水文地质条件对煤层气富集的影响

  在煤层气富集成藏和煤层气开发研究中水文地质研究具有十分重要的意义，其中地下水水动力系统和水化学特征研究是分析水文地质对煤层气富集影响的重点内容。

 

  1 地层水含量与煤层气吸附量的关系

 

  地层水含量是水文地质研究中首要考虑的内容，在煤层中,煤对水和甲烷的吸附作用是同时存在的。由于煤孔隙表面吸着水或薄膜水分的存在，必定影响到煤对甲烷气体的吸附能力与吸附量。

 

  实验、测试结果表明，在煤层中的水分达到临界水分之前，随着煤层本身含水量的增加，煤对甲烷气体的吸附量具有明显降低的趋势， 但当水分含量达到或超过临界水分含量时， 增加的水分就不再对吸附作用产生影响。因此地层水含量较高会在一定程度上造成煤层吸附气的降低， 不利于煤层气的富集。

 

  2 水动力条件对煤层气富集的影响

 

  水动力条件是水文地质对煤层气富集影响中的关键因素之一，它对煤层气的富集既有建设性作用也有破坏作用。根据地层水的流动状态，可将地下水动力系统划分为供水区带、强交替区带、弱交替区带、滞缓区带、滞留区带及泄水区带六大类。其中，滞缓类中的封闭亚类及滞留类中的封闭亚类为最佳水文条件，对煤层气富集、保存最为有利，是有利勘探区。对中、高煤阶和低煤阶煤层而言，滞流区往往是中、高煤阶煤层气聚集的最佳场所，缓流区域多为低煤阶煤层气主要富集区。而水动力较强的交替区带和泄水区带对煤层气富集成藏具有破坏性作用，往往形成煤层气贫瘠区。

 

  2.1 地下水动力条件对含气量的影响

 

  煤层中流动的地下水动力对煤层气的含量影响很大， 流动水对煤层长期冲洗必将导致煤层气的大量散失。在平面上和剖面上，水动力条件强的地区，煤层气的含量小；相反，在水动力不活跃地区，或滞流水区域， 煤层气的含量则比较高。另外，在煤矿生产实践中，很多现象也表明：地下水活跃地区瓦斯涌出量小，反之瓦斯涌出量就大。例如位于辽宁省西部阜新市的王营子井就是如此。

 

  在特定条件下水动力系统还可促进次生生物气的生成，形成煤层气的一个补充来源。如美国圣胡安盆地， 盆地北部超高压区煤层气为富CO2的干气，南部低压区煤层气则为贫CO2的湿气。在区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘，雨水进入可渗透煤层中，细菌随流动水也一起迁移到煤层中。在细菌的降解和自身代谢活动作用下，生成了次生生物成因气，它是煤层气的一个补充来源， 并有可能形成异常高的气体产量。

 

  2.2 水动力条件的控气特征

 

  水动力条件不仅对煤层气的含量和碳同位素有影响，还是煤层气富集成藏的一个重要因素。地下水动力学条件的控气特征可概括为水力运移逸散、水力封闭与水力封堵作用［3-4］，其中，水力封闭和水力封堵作用有利于煤层气保存，水力运移逸散作用则会导致煤层气的散失。

 

  2.2.1 水力运移逸散控气作用

 

  水力运移逸散控气作用常见于导水性强的断层

 

  构造发育地区，通过导水断层或裂隙沟通煤层与含水层水文地质单元的补、径、排系统，含水层富水性与水动力强，含水层与煤层水力联系较好。在地下水的运动过程中，地下水携带煤层中气体运移而逸散，常形成煤层气贫瘠区。

 

  2.2.2 水力封闭控气作用

 

  水力封闭控气作用有利于煤层气的富集，它多发生在构造简单、断层不甚发育的宽缓向斜或单斜中，主要特征为：（1）断裂构造具有阻水的性质，煤系地层上部和下部存在良好隔水层；（2）区域水文地质条件简单，煤层直接充水，含水层多为煤系中砂岩裂隙水，含水性微弱，渗透系数低，地下水迳流缓慢甚至停滞；（3）含水层补给仅限于浅部露头的大气降水；（4）地下水以静水压力、重力驱动方式流动，地下水是封闭状态，煤层气受水力封闭作用而富集。

 

  这种类型的水力控气作用在我国分布广泛，具有普遍意义，沁水盆地就是该类的典型。

 

  沁水盆地平面上有多个水力系统，主要受控于分水岭，其盆地南部为汇水区，呈单斜向盆地内延伸，断层不发育。沁水盆地南部的这种水文地质条件（图1）阻止了煤层气向浅部扩散，水流趋于停滞。

 

  地下水沿煤层、含水层露头补给，向深部运移，迳流强度由强变弱， 并在空间上依次形成了补给区-迳流带-滞流带。在浅部补给区是煤层气逸散带，含气量低；深部滞流带地下水迳流缓慢，形成煤层气的有利聚集区。

 

  2.2.3 水力封堵控气作用

 

  水力封堵控气作用多见于不对称向斜或单斜中， 是煤层气富集的有利因素。在一定压力差条件下，煤层气从高压力区向低压力区渗流，或者说由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解吸，因此在煤层露头及浅部形成煤层气逸散带。如果含水层或煤层从露头接受补给，地下水顺层由浅部向深部运动，则煤层中向上扩散的气体将被封堵， 致使煤层气聚集富集成藏，形成煤层气富集有利区。

 

  例如， 河北开滦煤田开平向斜上分布的一系列煤矿煤层气特征就具有该特征。开平向斜为一不对称向斜，西北翼陡，东南翼缓，两翼岩石露头西北翼高而东南翼低。地下水自西北翼的露头补给，向东南翼排泄。在靠近向斜西北翼的轴部，形成了一个水径流相对滞留的对流区域， 地下水径流条件相对东南翼较差。在东南翼，地下水径流条件较好。在向斜东北翼煤矿中， 煤层气的含量明显高于相近深度的向斜东南翼煤层气含量。

 

  3 水化学特征对煤层气富集的影响

 

  地下水的水化学特征对煤层气的生成和富集成藏都有重要影响， 水化学特征研究内容主要为地下水的pH 值﹑矿化度﹑矿物离子组分﹑矿物成分﹑同位素种类等，这里主要分析pH 值﹑矿化度及矿物离子组分对煤层气的影响。

 

  3.1 地层水pH 值对煤层气的影响

 

  在煤层气生成过程中， 甲烷菌的生长需要合适的地化环境，首先是足够强的还原条件，一般Eh＜-300mV 为宜（即地层水中的氧和SO42-依次全部被还原以后，才会大量繁殖）；其次对pH 值要求以靠近中性为宜，一般为6.0～8.0，最佳值为7.2～7.6；甲烷菌生长温度0～75℃，最佳值37～42℃。没有这些外部条件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷气，不利于煤层气大量富集成藏。

 

  3.2 地层水离子组分对煤层气的影响

 

  国内研究地层水矿物组分对煤层气影响方面的资料较少， 我们可以根据不同矿物成分对煤层气生气作用的影响进行简单分析。

 

  按成因类型，煤层气分为生物成因气、热成因气和混合气。生物成因气形成的前提条件是丰富的有机质和强还原条件， 在生气过程中地层水离子成分和含量决定了地层水化学特征， 是影响生物气生成过程中的一个关键因素。热成因气是在温度（大于50℃）和压力作用下，煤中有机质发生一系列物理、化学变化形成的，而地层水离子含量和不同离子间的化学反应都会对水温和水压产生影响［5］。因此，可以间接的说明地层水离子组分与煤层气的生成是有联系的。

 

  3.3 地层水矿化度对煤层气富集的影响

 

  地层水的矿化度可以作为反映煤层气运、聚、保存和富集成藏的一个重要指标，在一定矿化度条件下，地层水的循环表现为由高矿化度区向低矿化度区运动，高矿化度区往往为地层水补给区。而且地层水高矿化度还将导致水头压力增大，可以在一定程度上促进煤层气的吸附。矿化度对煤层气富集的影响要根据研究区的实际情况进行综合评价得出结论，根据前人的研究成果总结出的主要影响特征为：

 

  地层水高矿化度对中、高煤阶煤层气富集有利，低矿化度则有利于低煤阶煤层气的富集。

 

  3.3.1 地下水矿化度对高煤阶煤层气藏的影响

 

  中、高煤阶煤成气藏具有含气量高，CH4百分含量高，储层渗透率变化小，储层改造难，构造热事件对煤层气的生成、富集贡献大，持续的水动力使气藏遭到破坏，且破坏幅度大等特点。研究表明高矿化度有利于中、高煤阶煤层气藏的富集成藏。

 

  鄂尔多斯盆地南部东南缘地区可以证实以上影响特征，该区演化程度较高，属贫煤，为高阶煤。在区内乡宁-吉县一带，有一相对滞留区，地下水流势总体向西和南西方向流，中部区域为构造简单的滞留区，对煤层气的保存有利。滞留区内地层水矿化度相对周围较高，生产实践证实该区已经获得持续的煤层气气流。

 

  3.3.2 地下水矿化度对低煤阶煤层气气藏的影响地下水格局能对煤层气气藏的调整和改造起决定性作用，地层水矿化度对低煤阶煤层气的生成具有很大影响。

 

  低阶煤层中的煤层气主要来源于热成因气和次生热成因气， 低阶煤层气藏成藏需要有一个利于甲烷生成、成长和富集的环境，合适的温度和地下水矿化度。如果埋深是地下水的滞留区，矿化度非常高，不利于甲烷菌的活动。根据刘洪林等人对地下水化学场模拟实验得出的结论， 高矿化度造成低煤阶煤储层吸附能力的降低， 游离气随着水力作用发生运移和散失， 同时随着储层压力降低到临界解吸压力时，吸附气体不断发生解吸、扩散、渗流和运移，最终导致煤层气含气量降低，煤层气藏遭到严重破坏。

 

  所以对于低煤阶煤层气藏而言， 地下水矿化度越低越利于煤层气的富集成藏。

 

  以低阶褐煤为主的吐哈盆地证明了地层水矿化度对低阶煤层气含量的影响特征。吐哈盆地地层水矿化度高达16 000mg/L，含气量测试小于3m3 ／ t（见表1）, 研究证明造成含气量如此小的主要原因是高矿化度的地下水条件， 一方面破坏了低煤阶甲烷菌的生长和生物气的生成， 另一方面降低了该区的煤层气吸附能力，使得气体随水力作用发生运移散失，对煤层气藏的保存极为不利。

 

  4 结语

 

  煤层气的生成、富集、运移等一系列过程都与地层水有着十分密切的联系，对煤层气的研究自然少不了对水文地质的深入调查，由于煤层气勘探与开发在我国起步较晚，在水文地质对煤层气的影响方面的研究比较薄弱。虽然地下水水文地质研究是个非常复杂的过程，但沁水盆地、吐哈盆地等区块的研究已经证明水文地质研究可以为煤层气富集区的勘探和煤层气的开发等提供有力支撑，有待深入研究。