水文地质条件对煤层气赋存的控制作用

  煤层气主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中, 地下水系统通过地层压力对煤层气吸附聚集起控制作用.

 

  因此, 水文地质条件对煤层气赋存、运移影响很大, 对煤层气的开采至关重要, 本文着重讨论前者, 水文地质条件对煤层气产能的影响将另文阐述.从现有资料分析, 可将水文地质控气作用概括为3 种特征:① 水力运移逸散作用;② 水力封闭作用;③ 水力封堵作用.其中, 第1 种作用导致煤层气运移、散失, 后两种作用则有利于煤层气保存、富集.

 

  1  水力运移逸散作用

 

  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、排系统完整, 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.与煤层有水力联系的含水层包括煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层、煤系中灰岩岩溶裂隙含水层和砂岩裂隙含水层及新生界松散孔隙含水层.在我国具有这种控气特征的地区分布广泛.

 

  1.1  煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层径流对煤层气运移逸散的控制在华北, 凡因断裂发育, 煤系与下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层强径流带产生水力联系的地区, 往往也是煤层气贫乏地区.如:华北太行山东麓煤田的西侧、开滦矿区开平向斜东南翼、鲁西南和鲁西北等地区都具有这种控气特征, 其中以河北峰峰矿区最为典型.

 

  峰峰矿区为一伸展断块构造, 张性断层发育.鼓山西的和村-孙庄向斜的构造线方向主要以NE 向为主, 地下水流动方向与断裂平行或近似平行, 形成了地下水的强径流带.煤系地层与下伏中奥陶系灰岩含水层之间存在水力联系.随着储层压力降低, 导致煤层吸附气解吸, 并随强烈的地下水径流发生运移(图1).地下水径流或含水层遇巨大隔水断裂阻隔时, 地下水上升流出地面, 携带煤层气逸散, 造成地下水补给区至隔水断裂之间地带煤层的含气量降低.在河北邢台矿区、河南安阳矿区珍珠泉以西块段、鹤壁矿区小南海泉群以西块段等地都有类似情况, 以致这些地区的煤层气含量偏低.

 

  1.2  煤系中灰岩岩溶裂隙含水层或砂岩裂隙含水层径流对煤层气运移逸散的控制若煤系中灰岩岩溶裂隙含水层或砂岩裂隙含水层的水动力强, 并通过导水断层或裂隙与煤层之间产生水力联系, 将造成煤层气含量降低.

 

  以陕西韩城矿区为例, 韩城矿区山西组含3 号煤层,太原组含5 号煤层和11 号煤层.3 号煤层含气量高于5号煤层和11 号煤层.5 号煤层顶部山西组底部的K4 砂岩, 10 , 11 号煤层上部的石炭系K2 灰岩是煤层直接充水含水层.K4 和K2 之间无明显的隔水层, 合为一个含水层, 灰岩岩溶裂隙含水层富水、透水性较强, 地下水流动带动煤层中煤层气运移, 在裂隙岩溶发育地段或断裂带附近逸散, 导致煤层气含量偏低.

 

  1.3  煤系上覆新生界松散孔隙含水层径流对煤层气运移逸散的控制在煤系隐伏地区上覆新生界地层, 当新生界松散孔隙含水层具有良好富水性和水动力条件, 且具有较完整的补、径、排条件时, 地下水径流作用将携带煤层气运移逸散.

 

  开平向斜新生界松散孔隙含水层厚约600 余米, 含水丰富, 渗透性好, 其单位涌水量北部为3 ～ 11 L/(s·m), 南部为0.286 ～ 1.704 L/(s·m), 渗透系数0.896 ～20.626 m/d , 矿化度290.0 ～ 386.0 mg/L , 水化学类型为HCO3 -Ca·Mg 型, 它不整合于煤系地层之上, 与煤系地层的主要含水层即煤12下砂岩和煤5上砂岩裂隙含水层相接触.新生界松散孔隙含水层接受大气降水并接受奥陶系灰岩的补给后, 把充沛的水量补给煤12下和煤5上的砂岩裂隙含水层, 该含水层在浅部由于受褶皱的影响裂隙非常发育, 含水性和渗透性能都非常好, 成为地下水径流的良好通道, 然后在东南方向新生界松散层较厚地段(800 ～ 1 000 m)处, 重又补给新生界松散含水层,形成了较完整的补、径、排条件(图2).煤12下和煤5上砂岩裂隙含水层把煤系地层中的煤层气携移, 这是向斜东南翼的林西、吕家驼、范各庄等井田煤层含气量降低的原因之一.

 

  2  水力封闭控气作用

 

  水力封闭控气作用发生于断裂不甚发育的宽缓向斜或单斜中, 而且断裂构造主要为不导水性断裂, 特别是一些边界断层, 具有挤压、逆掩性质, 成为隔水边界.煤系地层上部和下部存在良好隔水层, 煤系地层中含水层与上覆新生界松散孔隙含水层、下伏灰岩岩溶裂隙含水层无水力联系.区域水文地质条件简单.

 

  煤层直接充水含水层为顶板含水层, 含水层水动力较弱, 地下水径流缓慢甚至停滞.地下水以静水压力、重力驱动方式流动.含水层靠浅部露头的大气降水补给.水力封闭控气作用中一般发生在深部, 地下水通过压力传递作用, 使煤层气吸附于煤中, 煤层气相对富集而不发生运移, 煤层含气量较高.在华北地区这种水力封闭作用分布广泛, 具有普遍意义.

 

  以山西晋城矿区潘庄井田为例.该区总体上表现为单斜构造形式, 次一级褶皱发育, 在次级向斜部位是煤层气富集区.断层不发育, 仅有落差约10 m 的稀疏小断层.水文地质条件简单, 煤系下伏奥陶系灰岩含水层、太原组含水层、山西组含水层、上下石盒子组及新生界含水层相互独立, 没有水力联系.煤系下伏巨厚高度岩溶化的寒武-奥陶系灰岩与含煤地层组之间有厚达35 ～ 50 m 的本溪组隔水层相隔, 中奥陶统峰峰组岩溶发育差, 富水性极弱, 单位涌水量极低, 对其下伏灰岩岩溶含水层也起到了相对隔水作用.太原组15 号煤层直接被灰岩含水层覆盖, 灰岩含水层富水, 但径流强度弱.山西组3 煤顶板砂岩裂隙含水层, 含水性弱, 渗透系数低, 矿化度高, 深部地下水流动缓慢.这两套含水层以静水压力形式把煤层中的煤层气封闭起来.从太原组和山西组含水层等势图分析, 晋城矿区煤系地层地下水从NE , SW 向潘庄井田汇流, 使潘庄井田地区形成低地下水等势面, 出现一种高压力区, 这种高压力分布区与高含气量分布区相吻合, 显然地下水对煤层气产生封闭作用, 这是本区煤层含气量高、煤层气富集的一个主要原因.

 

  3  水力封堵控气作用

 

  水力封堵控气特征常见于不对称向斜或单斜中.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是煤层气逸散带.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.

 

  3.1  煤系中的含水层或煤层

 

  地下水径流方向与煤层气顺层运移方向相反, 地下水运动对煤层气运移起封堵作用, 有利于煤层气的保存.以开滦矿区为例, 开平向斜为一不对称向斜, 西北翼陡, 东南翼缓.两翼岩层露头为西北翼高而东南翼低, 造成地下水由新生界松散孔隙含水层由西北翼补给, 向东南翼排泄.因此,西北翼地下水径流方向与煤层气顺层运移方向相反, 煤层本身基本上也不存在地下水的垂向补给, 有利于煤层气的保存, 这是向斜西北翼马家沟井田和唐山井田煤层含气量高的原因之一.而东南翼由于地下水顺层方向运动, 与煤层气运移方向相同, 导致煤层气顺地下水径流而运移逸散(属于水力运移逸散作用).

 

  3.2  煤系上覆含水层

 

  另一种情况, 在隐伏煤田, 煤系地层被厚度较大的新生界地层覆盖, 新生界松散含水层由于径流弱,处于相对封闭状态, 含水层对顺煤层向上运移的煤层气具有封堵作用.

 

  以淮南目标区为例, 该区主要含水层为新生界松散孔隙含水层, 煤系砂岩与灰岩裂隙含水层.新生界松散孔隙含水层自上而下分为4 层含水层, 3 层隔水层, 总厚为200 ～ 700 m , 其中三含和底部含水层(简称“底含”)与下伏煤系地层直接接触.三含含水层厚度54.0 m , 单位涌水量0.025 ～ 2.3 L/(s·m), 渗透系数0.82 ～ 15.98 m/d , 含水性弱到中等, 水质类型Cl -Na 型水.而底含含水层厚度为50 m , 单位涌水量为0.017 6 ～ 0.83 L/(s·m), 渗透系数0.002 8 ～ 2.37 m/d , 含水性弱, 水质类型Cl -Na 型水.由于上部3 层隔水层的阻隔, 使煤系地下水补给来源贫乏, 水平运移缓慢, 垂直渗透性差, 近于封闭状态, 以储存量为主的含水层.因此, 在这一地区的单斜、向斜构造中, 煤系地层凡与“底含” 接触区, 如张集、潘集(背斜南翼)、谢李深部等井田煤层中的煤层气都比较富集.

 

  4  结  语

 

  水文地质条件控气具有双重性, 它既可导致煤层气逸散, 又能起到保存聚集煤层气的作用.其根本原因是含水层压力的变化.煤储层和顶板含水层构成一个完整的地下水系统, 在高储层压力、高含水层势能的地区, 也是煤层气富集的地区.而在地下水排泄区, 储层压力和含水层势能降低, 煤层气逸散.深入研究煤层气聚集区的水文地质条件, 含水层水动力场特征, 含水层的补、径、排系统和边界条件, 以及含水层与煤层组合关系, 含水层势能及其渗透性能在三维方向上的变化, 对分析煤层气富集以及预测煤层气井产能和区域煤层气生产潜力都具有十分重要的意义.