曹 佳，李來成，鮑 園，韋重韜，邵長奎

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

多層疊置含煤層氣系統(tǒng)成藏模擬軟件研制

曹 佳1，2，李來成1，2，鮑 園1，2，韋重韜1，2，邵長奎1，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

在前人成果基礎(chǔ)上，優(yōu)化改進了多層疊置含煤層氣系統(tǒng)成藏演化史地質(zhì)模型，在Microsoft Visual Studio 2008中運用C++語言開發(fā)成功，在Windows平臺上測試通過后選取貴州織納煤田水公河向斜為例進行了試算，計算結(jié)果能夠較好地反映煤層氣成藏演化歷程。

煤層氣;多層疊置;成藏演化史;數(shù)值模擬;軟件系統(tǒng)

0 引言

多層疊置含煤層氣系統(tǒng)是指在同一區(qū)域內(nèi)，垂向疊加多個相互獨立的含煤層氣系統(tǒng)(秦勇等，2008)。由于多層疊置含煤層氣系統(tǒng)的特殊性，前人研制的成藏模擬軟件系統(tǒng)(韋重韜，1999)已經(jīng)不再適用。據(jù)此，在前人研究成果的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，研制適用于多系統(tǒng)、多煤層、復(fù)雜運算以及海量數(shù)據(jù)的煤層氣成藏史數(shù)值模擬軟件是開展復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣成藏史研究工作的重點之一。

1 模型描述

地質(zhì)模型的建立是軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。關(guān)于地質(zhì)模型，韋重韜(1999，2007)和韋重韜等(2003，2004)曾進行了大量的研究，但仍需針對多層疊置含煤層氣系統(tǒng)進行完善和改進。

1.1 模型簡介

模型由最根本的質(zhì)量守恒原理，加之各個子系統(tǒng)之間普遍存在的導(dǎo)通性較好的砂巖所組成的散失通道兩部分構(gòu)成，共含4個子模型：包括表述煤有機質(zhì)在古地?zé)釄鲎饔孟鲁墒焐鸁N過程的生烴子模型;表述儲層煤層氣量和儲層壓力變化的煤層氣賦存及儲層壓力子模型;表述通道散失作用的耦合作用子模型;表述煤層氣生成量、賦存量與散失量三者動態(tài)平衡關(guān)系的聚散子模型。

1.2 多層疊置耦合作用子模型

圖1是以黔西地區(qū)織納煤田水公河向斜為基礎(chǔ)構(gòu)建的多層疊置含煤層氣系統(tǒng)模型。研究認為，在各個含煤層氣子系統(tǒng)之間，存在與開放空間連通的逸散通道，在地質(zhì)歷史時期，由于時間效應(yīng)，通道散失作用下的各個子系統(tǒng)之間的耦合作用不容忽略。模型設(shè)定，演化過程中，子系統(tǒng)中的部分煤層氣以擴散的方式運移達到散失通道，再以滲流方式散失(圖1)。由于滲流速度遠大于擴散，因此，煤層氣從逸散通道到大氣的散失所花費的時間可以忽略不計。

圖1 多層疊置含煤層氣系統(tǒng)模型圖

2 軟件設(shè)計

在CBMHS 1.0(韋重韜，1999)的基礎(chǔ)上，以Microsoft Visual Studio 2008/C++和Microsoft Access 2007為平臺，開發(fā)多層疊置含煤層氣系統(tǒng)成藏演化史數(shù)值模擬軟件。

2.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)實際情況對軟件系統(tǒng)進行功能分析，多層疊置含煤層氣系統(tǒng)成藏演化史數(shù)值模擬軟件應(yīng)具有如下功能。(1)獨立含煤層氣子系統(tǒng)識別功能，在數(shù)據(jù)庫的支持下，軟件能自動識別不同子系統(tǒng)之間的邊界煤層，并實時調(diào)入子系統(tǒng)耦合參數(shù)進行通道散失作用的計算。(2)模擬計算功能，對模擬研究區(qū)各個模擬點最多15個煤層進行從煤層埋藏到現(xiàn)今的整個埋藏、成熟生氣、賦存、散失以及子系統(tǒng)間耦合作用過程進行模擬計算。(3)模擬結(jié)果記錄功能，模擬計算過程中，按照給定的時間間隔，計算并記錄埋深、Ro、累積生氣量、含氣量、儲層壓力、累積擴散散失量、累積滲流散失量、累積突破散失量、子系統(tǒng)耦合參數(shù)等數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)處理功能，能方便地利用結(jié)果數(shù)據(jù)繪制各種演化曲線圖，通過簡單的操作便可提取用于繪制平面等值線圖的數(shù)據(jù)。(5)數(shù)據(jù)接口功能，利用ODBC技術(shù)編制的Access數(shù)據(jù)庫與Visual Studio的連接程序，可準確地讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行模擬計算，而作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體的Access數(shù)據(jù)庫，可方便地進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入和編輯。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，軟件分為CBM Simulation主框架，數(shù)據(jù)輸入，計算處理，波形展示，數(shù)據(jù)庫訪問共5個組件，主框架為軟件的最高級，負責(zé)創(chuàng)建和管理其他組件，完成對用戶的交互，中層是計算處理層，數(shù)據(jù)庫訪問則對中層所有模塊進行支持。這些功能性組件將依據(jù)不同的任務(wù)性質(zhì)進行有效的組合，靈活地完成各種任務(wù)。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

2.3 模塊設(shè)計

軟件在主框架下由模擬計算模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲處理模塊、成果數(shù)據(jù)處理模塊和模擬計算模塊組成。各個模塊又由若干子模塊組成(圖3)。

圖3 軟件模塊圖

2.4 算法簡介

軟件模擬計算主要有以下5個方面的內(nèi)容：有機質(zhì)生烴量、蓋層擴散散失量、蓋層突破散失量、滲流散失量和通道散失量。計算以擴散散失作用為主線，同時考慮其他作用發(fā)生的條件，一旦發(fā)生蓋層突破、滲流、通道散失等作用，立即將其納入計算范圍。程序算法從整體上看是一個以時間步長為增量的時間循環(huán)，其中最主要的算法是解擴散方程。在解擴散方程時采用有限差分法求解，應(yīng)用無條件穩(wěn)定的全隱式差分格式，在確定邊界條件后即可用追趕法求解(滿磊，2004;韋重韜，2007)。軟件流程如圖4。

2.5 接口設(shè)計

接口的設(shè)計是為了使數(shù)據(jù)在模塊間的傳遞更方便。軟件設(shè)計了簡潔友好的人機界面(圖5)，并在模塊之間定義了輸出數(shù)據(jù)緩存和波形數(shù)據(jù)緩存兩個接口，前者作用為連接數(shù)據(jù)輸出模塊和計算機處理模塊，后者用于存放計算結(jié)束后繪制圖像所需要的數(shù)據(jù)結(jié)果，兩者均維護在主框架內(nèi)。

3 軟件應(yīng)用

圖4 軟件流程圖

圖5 軟件主界面示意圖

軟件編制完成后在Windows XP/7上測試通過，以黔西織納煤田水公河向斜西翼的1-4鉆孔為例進行模擬研究。1-4鉆孔共含煤11層，設(shè)定的散失通道存在于9、14煤層和20、32煤層之間(分別表示為通道1和2)，被2個散失通道分為3個獨立含煤層氣系統(tǒng)。根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用軟件進行模擬試算，圖6a和6b分別為模擬點16煤層累積生氣量、含氣量的演化曲線，圖6c為累計通道散失強度曲線。由圖6得知，從演化時間150 Ma開始，隨著水工河向斜的形成，通道隨著褶皺兩翼的翹起而與大氣導(dǎo)通，開始發(fā)生通道散失作用。

4 結(jié)論

在優(yōu)化改進模型的基礎(chǔ)上，借鑒前人CBM HS 1.0軟件，在 Microsoft Visual Studio 2008中運用C++語言開發(fā)成功，在Windows平臺上測試通過。對研究區(qū)模擬點進行了試算，試算結(jié)果與采樣測試數(shù)據(jù)具有較好的一致性，表明軟件可以對多系統(tǒng)、多煤層、復(fù)雜運算以及海量數(shù)據(jù)下的煤層氣成藏史進行數(shù)值模擬應(yīng)用，對開展復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣成藏史研究提供了新的工具。

圖6 模擬結(jié)果圖

滿磊.2004.煤層氣地質(zhì)演化史數(shù)值模擬軟件開發(fā)［J］.煤炭科技，(2)：3-4.

秦勇，熊孟輝，易同生，等.2008.論多層疊置獨立含煤層氣系統(tǒng)——以貴州織金—納雍煤田水公河向斜為例［J］.地質(zhì)論評，54(1)：65-70.

韋重韜.1999.煤層甲烷地質(zhì)演化史數(shù)值模擬［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

韋重韜，周榮福.2003.煤層氣多煤層擴散逸失地質(zhì)歷史模型及數(shù)值模擬［J］.高校地質(zhì)學(xué)報，9(3)：390-395.

韋重韜，秦勇，傅雪海，等.2004.煤層氣地質(zhì)演化史數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報，29(5)：518-522.

韋重韜.2007.宿南向斜煤層氣地質(zhì)演化史數(shù)值模擬研究［J］.石油學(xué)報，28(1)：54-57.

WEI CHONGTAO，QIN YONG，WANG GEOFF G X，et al.2010.Numerical simulation of coalbed methane generation，dissipation and retention in SE edge of Ordos Basin，China［J］.International Journal of Coal Geology，82(3/4)：147-159.

Software development of multiple superposed coal bed methane reservoir formation simulation

CAO Jia1，2，LI Lai-cheng1，2，BAO Yuan1，2，WEI Chong-tao1，2，SHAO Chang-kui1，2

(1.School of Resource and Geosciences，China University of Mining＆ Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu;2.Key Laboratory of Exploration Technology for Oil and Gas Resources of Ministry of Education，Xuzhou 221008，Jiangsu)

Based on the achievements of previous research，the authors improved the model of multiple superposed coal bed methane(CBM)bearing system and developed a computer software system with language C++in Microsoft Visual Studio 2008.After successful testing in Windows platform，the authors chose an example of Shuigonghe Syncline，in Zhina Coal Field of Guizhou Province for simulation.The results showed that the CBM reservoir formation evolution process of CBM was well reflected and the software was developed successfully.

Coal bed methane;Multiple superposed coal bed bearing system;Reservoir formation history;Numerical simulation;Software system

P618.11

A

1674-3636(2012)01-0044-04

2012-01-04;編輯：陸李萍

國家自然科學(xué)重點基金項目“黔西滇東煤層氣成藏效應(yīng)及其地質(zhì)選擇過程”(40730422)

曹佳(1986— )，男，碩士研究生，從事煤層氣數(shù)值模擬方面的研究，E-mail：caojia0541@163.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.44