水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣開采的影響研究

荊志杰

（山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，太原 030001）

水文地質(zhì)是影響煤層氣開采的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)前絕大部分煤層氣的開采都是通過(guò)三個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一，排出煤層氣的地下水，降低煤層氣的煤儲(chǔ)層壓力；第二，在煤儲(chǔ)層壓力降低到一定程度之后，開始解析煤層氣；第三，在煤層氣達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)之后，通過(guò)相關(guān)機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)煤層氣的開采[1]。由此可見，在煤層氣開采過(guò)程中，降壓排水是最為主要的開采措施，換而言之，水文地質(zhì)條件在煤層氣開采過(guò)程中起到?jīng)Q定性作用。

1 我國(guó)煤層氣的基本情況

相對(duì)于天然氣的形成機(jī)制而言，煤層氣的形成機(jī)制與之存在較大的差異，煤層氣藏增長(zhǎng)的基本因素涵蓋煤層條件、壓力條件以及保存條件等，煤層的煤級(jí)、厚度等構(gòu)成煤層條件，這也是形成煤層氣藏的物質(zhì)方面基礎(chǔ)因素[2]。此外，煤層氣藏的形成還需要壓力密封，并且需要完善的保層條件，才能夠?qū)⑺纬傻拿簩託獗４嬷两瘛?/p>

我國(guó)擁有豐富的煤層氣資源，相關(guān)勘探結(jié)果表明，我國(guó)儲(chǔ)存深度在2 000 m以下的淺層煤層氣資源超過(guò)340萬(wàn)億m3，而我國(guó)華北地區(qū)擁有超過(guò)一半的煤層氣資源，除此之外，我國(guó)的南方和西北地區(qū)也有較大的煤層氣儲(chǔ)存量[3]。我國(guó)的煤層氣主要賦存于上古生界煤儲(chǔ)層中，由于煤層地質(zhì)普遍都經(jīng)歷多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，所以煤儲(chǔ)層的構(gòu)造存在強(qiáng)烈形變，煤的多階段演化和多熱源疊加變質(zhì)作用較為明顯，多重因素的共同影響使得開發(fā)煤層氣面臨較大的難度。我國(guó)相對(duì)于美國(guó)的煤層氣開采而言情況更為復(fù)雜，所以需要在開采過(guò)程中進(jìn)一步處理，開發(fā)利用煤層氣需要先明確煤層氣賦存的地質(zhì)控制因素，這也是當(dāng)前開采利用煤層氣所需要關(guān)注的重點(diǎn)之一[4]。

2 水文和地質(zhì)條件對(duì)于煤層氣賦存的影響

2.1 水文特征對(duì)于煤層氣賦存和開采的影響

水文特征對(duì)于煤層氣賦存和開采的影響程度較大，在煤層中，其煤儲(chǔ)層和頂板含水層互相影響，并構(gòu)成完整的地下水系統(tǒng)，同時(shí)煤層氣存儲(chǔ)于煤的縫隙之中，處于吸附狀態(tài)，而地下水系統(tǒng)能夠?qū)γ簩託獾奈綘顟B(tài)進(jìn)行控制[5]。如果所處區(qū)域存在高儲(chǔ)層壓力和高含水層勢(shì)能，煤層氣會(huì)大量富集，如果缺乏上述條件，則煤層氣會(huì)逸散，無(wú)法富集。就當(dāng)前我國(guó)水文特征和煤層氣之間的關(guān)系而言，水文特征對(duì)于煤層氣賦存和開采的影響主要分為如下三個(gè)方面。

2.1.1 水力的轉(zhuǎn)移與逸散作用

在擁有較強(qiáng)導(dǎo)水性的地質(zhì)區(qū)域，水力的轉(zhuǎn)移與逸散作用表現(xiàn)得較為突出，其可以通過(guò)相應(yīng)的導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛄严哆M(jìn)行聯(lián)通。地下水在流動(dòng)的過(guò)程中可以有效促進(jìn)煤層氣的解吸，將其從煤的縫隙中轉(zhuǎn)移出，使得其成為游離狀態(tài)并溶解于地下水，再由地下水的流動(dòng)將煤層氣帶走，出現(xiàn)區(qū)域性煤層氣缺乏的情況。

2.1.2 水力封閉控氣作用

水力封閉控氣作用能夠?qū)γ簩託獾馁x存進(jìn)行有效控制，這一現(xiàn)象在斷層發(fā)育較弱的斜向地帶較容易出現(xiàn)，但其必須建立在斷層帶不具有導(dǎo)水性甚至斷層能夠形成一定隔水層的基礎(chǔ)上，只有對(duì)導(dǎo)水作用進(jìn)行有效抑制，這一現(xiàn)象才容易出現(xiàn)[6]。在水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單的情況下，煤層本身為含水層，因?yàn)樗l件較差，地下水的流動(dòng)速度較慢，同時(shí)因?yàn)橹亓σ蛩氐挠绊?，在煤層較深的部位，地下水多是以靜水壓力形式流動(dòng)，如此可以使得煤層氣緊緊地吸附在煤中，進(jìn)而出現(xiàn)煤層氣富集的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣轉(zhuǎn)移的有效控制，如此會(huì)顯著提高煤層氣的含量。當(dāng)前，我國(guó)豫西焦作、華北地區(qū)沁水盆地等地區(qū)的煤層氣都是由水力封閉作用形成的。

2.1.3 水力封堵控氣作用

水力封閉控氣作用在不對(duì)稱向斜和單斜的地質(zhì)條件下較為常見，該作用的存在對(duì)于煤層氣的賦存較為有利，由于壓力差的存在，煤層氣會(huì)由高壓區(qū)域向相對(duì)低壓區(qū)域轉(zhuǎn)移，或者是由深部逐漸滲透到淺部，因?yàn)閴毫Φ臏p少，原來(lái)吸附于煤層中的煤層氣會(huì)逐漸逸散，并且形成逸散區(qū)域，如果在此情況下，地下水由淺部向深部流動(dòng)，則會(huì)對(duì)煤層氣向上擴(kuò)散形成阻礙，進(jìn)而將逸散的煤層氣重新富集[7]。水力運(yùn)移逸散作用會(huì)導(dǎo)致煤層氣出現(xiàn)轉(zhuǎn)移和逸散，而水力封閉控氣作用和水力封堵控氣作用可以促進(jìn)煤層氣的富集，通過(guò)相關(guān)水文特征，人們可以大概了解煤層氣的賦存情況。所以，在勘探煤層氣并準(zhǔn)備開采時(shí)，人們必須高度重視水文特征測(cè)試分析工作。

2.2 地質(zhì)特征對(duì)于煤層氣賦存和開采的影響

在研究煤層氣賦存和開采過(guò)程中，地質(zhì)構(gòu)造也是需要重點(diǎn)關(guān)注的因素之一。相關(guān)資料表明，地質(zhì)構(gòu)造在斷裂發(fā)育的地區(qū)，煤層氣的含量相對(duì)較低，而褶皺構(gòu)造發(fā)育的地區(qū)，其能夠促進(jìn)煤層氣的局部富集，相對(duì)于前者而言，煤層氣的含量更高。除此之外，煤層的埋深度與煤層自身的厚度也會(huì)對(duì)煤層氣中甲烷的含量產(chǎn)生影響，一般而言，煤層氣中的甲烷含量隨著煤層深度的增加而增加，在相同深度下，煤層氣中的甲烷含量隨著煤層厚度的增加而增加[8]。

2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造的變化作用

地質(zhì)構(gòu)造在數(shù)千萬(wàn)年間一直在持續(xù)演化中，并且在煤層之上不斷形成覆蓋層，由于數(shù)千年間覆蓋層的不斷增厚，對(duì)于煤層氣的存儲(chǔ)形成了極為良好的保存條件，其能夠有效控制煤層的壓力，并且對(duì)煤層氣存在的逸散情況有著較好的控制效果。除此之外，相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，地質(zhì)構(gòu)造的回返抬升在控制煤層氣方面起到較大的作用，會(huì)對(duì)煤層氣的存儲(chǔ)量產(chǎn)生直接影響。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造的回返抬升

數(shù)千萬(wàn)年間的地質(zhì)構(gòu)造演化過(guò)程中，勢(shì)必存在回返抬升的情況，即便是兩處煤層的埋藏深度相同，但是由于回返抬升的自身特點(diǎn)，如回返抬升的時(shí)間長(zhǎng)短以及時(shí)間早晚的差異，其蘊(yùn)含的煤層氣含量存在差異。相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，如果回返抬升的現(xiàn)象發(fā)生得較晚，則煤層氣的存儲(chǔ)量會(huì)更大，其主要是因?yàn)榛胤堤F(xiàn)象距離當(dāng)期時(shí)間更短，煤層氣逸散的時(shí)間較短，所以其逸散量較少。我國(guó)華北地區(qū)的東部與西部地區(qū)的煤層氣儲(chǔ)量之所以存在較大差異，就是因?yàn)榛胤堤l(fā)生的時(shí)間早晚不一[9]。

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不同

數(shù)千萬(wàn)年的自然演化形成了千姿百態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，對(duì)于煤層氣而言，其賦存效果直接受到地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的影響，相對(duì)封閉的構(gòu)造對(duì)于煤層氣的富集較為有利，而相對(duì)開放的構(gòu)造則會(huì)對(duì)煤層氣的逸散具有促進(jìn)作用，對(duì)于煤層氣的儲(chǔ)存產(chǎn)生不利影響。以褶皺地形區(qū)域?yàn)槔?，其向斜地區(qū)和背斜地區(qū)的閉合處能夠很好地促進(jìn)煤層氣的賦存，對(duì)于斷層地區(qū)，如果其存在較大的壓力，并且存在極為緊密的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，存在閉合特點(diǎn)，則其會(huì)具有較大的煤層氣儲(chǔ)量。

2.2.4 煤層和圍巖對(duì)于煤層氣賦存的影響

煤層直接頂、老頂以及直接底板等具有一定厚度范圍的巖層都被稱為煤層圍巖。有研究以T煤礦的勘查結(jié)果對(duì)煤層氣賦存情況進(jìn)行分析，T煤礦的2號(hào)和4號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r性主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖以及粉砂巖，頂?shù)装鍘r石較為緊密，存在較低的孔隙率、較差的滲透率[10]。所以，此處煤層頂?shù)装寰统蔀榇龠M(jìn)煤層氣賦存的關(guān)鍵因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，如果煤層頂板為灰?guī)r，具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，則此環(huán)境下很難形成高含量的煤層氣藏；如果煤層頂?shù)装鍨槟鄮r或粉砂巖，擁有相對(duì)較高含量的煤層氣。在對(duì)比2號(hào)與4號(hào)煤層分布后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其煤層分布情況較為穩(wěn)定，煤層的厚度達(dá)到5 m，可以稱作厚煤層。煤層厚度較大，很容易出現(xiàn)大量生烴資源，此環(huán)境對(duì)于煤層氣的賦存較為有利，所以此處的煤層氣含量較高，而且擁有較高的單位面積生烴量。較厚的煤層對(duì)于煤層瓦斯的保存較為有利，所以會(huì)導(dǎo)致煤層擁有較高的瓦斯含量。

3 結(jié)論

本文從水文條件與地質(zhì)條件兩個(gè)角度來(lái)分析其對(duì)煤層氣賦存的控制作用?？梢源_定，在煤層氣賦存方面，水文地質(zhì)條件可以起到極強(qiáng)的影響效果，它可以從多角度對(duì)煤層氣的形成、轉(zhuǎn)移以及存儲(chǔ)產(chǎn)生影響。所以，要加強(qiáng)對(duì)水文地質(zhì)條件的深入研究，充分了解水文條件對(duì)煤層氣賦存和開采的影響，了解地質(zhì)條件對(duì)煤層氣賦存的影響，在準(zhǔn)確判斷煤層中煤層氣含量和位置的同時(shí)，合理利用水文條件，更加科學(xué)、高效地實(shí)現(xiàn)煤層氣的開采，以促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。