焦作礦區(qū)煤層氣開發(fā)的水文地質(zhì)條件分析＊

付江偉 傅雪海 劉愛華

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南省鄭州市,450016)

焦作礦區(qū)煤層氣開發(fā)的水文地質(zhì)條件分析＊

付江偉1,2傅雪海1劉愛華1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南省鄭州市,450016)

在系統(tǒng)研究焦作礦區(qū)地質(zhì)特征和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,分析了礦區(qū)水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存、滲流、運(yùn)移及煤層氣開發(fā)產(chǎn)生的影響,并對煤層氣井的選擇提出了建議。

煤層氣開發(fā) 水文地質(zhì)條件 焦作礦區(qū) 賦存 滲流 運(yùn)移

焦作礦區(qū)位于河南省北部,處在華北聚煤區(qū)中部,區(qū)內(nèi)煤層氣資源豐富,煤層吸附性好,含氣量為10～42 m3/t。據(jù)2000年中聯(lián)煤層氣公司和煤炭科學(xué)研究院預(yù)測資料顯示,焦作礦區(qū)煤層氣資源2000 m以淺總量為1733.5億m3,1000 m以淺總量為416億m3。為了有效地利用能源,我國對焦作礦區(qū)煤層氣開發(fā)做了大量的研究,對礦區(qū)內(nèi)二1煤層含氣特征、吸附性、滲透性以及開發(fā)潛能進(jìn)行了詳細(xì)的探討和評價(jià),但目前關(guān)于煤層氣開發(fā)的水文地質(zhì)條件研究尚顯薄弱。本文通過對焦作礦區(qū)水文地質(zhì)特征的研究,認(rèn)為水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存特征以及開發(fā)過程中煤層氣開采都有較大影響。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

焦作礦區(qū)含煤地層為石炭-二疊系,含煤地層總厚945.76 m,含煤26層,煤層平均總厚16.04 m,可采煤層總厚7.57 m,其中山西組下部的二1煤層厚0.65～19.59 m,平均5.51 m。二1煤層層位穩(wěn)定、普遍可采、結(jié)構(gòu)簡單,是焦作礦區(qū)山西組煤層氣主要儲層,也是目前煤層氣開發(fā)的主要層位。礦區(qū)二1煤層頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖互層,粉砂巖致密,膠結(jié)良好;頂板和煤層之間發(fā)育一層0.2～1.0 m的致密炭質(zhì)泥巖;煤層底板普遍發(fā)育一層1.2～2.5 m的泥巖,使煤層處在封閉條件良好的環(huán)境中,對煤層氣的保存十分有利。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 含水組劃分

按巖性、巖溶、裂隙發(fā)育程度、水力性質(zhì)和富水程度,礦區(qū)內(nèi)含水巖組自下而上可分為4組。

(1)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組:主要為寒武、奧陶系的厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,總厚度800～1000 m。裸露區(qū)或斷裂帶常有大泉出露,泉流量0.01～7 m3/s。礦區(qū)北部雙頭泉水位標(biāo)高為+850 m、山前為+110 m。區(qū)內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育不均勻,煤礦涌水量1000～5000 m3/d,水文標(biāo)高+110～+82 m,屬強(qiáng)富水含水層。

(2)碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層組:由太原組石灰?guī)r夾砂巖組成,其中灰?guī)r含水層9層,以上段L8、下段L2灰?guī)r層含水最為豐富,厚度分別為6～8 m和8～21 m,巖溶裂隙較發(fā)育,滲透系數(shù)1～15 m/d。L8灰?guī)r簡稱八灰,上距二1煤層20 m左右,其間是以粉砂巖為主的隔水巖層,巖溶以裂隙為主,溶洞為輔,靜水位標(biāo)高+90 m。八灰承壓水通過斷裂突破上覆隔水層與二1煤層發(fā)生水力聯(lián)系;L2灰?guī)r簡稱二灰,上距二1煤層70 m左右,水文標(biāo)高-90 m,受斷裂及溶洞影響,二灰可直接與奧灰發(fā)生水力聯(lián)系。焦作礦區(qū)煤系水文地質(zhì)柱狀圖見圖1。

圖1 焦作礦區(qū)煤系水文地質(zhì)柱狀圖

(3)碎屑巖類砂巖裂隙水含水層組:主要由山西組砂巖組成,其中頂部風(fēng)化巖層厚度一般30 m左右,滲透系數(shù)0.2～1.0 m/d;未風(fēng)化砂巖含水層單位涌水量0.01～1.31 L/s·m,滲透系數(shù)0.01～0.5 m/d,為弱含水層組。

(4)松散巖類孔隙水含水層組:由新生界地層中的砂、礫石層組成。近山前地帶以礫、卵石層為主,頂板埋深20～40 m,富水程度由北向南遞減,南部沖積平原以中細(xì)砂含水層為主,在沖積扇前緣常有泉群出現(xiàn),目前多已干涸。

2.2 含水層水力聯(lián)系特征

由于焦作礦區(qū)受北東向、北西向和近東西向3組高角度斷裂的影響與控制,基巖地層被切割破碎,導(dǎo)致各含水層之間發(fā)生了一定的水力聯(lián)系。在斷裂帶附近巖溶裂隙相對發(fā)育,常常形成強(qiáng)富水導(dǎo)水帶,是焦作礦區(qū)內(nèi)諸礦井和勘探區(qū)的補(bǔ)給邊界,因而成為煤層氣開發(fā)選區(qū)和井網(wǎng)布置必須考慮的邊界條件。斷裂的力學(xué)性質(zhì)是影響煤層與含水層之間水力聯(lián)系的主要條件,強(qiáng)導(dǎo)水?dāng)鄬邮怯绊懙叵滤飨虻闹匾蛩?。根?jù)焦作礦井多次突水資料,從礦區(qū)斷裂形成的相對年齡、規(guī)模、性質(zhì)、巖性等方面分析可知,鳳凰嶺斷裂是礦區(qū)控制性斷裂,是強(qiáng)徑流帶,沿九里山斷層、朱村斷層形成本區(qū)較強(qiáng)徑流帶,徑流帶斷裂發(fā)育區(qū)巖石破碎,巖溶發(fā)育,裂隙密集,連通性強(qiáng),巖溶水沿?cái)嗔褞Ц患?、運(yùn)移。焦作礦區(qū)主要斷層幾何特征及控水意義見表1。

2.3 礦區(qū)巖溶地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

大氣降水是焦作礦區(qū)巖溶裂隙水的主要補(bǔ)給來源,西部、北部裸露山區(qū)廣泛出露的石灰?guī)r是巖溶地下水良好的補(bǔ)給場所,補(bǔ)給的地下水沿地層斷面、巖溶裂隙或斷層由高至低徑流入井田;另外,受區(qū)內(nèi)導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造的影響,下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水垂向補(bǔ)給其上各含水層,致使石灰?guī)r巖溶裂隙水量大、補(bǔ)給水源充沛,構(gòu)成了區(qū)內(nèi)礦井主要沖水水源。礦區(qū)內(nèi)最大的九里山巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給面積約4900 km2,天然資源量為38541萬m3/a,其中灰?guī)r裸露補(bǔ)給區(qū)面積1395 km2,大氣降水補(bǔ)給量10～15 m3/s,河流及水庫滲入補(bǔ)給量26.28 m3/s。

在天然狀態(tài)下,補(bǔ)給區(qū)地下水水力坡度為11‰,徑流區(qū)地下水水力坡度為5‰,進(jìn)入礦區(qū)后地下水水力坡度為2‰～0.44‰。以東井交斷層至黃水河斷層北側(cè)的分水嶺和紙坊溝以北的奪火鄉(xiāng)至峪河口地下分水嶺,將本區(qū)九里山巖溶水系統(tǒng)分為北部百泉、中部十里河和南部的雙頭泉3個巖溶水子系統(tǒng)。十里河巖與百泉巖溶水系統(tǒng)的石灰?guī)r裸露區(qū)是峪河斷裂以北的各區(qū)的補(bǔ)給區(qū);雙頭泉巖溶水子系統(tǒng)的石灰?guī)r裸露區(qū)為焦作礦區(qū)巖溶水的直接補(bǔ)給區(qū),演馬莊礦區(qū)處于該區(qū)的徑流排泄區(qū)內(nèi),排泄的主要方式是礦井人工疏排。

表1 焦作礦區(qū)主要斷層幾何特征及控水意義

巖溶水一部分沿山前沖洪積扇形成泉群排泄,總排泄量3.14～14.3 m3/s,其中,九里山泉群流量9.2 m3/s,隕城塞間歇泉流量2.4 m3/s,百泉最大流量2.32 m3/s;另一部分向深部循環(huán)徑流或由人工排泄。由于焦作礦區(qū)補(bǔ)給面積大,巖溶裂隙發(fā)育,因此九里山巖溶水系統(tǒng)具有巨大調(diào)蓄功能,儲存資源約為88.73億m3。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件對煤層氣開發(fā)影響

煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的孔隙中,地下水系統(tǒng)通過地層壓力對煤層氣吸附起控制作用,因此水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存、運(yùn)移影響很大,對煤層氣的開采至關(guān)重要。

3.1 對煤層氣賦存的影響

焦作礦區(qū)二1煤層下部主要有L8灰?guī)r、L2灰?guī)r、奧灰3個主要含水層,富水性極強(qiáng)且水壓很大,煤層底板泥巖封閉,使煤層氣處于水壓封堵狀態(tài)。二1煤層上部山西組砂巖含水層與泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水層相間沉積,富水性較弱,呈滯流或微流狀態(tài),具有一定靜水壓,煤層氣上浮力小于靜水壓,對煤層氣保存有利。

焦作礦區(qū)水文條件整體上有利于煤層氣的賦存,但局部地區(qū)大斷裂附近形成地下水強(qiáng)徑流帶,煤層氣以水流為載體進(jìn)行運(yùn)移,例如朱村強(qiáng)徑流帶,斷層落差大于1000 m,由于礦區(qū)北部山區(qū)巖溶裂隙地下水及沁河、丹河、西石河地表水垂直或橫跨斷層形成有利補(bǔ)給條件,在與北東向斷層交匯地帶,地下巖溶更為發(fā)育,致使距該斷裂250 m范圍內(nèi)的煤層甲烷實(shí)測含量由正常梯度下的16.18 m3/t下降為7.83 m3/t;受馬坊泉強(qiáng)徑流帶影響,在演馬莊礦田中部的馬坊泉斷層附近100 m范圍內(nèi)煤層氣含量低于15 m3/t。

3.2 對煤層氣滲流、運(yùn)移的影響

在一定的構(gòu)造條件下,水頭壓力對煤層氣的封存、圈閉起著重要的控制作用。一般來說只有通過排水降壓,儲層壓力降到臨界解吸壓力之后,被吸附的煤層氣體才能解吸、游離出來。解吸后的煤層氣在孔隙-裂隙網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散、滲流的過程,除了受網(wǎng)絡(luò)本身的透氣、透水性能影響外,氣、水兩相滲流之間還存在一定的相互制約作用。

煤層中采氣的機(jī)理與所觀察到的常規(guī)儲層采氣機(jī)理大不相同,煤層中很少或不存在游離氣,割理裂隙系統(tǒng)中的一部分孔隙空間被水飽和。盡管割理裂隙系統(tǒng)中可能存在一些游離氣,但大多數(shù)氣體被吸附在煤表面上,因此,要采出這種氣體,必須降低割理系統(tǒng)的壓力使氣體從煤表面解吸出來,并運(yùn)移至割理系統(tǒng),通過煤基質(zhì)擴(kuò)散。通常,為了降低割理系統(tǒng)壓力,必須采出大量的水,使氣體不斷解吸出來。從這方面來說煤儲層中的水是有利的,對于煤系含水層的補(bǔ)給、徑流條件較好的焦作礦區(qū),地下水的流動可以較好地達(dá)到煤層氣開發(fā)中排水降壓的目的。但是,在局部富水較強(qiáng)、補(bǔ)給條件較好的煤系含水層,在煤層氣勘探開發(fā)時,因煤層富水或與含水層的貫穿,勢必增加了煤層氣井的排水費(fèi)用和時間,特別是在煤系暴露或煤系埋藏較淺而且又接近地表水體的區(qū)域,由于巖溶裂隙發(fā)育,地表水可通過裂隙進(jìn)入煤層,造成排采期間產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量小的現(xiàn)象,對煤層氣開采很不利。因此,在煤層氣井選址和布置時,研究和分析儲層地下水的水源,即查明排采期間水的來源十分重要。

3.3 對煤層氣可采性的影響

在可采性評價(jià)中,水文地質(zhì)條件不但直接影響對儲層產(chǎn)能的評價(jià),而且對完井方式、增產(chǎn)措施、開發(fā)選區(qū)、井網(wǎng)布置等也有一定的影響作用。焦作礦區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流條件較好,而且部分張性斷層具有導(dǎo)水性,地下水的徑流不可避免地帶走大量的煤層氣,引起煤層氣含量降低。因此,在煤層氣開發(fā)選區(qū)時,應(yīng)考慮水文地質(zhì)因素對煤層氣含量的影響。另外,焦作礦區(qū)巖溶裂隙發(fā)育,地表水可通過裂隙進(jìn)入煤層,因此,地貌因素是煤層氣勘探開發(fā)時一個考慮的方面。焦作礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂發(fā)育,斷裂有可能成為導(dǎo)水通道,煤層氣勘探開發(fā)選擇井位時,在其他條件相同情況下,本區(qū)煤層氣井應(yīng)選擇在較深部,且離斷層較遠(yuǎn)的部位上。在煤層氣鉆井、壓裂作業(yè)時,應(yīng)做好預(yù)防突水的準(zhǔn)備工作。

3.4 對煤層氣生產(chǎn)的影響

長期煤炭生產(chǎn)必然會使焦作礦區(qū)產(chǎn)生大量疏排礦坑水,據(jù)測算噸煤需排水4.5 m3,目前礦井水排放量5.4 m3/s,造成了大面積漏斗區(qū),漏斗區(qū)主要為九里山漏斗區(qū)、焦南漏斗區(qū)、東小莊水源地漏斗區(qū)和崗莊水源地漏斗區(qū),九里山漏斗區(qū)面積約9 km2,中心水位90 m以下,主要由礦井排水造成。近年來,區(qū)域地下水位下降造成區(qū)內(nèi)泉點(diǎn)枯竭,對礦區(qū)居民人畜用水和工農(nóng)業(yè)用水造成極大影響。另外,因礦井排水、工業(yè)廢水及生活污水的大量排放,使大部分地表水污染嚴(yán)重,同時也給礦區(qū)內(nèi)地下水帶來嚴(yán)重污染。據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)資料分析,巖溶地下水主要污染因子為氯離子、鐵、錳、總硬度等。

目前,焦作煤層氣開發(fā)還處于探索試驗(yàn)階段,由生產(chǎn)因素產(chǎn)生的負(fù)面影響還不十分突出,但是如果大規(guī)模進(jìn)行開采后,就需要加強(qiáng)礦區(qū)區(qū)域地下水水位降落漏斗范圍及變化趨勢的監(jiān)測,調(diào)整地下水開采布局,對地下水開采層位進(jìn)行人工回灌,并采取分層取水、以豐補(bǔ)枯等措施控制地下水水位下降的態(tài)勢。

4 結(jié)論

(1)焦作礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜,在特征鮮明的多尺度斷塊構(gòu)造影響下,造成水文地質(zhì)條件地區(qū)差異顯著,即使同一井田范圍內(nèi),被疏排層段的含水層、隔水層在空間上的配置關(guān)系及均勻程度都有很大差別。

(2)焦作礦區(qū)水文地質(zhì)條件整體上有利于煤層氣的賦存,但局部地區(qū)大斷裂附近形成地下水強(qiáng)徑流帶,煤層氣以水流為載體被運(yùn)移逸散。

(3)焦作礦區(qū)巖溶裂隙發(fā)育,在煤系暴露或煤系埋藏較淺而且又接近地表水體的區(qū)域,地表水可通過裂隙進(jìn)入煤層,對煤層氣開采不利。因此,在進(jìn)行井網(wǎng)選址與布置時,應(yīng)充分分析水文地質(zhì)條件對煤層氣排采的影響。

(4)焦作礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂發(fā)育,斷裂有可能成為導(dǎo)水通道,煤層氣勘探開發(fā)選擇井位時,在其他條件相同情況下,煤層氣井應(yīng)選擇在離斷層較遠(yuǎn)、埋藏較深部。

(5)考慮到煤層氣開發(fā)可能由于排水造成的環(huán)境地質(zhì)問題,應(yīng)合理處理水環(huán)境惡化及區(qū)域水位下降等問題。

[1] 孫越英,盧耀東,王佩枉等.焦作煤田煤層氣資源特征及開發(fā)利用研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(1)

[2] 盧社香,谷德敏,章秉辰.焦作煤田煤層氣地質(zhì)特征及勘查開發(fā)方案初探[J].中國煤田地質(zhì),2006(6)

[3] 錢家忠,潘國營,吳劍鋒等.焦作礦區(qū)裂隙巖溶水優(yōu)勢流形成機(jī)理研究[J].水力學(xué)報(bào),2003(6)

[4] 葉建平,武強(qiáng),王子和.水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存的控制作用[J].煤炭學(xué)報(bào),2001(5)

[5] 中國煤田地質(zhì)局.華北煤層氣儲層研究與評價(jià)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000

[6] 孫越英,王興民,陽結(jié)華.焦作煤礦區(qū)礦坑排水對地下水環(huán)境的影響[J].資源調(diào)查與環(huán)境,2006(4)

An analysis of hydrogeology in the coalbed methane development in Jiaozuo coal mine area

Fu Jiangwei1,2,Fu Xuehai1,Liu Aihua1
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;2.Henan Provincial Coalbed Methane Development&Utilization Co Ltd,Zhengzhou,Henan province 450016,China)

On the basis of a systematic analysis of the geological features and hydrological conditions of Jiaozuo coal mine area,this paper provides an analysis of the influences of the said hydrological and geological conditions upon the coal bed methane occurrences,infiltration,mitigation and coal bed methane extraction.Besides,the authors also propose some suggestions and recommendations on the determination of coalbed methane extraction well sites in this paper.

coalbed methane development,hydrological conditions,Jiaozuo coal mine area,occurrence,infiltration,mitigation,extraction

P618.4

B

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目——“973”煤層氣項(xiàng)目(2009CB219605)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40730422和40872104)、油氣重大專項(xiàng)(2008ZX05034)。

付江偉(1982-),男,河南長垣人,中國礦業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事煤礦瓦斯治理與煤層氣開發(fā)方面的研究和應(yīng)用工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)