水文地質(zhì)條件對(duì)白額勘探區(qū)煤層氣富集的影響

鄭柏平

(中國煤田地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲056004)

國內(nèi)外大量的研究表明，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的控制作用明顯。一般情況下，水文地質(zhì)條件對(duì)于煤層氣的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是影響煤層氣的富集與運(yùn)移。盡管在靜態(tài)條件下，煤儲(chǔ)層中的煤層氣主要以吸附態(tài)、游離態(tài)和吸收態(tài)(即固溶體)存在，呈水溶態(tài)只占很小部分(1－3%)，但流動(dòng)狀態(tài)下水體會(huì)帶走大量的煤層甲烷;二是可以影響煤儲(chǔ)層的含氣飽和度、含水飽和度、壓力飽和度(臨/儲(chǔ)值)和滲透率等［1]。國外的學(xué)者通過研究圣湖安盆地(San Juan)和桑的瓦西盆地(Sand Wash)的煤層氣地質(zhì)學(xué)，發(fā)現(xiàn)沉積作用、構(gòu)造條件和熱演化背景決定了盆地?zé)N源巖的成熟度和分布，而地下水動(dòng)力條件直接影響煤層氣的保存和逸散，并可以通過地下水壓力梯度變化判斷煤層氣運(yùn)移狀態(tài)［2－4]。根據(jù)水壓異常區(qū)尋找煤層氣的富集地段，并通過地下水化學(xué)特征的分析，闡明煤層氣的運(yùn)移和成藏［5]。作者通過對(duì)鄂爾多斯盆地東緣河西煤田白額勘探區(qū)煤層氣成藏研究，發(fā)現(xiàn)地下水補(bǔ)給、徑流直接影響到本區(qū)煤層氣的運(yùn)移與富集。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

白額勘探區(qū)位于華北地臺(tái)鄂爾多斯臺(tái)坳東緣的河?xùn)|坳緣帶南部。河?xùn)|坳緣帶具有明顯的走向分段和傾向分帶性:北部為河曲－臨縣坳陷;中部為離石－柳林鼻狀隆起;南部為鄉(xiāng)寧－禹門口斷陷，為走向NE，向NW傾的單斜，伴有次級(jí)寬緩的褶曲。白額勘探區(qū)就位于鄉(xiāng)寧－禹門口北東向斷陷內(nèi)，由于東帶受東側(cè)和南東側(cè)的推擠作用，形成了一系列壓性逆斷層、倒轉(zhuǎn)或歪斜褶皺及撓曲構(gòu)造。西帶主體構(gòu)造以走向NE－SW主，向W傾斜的單斜，伴隨同向次級(jí)短軸狀褶曲，構(gòu)造形變微弱。研究區(qū)地層發(fā)育較全，地表出露有太古界，古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系，中生界三疊系，新生界第三系和第四系等。含煤地層為華北型石炭二疊系，煤系地層總厚 91.25－152.08 m，平均 120.91 m，含煤 5 －11 層，煤層總厚平均9.73 m。本區(qū)主要可采煤層為2#、3#和10#煤層，1#煤層為局部可采煤層。其中2#煤層位于山西組下部，層位穩(wěn)定，煤層厚度2.09－6.23 m，平均厚度4.10 m，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。一般含1－3層泥巖夾矸，屬結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單煤層。3#煤層為薄煤層，與2#煤層的間距較小，厚度變化不大，僅局部出現(xiàn)不可采點(diǎn)。10#煤層位于太原組下部，上距3#煤層36.13 －52.18 m，平均間距44.89 m。煤層厚度1.22 －4.50 m，平均厚度 2.77 m。煤層偶含夾矸1層，巖性為泥巖。煤層總體厚度變化不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層［6]。

2 水文地質(zhì)特征

根據(jù)河?xùn)|煤田地下水的補(bǔ)徑排條件及層域特征，研究區(qū)屬龍門山水文地質(zhì)單元禹門口巖溶水系統(tǒng)，為一走向NE－SW、傾向NW的單斜蓄水構(gòu)造。系統(tǒng)東界為與龍子祠泉巖溶水系統(tǒng)的地下分水嶺，南界為變質(zhì)巖及下寒武系隔水層，西界黃河，北界為巖溶含水層深埋區(qū)，總面積600 km2，其中碳酸鹽巖裸露面積 293 km2，隱伏區(qū)面積307 km2。禹門口巖溶水系統(tǒng)內(nèi)主要含水層組為寒武系與奧陶系灰?guī)r。地下水補(bǔ)給來源以大氣降水入滲為主，自東北向西南黃河谷地徑流，黃河在禹門口一帶斜切單斜蓄水構(gòu)造，致使巖溶水向黃河谷地排泄，形成禹門口泉群，巖溶水類型為SO4·HCO3－Ca·Na型到 SO4·HCO3·Cl－ Ca·Na型，礦化度0.5－1.5 g/L。白額勘探區(qū)位于禹門口巖溶水系統(tǒng)的中部地段，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

3 水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的控制作用

山西組水動(dòng)力場(chǎng)特征及其控氣作用。下二疊統(tǒng)山西組含水層為2#、3#煤頂、底板砂巖。山西組水動(dòng)力場(chǎng)受單斜構(gòu)造控制，地下水水位標(biāo)高呈現(xiàn)出北高南低、東高西低的總規(guī)律。地下水的補(bǔ)給主要為區(qū)外側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水流主要表現(xiàn)為層向深部流動(dòng)，并隨側(cè)向距離的延長，徑流強(qiáng)度逐漸減弱。在研究區(qū)東北部接近龍門山水文地質(zhì)單元與龍祠泉域水系統(tǒng)分水嶺區(qū)域水位線變化梯度較陡，單位涌水量、滲透系數(shù)、抽水影響半徑相對(duì)較大，地下水的徑流作用相對(duì)較強(qiáng)，煤層氣被徑流逸散，2#、3#煤層的含氣量普遍較低，為8 m3/t的相對(duì)低氣區(qū)。同時(shí)地下水由本區(qū)東北淺部向西南深部順層徑流，這就對(duì)煤層中向上擴(kuò)散的氣體起到了一定的封閉作用，對(duì)煤層氣在本區(qū)西南部單斜構(gòu)造深部聚集起到一定的積極作用。

本區(qū)西南部地下水徑流距離較遠(yuǎn)，水位線接近直線，水力梯度變小，地下水徑流微弱，形成相對(duì)滯留區(qū)，極有利于煤層氣保存，形成12－16 m3/t的相對(duì)高氣區(qū)(圖2)。這些因素，正是本區(qū)西南部形成相對(duì)高氣區(qū)的重要原因。

太原組水動(dòng)力場(chǎng)特征及其控氣作用。上石炭統(tǒng)含水層以太原組灰?guī)r為主。太原組普遍含灰?guī)r1～3層，總厚約8 m。L2灰?guī)r較穩(wěn)定，為10#煤頂板。據(jù)太原組灰?guī)r鉆孔抽水試驗(yàn)資料，地下水徑流特征與山西組基本一致，即地下水水位標(biāo)高背景為北高南低、東高西低，總體上由東北向西南徑流。隨徑流距離的加大，徑流強(qiáng)度變?nèi)?。本組灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，區(qū)內(nèi)3－5水文孔單位涌水量0.005 55 L/s.m，滲透系數(shù)0.010 5 m/d，水位標(biāo)高803.74 m。為富水性極弱的巖溶裂隙承壓含水層。另外10#煤下距奧陶紀(jì)灰?guī)r較近，平均19.16 m。奧陶紀(jì)灰?guī)r是主要區(qū)域含水層，淺部巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)。相似的地下水動(dòng)力場(chǎng)特征決定了太原組10#煤煤儲(chǔ)層與山西組煤儲(chǔ)層煤層氣富集分布特征的一致性(圖3)。

水化學(xué)場(chǎng)特征及其控制作用。①山西組砂巖水化學(xué)場(chǎng)及其控氣作用:通過山西組砂巖水樣系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)礦化度總體上由北向南增高、由東向西變大。西南部3－5孔山西組砂巖水樣礦化度為1 196 mg/L，并且沒有檢測(cè)出侵蝕性CO2，這說明地下水對(duì)巖石的侵蝕作用很弱，地下水循環(huán)交替條件較差。北部、東部徑流條件相對(duì)較強(qiáng)，水質(zhì)類型一般為HCO3－Ca·Mg型，向西南部由于徑流距離變大、埋藏較深，徑流條件減弱，水質(zhì)類型多為 HCO3·Cl·SO4－ Na 型。②太原組灰?guī)r水化學(xué)場(chǎng)及其控氣作用:石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層水化學(xué)場(chǎng)主要受單斜構(gòu)造、側(cè)向補(bǔ)給和徑流排泄條件控制，空間上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。在本區(qū)西南部含水層埋深增大，巖溶水徑流條件變?nèi)?，礦化度逐漸增高。根據(jù)鉆孔水樣測(cè)試，西南部礦化度高達(dá)5 152 mg/L，Cl－含量增加到975 mg/含量高達(dá)1 029 mg/L，水質(zhì)類型變?yōu)镾O4·Cl－Ca·Na型。另外水樣分析未檢測(cè)到侵蝕性CO2，說明太原組灰?guī)r地下水侵蝕作用弱，徑流條件差。

太原組主要煤層氣儲(chǔ)層為10#煤，距奧陶紀(jì)灰?guī)r較近，這對(duì)10#煤含氣性有一定影響。據(jù)3－5孔和4－2孔水質(zhì)分析結(jié)果，奧陶紀(jì)灰?guī)r水水質(zhì)類型為Na·Ca 型含量為 1 399.4－1 455.8 mg/L，礦化度為 3 248 －3 495 mg/L。說明奧陶紀(jì)灰?guī)r水比太原組灰?guī)r水徑流能力強(qiáng)。太原組灰?guī)r水在研究區(qū)西南部形成高礦化中心并與10#煤儲(chǔ)層高氣中心高度一致。太原組灰?guī)r含水層水化學(xué)場(chǎng)格局與山西組砂巖水化學(xué)場(chǎng)格局在一定程度上一致，同時(shí)也具差異性，因此3#煤儲(chǔ)層含氣性與10#煤儲(chǔ)層表現(xiàn)出一定相似性的同時(shí)也表現(xiàn)出差異性。

4 結(jié)束語

在研究區(qū)東北部煤儲(chǔ)層埋藏較淺區(qū)域，地下水徑流能力強(qiáng)，徑流方向與煤層氣逸散方向相反，對(duì)煤層氣起到水力封堵控氣作用;礦區(qū)西南部為地下水低水位等勢(shì)面區(qū)域，地下水嚴(yán)重滯留，有利于煤層氣富集保存;含水層滲透系數(shù)小、單位涌水量小的區(qū)域是煤層氣富集的有利區(qū)域。地下水化學(xué)場(chǎng)特征同樣影響煤層氣富集。地下水滯留區(qū)域與高礦化度中心一致，同樣與區(qū)域富氣中心分布一致。研究區(qū)的煤層氣分布特征，這進(jìn)一步佐證了滯留或弱水力交替地下水是煤層氣富集成藏的有利水文地質(zhì)條件。

［1] 朱建剛.鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤儲(chǔ)層地質(zhì)特征研究［J] .河北工程大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，27(4):52－54.

［2] 葉建平，武強(qiáng)，王子和.水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣賦存的控制作用［J] .煤炭學(xué)報(bào)，2001，2(5):459－462.

［3] SCOTT A R.Hydrogeologic factors affecting gas content distribution in coal beds［J] .International Journal of Coal Geology，2002(50):363－387.

［4] KAISER W R，HAMILTON D S，SCOTT A R，et al.Geological and hydrological controls on the producibility of coalbed methane［J] .Journal of the Geological Society of London，1994(151):417－420.

［5] ANNA L O.Groundwater flow associated with coalbed gas production，F(xiàn)erron Sandstone，east－ central Utah［J] .International Journal of Coal Geology，2003，56(1－2):69－95.

［6] 中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院.山西省臨汾市白額西區(qū)煤炭詳查地質(zhì)報(bào)告［R] .河北邯鄲:中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，2006.