作者：陈信平等
出版社：石油工业出版社
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煤层气AVO技术试读：
内容提要
本书记录了笔者多年来在煤层气AVO技术基础理论方面的研究心得。全书共分7章，阐述了煤层气AVO技术的岩石物理基础、地震波理论基础、AVO正演数值模拟在煤层气井评价中的应用、使用AVO反演成果预测煤层气富集高渗区，并以此指导勘探井、开发井井位部署等内容。
本书可供从事煤层气勘探开发的工程技术人员和科研人员以及高等院校师生参考使用。
图书在版编目(CIP)数据
煤层气AVO技术/陈信平等著.—北京：石油工业出版社，2014.8
ISBN 978-7-5183-0198-0
Ⅰ.煤…
Ⅱ.陈…
Ⅲ.煤层-地下气化煤气-探井-研究
Ⅳ.P618.11
中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第098528号
出版发行：石油工业出版社
(北京安定门外安华里2区1号 100011)
网 址：http://pip.cnpc.com.cn
编辑部：（010）64523736 发行部：(010)64523620
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2014年8月第1版 2014年8月第1次印刷
787×1092毫米 开本：1/16 印张：13
字数：327千字
定价：75.00元
(如出现印装质量问题，我社发行部负责调换)
版权所有，翻印必究
《煤层气AVO技术》编写组
组 长：陈信平 霍全明
副组长：林建东 李景明
成 员：汪 洋 胡朝元 孙粉锦 赵庆波 李贵中
温声明 赵培华 邱 杰序 言
开发煤层气能够提供高热值的气体能源、改善煤矿安全生产条件、减少温室气体排放，是一举三得、利国利民的好事。但是，在大多数情况下，这一举三得的好事只有进行煤层气地面开发才能够实现。
我国是煤炭和煤层气资源大国，煤层气资源量居世界第三位，总资源量达到36万亿立方米，可采资源量超过10万亿立方米，有条件成为煤层气生产大国。经过二十多年的努力，我国的煤层气产业已经初具规模，2012年煤层气总产量达到125亿立方米，已经在国家能源产品序列中占有一席之地。但是，喜中有忧，125亿立方米总产量中，煤矿井下抽排99亿立方米，占了总产量的79％，专业煤层气公司地面开发26亿立方米，仅仅占总产量的21％，本来应该是煤层气生产主力军的专业煤层气公司却是一个陪衬。国家发展与改革委员会《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划》规定：2015年煤层气产量达到300亿立方米，其中地面开发160亿立方米，煤矿瓦斯抽采140亿立方米。2012年我国地面开发煤层气产量26亿立方米，仅完成“十二五”规划年度地面开发预期年产量(45亿立方米)的58％，情况不容乐观。
专业煤层气公司要从陪衬变为主力军，承担起本应属于自己的角色，至少要在如下三方面有所作为。首先，遵循新兴产业的发展规律，以科技为基础，采用新技术新方法。其次，遵循煤层气自身的规律，认清煤层气局部富集高产的现实，克服“有煤就有气”的传统观念，把井打在煤层气储层中富集高渗的部位。第三，遵循我国煤层气特有的规律，根据我国煤层气储层“三低一高”(低压、低渗、低饱和、高含气量)的特点，发展适合这些特点的技术流程和工艺。
陈信平等的新著《煤层气AVO技术》为煤层气行业提供了一个选择。该书从煤层气吸附赋存的基本特征出发，根据多种实测资料发现了煤层气储层含气量与储层弹性参数之间的负相关关系，并据此建立了煤层气储层含气量、渗透率与AVO异常之间的关联关系。该书将这些负相关关系作为煤层气AVO的岩石物理基础，根据Zoeppritz方程组的弹性模量近似式解释煤层气储层的AVO响应特征形成的原因，据此提出了解释煤层气AVO异常的基本原则，初步探讨了煤层气AVO异常多解性问题。所有这些，在国内和国际地球物理学界，都属于创新性的观点。
该书将上述理论应用于实践，拓展了煤层气AVO技术的两个应用领域，即预测煤层气储层富集高渗部位和在压裂试气前评价煤层气井获得工业气流的可能性。AVO技术评价煤层气井提供了煤层气井产量与AVO响应特征之间的相关性，从一个侧面证明了该书倡导的煤层气AVO理论的正确性和可行性。
该书提出的煤层气AVO岩石物理理论建立在对三个煤层气矿区相关资料所做统计分析的基础上，参与统计分析的各个数据体都不是很大。虽然作者力图证明煤层气储层含气量与其弹性参数之间的负相关关系是普遍存在的，因而其岩石物理基础对于中、高煤阶水饱和煤层气储层是普遍适用的，尽管目前看来这个证明是可以自圆其说的，但是，这个证明目前仍然是定性的和逻辑推理性的。因此，这些负相关关系的普遍性还有待更多矿区的更多资料的证实，理论的正确性也有待生产实践成果的进一步检验。
该书开启了煤层气AVO研究和实践活动的一扇门，为研究者提供了一个新的思路和新的观察视角，为煤矿瓦斯抽采和煤层气地面开发生产企业提供了一项可以试用的新技术。希望煤层气生产企业试用该技术。希望更多的研究者参与煤层气AVO研究，也希望作者继续努力，加强与煤层气生产企业的合作，在实践中修正、丰富、完善煤层气AVO理论与技术，为快速发展煤层气产量做贡献。中国工程院院士：2013年国庆前 言
是否有必要使用直接碳氢检测技术提高煤层气勘探开发效益？
[1]AVO技术是否能够被用于煤层气勘探开发？对于这些问题，地震勘探学界、煤层气行业都是有争论的。本书总结了笔者多年来对这些问题的思考、试验、实践的成果，奉献给诸位同行。
本书的书名是《煤层气AVO技术》，以彰显煤层气AVO技术与天然气AVO技术之本质性的不同。
在写作中，笔者注意了如下几点：（1）讲清楚煤层气AVO技术的理论问题。本书的重点是阐述煤层气AVO技术理论，涉及理论问题的，毫无保留地讲细讲深讲透；涉及操作实践问题的，特别是那些与天然气AVO技术雷同的操作技巧，则点到为止。由于煤层气在煤层中的赋存状态与天然气在砂岩等储层中的赋存状态完全不同，勘探煤层气的AVO技术理论应当不同于勘探天然气的AVO技术。20世纪90年代美欧地球物理学界将AVO技术应用于煤层气勘探开发的探索之所以失败，主要是因为没有理论创新，生搬硬套地将天然气AVO技术用于解决煤层气的问题。多年来，笔者致力于煤层气AVO技术理论创新，有些许收获。这些理论创新虽有初步应用成果，但是，还不够。因此，本书致力于向读者交代研究煤层气AVO技术岩石物理基础和地震波理论基础之所得，以达到抛砖引玉之目的，期待更多的人参与煤层气AVO理论创新和应用。（2）尽可能提供应用实例。一个好的勘探实例，胜过多个鸿篇巨论。一个完整的煤层气AVO勘探实例，至少应当包括矿区弹性参数研究、AVO响应特征研究、煤层气井评价、地震资料AVO反演和异常解释等。笔者为煤层气AVO技术应用的各个阶段提供了尽可能多的应用实例。（3）多与天然气AVO技术作对比。部分煤层气勘探开发人员来自石油天然气行业，或多或少地熟悉天然气AVO技术的理论、方法和实践，有的甚至是天然气AVO技术专家。即使新加入煤层气行业的大学生、研究生，在校期间也或多或少地学习过天然气AVO技术的理论基础。多与天然气AVO技术作对比，既有助于读者利用既有知识接受煤层气AVO技术的理论和方法，也有利于改变当前将天然气AVO技术生搬硬套地误用于煤层气勘探开发的现状。（4）架设煤层气地质专家与地震勘探专家之间互相沟通的桥梁。首先，一项技术在煤层气勘探开发中是否可行、是否值得推广应用，最终是由煤层气地质专家说了算。因此，笔者尽力减少繁杂的数学推导，尽量使用通俗的语言陈述地震勘探理论，保证读者只要有微积分基础和地震勘探常识，都能够顺畅地理解本书的内容。其次，煤层气AVO技术是由地震勘探专业技术人员实施的，他们一般不熟悉煤层气地质理论，甚至缺少煤层气基础知识。因此，第1章中介绍了煤层气基础知识，并在其余章节中根据需要随时补充这样的知识，甚至不惜冒臃肿或啰唆的风险重复某些重要的或与油气知识相冲突的煤层气概念。即使地震技术人员完全没有煤层气的ABC，也不会因此而在阅读本书时遇到大的障碍。若诚如所愿，本书能够成为煤层气地质专家与地震勘探专家之间互相沟通的桥梁，则必将有利于煤层气AVO技术的争鸣和发展。
煤层气AVO技术经历了将近20年的发展—停滞—再发展的历史。美国人在20世纪90年代早期曾经致力于将AVO技术移植到煤层气勘探开发中，其巅峰成果是科罗拉多矿业学院1997在美国的《Geophysics》杂志上发表的文章。澳大利亚、加拿大、法国等国家的大学和研究机构也开展过煤层气AVO研究。但是，他们的研究或无疾而终或成果没有被煤层气行业认可。西方地球物理学界从90年代晚期开始放弃了煤层气AVO研究。以中国矿业大学彭苏萍教授为代表的中国学者从21世纪初期起，为中国煤矿安全和煤层气开发之需要，重新开始了西方已经放弃的煤层气AVO研究，在淮南煤矿瓦斯预测方面取得了成效。中国石油勘探开发研究院廊坊分院自2008年起，在科技重大专项下设立了煤层气AVO专题，由中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院组织实施。但是，迄今为止，煤层气AVO技术尚未获得煤层气行业主流的认可。本书所述之内容，可能是一隅之言，也可能揭示了自然界客观存在的普遍规律。所有这些，有待未来实践的验证。尽管如此，笔者相信，本书倡导的理论和方法已经具有实用价值，积极、慎重、正确地使用本书倡导的方法，有可能为煤层气企业带来立竿见影的效益。期待煤层气企业有远见的高管放弃“以钻井工程为主导”的现行技术模式，用好煤层气AVO技术，早日转变到“预测指导下的钻井工程”技术模式。
中国石油天然气集团公司对煤层气AVO研究项目的投资，对于研究工作和本书的出版，起到至关重要的推动作用。中石油（北京）煤层气有限责任公司接铭训、李景明、温声明、杨秀春等同志在多年研究工作中给予了诸多帮助；中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院孙宇菲、邱杰等同志绘制和修改本书的插图，不辞辛苦；特致衷心感谢。
本书研究工作得到国家重大科技攻关项目的资助（项目编号：2008ZX05062，2009ZX05062，2011ZX05033和2011ZX05062）。感谢北京捷茂迪华能源技术有限公司、中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院、中国石油勘探开发研究院廊坊分院、中石油（北京）煤层气有限责任公司对研究工作和本书出版的管理与支持。陈信平2013年9月30日[1]AVO—Amplitude Versus Offset，即地震反射波振幅随偏移距的变化。第1章 煤层气基本知识与其储层的基本特性[1—6]1.1 煤层气及其储层的四双特性
煤层气是自生自储的，煤层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储层。煤层气及其储层，与常规天然气及其储层比较，有明显不同的特征。煤层气及其储层的特征可以概括为“四双特性”，即双相孔隙（dual porosity systems）、双相赋存（dual storage states）、双相运移（dual flowing modes）和双向流动（dual flowing directions）。本节分为4个小节，分别讲解煤层气及其储层的这4个方面的特性。
理解了煤层气及其储层的四双特性，将基本上拥有了使用煤层气AVO技术所需要的煤层气基础知识。如果读者在阅读本节时遇到难懂的名词或术语，妨碍理解，请查阅本书1.2节。1.1.1 煤层气储层的双相孔隙特征“双相孔隙储层”这个概念是常规油气勘探工作者提出的，见图1.1（a）。在常规油气勘探中，双相孔隙储层并不多见，因此，这个概念也不为大多数常规油气勘探工作者所熟悉。但是，他们创造的理想化双相孔隙储层模型[图1.1（b）]与实际的煤层气储层图1.1（c）、图1.1（d）十分相近，更适宜于描述煤层气储层，因为，与裂隙型常规油气储层的裂隙和洞穴（例如，致密砂岩的裂隙、石灰岩的裂隙和溶洞）比较，煤层的割理、裂隙构成的裂隙型孔隙体系更接近于图1.1（b）模型中的裂隙体系。图1.1 双相孔隙常规油气储层与双相孔隙煤层气储层
煤层气储层是典型的双相孔隙储层。煤层中的割理、裂隙构成了煤层气储层的裂隙型孔隙体系。裂隙型孔隙体系将煤体切割成一系列形态或基本相同或某种相似或差异很大的基质块，这些基质块中的大、中、小、微孔隙构成了煤层气储层的基质型孔隙体系。裂隙型孔隙体系基本上决定了煤层气储层的渗透率，对煤层气赋存也有辅助作用。[1]基质型孔隙体系中孔隙的比表面积 很大，是煤层气赋存的主要空间，其发育程度是影响煤层吸附煤层气能力的最重要因素；由于基质型孔隙的连通性差，它们对渗透率的贡献仅有辅助作用。
煤层气储层的双相孔隙特征源自煤层的组成成分、经历的煤化作用、构造运动，是多种因素共同作用的结果。双相孔隙特征影响煤层气的吸附、解吸、扩散、渗流，是煤层气储层研究的重要内容，是煤层气井压裂、排采设计的重要参数，也是导致煤层气AVO技术与天然气AVO技术之间本质差异的重要原因。1.1.1.1 基质型孔隙体系（matrix porosity system）
煤可以简单地被视为古代植物的化石，虽然它不完全是植物的化石，而是植物化石、矿物质、水以及多种气体成分的复杂混合物。由于煤的组成成分复杂，各种成分对煤化作用、构造运动的反响差异大，因此，基质型孔隙体系中的孔隙形态、尺度差异很大。
煤岩学和煤层气地质学已经对煤层的基质型孔隙做了长时期的深入研究。但是，由于基质型孔隙本身的复杂性，研究者对于甚至一些简单的问题也没有统一意见。例如，对于按孔径大小将孔隙分级，没有完全一致的级别和标准，见表1.1。表1.1 煤基质型孔隙分类一览表(据苏现波和林晓英，2007；傅雪海等，2007；有修改)（1）基质型孔隙的大小分级。
基质型孔隙尺度差异大，最大孔径达到毫米级，最小孔径小于1nm，大小相差达到6～7个数量级。对于如何确定孔隙分级的名称，划分大孔、中孔、小孔和微孔尺度，各家意见不同，比较流行几种分级标准见表1.1。（2）基质型孔隙的成因分类。[10]
张慧(2001)以煤岩显微组分以及煤的变质和变形特征为基础，以大量的扫描电镜观察结果为依据，将煤孔隙的成因类型划分为四大类10小类，见表1.2。该表第三列的扫描电镜（SEM）照片提供了基质型孔隙的直观印象。表1.2 煤基质孔隙的类型、成因和典型图像(据张慧，2001；傅雪海等，2007；有修改)续表（3）基质型孔隙的形态。
孔隙的形态（或结构）影响煤层气向割理、裂隙等流动通道的扩散运移。煤层气的产出过程、压降的控制等，与储层的孔径结构、孔隙类型有着密切的关系。因此，研究孔隙形态对煤层气开发有实用意义。De Bore 按压汞测试中的压汞滞后环特征将孔隙区分为A、B、C、[11]D和E五种结构类型，见图1.2。请注意该图中第三列的文字描述，特别是其中阐述的孔隙形态对煤层气赋存、扩散、运移等的影响。图1.2 煤基质孔隙结构模型(据苏现波和林晓英，2007，有修改)
(4)定量描述基质型孔隙的参数。
一般使用3个参数定量描述基质型孔隙：
①总孔容（或称之为“比孔容”）。孔容是煤中的孔隙体积，常3常使用比孔容表示，即每克煤所具有的孔隙体积，单位：cm/g。“比孔容”是相对于“比表面积”引申出来的术语，可以参考后者之释义以理解前者。
②比表面积。每克煤所具有的孔隙的外表面积与内表面积之和，2cm/g。
③孔隙度φ。单位体积煤中孔隙所占的体积。该定义与常规油气储层相同，此不赘述。
另外，常规油气储层研究也使用有效孔隙度，指单位岩石中互相连通的可允许流体在其中流动的孔隙体积所占的体积。由于煤层的基质型孔隙基本上是不连通的，对储层渗透率贡献可以忽略，因此，煤层气研究中一般不测定也不使用有效孔隙度这个参数。（5）影响基质型孔隙的因素。
①煤化作用程度和类型。
煤化程度（即变质程度）与基质型孔隙的关系最密切，其影响涉及基质型孔隙特征的方方面面。一般说来，人们用煤的镜质组反射率表示其变质程度，甚至也将镜质组反射率称为煤阶，按照镜质组反射率（煤阶）将煤概略地分为高阶、中阶和低阶煤，R<0.7%的为o，max低煤阶，0.7%
煤化作用类型[即深成（或区域）变质作用、岩浆变质作用、动力变质作用等]对煤的孔隙分布也有一定影响。例如，当煤化程度相同或相近时，岩浆热变质作用的煤比深成变质作用的煤富含有更多气孔。
②其他影响因素。
煤的显微组分的类型、矿物含量、煤体结构、断裂等因素，都影响煤的基质型孔隙的发育，详见参考文献第三章第三节、文献第二章第一节。（6）基质型孔隙对煤层气储层的重要性。
基质型孔隙的比表面积很大。研究表明，无烟煤的比表面积最大，22约230m/g； 其次为褐煤，比表面积约200m/g； 高煤阶烟煤比表面22积约为150m/g； 低中煤阶烟煤最小，比表面积约为60～80m/g 。比表面积变化反映了煤化过程中煤分子空间结构的变化。2
如果煤的比表面积为200m/g，那么，20g煤的比表面积相当于一个足球场的面积，1kg煤的比表面积等于50个足球场的总面积。90%以上的煤层气以吸附态赋存在煤层中，在其他条件相同的情况下，比表面积的大小决定了煤层吸附煤层气的能力。
煤之所以有这么大的比表面积，主要是因为煤层中有大量的肉眼不可见的微孔隙（粒间孔、晶间孔等），它们的直径大小只有几个到几十个埃（Å）。虽然割理、裂隙的内表面积对煤的总比表面积也有所贡献，但是，它们的贡献与微孔隙的贡献比较，具有数量级的差别。因此，基质型孔隙——主要是基质型孔隙中的微孔隙——决定了煤的比表面积的大小，也决定了煤吸附煤层气的能力，是影响煤层气储层含气量的最主要因素。不同煤阶煤含气量大小差别，主要是因为不同煤阶煤的微孔隙发育程度的差别。[2]1.1.1.2 裂隙型孔隙体系（fracture system）1.1.1.2.1 裂隙型孔隙对煤层气储层的重要性
煤中裂隙是自由态煤层气流动的通道，是煤层渗透率的决定性因素。基质型孔隙基本上是不连通的，即使煤层中的大孔隙与中孔隙（残留植物组织孔、气孔、次生孔隙等）也基本上是不连通的，它们对渗透率的贡献很小。煤层气储层是低渗透率储层，裂隙发育，从而[12]具有适度的原始渗透率（例如，达到0.1mD），是煤层气井高产的必要条件。此外，一定量的原始裂隙密度也是取得较好压裂效果的必要条件，压裂后渗透率深受原始渗透率的影响。1.1.1.2.2 煤中裂隙的分类（1）按成因、形态、组合关系分类。苏现波和林晓英（2007）等从裂隙成因和形态两方面入手，根据成因将煤中裂隙分出3类；根据成因和形态细分为9 个组；最后根据形态与组合关系区分为17个类型，见表1.3。
苏现波和林晓英（2007）认为割理与外生裂隙存在明显的区别，见表1.4。煤层气AVO技术人员没有多大必要区分割理与外生裂隙，但是，该表进一步详细描述了割理、外生裂隙的特征，可以视为对表1.3中割理、外生裂隙定义和特性的补充说明，值得研读。表1.3 煤中裂隙的分类(据苏现波和林晓英，2007，有修改)表1.4 割理和外生裂隙的区别(据苏现波和林晓英，2007，有修改)①阶步又称擦阶，是断层面上与断层擦痕伴生并与之垂直的微小陡坎，坎高不足一毫米或几毫米。阶步延长方向与断层两盘相对错动方向垂直，顺下坎面方向抚摸，手感光滑，这时手动的方向代表另一岩盘相对运动的方向。（2）按大小、形态关系分类。也有的研究者摒弃割理而只用裂隙一词，其中面裂隙与面割理、端裂隙与端割理涵义相同。在摈弃了割理这个概念之后，傅雪海（2007）等根据裂隙大小、形态将裂隙分[3]为大裂隙、中裂隙、小裂隙、微裂隙4级，见表1.5。表1.5 裂隙级别划分及分布特征（3）典型的裂隙网格素描和裂隙的基本结构型式。[13]
康天合等根据11个煤矿不同变质程度的主采煤层样品，以素描、显微拍照等方法，研究煤样品的宏观裂隙、微观裂隙的几何状态，观测区域达8000余个。他们分析获得的典型的裂隙网格素描图，如图1.5所示。在此基础上，他们总结了煤体中裂隙的基本结构型式，如图1.6所示。图1.5 煤中典型裂隙素描图（据康天合等，1994有修改）图1.6 煤体中裂隙的基本结构型式（据康天合等，1994，有修改）
对于煤层气开发而言，裂隙的重要性在于提供煤层气解吸、扩散运移之后，遵循达西定律运移（以下简称为“达西流动”）到钻井井筒的通道。裂隙的密度、连通性等因素，决定了煤层气解吸之后，扩散运移路径的长短。图1.6所示的九种裂隙结构型式中，“连续的”裂隙网络当然最有利于煤层气达西流动，“断续的”裂隙网络次之，“片断的”裂隙网络则很难提供煤层气流向钻井井筒的通道。原生的“断续的”和“片断的”裂隙网络经压裂后，可以被改造为“连续的”裂隙网络，因此，即使是“片断的”裂隙网络，只要有一定的密度，也是煤层气开发的有利条件。
对于初入煤层气行业的煤层气AVO技术人员，获得煤层裂隙的直观印象，很有必要。1.1.1.2.3 描述煤层裂隙的参数
国标《煤裂隙描述方法》(MT/T 968—2005)规定了描述煤层裂隙的方法、参数、标准。此可总结如下：
裂隙描述的内容包括裂隙走向、倾向、倾角、长度、宽度、高度、密度、矿物充填状态、表面形态、粗糙度、组合形态和连通性等。（1）裂隙长度：裂隙沿走向连续延伸的距离。（2）裂隙高度：垂向上裂隙的连续延伸距离。（3）裂隙宽度（或张开度) ：同一条裂隙的两壁之间的距离。（4）裂隙规模：裂隙连续张开的长度、高度和宽度的大小。（5）裂隙密度：单位长度内裂隙的条数。裂隙的密度划分为3个级别：密、较密、稀疏，见表1.6。表1.6 裂隙密度级别划分方案（6）裂隙的连通性：裂隙之间的连通情况。（7）裂隙间距：指相邻两条裂隙之间的垂直距离。（8）裂隙表面形态：煤岩裂隙面两壁的特征，如平直状、羽状、弯曲状、锯齿状、贝壳状等。裂隙表面形态对渗透率影响很大。1.1.1.2.4 影响煤层裂隙的因素
外生裂隙成因相对单一，主要是构造应力，不必赘述其影响因素。
割理的成因与煤化作用、煤岩组分、流体的生成以及构造应力等关系密切。复杂的成因导致影响割理因素的多样性和复杂性。（1）割理密度与煤阶的关系。
总的来说，割理密度从褐煤到中挥发分烟煤逐渐增加，然后向无烟煤又逐渐降低的现象。但是，增加和降低的模式可能各不相同。苏现波和林晓英（2007）总结了割理密度与煤阶之间存在的3种关系，如图1.7所示。图1.7 割理密度与煤阶之间的3种关系(据苏现波和林晓英，2007，有修改)
割理与煤阶的3种关系中的第一种[图1.7(a)]与第三种[图1.7(b)]关系预示着割理闭合的存在。关于割理闭合的机制，请参阅苏现波和林晓英（2007）的详细论述。（2）割理密度与煤岩组分的关系。
煤岩组分及其厚度影响割理密度。苏现波和林晓英（2007）总结了多个文献的成果后认为，割理一般发育在镜煤和亮煤中，割理密度与这两种光亮型组分的厚度密切相关。光亮型组分的厚度越大，割理密度越小，但当组分厚度小于2 mm 时，密度不再变化。（3）其他影响因素。
矿物质含量、煤层结构、古构造应力场、水文地质作用、构造变形样式等因素，都影响煤的裂隙体系的发育，详见参考文献第三章第三节。1.1.2 煤层气的双相赋存特征
尽管煤层气成分复杂，但是，在大多数煤层气矿区，甲烷在煤层气的组成中占90%以上；甲烷组分少于80%的煤层气矿区，为数很少。因此，讨论煤层气的赋存状态，实质上就是讨论甲烷在煤层中的赋存状态。[14]
艾鲁尼根据800～1200m深度，中煤阶煤样品的测试成果，总结了甲烷在煤层中的赋存状态，见表1.7。表1.7 甲烷在煤储层中的赋存形态和分布（据傅雪海等，2007）注：中煤阶煤，埋深800～1200m。
艾鲁尼不同于前人之处，在于他提出了煤层气赋存的第3种状态——固溶体；这一观点近年来得到了一些研究者赞同，认为煤层气以[4]3种相态赋存在煤层中，即自由态、吸附态和固溶体。对于地震勘探技术人员，对煤层气专家的新观点应当持开放态度。但是，本书认为，至少为煤层气AVO技术之目的，可以将甲烷在煤层中的赋存特征视为“双相赋存”，也就是以自由态和吸附态这两种相态赋存；自由态包括了溶解态和游离态，吸附态包括了固溶体和吸附态。下面几点理由支持——至少为煤层气AVO技术之目的——将甲烷视为双相赋存的气体。[5]（1）根据中外大百科全书和（或）网站对固溶体的定义，固溶体是一种固体物质，一种结晶体，因此，就外部表现而言，固溶体的弹性特征应当与作为“溶剂”的那种矿物晶体的弹性特征融为一体。对于煤层气，固溶体可能或多或少改变芳香碳晶体的弹性特征，尽管还没有人研究这样的改变，改变之大小还是未知数，但是，无论如何，这样的改变可以被归结为对煤体弹性特征的改变，因为固溶态煤层气是煤体的微观组成部分。（2）尽管解释煤层吸附煤层气的理论有很多种，例如，动力学理论、热力学理论、位能理论等，甚至每一个大的吸附理论内，又可能有多种理论模型，但是，这些理论共同的一点是，固体分子与气体分子间的范德华力、位能场力等将甲烷等气体分子吸附在煤体孔隙壁面上，形成类似液体薄膜那样的单分子或多分子层，这就是吸附态煤层气。本书第1.3.5节和第6.3节将研讨煤层气吸附/解吸导致的煤体膨胀/[6]收缩效应，这类效应是吸附态煤层气“主动”影响煤层气储层弹性参数的主要途径。固溶态煤层气导致芳香类晶体微观结构上的改变，例如，结点的形状、大小可能随甲烷替代结晶构造位置上原有的离子或填充芳香碳晶体内晶间孔隙而改变，这种改变可能将导致煤体的膨胀；甲烷分子从芳香类晶体上脱落时，又可能导致煤体的收缩。因此，煤层吸附/解吸甲烷时发生的煤体膨胀/收缩效应，可能是吸附态煤层气、固溶态煤层气共同作用的结果。既然吸附态煤层气、固溶态煤层气共同导致的煤体弹性参数的变化，煤层气AVO技术也就没有必要区分吸附态与固溶态了。[15]（3）实验室测定的含气量（例如，使用美国矿业局直接法测定的煤层含气量，即由三阶段气量（逸散气量、解吸气量和残余气量）构成的含气量包含了煤样品中的全部煤层气。由于到目前为止，人们不确切地知道固溶态煤层气将在这3个阶段的哪一个或哪几个阶段从芳香类晶体上脱落、逸出，因此，在测定含气量的实践上也无法区分吸附态煤层气与固溶态煤层气。实验室测定的含气量既包括了吸附态煤层气，也包括了固溶态煤层气以及自封闭大孔隙与中孔隙中的自由态煤层气。由于这些原因，当使用实验室测定的含气量研究某一个问题时，在实践上，也不允许区分吸附态煤层气、固溶态煤层气。（4）以固溶体形态存在于煤层中的甲烷，所占总含气量的比例很小，可以忽略，或者固溶态煤层气与吸附态煤层气二者的解吸过程在某种程度上是同步的，可以不加区分。此可证明如下：对于固溶体，煤分子与甲烷分子之间是化学吸附，化学键力引起吸附，通常认为吸附能应当比较大；对于吸附态，煤分子与甲烷分子之间是物理吸附，分子之间的范德华力引起吸附，吸附能应当相对较小。按照物理吸附理论建立的等温吸附曲线，能够很好地反映含气量、温度、压力之间的关系，得到大量实验室测定成果的证实。这表明下述两点判断之中至少有一点是正确的：①固溶态煤层气所占总含气量的比例很小，可以忽略；或者，②固溶态煤层气从芳香类晶体上脱落的过程，与吸附[7]态煤层气从煤体孔隙表面解吸的过程，在某种程度上是同步的。如果①是正确的，那么，煤层气AVO技术忽略固溶态，也是容许的。如果②是正确的，那么，对于煤层气勘探开发而言，研究固溶体的意义不是很大，煤层气AVO技术也就可以忽略固溶态。实际上，人们对固溶态煤层气的兴趣主要在于它可以解释煤矿瓦斯爆炸为什么会突然发生；有人认为大量的甲烷以固溶体存在于煤层的某些部位，在条件适宜时，突然大量逸出，导致瓦斯爆炸；这一猜想还有待于证实。
此外，煤层气中的少量CO以及极少量乙烷的赋存状态类似于甲2烷，而少量氮气等多以自由态赋存在孔隙和裂隙中。
综上所述，本节将“双相赋存”作为煤层气的赋存特征，以此为框架展开讨论。1.1.2.1 煤层气的吸附态赋存特征
吸附（absorption或 adsorption）是指当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分的分子或离子在固体表面处产生积蓄的现象。多孔固体称为吸附剂(adsorbent)，被吸附的流体称为吸附质或吸附物 (adsorbate)。吸附的机理有物理吸附和化学吸附。物理吸附是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。化学吸附是吸附质和吸附剂以分子间的化学键力为主的吸附。1.1.2.1.1 概述
各家研究者对于煤层气的吸附赋存状态，有如下共识：（1）甲烷以物理吸附方式储存在煤中。煤体分子与甲烷分子之间的范德华力将甲烷吸附在煤体孔隙壁面上，形成类似液体薄膜那样的单分子或多分子层。（2）煤对气体的吸附无明显选择性。煤吸附氮气、二氧化碳等的机理也与吸附甲烷的机理相同，吸附量差异与吸附质的分子组成、结构、直径、沸点、分子自由程等相关。（3）煤对气体的吸附是可逆的，如图1.8所示。煤吸附甲烷时释放热量，甲烷解吸从吸附态变为自由态时吸收热量，吸附/解吸过程中释放/吸收热量的原理与气体液化/液体气化时释放/吸收的热量原理相近。图1.8 煤层气吸附/解吸可逆过程示意图（4）煤对甲烷的吸附符合第I类等温吸附曲线。关于这一点见下面的叙述。1.1.2.1.2 等温吸附（adsorption isothermal）曲线
等温吸附曲线（又称为“吸附等温线”）展示在恒温条件下，单位质量煤样品的甲烷吸附量随压力的变化，如图1.9所示。该曲线上的每一个点展示了在吸附速率与脱附速率相等（吸附平衡）时含气量、压力和温度之间的关系。在保持温度恒定的条件下，测定煤样品在一系列压力下的吸附量，可得到等温吸附曲线。一般情况下，测量时温度等于煤样品在地下原位时的温度。如果设定不同的温度，分别测定甲烷吸附量随压力的变化，将得到以温度为参变量的等温吸附曲线组。图1.9 吸附等温线、兰氏常数以及与煤层气采收率、可采资源量有关的参数
对于煤层气勘探开发，等温吸附曲线主要应用于以下3个方面：（1）确定煤层气的临界解吸压力；（2）确定煤层气储层的吸附饱和度；（3）预测煤层气的采收率或可采资源量。图1.9示意性地表达了等温吸附曲线的这3个用途。具体说来，在图1.9的等温吸附曲线上，（1）与实验室测定的“实际含气量”相对应的压力是临界解吸压力；（2）与初始储层压力相对应的含气量是“理论含气量”，实际含气量与理论含气量之比值的百分数是吸附饱和度；（3）与可达到的储层最低压力相对应的理论含气量被称为废弃含气量，根据实际含气量V与废弃含气量V按下式计算采收率η：actualabandon（1.1）[16]
Brunauer等总结归纳了气体等温吸附曲线的5种类型，称为[8]B.E.T.分类，如图1.10所示。与图1.9对比可知，煤对甲烷的吸附符合第I类等温吸附曲线。一般认为，第I类等温吸附曲线描述的是单分子层可逆吸附过程，对于微孔来说，可以说是体积充填的结果，因为单分子层吸附也足以充满整个孔隙；样品孔隙的内表面积比外表面积大很多倍，吸附容量受孔体积控制；平台转折点对应吸附剂的小孔完全被凝聚液充满。这些特征恰好是煤层基质型孔隙及其吸附甲烷的特征，因此，煤对甲烷的等温吸附曲线是B.E.T.分类的第I类曲线。图1.10 吸附等温曲线的5种类型1.1.2.1.3 兰氏方程（又称为Langmuir方程、兰格缪尔方程、朗格缪尔方程等）
兰氏方程是美国物理化学家兰格缪尔(Langmuir Itying)于1916年根据分子运动理论和一些假定提出的。由于兰格缪尔提出其方程时的假设条件和所依据的理论与第I类等温吸附曲线所描述的吸附状况基本一致，因此，人们将兰氏方程作为第I类等温吸附曲线的数学表达式。兰氏方程有多种表达形式，其中之一是：（1.2）式中 V(p)——吸附量；
V——兰氏体积，是压力无限增大时等温吸附曲线的含气量的L渐近值，即理论上的含气量最大值，反映煤体的最大吸附能力，取决于煤的性质，与压力无关；兰氏方程假定吸附质以单分子层被吸附在吸附剂的孔隙表面，兰氏体积是当孔隙表面全部被吸附剂分子充满时的吸附量；
p—— 压力；
p——兰氏压力，在此压力下吸附量达到兰氏体积的一半。L
V和p是兰氏常数，可以根据实验室测定的等温吸附曲线确定。LL图1.9有助于理解V和p的含义。LL1.1.2.1.4 影响煤吸附特性的因素
表1.8概略地总结了影响煤吸附特性的因素及其影响方式或规律。表1.8 各种因素对煤吸附特性的影响续表1.1.2.2 煤层气的自由态赋存特征
自由态煤层气以游离态和溶解态赋存在煤层裂隙型孔隙体系以及基质型孔隙体系的大、中孔隙中。1.1.2.2.1 溶解态
煤层气储层多数情况下是水饱和的，或者，在绝大多数情况下至少是部分水饱和的。煤化学和煤层气学对煤中水分有详尽的研究，成果丰富，但是，这些研究和成果对煤层气AVO技术没有多大借鉴作用。例如，煤化学和煤层气学通常将煤中的水分划分为外在水分、内在水分和化合水三部分，内在水分和化合水不是溶解甲烷的溶剂，外在水分可以是溶解甲烷的溶剂，但数量有限。作为煤层中溶解态甲烷之溶剂的主要是煤层气储层裂隙体系以及基质型孔隙中的大、中孔隙中的地下水。因此，溶解态甲烷之溶剂的数量应当根据裂隙体系和基质型孔隙大、中孔隙的总孔容计算之。
在常温、常压下煤层甲烷在水中的溶解度很低，例如，在320℃、0.1kPa（1atm）时，甲烷的溶解度是0.03m（甲烷）/3[17]m（水）。傅雪海等认为，煤层甲烷在煤层水中的溶解度是其所处温度、压力、矿化度及有机质微粒、溶解离子组成的函数。温度对溶解度的影响较复杂，温度小于80℃时，随温度升高溶解度降低；温度大于80℃时，溶解度随温度升高而增加，参见图1.11。甲烷在地层水中的溶解度随压力的增加而增加，并且在低压条件下压力的变化对溶解度影响较大，在高压条件下影响相对变小，如图1.12所示。甲烷溶解度随矿化度的增加而减少，在低压条件下矿化度影响较小，在高压条件下则影响较大，如图1.13所示。图1.11至图1.13都是这些图形的初创者根据各自的实验室成果绘制的，它们所表达的甲烷溶解度随温度、压力、矿化度的变化趋势具有普遍意义，但是，准确的变化形态是各个煤层气矿区各不相同的。图1.11 甲烷溶解度与温度的关系（据傅雪海等，2007）图1.12 甲烷溶解度与压力的关系曲线（据苏现波和林晓英，2007）图1.13 甲烷溶解度与矿化度的关系（据傅雪海等，2007）
值得注意的是，在高压条件下甲烷在水中的溶解度可达到数十立3[18，19]方米(甲烷)/m(水)，形成水溶气。形成水溶气的物理化学机理与甲烷在正常温度、压力下溶解于水的机理，可能很不相同，但是，这不是本书关注的问题。本书关注的是水溶气对煤层气AVO技术的影响。在正常温度、压力下溶解于水中的甲烷，对水的密度、纵波速度的影响很小，因而对煤层气储层的密度、纵波速度的影响也很小，可以忽略不计。但是，在高压条件下甲烷与地下水共同形成水溶气时，将导致煤层气储层纵波速度明显下降，密度也将有所下降，这将明显地改变煤层气储层的AVO响应特征。1.1.2.2.2 游离态
如果地下水位低，煤层气储层部分水饱和，或者地下水位很低，煤层气储层完全处于地下水水位之上，裂隙体系以及基质型孔隙体系中与裂隙连通的大、中孔隙将被游离态煤层气填充。如果煤层气储层裂隙、孔隙内压力大，大于地下水水柱静压力，即使煤层气储层的深度低于地下水水位，裂隙体系以及基质型孔隙体系中与裂隙连通的大、中孔隙也可能被游离态煤层气填充。在条件有利时，这些也有可能形成与吸附态煤层气藏共存的常规天然气藏，构成复合气藏。当然，这是非常罕见的情况。
如果煤层所含的煤层气数量超过了煤层孔隙、裂隙表面所能吸附的数量，基质型孔隙体系中的孔隙也可能被游离态煤层气填充。有时候，实验室测定的含气量和等温吸附曲线证明，煤样品的吸附饱和度大于100%，原因大多是基质型孔隙体系中的孔隙被游离态煤层气填充。
一个煤层气矿区是否存在较大量的游离态煤层气，可以根据如下两点判断：（1）煤层气储层的吸附饱和度。如果吸附饱和度远大于100% 时，则为过饱和储层，间接指示煤层内存在较多游离态或水溶态煤层气。（2）煤层气井试气的排采曲线。如果排采开始后短时间（例如，数小时或数十小时）内，或者排采开始后液面尚未明显下降3时，煤层气已经开始大量产出，例如，达到或超过1000m/d，则基本可以确定煤层内存在较多游离态或水溶态煤层气。
只要煤层的部分裂隙体系或（和）基质型孔隙体系中的部分大、中孔隙被游离态煤层气填充，就可能导致煤层气储层纵波速度明显下降，密度也可能有所下降，这将明显地改变煤层气储层的AVO响应特征。这种改变与前述水溶气导致的AVO响应特征的改变，方向一致，不可区分。
游离态煤层气中的H、O和N等气体成分，其体积、压力和温222度之间的关系满足理想气体状态方程。其他气体成分，例如甲烷、CO等，满足真实气体状态方程——范德华方程。由于这方面的详细2知识与煤层气AVO技术关系不大，不再赘述，有兴趣的读者请参阅本章引用的煤层气学专著。1.1.3 煤层气的双相运移特征
前文所讨论的煤层气储层的双相孔隙体系和煤层气的双相赋存状态，涉及的是在保持地下煤层原位状态不变的情况下，煤层气及其储层的特征；这些主要是在勘探阶段和初期开发阶段使用煤层气AVO技术需要的基础知识。下面将要讨论当煤层的状态（温度、压力等等）改变时，煤层气及其储层所发生的变化；这些是理解煤层气井试气和开发所需要的基础知识。
双相运移指的是：（1）基质块内的扩散运移；（2）裂隙体系内的渗流运移。扩散运移遵循菲克定律（Fick′s Law），而渗流运移遵循达西定律。1.1.3.1 基质块内的扩散运移（diffusion）
扩散是在浓度梯度作用下甲烷分子的随机热运动而形成的运移现象，描述的是甲烷从基质型孔隙向割理、裂隙的运移过程。
由于基质型孔隙尺度差异大，从毫米级到纳米级，大小相差达到6～7个数量级， 因此，甲烷分子穿过煤基质和微孔隙的扩散运移是体积扩散、克努森扩散、过渡区扩散、表面扩散等共同作用的结果。
菲克定律是描述气体扩散现象的宏观规律。在两种组分A和B的混合物中，组分A的扩散速率（也称扩散通量），即单位时间内组分A通过垂直于浓度梯度方向的单位截面扩散的物质量ΔA为：ΔA=-DΔCA→BA（1.3）式中 Δ——三维空间的哈密尔顿算符；
ΔC——组分A的浓度梯度。A
如果ΔC仅沿x方向变化，则式（1.3）简化为：A（1.4）式中 负号“－”—— 表示扩散发生在与浓度增加相反的方向上，即组分A向浓度减小的方向传递；
D—— 组分A在组分B中的分子扩散系数，相当于浓度梯度A→B为1时的扩散通量；32
dA——组分A的扩散量，m/m；33
C——组分A的浓度，m/m；A33
组分A的浓度梯度，m/（m·m）。
体积扩散、克努森扩散、过渡区扩散、表面扩散等都是从微观上描述甲烷分子在多孔介质——煤层——中的扩散。在宏观上，这些类[20]型不同的扩散都可以用图1.14形象地描述之。与井筒连通的面割理中的流体——地下水以及溶解在其中的甲烷——受到煤层气井排水降压造成的低压流体场的驱动，流向井筒，导致割理空间中的甲烷浓度降低，造成从基质块中心到面割理壁方向的甲烷浓度负梯度。在虚拟的基质块中心内表面两侧，甲烷分子的随机热运动受到这一浓度差的作用，从左向右穿越的甲烷分子数目大于从右向左穿越的甲烷分子数目。因此，总的运移方向是从左向右，即从甲烷浓度高的一侧边向甲烷浓度低的一侧扩散。图1.14 排采降压导致的煤基质中甲烷分子的扩散运移示意图（据Zuber，1996，有修改）
菲克定律作为描述气体扩散现象的宏观规律，不仅可以描述气体在均匀介质中的扩散——这被称之为“分子扩散”或“一般分子扩散”，也可以描述气体在多孔介质中的扩散，所需要的仅仅是修正式（1.4）中的扩散系数D使之分别适应体积扩散、克努森扩散、过渡A→B区扩散、表面扩散等各自的特征。
当煤基质孔隙直径远大于甲烷分子的平均自由运动路程时，甲烷[9]的扩散以体积扩散为主。在这种情况下，分子运动中主要发生分子与分子间的碰撞，分子与孔隙壁的碰撞所占比例很小。其扩散机理与分子扩散相同，故也称分子扩散（区别于“一般分子扩散”）。使用菲克定律描述体积扩散，需要考虑多孔介质的空隙率ε和曲折因数τ（表示因孔道曲折而增加的扩散距离），将式（1.4）中的扩散系数D修改为：A→B（1.5）
当煤基质孔隙直径远小于甲烷分子的平均自由运动路程时，甲烷的扩散以克努森扩散为主。在这种情况下，甲烷分子与孔隙壁之间的碰撞机会大于分子间的碰撞机会。此时，甲烷分子扩散的阻力主要取决于分子与孔隙壁的碰撞。根据气体分子运动论，推导出的克努森扩散系数是：（1.6）式中 r——孔隙的平均半径，m；
T—— 绝对温度，K；
m—— 甲烷的相对分子质量。A
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