曹 佳，李來(lái)成，鮑 園，韋重韜，邵長(zhǎng)奎

(1.中國(guó)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(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)成1，2，鮑 園1，2，韋重韜1，2，邵長(zhǎng)奎1，2

(1.中國(guó)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(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

在前人成果基礎(chǔ)上，優(yōu)化改進(jìn)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(yùn)用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)成功，在Windows平臺(tái)上測(cè)試通過(guò)后選取貴州織納煤田水公河向斜為例進(jìn)行了試算，計(jì)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(gè)相互獨(dú)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(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研制適用于多系統(tǒng)、多煤層、復(fù)雜運(yùn)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(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣成藏史研究工作的重點(diǎn)之一。

1 模型描述

地質(zhì)模型的建立是軟件開(kāi)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(jìn)行了大量的研究，但仍需針對(duì)多層疊置含煤層氣系統(tǒng)進(jìn)行完善和改進(jìn)。

1.1 模型簡(jiǎn)介

模型由最根本的質(zhì)量守恒原理，加之各個(gè)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(gè)子模型：包括表述煤有機(jī)質(zhì)在古地?zé)釄?chǎng)作用下成熟生烴過(guò)程的生烴子模型;表述儲(chǔ)層煤層氣量和儲(chǔ)層壓力變化的煤層氣賦存及儲(chǔ)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(dòng)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(rèn)為，在各個(gè)含煤層氣子系統(tǒng)之間，存在與開(kāi)放空間連通的逸散通道，在地質(zhì)歷史時(shí)期，由于時(shí)間效應(yīng)，通道散失作用下的各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合作用不容忽略。模型設(shè)定，演化過(guò)程中，子系統(tǒng)中的部分煤層氣以擴(kuò)散的方式運(yùn)移達(dá)到散失通道，再以滲流方式散失(圖1)。由于滲流速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散，因此，煤層氣從逸散通道到大氣的散失所花費(fèi)的時(shí)間可以忽略不計(jì)。

圖1 多層疊置含煤層氣系統(tǒng)模型圖

2 軟件設(shè)計(jì)

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(tái)，開(kāi)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(shí)際情況對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)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(dú)立含煤層氣子系統(tǒng)識(shí)別功能，在數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，軟件能自動(dòng)識(shí)別不同子系統(tǒng)之間的邊界煤層，并實(shí)時(shí)調(diào)入子系統(tǒng)耦合參數(shù)進(jìn)行通道散失作用的計(jì)算。(2)模擬計(jì)算功能，對(duì)模擬研究區(qū)各個(gè)模擬點(diǎn)最多15個(gè)煤層進(jìn)行從煤層埋藏到現(xiàn)今的整個(gè)埋藏、成熟生氣、賦存、散失以及子系統(tǒng)間耦合作用過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。(3)模擬結(jié)果記錄功能，模擬計(jì)算過(guò)程中，按照給定的時(shí)間間隔，計(jì)算并記錄埋深、Ro、累積生氣量、含氣量、儲(chǔ)層壓力、累積擴(kuò)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(guò)簡(jiǎn)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(kù)與Visual Studio的連接程序，可準(zhǔn)確地讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，而作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體的Access數(shù)據(jù)庫(kù)，可方便地進(jìn)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(jì)算處理，波形展示，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)共5個(gè)組件，主框架為軟件的最高級(jí)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理其他組件，完成對(duì)用戶的交互，中層是計(jì)算處理層，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)則對(duì)中層所有模塊進(jìn)行支持。這些功能性組件將依據(jù)不同的任務(wù)性質(zhì)進(jìn)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(jì)

軟件在主框架下由模擬計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理模塊、成果數(shù)據(jù)處理模塊和模擬計(jì)算模塊組成。各個(gè)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(jiǎn)介

軟件模擬計(jì)算主要有以下5個(gè)方面的內(nèi)容：有機(jī)質(zhì)生烴量、蓋層擴(kuò)散散失量、蓋層突破散失量、滲流散失量和通道散失量。計(jì)算以擴(kuò)散散失作用為主線，同時(shí)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(jì)算范圍。程序算法從整體上看是一個(gè)以時(shí)間步長(zhǎng)為增量的時(shí)間循環(huán)，其中最主要的算法是解擴(kuò)散方程。在解擴(kuò)散方程時(shí)采用有限差分法求解，應(yīng)用無(wú)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(jì)

接口的設(shè)計(jì)是為了使數(shù)據(jù)在模塊間的傳遞更方便。軟件設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)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(gè)接口，前者作用為連接數(shù)據(jù)輸出模塊和計(jì)算機(jī)處理模塊，后者用于存放計(jì)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(hù)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(cè)試通過(guò)，以黔西織納煤田水公河向斜西翼的1-4鉆孔為例進(jìn)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(gè)散失通道分為3個(gè)獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)。根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用軟件進(jìn)行模擬試算，圖6a和6b分別為模擬點(diǎn)16煤層累積生氣量、含氣量的演化曲線，圖6c為累計(jì)通道散失強(qiáng)度曲線。由圖6得知，從演化時(shí)間150 Ma開(kāi)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(kāi)始發(fā)生通道散失作用。

4 結(jié)論

在優(yōu)化改進(jìn)模型的基礎(chǔ)上，借鑒前人CBM HS 1.0軟件，在 Microsoft Visual Studio 2008中運(yùn)用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)成功，在Windows平臺(tái)上測(cè)試通過(guò)。對(duì)研究區(qū)模擬點(diǎn)進(jìn)行了試算，試算結(jié)果與采樣測(cè)試數(shù)據(jù)具有較好的一致性，表明軟件可以對(duì)多系統(tǒng)、多煤層、復(fù)雜運(yùn)算以及海量數(shù)據(jù)下的煤層氣成藏史進(jìn)行數(shù)值模擬應(yīng)用，對(duì)開(kāi)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(kāi)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(dú)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(píng)，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(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.

韋重韜，周榮福.2003.煤層氣多煤層擴(kuò)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(bào)，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(bào)，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(bào)，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(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目“黔西滇東煤層氣成藏效應(yīng)及其地質(zhì)選擇過(guò)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