水文地質(zhì)條件對煤層氣富集的影響

  在煤層氣富集成藏和煤層氣開(kāi)發(fā)研究中水文地質(zhì)研究具有十分重要的意義，其中地下水水動(dòng)力系統和水化學(xué)特征研究是分析水文地質(zhì)對煤層氣富集影響的重點(diǎn)內容。

 

  1 地層水含量與煤層氣吸附量的關(guān)系

 

  地層水含量是水文地質(zhì)研究中首要考慮的內容，在煤層中,煤對水和甲烷的吸附作用是同時(shí)存在的。由于煤孔隙表面吸著(zhù)水或薄膜水分的存在，必定影響到煤對甲烷氣體的吸附能力與吸附量。

 

  實(shí)驗、測試結果表明，在煤層中的水分達到臨界水分之前，隨著(zhù)煤層本身含水量的增加，煤對甲烷氣體的吸附量具有明顯降低的趨勢， 但當水分含量達到或超過(guò)臨界水分含量時(shí)， 增加的水分就不再對吸附作用產(chǎn)生影響。因此地層水含量較高會(huì )在一定程度上造成煤層吸附氣的降低， 不利于煤層氣的富集。

 

  2 水動(dòng)力條件對煤層氣富集的影響

 

  水動(dòng)力條件是水文地質(zhì)對煤層氣富集影響中的關(guān)鍵因素之一，它對煤層氣的富集既有建設性作用也有破壞作用。根據地層水的流動(dòng)狀態(tài)，可將地下水動(dòng)力系統劃分為供水區帶、強交替區帶、弱交替區帶、滯緩區帶、滯留區帶及泄水區帶六大類(lèi)。其中，滯緩類(lèi)中的封閉亞類(lèi)及滯留類(lèi)中的封閉亞類(lèi)為最佳水文條件，對煤層氣富集、保存最為有利，是有利勘探區。對中、高煤階和低煤階煤層而言，滯流區往往是中、高煤階煤層氣聚集的最佳場(chǎng)所，緩流區域多為低煤階煤層氣主要富集區。而水動(dòng)力較強的交替區帶和泄水區帶對煤層氣富集成藏具有破壞性作用，往往形成煤層氣貧瘠區。

 

  2.1 地下水動(dòng)力條件對含氣量的影響

 

  煤層中流動(dòng)的地下水動(dòng)力對煤層氣的含量影響很大， 流動(dòng)水對煤層長(cháng)期沖洗必將導致煤層氣的大量散失。在平面上和剖面上，水動(dòng)力條件強的地區，煤層氣的含量??；相反，在水動(dòng)力不活躍地區，或滯流水區域， 煤層氣的含量則比較高。另外，在煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，很多現象也表明：地下水活躍地區瓦斯涌出量小，反之瓦斯涌出量就大。例如位于遼寧省西部阜新市的王營(yíng)子井就是如此。

 

  在特定條件下水動(dòng)力系統還可促進(jìn)次生生物氣的生成，形成煤層氣的一個(gè)補充來(lái)源。如美國圣胡安盆地， 盆地北部超高壓區煤層氣為富CO2的干氣，南部低壓區煤層氣則為貧CO2的濕氣。在區域抬升后又遭受剝蝕的盆地邊緣，雨水進(jìn)入可滲透煤層中，細菌隨流動(dòng)水也一起遷移到煤層中。在細菌的降解和自身代謝活動(dòng)作用下，生成了次生生物成因氣，它是煤層氣的一個(gè)補充來(lái)源， 并有可能形成異常高的氣體產(chǎn)量。

 

  2.2 水動(dòng)力條件的控氣特征

 

  水動(dòng)力條件不僅對煤層氣的含量和碳同位素有影響，還是煤層氣富集成藏的一個(gè)重要因素。地下水動(dòng)力學(xué)條件的控氣特征可概括為水力運移逸散、水力封閉與水力封堵作用［3-4］，其中，水力封閉和水力封堵作用有利于煤層氣保存，水力運移逸散作用則會(huì )導致煤層氣的散失。

 

  2.2.1 水力運移逸散控氣作用

 

  水力運移逸散控氣作用常見(jiàn)于導水性強的斷層

 

  構造發(fā)育地區，通過(guò)導水斷層或裂隙溝通煤層與含水層水文地質(zhì)單元的補、徑、排系統，含水層富水性與水動(dòng)力強，含水層與煤層水力聯(lián)系較好。在地下水的運動(dòng)過(guò)程中，地下水攜帶煤層中氣體運移而逸散，常形成煤層氣貧瘠區。

 

  2.2.2 水力封閉控氣作用

 

  水力封閉控氣作用有利于煤層氣的富集，它多發(fā)生在構造簡(jiǎn)單、斷層不甚發(fā)育的寬緩向斜或單斜中，主要特征為：（1）斷裂構造具有阻水的性質(zhì)，煤系地層上部和下部存在良好隔水層；（2）區域水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層直接充水，含水層多為煤系中砂巖裂隙水，含水性微弱，滲透系數低，地下水逕流緩慢甚至停滯；（3）含水層補給僅限于淺部露頭的大氣降水；（4）地下水以靜水壓力、重力驅動(dòng)方式流動(dòng)，地下水是封閉狀態(tài)，煤層氣受水力封閉作用而富集。

 

  這種類(lèi)型的水力控氣作用在我國分布廣泛，具有普遍意義，沁水盆地就是該類(lèi)的典型。

 

  沁水盆地平面上有多個(gè)水力系統，主要受控于分水嶺，其盆地南部為匯水區，呈單斜向盆地內延伸，斷層不發(fā)育。沁水盆地南部的這種水文地質(zhì)條件（圖1）阻止了煤層氣向淺部擴散，水流趨于停滯。

 

  地下水沿煤層、含水層露頭補給，向深部運移，逕流強度由強變弱， 并在空間上依次形成了補給區-逕流帶-滯流帶。在淺部補給區是煤層氣逸散帶，含氣量低；深部滯流帶地下水逕流緩慢，形成煤層氣的有利聚集區。

 

  2.2.3 水力封堵控氣作用

 

  水力封堵控氣作用多見(jiàn)于不對稱(chēng)向斜或單斜中， 是煤層氣富集的有利因素。在一定壓力差條件下，煤層氣從高壓力區向低壓力區滲流，或者說(shuō)由深部向淺部滲流。壓力降低使煤層氣解吸，因此在煤層露頭及淺部形成煤層氣逸散帶。如果含水層或煤層從露頭接受補給，地下水順層由淺部向深部運動(dòng)，則煤層中向上擴散的氣體將被封堵， 致使煤層氣聚集富集成藏，形成煤層氣富集有利區。

 

  例如， 河北開(kāi)灤煤田開(kāi)平向斜上分布的一系列煤礦煤層氣特征就具有該特征。開(kāi)平向斜為一不對稱(chēng)向斜，西北翼陡，東南翼緩，兩翼巖石露頭西北翼高而東南翼低。地下水自西北翼的露頭補給，向東南翼排泄。在靠近向斜西北翼的軸部，形成了一個(gè)水徑流相對滯留的對流區域， 地下水徑流條件相對東南翼較差。在東南翼，地下水徑流條件較好。在向斜東北翼煤礦中， 煤層氣的含量明顯高于相近深度的向斜東南翼煤層氣含量。

 

  3 水化學(xué)特征對煤層氣富集的影響

 

  地下水的水化學(xué)特征對煤層氣的生成和富集成藏都有重要影響， 水化學(xué)特征研究?jì)热葜饕獮榈叵滤膒H 值﹑礦化度﹑礦物離子組分﹑礦物成分﹑同位素種類(lèi)等，這里主要分析pH 值﹑礦化度及礦物離子組分對煤層氣的影響。

 

  3.1 地層水pH 值對煤層氣的影響

 

  在煤層氣生成過(guò)程中， 甲烷菌的生長(cháng)需要合適的地化環(huán)境，首先是足夠強的還原條件，一般Eh＜-300mV 為宜（即地層水中的氧和SO42-依次全部被還原以后，才會(huì )大量繁殖）；其次對pH 值要求以靠近中性為宜，一般為6.0～8.0，最佳值為7.2～7.6；甲烷菌生長(cháng)溫度0～75℃，最佳值37～42℃。沒(méi)有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣，不利于煤層氣大量富集成藏。

 

  3.2 地層水離子組分對煤層氣的影響

 

  國內研究地層水礦物組分對煤層氣影響方面的資料較少， 我們可以根據不同礦物成分對煤層氣生氣作用的影響進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

 

  按成因類(lèi)型，煤層氣分為生物成因氣、熱成因氣和混合氣。生物成因氣形成的前提條件是豐富的有機質(zhì)和強還原條件， 在生氣過(guò)程中地層水離子成分和含量決定了地層水化學(xué)特征， 是影響生物氣生成過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素。熱成因氣是在溫度（大于50℃）和壓力作用下，煤中有機質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化形成的，而地層水離子含量和不同離子間的化學(xué)反應都會(huì )對水溫和水壓產(chǎn)生影響［5］。因此，可以間接的說(shuō)明地層水離子組分與煤層氣的生成是有聯(lián)系的。

 

  3.3 地層水礦化度對煤層氣富集的影響

 

  地層水的礦化度可以作為反映煤層氣運、聚、保存和富集成藏的一個(gè)重要指標，在一定礦化度條件下，地層水的循環(huán)表現為由高礦化度區向低礦化度區運動(dòng)，高礦化度區往往為地層水補給區。而且地層水高礦化度還將導致水頭壓力增大，可以在一定程度上促進(jìn)煤層氣的吸附。礦化度對煤層氣富集的影響要根據研究區的實(shí)際情況進(jìn)行綜合評價(jià)得出結論，根據前人的研究成果總結出的主要影響特征為：

 

  地層水高礦化度對中、高煤階煤層氣富集有利，低礦化度則有利于低煤階煤層氣的富集。

 

  3.3.1 地下水礦化度對高煤階煤層氣藏的影響

 

  中、高煤階煤成氣藏具有含氣量高，CH4百分含量高，儲層滲透率變化小，儲層改造難，構造熱事件對煤層氣的生成、富集貢獻大，持續的水動(dòng)力使氣藏遭到破壞，且破壞幅度大等特點(diǎn)。研究表明高礦化度有利于中、高煤階煤層氣藏的富集成藏。

 

  鄂爾多斯盆地南部東南緣地區可以證實(shí)以上影響特征，該區演化程度較高，屬貧煤，為高階煤。在區內鄉寧-吉縣一帶，有一相對滯留區，地下水流勢總體向西和南西方向流，中部區域為構造簡(jiǎn)單的滯留區，對煤層氣的保存有利。滯留區內地層水礦化度相對周?chē)^高，生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)該區已經(jīng)獲得持續的煤層氣氣流。

 

  3.3.2 地下水礦化度對低煤階煤層氣氣藏的影響地下水格局能對煤層氣氣藏的調整和改造起決定性作用，地層水礦化度對低煤階煤層氣的生成具有很大影響。

 

  低階煤層中的煤層氣主要來(lái)源于熱成因氣和次生熱成因氣， 低階煤層氣藏成藏需要有一個(gè)利于甲烷生成、成長(cháng)和富集的環(huán)境，合適的溫度和地下水礦化度。如果埋深是地下水的滯留區，礦化度非常高，不利于甲烷菌的活動(dòng)。根據劉洪林等人對地下水化學(xué)場(chǎng)模擬實(shí)驗得出的結論， 高礦化度造成低煤階煤儲層吸附能力的降低， 游離氣隨著(zhù)水力作用發(fā)生運移和散失， 同時(shí)隨著(zhù)儲層壓力降低到臨界解吸壓力時(shí)，吸附氣體不斷發(fā)生解吸、擴散、滲流和運移，最終導致煤層氣含氣量降低，煤層氣藏遭到嚴重破壞。

 

  所以對于低煤階煤層氣藏而言， 地下水礦化度越低越利于煤層氣的富集成藏。

 

  以低階褐煤為主的吐哈盆地證明了地層水礦化度對低階煤層氣含量的影響特征。吐哈盆地地層水礦化度高達16 000mg/L，含氣量測試小于3m3 ／ t（見(jiàn)表1）, 研究證明造成含氣量如此小的主要原因是高礦化度的地下水條件， 一方面破壞了低煤階甲烷菌的生長(cháng)和生物氣的生成， 另一方面降低了該區的煤層氣吸附能力，使得氣體隨水力作用發(fā)生運移散失，對煤層氣藏的保存極為不利。

 

  4 結語(yǔ)

 

  煤層氣的生成、富集、運移等一系列過(guò)程都與地層水有著(zhù)十分密切的聯(lián)系，對煤層氣的研究自然少不了對水文地質(zhì)的深入調查，由于煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)在我國起步較晚，在水文地質(zhì)對煤層氣的影響方面的研究比較薄弱。雖然地下水水文地質(zhì)研究是個(gè)非常復雜的過(guò)程，但沁水盆地、吐哈盆地等區塊的研究已經(jīng)證明水文地質(zhì)研究可以為煤層氣富集區的勘探和煤層氣的開(kāi)發(fā)等提供有力支撐，有待深入研究。