多層疊置含煤層氣系統成藏模擬軟件研制

曹 佳，李來成，鮑 園，韋重韜，邵長奎

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，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.中國礦業大學資源與地球科學學院，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)

在前人成果基礎上，優化改進了多層疊置含煤層氣系統成藏演化史地質模型，在Microsoft Visual Studio 2008中運用C++語言開發成功，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;數值模擬;軟件系統

0 引言

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

1 模型描述

地質模型的建立是軟件開發的基礎。關于地質模型，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進行完善和改進。

1.1 模型簡介

模型由最根本的質量守恒原理，加之各個子系統之間普遍存在的導通性較好的砂巖所組成的散失通道兩部分構成，共含4個子模型：包括表述煤有機質在古地熱場作用下成熟生烴過程的生烴子模型;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平衡關系的聚散子模型。

1.2 多層疊置耦合作用子模型

圖1是以黔西地區織納煤田水公河向斜為基礎構建的多層疊置含煤層氣系統模型。研究認為，在各個含煤層氣子系統之間，存在與開放空間連通的逸散通道，在地質歷史時期，由于時間效應，通道散失作用下的各個子系統之間的耦合作用不容忽略。模型設定，演化過程中，子系統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模型圖

2 軟件設計

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

2.1 系統功能

根據實際情況對軟件系統進行功能分析，多層疊置含煤層氣系統成藏演化史數值模擬軟件應具有如下功能。(1)獨立含煤層氣子系統識別功能，在數據庫的支持下，軟件能自動識別不同子系統之間的邊界煤層，并實時調入子系統耦合參數進行通道散失作用的計算。(2)模擬計算功能，對模擬研究區各個模擬點最多15個煤層進行從煤層埋藏到現今的整個埋藏、成熟生氣、賦存、散失以及子系統間耦合作用過程進行模擬計算。(3)模擬結果記錄功能，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、子系統耦合參數等數據。(4)數據處理功能，能方便地利用結果數據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據。(5)數據接口功能，利用ODBC技術編制的Access數據庫與Visual Studio的連接程序，可準確地讀取基礎數據進行模擬計算，而作為基礎數據載體的Access數據庫，可方便地進行基礎數據錄入和編輯。

2.2 系統結構

如圖2所示，軟件分為CBM Simulation主框架，數據輸入，計算處理，波形展示，數據庫訪問共5個組件，主框架為軟件的最高級，負責創建和管理其他組件，完成對用戶的交互，中層是計算處理層，數據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不同的任務性質進行有效的組合，靈活地完成各種任務。

圖2 軟件結構圖

2.3 模塊設計

軟件在主框架下由模擬計算模塊、數據接口模塊、數據存儲處理模塊、成果數據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個方面的內容：有機質生烴量、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生的條件，一旦發生蓋層突破、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，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，應用無條件穩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 接口設計

接口的設計是為了使數據在模塊間的傳遞更方便。軟件設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據緩存和波形數據緩存兩個接口，前者作用為連接數據輸出模塊和計算機處理模塊，后者用于存放計算結束后繪制圖像所需要的數據結果，兩者均維護在主框架內。

3 軟件應用

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。根據基礎數據，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通，開始發生通道散失作用。

4 結論

在優化改進模型的基礎上，借鑒前人CBM HS 1.0軟件，在 Microsoft Visual Studio 2008中運用C++語言開發成功，在Windows平臺上測試通過。對研究區模擬點進行了試算，試算結果與采樣測試數據具有較好的一致性，表明軟件可以對多系統、多煤層、復雜運算以及海量數據下的煤層氣成藏史進行數值模擬應用，對開展復雜地質條件下煤層氣成藏史研究提供了新的工具。

圖6 模擬結果圖

滿磊.2004.煤層氣地質演化史數值模擬軟件開發［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——以貴州織金—納雍煤田水公河向斜為例［J］.地質論評，54(1)：65-70.

韋重韜.1999.煤層甲烷地質演化史數值模擬［M］.徐州：中國礦業大學出版社.

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

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

韋重韜.2007.宿南向斜煤層氣地質演化史數值模擬研究［J］.石油學報，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

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

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

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.44