水文地質(zhì)條件分析在煤層氣開發(fā)甜點區(qū)預(yù)測中的應(yīng)用
——以山西省榆社—武鄉(xiāng)煤層氣區(qū)塊為例

覃 軒

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030006)

煤層氣受到地下水動力條件的影響和控制，其富集的影響因素和水文地質(zhì)條件密不可分，煤層氣的生產(chǎn)也是通過持續(xù)性的從煤儲層中不斷的抽水，減小儲層壓力來實現(xiàn)的，所以研究水文地質(zhì)條件對煤層氣的勘查、開發(fā)具有指導(dǎo)性意義。葉建平等認為水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存的控制作用主要有水力運移、水力封閉和水力封堵三種[1]；傅雪海等認為地下水滯留地區(qū)的礦化度高、煤層含氣量高；沁水盆地從盆地邊緣到盆地中心依次可以劃分為強徑流、中等徑流和弱徑流區(qū)，依次出現(xiàn)水力封堵、水溶攜帶、徑流逸散和水力封閉作用[2-3]。目前針對于水文地質(zhì)條件對煤層氣的控氣作用的研究較為成熟，但利用水文地質(zhì)條件圈定煤層氣甜點區(qū)的案例較少[4-9]。本文以山西省榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊為例，通過對區(qū)塊地下水動力條件、地下水水頭壓力的分析研究，建立了三種本區(qū)煤層氣富集模型，并以此圈定煤層氣甜點區(qū)。

1 水文地質(zhì)條件分析

榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊位于山西省沁水煤田北部，主要可采煤層為1、3、8、15號煤層，其中3號煤層位于山西組中部，平均厚1.25m，是大部可采的穩(wěn)定煤層。本文以3號煤儲層的煤層氣作為主要研究對象。

1.1 地下水動力條件

地下水動力條件對煤層氣富集的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是地下水流場的方向，二是地下水徑流的強度。

1.1.1 地下水流場的方向?qū)γ簩託獾姆舛?封閉作用

煤層氣作為一種流體，其邊界條件和地下水系統(tǒng)類似，故當含水層的流向和煤層氣的逸散方向相同，或者含水層流向和煤層氣流向相反，但是含水層流速比煤層氣逸散速度大，地下水系統(tǒng)對將煤層氣起到水力運移的作用；當含水層流向和煤層氣流向相反，且含水層流速比煤層氣逸散速度小，地下水的流動既能阻止煤層氣在靜壓力作用下順層逸散，也可以使得其中溶解的煤層氣向深部運移，因而有利于煤層氣聚集，這時地下水系統(tǒng)將對將煤層氣起到水力封堵的作用。

本區(qū)塊橫跨娘子關(guān)泉域和辛安泉域兩個巖溶泉域系統(tǒng)，以區(qū)塊中北部的地下水分水嶺為界，北為娘子關(guān)巖溶泉域系統(tǒng)，南部為辛安巖溶泉域系統(tǒng)。北東部地下水流向為北東方向，南西部地下水流向為南西方向，越往深部徑流速度越慢。

區(qū)塊無大型斷層，煤層氣順層由深到淺向上逸散。根據(jù)3號煤層埋深情況，煤層氣的逸散方向為北西向至南東向。由此可知，區(qū)塊北部娘子關(guān)泉域地下水的流向和煤層氣逸散方向相同，地下水系統(tǒng)對煤層氣以水力運移為主，不利于煤層氣富集；南部辛安泉域地下水流向和煤層氣逸散方向相反，在礦化度較低的區(qū)域(地下水流速慢)地下水系統(tǒng)對煤層氣以水力封閉為主，推斷為煤層氣富集區(qū)，含氣量高(圖1)。

圖1 地下水流向和煤層氣逸散方向示意Figure 1 A schematic diagram of groundwater flowdirection and CBM escaping direction

1.1.2 地下水徑流強度對地下水化學特征的影響

沁水盆地從盆地中心到盆地邊緣地下水徑流能力由弱到強，控氣類型可分為“滯流型”“緩流型”“強徑流型”三種。一般來說滯留型對煤層氣的保存有利，緩流型對煤層的保存較有利，強徑流型對煤層氣的保存不利，而地下水的徑流強度，往往又可以通過煤儲層系統(tǒng)中地下水的化學特征反映出來，即地下水徑流強度越大，地下水的礦化度就越低，地下水系統(tǒng)對煤層氣的富集就越不利；地下水徑流強度越小，地下水的礦化度就越高，地下水系統(tǒng)對煤層氣的富集就有越利。

根據(jù)收集本區(qū)鉆孔資料，將區(qū)塊礦化度為300～600mg/L的區(qū)域劃分為“強徑流型”，礦化度600～1 200mg/L的區(qū)域劃分“緩流帶”，礦化度大于1 200mg/L的區(qū)域劃分為“滯留帶”(圖2)。由圖2可知，本區(qū)塊在北西部地下水徑流條件差，地下水流速慢，容易產(chǎn)生煤層氣富集。

圖2 山西組含水層礦化度等值線Figure 2 Isogram of Shanxi Formation aquifer watermineralization degrees

1.2 地下水水頭壓力

儲層壓力既是控制儲層吸附量的重要因素，也是煤層氣開發(fā)難易程度的考察指標之一。在煤層氣和地下水共存的狀態(tài)下，儲層壓力與水頭壓力趨于一致，水頭壓力往往能夠顯示儲層壓力的大小，隨著煤層埋深的增大，水頭壓力變大，儲層壓力也變大，呈現(xiàn)聯(lián)動狀態(tài)，且儲層壓力變化較之水頭壓力變化往往有一定的延遲性。

在煤層氣開發(fā)當中，產(chǎn)能高的煤層氣井地層能量也高，而高地層能量則表現(xiàn)為高儲層壓力梯度。本區(qū)塊內(nèi)缺乏煤儲層壓力的試井資料，為了更好的了解本區(qū)塊的煤儲層壓力情況，可以充分利用煤田地質(zhì)勘探井山西組含水層的抽水試驗資料，將壓力水頭值換算等效儲層壓力，繪制3號煤層儲層壓力等值線圖(圖3)，預(yù)測本區(qū)塊的煤層氣產(chǎn)能。

由圖3可知，3號煤層區(qū)塊中部、西部儲層壓力較大，從中西部向南部和北部儲層壓力逐漸減小，和本區(qū)塊煤層埋深規(guī)律基本吻合，說明區(qū)塊中部地層能量大，煤層氣開發(fā)潛力好。

1.3 煤層氣富集模型

根據(jù)本區(qū)的地層、構(gòu)造和煤層發(fā)育情況特征，結(jié)合地下水對煤層氣的封閉作用，筆者建立了以下3種煤層氣富集模型：

1)模型I。存在隔水頂板，且該區(qū)為型背斜構(gòu)造，煤層發(fā)育穩(wěn)定，則容易在背斜核部有煤層氣富集。值得注意的是，本模型只適用于以游離氣為主且含水量較多的煤儲層，對于其他條件下的煤儲層，可能會由于含水量小的緣故導(dǎo)致排采時出現(xiàn)“無水可排”的情形，影響煤層氣的解吸效果效果，導(dǎo)致“不出氣”的情況發(fā)生(圖4a)。

2)模型II。存在隔水頂板，且該區(qū)為單斜構(gòu)造，煤層在地層傾向的相反方向逐漸尖滅為泥巖，則容易在煤層尖滅處有煤層氣富集(圖4b)。

圖3 3號煤層儲層壓力等值線Figure 3 Isogram of coal No.3 reservoir pressures

圖4 煤層氣富集模型Figure 4 CBM enrichment model

3)模型III。存在隔水底板，且該區(qū)為單斜構(gòu)造，煤層發(fā)育穩(wěn)定，發(fā)育正斷層。當斷層上盤的煤層下降到下盤隔水底板的位置，即煤層與隔水性好的泥巖類地層相接，那么則容易在斷層上盤、煤層與泥巖相接處有煤層氣富集(圖4c)。

2 甜點區(qū)預(yù)測和論證

綜上所述，根據(jù)上述3種煤層氣模型，結(jié)合區(qū)塊地下水徑流較差的區(qū)域、地下水頭壓力較大的區(qū)域，對榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊進行甜點區(qū)預(yù)測，共劃分出3處甜點區(qū)(圖5)。

圖5 根據(jù)水文地質(zhì)條件圈定的甜點區(qū)Figure 5 Delineated dessert areas basedon hydrogeological conditions

目前，榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊已經(jīng)分割為5個煤層氣礦業(yè)權(quán)掛牌出讓，根據(jù)目前排采的情況，榆社東區(qū)塊和榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊最大日產(chǎn)氣量超過1 000m3的生產(chǎn)井均位于本次預(yù)測的甜點區(qū)內(nèi)，說明通過水文地質(zhì)條件預(yù)測煤層氣甜點區(qū)具有一定的可行性。

3 結(jié)論

綜上所述，地下水系統(tǒng)對于煤層氣富集有著緊密的聯(lián)系，在榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊，地下水動力條件直接影響到了煤層的分布。筆者通過對水文地質(zhì)條件的分析，建立煤層氣富集模型并對榆社—武鄉(xiāng)區(qū)塊煤層氣開發(fā)甜點區(qū)進行預(yù)測。根據(jù)目前已施工排采井的排采情況，預(yù)測的2處甜點區(qū)基本吻合。