雨旺區(qū)塊煤層氣水文地質(zhì)特征及開發(fā)潛力評價(jià)

李洋陽

(山西燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

滇東地區(qū)是我國南方重要的煤炭與煤層氣資源賦存區(qū)，煤層發(fā)育以上二疊統(tǒng)為主，具有“煤層層數(shù)多而薄、應(yīng)力高、弱富水、煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜”的典型地質(zhì)特征[1-2]。水文地質(zhì)條件對煤層氣的賦存、運(yùn)移影響很大，對煤層氣的開采至關(guān)重要。煤層氣資源的生成、富集和運(yùn)移等環(huán)節(jié)都與地層含水量、地層水離子成分等存在緊密聯(lián)系。由于不同水文地質(zhì)條件產(chǎn)生的作用不同，煤層氣在生成、富集以及運(yùn)移等方面存在本質(zhì)的區(qū)別[3]。地層水通過地層壓力對煤層氣的吸附和聚集起到控制作用，通常情況下煤層氣的排采需要通過排水降壓來實(shí)現(xiàn)[4-5]，水頭壓力、被疏排含水層的富水性及滲透性能等均對煤層氣的產(chǎn)能有著重要影響[6-8]，在“弱富水”地質(zhì)條件下的地區(qū)更為明顯。

在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，同時(shí)開采不同的層段會產(chǎn)生層間干擾，影響排水降壓乃至煤層氣資源量的釋放。因此，為最大程度開發(fā)煤層氣資源，關(guān)鍵要查清煤系地層內(nèi)的水文地質(zhì)特征及水動力條件，確定煤系地層煤層氣開采的優(yōu)選層段并進(jìn)行有序開采。

1 地質(zhì)概況

雨旺區(qū)塊是滇東地區(qū)重要的煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊，面積約82 km2。構(gòu)造上屬于云南老廠復(fù)背斜東翼，總體為一走向北東-南西、向南東傾的單斜(圖1)。主體褶曲為S401向斜和B401背斜，內(nèi)部有次一級的寬緩褶曲及稀少的走滑、斜交斷層。斷層以壓扭性為主，斷層破碎帶寬度不大，且多被泥質(zhì)充填或鈣質(zhì)膠結(jié)，導(dǎo)水性、富水性均較差，總體構(gòu)造發(fā)育較為簡單。

圖1 雨旺區(qū)塊構(gòu)造綱要

區(qū)內(nèi)出露地層由老到新有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、第四系。含煤地層包括上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長興組，龍?zhí)督M為研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)主要地層。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M厚341 m，含煤47 ～66層，一般為50層，含煤厚度37 ～ 47 m，一般為41 m，含煤系數(shù)為12%，含可采煤層17層，可采總厚11.68 m。長興組厚度約為20.88 m，其中煤層較薄且結(jié)構(gòu)較為單一，在研究區(qū)內(nèi)僅局部可采。區(qū)塊內(nèi)的煤級主要為無煙煤。

2 區(qū)塊水文地質(zhì)特征

2.1 煤系地層富水性分析

研究區(qū)出露各含水層在淺部接受大氣降水補(bǔ)給，由于地形切割和構(gòu)造的影響，就近于河溝谷處以泉點(diǎn)形式排泄，具有雨季補(bǔ)給常年排泄的特點(diǎn)[9]。研究區(qū)北部為高勢區(qū)，水位標(biāo)高約1 940 m，南部為深部滯留區(qū)，水位標(biāo)高約1 700 m(圖2)，相差約200 m，受地下水自重效應(yīng)，地下水流場方向?yàn)橛晌鞅敝翓|南。

圖2 地下水位標(biāo)高等值線

基于區(qū)塊抽水試驗(yàn)獲得單位涌水量、滲透系數(shù)以及影響半徑等水文數(shù)據(jù)(表1)。按照煤炭行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(MT/T 1091-2008)對含水層類型進(jìn)行劃分，區(qū)塊煤系含(隔)水層組由上到下可分為4層：煤系地層上覆相對隔水層組、煤系地層上段弱裂隙含水層組、煤系地層中段相對隔水層組以及煤系地層下段及茅口組強(qiáng)巖溶含水層組。

表1 研究區(qū)抽水試驗(yàn)成果

卡以頭組平均單位涌水量為0.003 575 L/(s·m)，富水類型為弱富水，平均滲透系數(shù)為0.003 066 m/d，屬于極弱透水巖層。上段(P3c-P3l3)弱裂隙含水層組發(fā)育1～ 16號煤層，平均單位涌水量為0.016 3 L/(s·m)，平均滲透系數(shù)為0.009 m/d，屬于弱富水類型。影響半徑介于17.046 ～ 89.48 m之間，平均41.91 m。影響半徑越大，指示相同抽采條件下的壓降漏斗擴(kuò)展能力越強(qiáng)[10]。中段(P3l2)相對隔水層組發(fā)育17～ 23號煤層，所測鉆孔單位涌水量為0.006 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.007 4 m/d，屬于弱富水類型。下段及茅口組(P2m-P3l1)基本不含煤，屬于強(qiáng)巖溶含水層組，富水性較好。

研究區(qū)煤系地層的單位涌水量介于0.006 ～ 0.155 L/(s·m)之間，屬于弱富水-中等富水類型；滲透系數(shù)介于0.003 6 ～ 0.017 5 m/d之間，屬于極弱-微透水巖層類型，總體上富水性較弱，水動力條件較差。

2.2 水化學(xué)特征

煤層氣井產(chǎn)出水的水化學(xué)特征在一定程度上反映含水層之間的水力聯(lián)系及地下水動力學(xué)條件，其主要指標(biāo)是離子組成和礦化度及其分布特征[11]。煤層氣井產(chǎn)出水中常規(guī)陰陽離子是最容易獲取的水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)。世界各地的煤層氣井產(chǎn)出水均具有相似的離子特征，即Na+、K+、Cl-和HCO3-濃度較高，Ca2+、Mg2+、SO42-含量較低。

圖3 地層水陰、陽離子Piper

圖4 地層水陰、陽離子Schoeller

煤層氣井產(chǎn)出水礦化度是表征水動力活躍程度的重要指標(biāo)，礦化度越高，封閉條件越好，越有利于煤層氣的保存。隨著地下水徑流遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)以及滯留時(shí)間的增加，礦化度也隨之增加。在此采用吳叢叢[12]修正后的評價(jià)地下水環(huán)境封閉性的水化學(xué)封閉指數(shù)F*(式1)：

(1)

地下水封閉指數(shù)與礦化有著良好的正相關(guān)關(guān)系(圖5)，結(jié)合煤系地層中、上兩段的水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)分析可知：煤系地層深部與淺部水化學(xué)類型的不同揭示了水動力條件的差異。垂向上，煤系地層上段封閉指數(shù)介于2.27 ～ 68.22之間，平均24.66，礦化度119.02 ～ 1 050.93 mg/L，平均437.18 mg/L，水質(zhì)類型為HCO3-Na+K和HCO3-Ca型，顯示出較弱的封閉性以及相對活躍的水動力條件；中段封閉指數(shù)159.87，礦化度2 761.32 mg/L，水質(zhì)類型為HCO3-Na+K型，顯示較強(qiáng)的封閉性以及相對較弱的水動力條件。在地下水匯流區(qū)形成滯留承壓水環(huán)境，對煤層氣形成水力封堵作用，有利于煤層氣保存和富集[13-15]。因此中段有潛力成為煤層氣開采的優(yōu)選層段。同時(shí)，也反映出煤系地層在垂向上存在相互阻隔現(xiàn)象，層段之間流體聯(lián)系交換相對獨(dú)立。

表2 水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 地下水封閉指數(shù)與礦化度關(guān)系

2.3 煤系地層承壓狀態(tài)

煤層氣生產(chǎn)過程中流體壓力的傳播主要受給水含水層的疏排類型和參數(shù)等級的影響[16]，煤系地層的承壓狀態(tài)能夠直接反應(yīng)儲層能量的高低。壓力系數(shù)為流體壓力與同深度靜水壓力的比值，綜合考慮了儲層壓力與埋深的影響，可反映地層壓力狀態(tài)。在此采用注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)來計(jì)算煤系地層壓力系數(shù)，試井?dāng)?shù)據(jù)能夠更為客觀地反應(yīng)煤系地層壓力特征，以查明不同層段的煤系地層承壓狀態(tài)(表3)。

表3 煤系地層中上段流體壓力狀態(tài)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)煤系地層上段平均壓力系數(shù)為0.99，屬于正常壓力狀態(tài)；中段平均壓力系數(shù)為0.88，則屬于欠壓狀態(tài)。理論上，在同一流體壓力系統(tǒng)內(nèi)部各層段壓力系數(shù)相對穩(wěn)定，不同的含氣系統(tǒng)壓力系數(shù)則在垂向上表現(xiàn)出波動式變化，可以看出研究區(qū)煤系地層中、上兩個(gè)層段不屬于一個(gè)統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)，層段之間水力相互封閉，缺乏流體聯(lián)系，形成了垂向上相對獨(dú)立的含流體系統(tǒng)，與上述封閉性保持一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主力煤層的平均含氣量在垂向上隨著層位的降低也同樣呈現(xiàn)出波動式變化(表4)，上段平均含氣量低于中段。

表4 研究區(qū)主力煤層平均含氣量

3 含煤層段開發(fā)潛力評價(jià)

在查清研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合選取與煤層氣地質(zhì)開發(fā)條件緊密相關(guān)的儲層壓力系數(shù)、含氣量、封閉指數(shù)及涌水量4個(gè)參數(shù)，運(yùn)用層次分析法評價(jià)煤系地層不同層段的儲層能量大小，進(jìn)一步對中、上兩層段煤層氣開發(fā)潛力作出合理的潛力預(yù)測。采用層次分析法可減少不同性質(zhì)因素相互比較的困難，通過定性與定量相結(jié)合的方式確定權(quán)重，各參數(shù)對結(jié)果的影響都是量化的。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)選擇及已獲取的參數(shù)，構(gòu)建出評價(jià)指標(biāo)集為U={壓力系數(shù)、含氣量、封閉指數(shù)、涌水量}，壓力系數(shù)是儲層能量的直接體現(xiàn)，設(shè)為最重要因素，其余評價(jià)指標(biāo)重要性依次遞減。運(yùn)用1～9判斷矩陣標(biāo)度法，結(jié)合各指標(biāo)對儲層能量的重要程度兩兩相互比較，建立判斷矩陣求取特征向量，并進(jìn)行歸一化即得出各指標(biāo)權(quán)重w=(0.438，0.313，0.188，0.072)。經(jīng)計(jì)算出指標(biāo)一致性比率CR=0.005 435<0.1，通過一致性檢驗(yàn)，結(jié)果具備可信性。

為定量表征中、上兩層段煤層氣開發(fā)潛力，引入水文地質(zhì)開發(fā)潛力指數(shù)β，首先將各參數(shù)進(jìn)行均值標(biāo)準(zhǔn)化處理，使數(shù)據(jù)消除量綱和數(shù)量級的影響，然后結(jié)合權(quán)重指標(biāo)，將各層段單參數(shù)歸一化結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，結(jié)果值越大則表示開發(fā)潛力越大(表5)。通過計(jì)算結(jié)果來看，研究區(qū)煤系地層中段的水文地質(zhì)開發(fā)潛力指數(shù)β較高，說明煤層氣開發(fā)潛力較大，應(yīng)首先進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)。

表5 含煤層段各參數(shù)均值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果與綜合指數(shù)(無量綱)

結(jié)合研究區(qū)目前煤層氣試驗(yàn)井的排采數(shù)據(jù)(表6)發(fā)現(xiàn)，YW-01井開發(fā)層位為7+8號/13號，開發(fā)層段僅為上段，最高日產(chǎn)氣量336 m3，平均日產(chǎn)氣量79 m3。而同開兩層煤的YW-SR1、YW-SR4井開發(fā)層位均為7+8號/19號，開發(fā)層段中均包含了中段，最高日產(chǎn)氣量分別達(dá)到了751 m3和1 864 m3，平均日產(chǎn)氣量分別為150 m3和477.04 m3?，F(xiàn)場排采數(shù)據(jù)也反映出煤系地層中段的開發(fā)潛力較大，應(yīng)優(yōu)先開發(fā)。

表6 研究區(qū)煤層氣井排采數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

2) 深部與淺部水化學(xué)特征的不同，以及層段間的流體壓力狀態(tài)、封閉指數(shù)以及煤層含氣量均存在差異，揭示了層段間水力聯(lián)系較弱且存在相互阻隔，顯示出在垂向上至少發(fā)育有兩套相互獨(dú)立的含煤層氣系統(tǒng)。其中煤系地層中段封閉指數(shù)及礦化度較大，具備煤層氣保存的良好條件。

3) 基于層次分析法，結(jié)合重要相關(guān)參數(shù)，引入水文地質(zhì)開發(fā)潛力指數(shù)，定量評價(jià)出煤系地層中段的煤層氣開發(fā)潛力較大，與現(xiàn)場排采數(shù)據(jù)較為吻合，為后期煤層氣重點(diǎn)層段高效開發(fā)提供理論支撐。