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第 35卷第 6期煤 炭 学 报Vo. l 35 No . 6 2010年6月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJune2010 文章编号 0253- 9993 2010 06- 0982- 05 基于 Arc GIS的容积法煤层气储量计算 雷 能 忠 1, 2 1中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州221008 ; 2皖西学院 城市建设与环境系, 安徽 六安 237012 摘 要 为精确计算煤层气储量, 在容积法基础上, 建立基于栅格 GIS的计算方法。该方法以 GIS 空间分析模型为基础, 在 ArcGIS支持下, 采用克里格 Kriging空间插值生成模型计算所需要的煤 储层属性栅格数据层, 通过 ArcGIS的 SpatialAnalyst模块的 Raster calculator功能, 实现栅格图层空 间叠合分析运算, 获得煤层气储量栅格分布图, 并统计煤层气储量。通过实例应用, 与常规容积法 比较发现, 由于 GIS方法的空间插值计算考虑了决定煤层气储量的煤储层属性空间变异特性, 获得 了较精确的计算结果; ArcGIS环境下的不同插值方法不影响计算精度, 但钻孔数量对计算精度有 较大影响。 关键词 煤层气; 储量; 地理信息系统; 克里格 中图分类号 P6247 文献标志码 A 收稿日期 2009-12-26 责任编辑 柴海涛 基金项目 国家自然科学基金重点资助项目 40730422 作者简介 雷能忠 1969, 男, 福建建阳人, 副教授, 博士研究生。Te l 0564- 3305106, E- mai l nzhle i126com Calculation of coalbedmethane reserves based on ArcGIS LEINengzhong 1, 2 1School of Resource and Geoscience , China University of M ining andT echnology, Xuzhou 221008 , China; 2Department of Urban Construction and Environ ment Science , W est Anhui University, Liuan237012 , China Abstract Based on the volumetric , a spatial analysismodel andm ethodology were designed to calculate CBM reservesw ith ArcGIS geographic infor m ation system GIS. Kriging interpolation was applied to generate raster data layers of coal bed attributes relevant to CBM reserves from coalfieldGeodatabase . Spatial overlay analysis for these ras ter data layers thatwas conducted to create the digital rastermap of CBM reserveswas accomplished byRasterCalcu lator tool in the module of Spatial Analyst on ArcGIS. CBM reserveswere calculated from the rastermap . Compared w ith the reserves by conventional volumetricm ethod , a more accurate resultwas obtained by the present in the case study in virtue of the appropriate si mulation for the spatial variability of coal seam propertieswaspered by the cooperation ofArcGIS andKriging interpolation . The nu mbers of CBM exploration wells are opposite to the various in terpolations that has little effect on CBM reserves. Key words coalbed methane ; reserves; Geographic Infor mation System GIS; Kriging 煤层气主要以吸附状态赋存在煤层之中, 少部分 以游离气和水溶气的形式赋存在煤层中 [ 1]。查明煤 层气资源的赋存地质条件及分布规律, 采用科学方法 测算煤层气资源量, 是进行煤层气勘探开发前景评价 的重要内容。截至目前, 国内外文献报道的煤层气资 源量计算方法主要有容积法 又称体积法, 块段法 、 类比法、 递减分析法、 物质平衡法和数值模拟法 [ 1- 2], 其中后 4种方法需要有已经生产若干年的生产井所 获得的煤层气产出的动态变化数据而很少在区域煤 层气资源评价中采用。容积法是国内外文献报道中 最常用的煤层气储量计算方法 [ 3- 7]。我国 2002年制 定的国家规范标准 煤层气资源 /储量规范 DZ/ T0216- 2002, 以下简称 规范 对容积法进行了详 细规定 [ 8]。 规范 中指出, 计算地质单元的参数平 第 6期雷能忠 基于 Arc G IS的容积法煤层气储量计算 均值时一般采用算术平均法或井点控制面积权衡法 计算。煤储层各类属性的空间变异性表明, 无论是算 术平均还是井点控制面积权衡法, 都只能是对这种空 间变异性的一种近似描述。因此, 如何寻找到一种更 加精确的煤储层属性空间变异性的描述方法, 显然是 提高煤层气储量计算精度的关键所在。 地理信息系统 GIS作为一种管理和利用空间 数据的有效手段, 在煤层气评价和勘探开发领域已经 开始进行了一定的应用实践。但从已有文献调研发 现, 目前在煤层气研究领域, GIS的应用主要局限于 煤层气勘探开发数据库建设和煤层气选区评价与远 景预测, 尚未有 GIS在煤层气储量计算中的应用研究 报道 [ 9- 14]。鉴于以上研究事实, 为了提高煤层气储 量计算精度, 本文在容积法基础上, 建立基于栅格 GIS的计算方法, 并以云南恩洪煤矿为应用实例进行 煤层气储量计算, 以期为煤层气资源评价中实施容积 法储量计算提供一个有效途径。 1 原理与方法 11 容积法基本原理 容积法又称为体积法、 块段法, 是煤层气储量计 算的基本方法, 适用于各个级别煤层气资源储量的计 算, 计算的基本公式 [ 1]为 Gi 001 AHDadCad 1 Cad Cdaf100- Mad- Aad /100 2 式中, Gi为某块段煤层气储量, 亿 m 3; A 为含气煤层 面积, km 2; H 为煤层净厚度, m; D ad为煤的空气干燥 基密度, t/m 3; C ad为煤的空气干燥基含气量, m 3 / ; t Cdaf为煤的干燥无灰基含气量, m 3 / ; t Mad为煤中空气 干燥基水分, ; Aad为煤的空气干燥基灰分, 。 容积法划分的块段要求同一块段应基本具有相 同的或相似的构造条件和储气条件。纵向上一般以 单一煤层为计算单元, 煤层相对集中的煤层组可以合 并计算。计算地质单元的参数平均值时一般采用算 术平均法或井点控制面积权衡法计算 [ 8]。 12 地质统计学 煤层并非一个匀质体, 而是一个时空连续的变异 体, 具有高度的空间异质性, 不论在大尺度上还是小 尺度上, 煤层的空间异质性均存在。与煤层气储量有 关的一些特性, 包括式 1 和 2 中的 H、 Dad、 Cad、 Cdaf、 Mad、 Aad等都会在三维空间发生变异。在计算单 元内采用钻井获得观测值的算术平均值或井点控制 面积权衡法求得该单元煤层气储量计算参数值, 是对 这些计算参数空间变异特性的一种十分粗略的近似 估计, 因此难以获得较准确的储量计算结果。很显 然, 要获得更加精确的计算结果, 除确保井点观测数 据的准确性外, 还要采用一种新方法, 能够更加精确 地模拟煤储层属性的空间变异性 [ 15- 16]。 地质统计学以区域化变量理论为基础, 以变异函 数为基本工具, 研究那些在空间分布上既具有随机性 又具有结构性的自然现象的学科。许多地质变量, 如 煤储层参数孔隙度、 渗透率、 厚度、 含水量、 甲烷含气 量等在空间上既存在一定的空间分布规律 结构 性 , 又存在局部的变异性 随机性 , 这就是区域化 变量, 因此可以用地质统计学方法来准确描述这些变 量 [ 15- 16]。 在二阶平稳假设和本征假设的基础上, 假设 N h 是间距为 h的所有点对的总数, 则变差函数的 计算公式为 h 1 2 N h∀ N h i 1 [X ui - X ui h ] 2 3 式中, X ui和 X ui h为相距 h的 2个取样点的观 测值。 通过式 3计算得到的实验变异函数可通过拟 合得到理论变异模型 [ 17]。与已有文献报道不同, 本 文地质统计学的 Kriging插值方法不是用来直接进行 煤储层属性或矿石品位预测 [ 18- 19], 而是应用于与煤 层气储量相关的煤储层属性矢量图层的栅格转换, 以 提供储量计算所需要的栅格专题图层。 13 煤层气储量计算模型 图 1是设计的基于 ArcGIS的煤层气储量计算空 间分析模型, 该模型主要包括专题数据提取、 基于 Kriging的栅格插值转换、 ArcGIS空间分析、 煤层气储 量栅格地图的空间统计分析等 4个部分。 专题数据提取是从煤田数据库中提取煤层气储 量计算相关的专题数据, 主要有煤层气勘探井分布矢 量图 点矢量 和构造、 地层分布图 线或多边形矢 量 , 可以是 shapefile格式或 coverage格式, 如果是其 他数据格式, 在 ArcGIS中进行栅格图层生成之前, 需 要进行数据格式转换。勘探井矢量图层中的每一个 井点属性数据表中应该含有煤储层的实测数据, 包括 式 1和 2中的H、 Dad、 Cad、 Cdaf、 Mad、 Aad等。 基于 Kriging的栅格插值转换是在 ArcGIS环境 下, 使用其中的地质统计学模块 Geostatistical Ana lyst对勘探井矢量数据的各类观测数据进行空间变 异性分析, 并选取适合的空间变异函数, 采用该模块 提供的 Kriging插值方法进行矢 /栅转换, 获得与煤层 气储量计算相关的H、 Dad、 Cad、 Cdaf、 M ad、 Aad等参数的 栅格图层, 这些栅格图层由于较好模拟了煤储层参数 的空间变异性, 因此可以提高煤层气储量计算精度。 983 煤 炭 学 报 2010年第 35卷 图 1 煤层气储量计算的 A rc G IS空间分析模型 F ig 1 Spatial analysismodel ofCBM reserves based on Arc G IS 栅格插值的一个问题是选取栅格像元的尺寸。栅格 像元尺寸取值一般应小于最小井间距的一半。 ArcGIS空间分析是在 ArcGIS环境下, 使用其中 的 SpatialAnalyst模块中的栅格图层计算器 Raster Calculator对上述煤储层参数栅格图层以式 1 和式 2为基础进行栅格地图代数运算, 获得煤层气储量 的栅格分布图。 煤层气储量栅格地图的空间统计分析主要任务 就是对获得的煤层气储量栅格地图进行总量统计, 直 观获得煤层含气性的空间分布状况, 同时可以进行与 构造、 地层分布图的空间叠合, 进行煤储层的地质条 件控气分析。 2 应用实例 21 资 料 以云南省曲靖市恩洪煤矿某煤层为例, 利用本文 方法进行试算。恩洪矿区位于云南省东部的云贵接 壤地带, 跨曲靖市麒麟区、 富源县境内。地理坐标 东 经 10388 10475 , 北纬 2505 2567 。全区为 北东 西南向带状展布, 长 53 k m , 宽 9 20 km, 面 积 620 k m 2。其中含煤面积 485 km2, 晚古生界二叠 系宣威组是主要含煤岩系, 蕴藏着丰富的煤层气资 源 [ 20]。 选择的计算煤层位于恩洪矿区的中部, 面积为 26 km 2; 这是一个煤田勘查的精查区, 共有历年勘探 钻井 75个 图 2。恩洪矿区已经完成少数的煤层气 参数井, 但还没有进行单井实验, 因此, 根据 规范, 本文求取的煤层气储量级别属于预测地质储量。 图 2 研究区位置与煤层气井分布 F ig2 Location and distribution ofCBM explorationwells 将钻井依据实测坐标矢量化, 并输入属性数据。 属性数据包括煤层厚度、 含气量、 水分和灰分含量、 原 煤硫分、 原煤挥发分等煤质工业分析数据。 22 运算过程与结果 图 3是煤层气储量计算空间分析模型在 ArcGIS 环境下的运行过程模型。模型输入包括煤层气勘探 井矢量图层, 式 1中的参数, 如煤密度和每一个栅 格单元的面积。由于输入的栅格单元面积单位是 m 2, 计算出的煤层气储量单位为 m3。 图 4为运算得到的煤层气储量栅格图层, 可以看 出在计算区域内, 煤层气储量主要分布于东北和西北 角。在 ArcGIS中, 该图可以和构造图及地层图实现 叠合, 进行煤层气控气地质条件分析。 3 讨 论 31 与常规容积法的比较 ArcGIS 的 Geostatistical Analyst 模 块 的 Create Subsets命令, 可以随机抽取不同的样品数形成训练 样品集 Training 和检验样品集 Testing。分别随 机抽取样品数为 10、 15、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 55 、 60 、 65 、 70和 75个的训练样品集, 采用常规容积法计 算煤层气储量, 结果用图 5中的虚线点标出。可以看 出, 样品数量变化, 储量也发生改变, 但随着样品数量 逐步增大到 75个, 变化幅度在逐步减少。很显然, 随 着样品数量的增加, 对煤储层参数的空间变异描述精 度也在增加, 从而依据算术平均法计算得到的煤层气 储量也逐步趋于平稳且逼近真实值。 在图 5中, 用实线标出了 75个样品 ArcGIS方法 计算的煤层气储量, 可以看出两种方法存在较大差 距, 最大差距在样品数 20处, 储量相差 105亿 m 3。 随着样品数增加, 常规容积法得到的结果在逐步趋近 于 ArcGIS方法计算的煤层气储量。 32 钻井数的影响 从 31节的讨论已经了解到, 样品数量对常规容 984 第 6期雷能忠 基于 Arc G IS的容积法煤层气储量计算 图 3 基于 Arc G IS的煤层气储量计算运行模型 F ig3 The calculation process ofCBM reserves based onA rcGIS 图 4 煤层气储量分布栅格 F ig4 D igital raster map of CBM reserves 图 5 常规容积法与 A rc G IS方法计算 的煤层气储量比较 Fig 5Co mparison ofCBM reservesw ith A rcGIS and volumetric 积法计算结果有很大影响。现在讨论样品数对 Arc GIS方法的影响, 这种影响主要体现在对 Kriging插 值方法的影响。 利用 31节中已随机抽取的样品数为 10 、15 、 20、 25 、 30 、 35 、 40 、 45 、 50 、 55 、 60 、 65 、 70和 75个的训练 样品集, 采用 ArcGIS方法计算出煤层气储量, 用图 5 中的实线标出。与常规容积法比较发现, 除在少样本 条件下 小于 30个样本 , 获得的计算结果波动较大 外, ArcGIS方法的计算结果变化幅度很小。特别是 当样本数大于 50个以后, 计算结果基本上与 75个样 本计算结果相似。这一发现可以给我们一个启示, 那 就是在使用本文提出的 ArcGIS方法进行煤层气储量 计算时, 减少样本数, 同样可以获得较精确的计算结 果。很明显, 这将节约大量的勘探成本。但是, 具体 到一个新的煤层气评价区, 使用 ArcGIS方法进行储 量计算, 在满足计算精度情况下, 需要的最小样本数 是多少呢 这还需要更加深入的研究工作。 33 空间插值方法的影响 在 ArcGIS环境下, 在 ApatialAnalyst模块中使用 常见的 Kriging 、 反距离权重插值 IDW 和径向基函 数插值 Spline 3个不同的空间插值方法计算的煤层 气储量分别为 479 、 485 、 499亿 m 3。比较发现, 不 同插值方法计算结果差异是很小的, 都能够满足煤层 气评价储量计算需要。 4 结 论 1本文设计的 ArcGIS煤层气储量计算方法, 由于考虑了煤储层属性的空间变异性, 且计算结果是 通过栅格图层的叠合分析获得的, 在一定程度上消除 了常规容积法在储量参数计算和煤储层面积统计存 在的误差, 具有较高的精度。该方法的计算模型同样 可以应用于其他类型和级别的煤层气储量计算。 2在 ArcGIS环境下, 不同空间插值方法对煤 层气储量计算结果影响不大。实际工作中可以根据 需要选用。 3钻井数是影响煤层气储量计算精度的一个 重要因素, 样本数增大, 常规容积法和本文的 ArcGIS 方法计算的储量变化幅度逐步缩小, 精度在提高。但 985 煤 炭 学 报 2010年第 35卷 具体在一个煤层气评价区, 多少钻井数是满足计算精 度要求的最小样本数, 这是一个十分有意义的问题, 但它的解决还需要更多的研究工作。 感谢中国矿业大学秦勇教授的悉心指导; 感谢云 南省煤田地质局, 本文实例研究中使用的煤层勘探井 数据来源于他们艰辛的野外作业。 参考文献 [ 1] 傅雪海,秦 勇, 韦重韬. 煤层气地质学 [M ]. 徐州 中国矿业大 学出版社, 2007 1- 9. 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