等 北京：煤炭工业出版社， 雍世和，张超谟测井数据处理与综合解释 潘 和 平， 智 辉 黄 侯 俊 胜， 尉中 良 学会 年刊， 李庆谋 ，段旭，杜爱民等，煤层气地球物理测井评价研究 理学会年刊 ， 谭 廷 栋 测 井 解 释 煤 层 气 藏 测井 技术， 利 用模 糊 模式 识别 煤 成气 层煤田地球物东营：石油大学出版社， 地球科学， 中国地球物理 中国 地球物煤层气储 层评价的地球物理 测井方法第章　 煤层气储层测井评价的 　 模糊综合评判方法关于利用测井多参数信息进行储层识别，人们已提出了基于常规天然气评价思想的测井评价（见第章 ）模 糊 综 合 评 判、 色 、 灰；侯俊 胜，综合评判、神经网络和多元统计等方法（潘和平，。通过与常规油气储层的识别问题对比发现，模糊综 合评判方法可以用于煤层气储层的定性识别，为此我们将模糊综 合评判方法应用在煤层气储层的识别，并针对该方法存在的问题， 提出了改进的途径，所以，下面将分别讨论模糊综合评判方法基本 原理及应用等有关问题。模糊综合评判方法原理方法的基本原理 我们知道，在现实生活中，同一事物或现象往往具有多种属 性， 因此， 对事物进 行评价 评判） 就要 兼顾事物 的各个方 面。 在 （ 时， 所谓模糊综合评判，就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，在 考虑与被评价相关多种因素的影响下，对某事物作出综合决断（评 判） 。 设有两个有限论域，即其中论域代表模糊综合评判因素所组成的集合，称为因素集， 因 素； 论域 代表模糊综合评判评语所组成集为被考虑的第设合，称为评判集或评语集， 为第 种评判结果。） 是因素集） 评判集 是上的一个模糊向量，到 的上的一个模糊向量， 是 从一个模糊映射，如果用矩阵表示，有（其中称为模糊矩阵， 为模糊矩阵 元素。分析 又可称为 隶属度矩阵。 那么从（可以看 出 ，它到实际 上可看 作仅 从单一 因素 的隶属度， 所以 为，考虑，确定该事物对评判结果的变换）， ， …）根据最大隶属原则则所考虑的评判对象属于第类。模糊综合评判算法 模糊综合评判算 法包括乘积法、 取小取大 法、 乘积 取大法等， 可根据情况选用适当的评判计算方法。下面提供如下几种算法。）乘积法。其中是刻画评价因素重要性的系数，故可称为模糊权系数 ， 又可称为模糊权向量。取小取大法。，其中分别为取大和取小运算符， 乘积 取大 法。是 在考 虑 多 因素 时的调整系数。，分析上述三种评判计算方法可知，乘积法为加权平均型的模 糊综合评判，依模糊权系数的大小对所有因素均衡兼顾，适用于要 求总和最大的情形；取小取大法为主因素决定型的模糊综合评判， 其评判结果只取决于在总评价中起主要作用的那个因素，而忽略 了其他因素； 乘积 取大法为主因素突出型模糊综合评判，它与取小取大法很相似，但是要精细些，不仅突出了主要因素，而且也兼 顾了 其他因 素。 模糊综合评判数学模型的推广分析式，不难看出， 将看做权重分配的模糊向量（中的第中的第）则 意 味着 因素 集 ，，种参量在模糊综合评判种参量，在模糊综合评中对评判集用， …，的各元素反映灵敏 度是相同的，均表示， 实际上， 对于因素集，判中对评判集 ， 则式变为，… ，的各元素反映灵敏度是不尽相同的， 据此， 将模 糊向量 （ 如， 若采用 乘积法， 有进一步推广 ，看做权重分配的模糊矩阵（同理，关于模糊综合评判算法，根据情况可选用适当的算法。例若采用取小取大法，有，由上面讨论可以看出，在模糊综合评判中，确定权系数向量 （矩阵）和隶属度矩阵是其两个关键环节。目前关于权系数向量 （矩阵） 和隶属度矩阵的确定， 主要有两类方法， 即经验法和计算机 自 动确 定 方法。 如， 据解 释 者的 经 验， 用权 系 数 例 根 采 （矩 阵 ） 为 人 给定，隶属度人为假设服从正态分布，或用频数统计方法由计算机 自动计算权系数向量（矩阵）和隶属度矩阵。我们提出利用频数统 计法，最优化法和人为给定的经验法综合确定权系数向量（矩阵） 和隶 属度矩 阵。 用频数统计法、最优化法和经验法综合确定权系数向 量 （矩阵） 和隶属度矩阵 用频数统计法计算权系数向量和隶属度矩阵。 根据已知学习样本，设参与评判的测井曲线条数为 ，要识别的含流体地层种类数为，， 井参 测数划分的区间个数为 设对于给定的第 上的频数为第种流体地层，第种测井参数在第区间，那么对于所有含流体地层，第种测 井参数 落在区间上的样本数为， 根据已知学习样本统计得第条测井曲线的频数为定 义 第 种测井参数在第 度为区间第 类含流体地层上的隶属其中， …，， …，，，，…，定义第种测井参数在第区间上的权系数为利用式和式就可分别得到和）用最优化方法计算权系数向量（矩阵）。由模糊综合评判模型式， 采用乘积法， 若 有设已知学习样本有个， 第 令个样本在第类含流体地层， 据 根类含流上的隶属度分别为计算出的 体地层， 则令 令记为， 对应 。 第 若的期望值记为 个样本属于第， 否则令根据上式， 有为了求取 题， 即或者，可将问题归结为求解如下无约束最优化问根据最优化方法中的最速下降法的迭代计算公式，可得计算迭代计算公式（周志勇，的为步长因子， 为 迭 代 次 数 。 为了改善 迭代计算公式的收敛特性，采用 修正迭代计算公式为 神经网络所谓的 惯性” 整算法， “ 调 式其中给定为惯性因子。 初值和迭代计算的终止误差，例如令）， 用式 利进行迭代计算， 当止误 差，。， 终止 计算， 为终和）即为计算的， 根据 再的关系，即可求得根据经验调整权系数 储层评价因素集 （和隶属度矩阵根据频数统计方法和最优化方法的计算结果，并结合煤层气 ）各参量对储层反映的特点，采用人为给定的和隶属度矩阵经验法最后确定权系数向量（矩阵）。例如若 ， 其中选择评价因素集 三参量一般来说权系数应相对较大。模糊综合评判方法应用煤层气储层识别的基本步骤 根据上述模糊综合评判方法的基本原理，以及煤层气储层识 别问题的特点，利用模糊综合评判方法进行煤层气储层识别，应包 括如下六个基本步骤。 确定因素集 和评价集 。对于煤层气测井，一般来说所 使用的测井方法有密度测井、声波时差测井、自然伽马测井、微梯 度测井、微电位测井、深侧向测井、浅侧向测井、井径测井和自然电 位测井等。根据不同测井方法的特点，选择其中若干种测井参数 构成 煤层气 储层识 别的因 素集 参数构成其评语集（，根据需要和可能，选择若干种（。例如可选择因素集 ， 择 选种 参 数构 成 其 评语 集（， ，， 类储层， 类储层， 类 储 层 ）或 简 记 为） 。选择学 习样本。所谓 学习样本是指 有已知测井参 数和对 应评价结果所组成的数据集。其主要作用是用来建立煤层气评价 的模糊综合评判的数学模型。根据煤层气评价的要求，为了选择 方法所必需的学习样本，一般是从研究区有试气数据或岩芯测试 数据的井段选择学习样本。并且学习样本类型应包含评语集中所 含的全部类型。对测井参数学习样本一定要去伪存真，以便使其 有很好的代表性和适应能力。 测井曲 线的自动分层 和取值。基于 密度测井曲线 具有纵 向上可以较好的反应煤层分布的特点，所以，利用密度测井曲线， 并采用活度法实现测井曲线的自动分层（胡克珍等， 曲线值。 煤层识别。根据 ）等测井曲线在煤层和非煤层上的一般变化规律，可知，和 。分层以后，以层内各采样点测井曲线值的算术平均值作为该层的测井在煤层上表现为低值；） 在煤层上一般来说表现为绝对值高值；据此选择） 共种参数来识别煤层，其中对煤层反应 最 好 。第章已给出了模式识别方法识别煤层，在这里再提出两种具体的煤层识别方法。 一是直接利用密度测井曲线识别煤层。具体做法是，给定煤 层密度上限值（例如，美国选定煤层密度上限值为 测井密度小于该值为煤层，反之为非煤层。 二是综合利用多种测井曲线识别煤层。具体做法有两个，第 一种具体做法是，给定煤层的 等测井曲线的门限值，若测井值小于（或大于）该值为煤层， 反之为非煤层；第二种具体做法是，对 ）等测井参数进行如下变换，并记为，， 若并令定义如下煤层识别单因素量其中和分别为第） 别为 分条测井参数的最大值和最小值，测井参数的加权系数， 并要求出， 为 因分析式 ， 所以有。并且不难看越大， 是煤层的可能性就越大；反之， 越 小 ，是煤 层的 可 能性 越小 。因 此 根据单因素量值 别阀值和 行识别。若 非煤层。 测井 参数 的归 一化 处理 。因 为不 同的 地球 物理 测井 参数往往具有不同的量纲（例如，为的大小即可识别煤层。假若给定 计算单因素量的煤层识， 根据测井曲线， 用公式， 层进 逐大于煤层识别阀值，该层即为煤层，否则该层即为为；为记数率） 为（含氢指数或中子孔隙度） 为百 分数或小数），所以在综合识别之前，应首先对测井参数进行归一化处理。煤层气层识别。设待识别层的测井曲线值为， 　， 若， 则记）为待识别 为第种测层 的第条曲线值落在的区间序号，其中 区间的数值范围，则有井参数第其中根据最大隶属原则，有若则待识别层属于第类煤层气储层。应用效果分析 为了检验模糊综合评判方法在煤层气储层评价中的应用效 果，我们利用已收集到的我国华北柳林地区四口煤层气测井数据（ 井 名：）及其有关的煤岩测试资料等，对这四口煤层气测井数据进行了煤层气储层定性识别的初步应用研究。 通过分析这四口井煤层气测井数据可知，该区所使用的测井 方法有 、井径测井等，， 即所以选择它们中的密度等构成煤层气储层识别因素集试资料 见表 （和表；根据已收集到的煤岩测 ，将煤层气储层分为三类 （ 类煤储层： 代号类煤储层含气量井和类 煤储 层：类煤储层含 类煤储代号 气量大于 层类煤储层：代号，因此评语集类煤储层， 类煤储层， 类煤储层）。其中根据本区井的煤岩成分测试数据，共选择其中 类储层样本 个， 详细情况见表个数据作为煤层气层类型识别的学习样本，其中个 ， 类储层样本 个 ， 类储层样本根据经验和大量试算，选取密度测井进行煤层识别（非煤层代号 ： ，模糊算子选取乘积算子，选取测井参数划分的区间个数为。为了说明模糊综合评判方法的有效性，这里给出应用模 糊综合评判方法对这四口测井资料进行的煤层气层识别，其结果 见表 其中 合率约为表。可以看出其分层结果和层识别结果是合理的； 以上 ，由此 可以看出 该模糊 综合评判 方法的 可靠个测试层段煤层气测井识别结果与测试结果基本吻合，吻性。但是应该指出，对于一些测试层段，测井识别结果与测试结果 有一定差异。这主要是一些测井参数对储层反映不好以及学习样 本选择不当等原因。表华北柳林地区井三井段实验室煤岩成分测试结果数据表表华北柳林地区井四井段实验室煤岩成分测试结果数据表表煤层气储层识别的学习样本数据表续表续表表华 北 柳林 地 区井煤层气层识别结果数据表续表表华北柳林地区井 煤 层 气 层 识别 结 果 数 据 表表华 北柳 林地 区井煤层气层识别结果数据表表华 北柳 林地 区井煤层气层识别结果数据表有关问题讨论由前面几节的讨论不难看出，综合利用各种测井信息和其他 有关信息（例如，试气和煤岩测试资料）识别煤层气层受如下一些 因素 影响： 不同测井信息的选择。 目前，利用多参数测井信息评价储集层主要选择两方面测井信 息，即直接利用测井曲线（例如， ） 或储集参数 等） （例如， 煤质成分、 含气量、 孔隙度和渗透率等） 或综合利用测井曲线和储集参数两方面信息。本次研究利用测井 曲线和它们的组合参数（例如，， 这样一 来可克服评价结果过分依赖于测井解释模型选择的不足。此外，不同测 井信息的选择还包括选择多少个测井参数参与识别的问题。 不同学习样本的选择。利用学习样本确定评价模式，因此学习样本种类应包括评语 集所有种类。例如，评语集包括 对应种类的学习样本，即、和，学习样本集必须包括 类样 本， 且可 并类 样 本、 类样本和以随着问题研究的深入，学习样本种类可进一步细分。并且要分 析不同学习样本种类多参数测井信息的变化，去掉其中的奇变点。 ） 层识 别。 煤 利用测井多参数信息综合识别煤层和非煤层主要依赖于测井 曲线、识别阀值和加权系数。对于给定测井曲线和加权系数，识别 阀值太小，可能会漏掉煤层，反之，识别阀值太大，可能会把非煤层 误判为煤层。目前确定识别阀值大小还只能根据经验确定。 其他 方面。 其他方面的影响包括测井参数的归一化方法、测井曲线分层 和取值方法、不同评判方法和不同的参 考 文 献张 俊 福， 本 让， 邓 朱玉 仙 等邓聚龙和计算方法等。应用模糊数学北京：地质出版社，武汉：华中理工大学出版社，灰色系统理论教程侯俊胜， 智辉， 黄 刘德顺法 及应 用潘和平，黄智辉吉林大老爷俯油田高台子低阻储层油水识别方地球科学，石油地球物理勘探， 利用模糊模式识别煤成气层周志勇文，测井资料岩性识别方法研究中国地质大学（北京）硕士学位论胡克 珍， 超谟 张社，测井资料计算机辅助地层对比最优化方法北京：石油工业出版南京大学数学系编北京：科学出版社，东营：石油大学出版社，雍世和，张超谟李 纪森测井数据处理与综合解释煤层气测井技 术与解释分析测井技术，地质与侯俊胜， 王颖勘探，神经网络方法在煤层气测井资料解释中的应用　 第 章　 煤层气储层识别的模糊 综合评判与灰色综合评判的对比分析前 言我们知道，在当前煤层气勘探开发过程中，关于煤层识别、煤 层气储层类型识别和裂缝识别等问题是地球物理测井方法的重要 应用领域。随着国内外煤层气勘探开发研究问题的不断深入，人 们所面临的这类煤层气储集层识别问题变得更加复杂。通过大量 研究表明，为了更有效地利用地球物理测井信息来解决这类识别 问题，重要途径之一就是利用测井多参数信息进行综合识别（评 判）。为此，人们为了解决测井煤层识别、煤层气层类型识别和裂 缝识别等识别问题已广泛应用了模糊综合评判、灰色综合评判、多 元统计（例如，线性或非线性回归分析）和神经网络等现代模式识别技术 （例 如 ， 第 见章、 第章和第章的 讨论 ） ，并且 都已 经取得较好的地质应用效果。为了进一步深入了解模糊综合评判和灰 色综合评判（灰色关联度法和灰色聚类法的总称）的方法实质，本 章从模糊数学理论和灰色系统理论出发，提出了它们三者统一的 评判数学模型，对比分析了这两类不同方法的相同和不同点以及 它们在应用过程中的影响因素和存在的困难。因此，这对今后正 确地选择不同的综合评判方法与进一步提高它们在煤层气勘探开 发过程中的应用效果不仅具有重要的理论意义而且具有重要的实 际意义。测井多参数识别方法的数学模型模糊综合评判的数学模型 根据第 章已讨论的模糊综合评判方法的基本原理，利用模 糊综合评判方法进行测井多参数煤层气综合评判（识别）可归结为如下数学问题， 即（， ， 　式中 量，，，　 　 　 　）为模糊综合评判向为模糊综合评判向量元素；（ ） （，， …，） 或（）为权系数向量 矩阵） （ ，或为权 系数 向量 （矩阵 ） 素； 元 为隶属度矩阵元素。为隶属度矩阵 例如， 若采用 乘积算法， 有关于模糊综合评判算法，可采用乘积算法和取小取大算法等。或 若采用取小取大算法，有或 根据最大隶属原则，若则待识别对象属于第 类储层。 灰色综合评判的数学模型 灰 色 综合 评 判 这 里包 括 灰 色关 联 度 法 和灰 色 聚 类 法两 种 方 法。 灰色关联度方法 灰色关联度方法（灰关联度法）又称灰关联聚类法。根据灰色 关联度法的基本原理，利用灰色关联度法进行测井多参数综合识 别可归结为如下数学问题，即 （ 式中 称为关联度； ） 　 　，，…，））称为关联度序列，，，　　 …　　　 　　） 称为灰关联权系数向量或（）称为灰关联权系数矩阵； 称为关联系数矩阵， 称为关联系数，其计算公式为，为子序列或待评价序列；， 母序列或评 为价标准序列为灰色分辨率 系数） （ 。若采用平均值法计算关联度， 则有根据最大隶属原则，若则待识别对象属于第类储 层。灰色聚类法 根据灰色聚类方法的基本原理，利用灰色聚类法进行测井多 参数综合识别可归结为如下数学问题，即 （式中（ ） （，，…，），，， 　）为灰色聚类向量，为灰色聚类系数，并且为标定聚类权系数矩阵，其中为标定聚类权系数， 为的矩阵元素 。确定可利用公式其中 （和分别 为灰色决 策矩阵为偏爱（白化）函数矩阵，其中元素的 最大 值和 最小 值；为偏爱（白化）函数矩阵元素。 根据最大隶属原则，若则待识别对象属于第类储层。不同识别方法的理论对比分析由本章节的讨论可知，模糊综合评判方法、灰色关联度方法、灰色聚类方法三种不同识别方法有一定的相似性，对比分析这 三种不同识别方法是非常必要的。为了进行模糊综合评判方法、 灰色关联度方法、灰色聚类方法三种不同识别方法的理论对比分 析，下面主要从三个方面进行讨论，即数学模型的相似性、 的确定方法和的计算方法。和数学模型的相似性 根据前面的分析讨论可以看出，上述三种不同识别方法可归 结为如下统一的数学模型，即 （，）（，， ， …），）其中， 式 ， 式 ， 式即为模糊综合评判的数学模型 ，式 即为灰色关联度法的数学模型 ，式 即为灰色聚类法的数学模型，式为（广义）评判向量，和为了后面讨论方便，称 根 据式 ， 果令 如分 别 称 为 广 义 ） 向 量 矩 阵 ）（ 广 义 ） 射 矩 阵 。 （ 权 （ 和 映，并且采用相同的计算，的算法 （计算公式）则应有 ，， …，因此，这三种不同的识别方法应得出相同的综合评判结果。 权向 和映射矩阵的确定方法 和映射矩阵由上面的方法讨论可以看出，确定权向量 同的 的 不 同。 目前，模糊综合评判方法权向量 和映射矩阵和 ， 式 由是这三种不同综合评判方法的两个重要环节。不难理解，不可知，必然会造成它们综合评判结果 的确定可采用人为给定的经验法和频数统计法以及最优化法等，我们通 过研究提出综合采用人为给定的经验法、频数统计法和最优化法 来确定据（ 和，通过后面的应用表明，如果能合理选择一定和数量的学习样本，即可得到合理的 射矩阵灰色聚类法是根和映 矩阵和 （矩阵和偏爱函数（白化函数）确定权向量 ，其主要困难是目前无实用的确定和偏爱函数的方法；灰色关联度法给出了较明确的 算公式（例如，采用平均值法计算关联度的计算公式 学习样本依赖性太强。从权向量总之，权向量计等 ）但 对 ，和映射矩阵 的确定这 方面上讲，灰色关联度法的计算相对简单些，便于实际应用。和映射矩阵和的确定方法主要有两类：经验公式法和根据已知学习样本来确定。但最好是综合应用这两 类方法来确定。评判向量　的计算方法的 计算模糊综合评判方法为综合评判向量 算法等， 而后两种方法提供了多种算法，例如可采用乘积算法、取小取大算法、乘积 取大的计算仅采用了乘积算法。因此，模的计算提供糊综合评判与后两种综合评判方法相比较，关于了相对多种算法，给使用者提供了更大的灵活性，因此具有一定的普遍性和较好的适应性。例如，如果令， 且 并， 　 　 　的计算采用乘积算法，则有， 且 并， 　， 　 ， 　 ， 　 　 ， 　，，，模糊综合评判可与灰色关联度法等价；如 的计算采用乘积算法，则 ，模糊综合评判可与灰色果令有聚类法等价。从这方面上讲，灰色关联度}