河东煤田三交区块煤层气田主含水岩组水动力场特征与控气规律_连会青
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非常规天然气
收稿日期:2012-06-14;修回日期:2012-08-
21.基金项目:国家自然科学基金(编号:41072188);新世纪优秀人才支持计划(编号:NCET-11-0838);国家“973”计划项目(编号:2013CB227903);十二五国家科技支撑计划(编号:2012BAK04B04
)联合资助.作者简介:连会青(1975-),女,山西忻州人,副教授,博士,主要从事水文地质与工程地质研究.E-mail:lhuiq
345@163.com.河东煤田三交区块煤层气田主含水岩组
水动力场特征与控气规律
连会青1,2,尹尚先1,李小明1,孙红涛3
(1.华北科技学院,河北燕郊065201;
2.中国矿业大学(北京),北京100083;3.中国林业大学,北京100083
)摘要:以河东煤田三交区块主采煤层的直接含水层组为研究对象,选择地下水水位、矿化度、单位涌水量3个指标来表征水动力条件强弱、地下水循环径流强度和含水层富水性状况,探讨了主含水岩组水动力条件对该区煤层气成藏的控制作用。
水动力场控气规律研究显示:中南部范围为有利于煤层气富集和成藏的区域;在此基础上,对水动力场控气规律与煤层实测含气性特征的相关性进行了细致分析,用实测煤层气含量数据验证了水动力场控气规律分析结论,并利用具体的钻孔数据,预测了煤层气优势开采区域,在山西组和太原组分别划分出3个区和5个区,山西组最优选的区域
位于356#和343#钻孔一带,太原组则在311#和359
#
钻孔一带。
关键词:主含水岩组;水动力场;控气规律;优势开采区域
中图分类号:TE132.2 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2013)02-0252-
07引用格式:Lian Huiqing,Yin Shangxian,Li Xiaoming,et al.The controlling law of hydrodynamicconditions and coalbed methane of main aquifers in Hedong
coalfield[J].Natural Gas Geoscience,2013,24(2):252-258.[连会青,尹尚先,李小明,等.河东煤田三交区块煤层气田主含水岩组水动力场特征与控气规律[J].天然气地球科学,2013,24(2):252-
258.]0 引言
河东煤层气赋存区位于山西省西部、鄂尔多斯
含煤盆地的东缘,面积约为16 050km2
,煤层气资源量在3×1012 m3
以上,是中国最具煤层气开发前景的区域之一[1]。
河东煤田的三交区块南接柳林,北
至临县,东抵离石煤层露头线,西以黄河为界,正好处于离石—柳林东西向构造带上,发育特有的短轴背斜、向斜和鼻状构造,重要构造是位于中部的聚财塔断裂带,呈东西向展布,切过离石断裂带和柳林鼻
状构造[2]
(图1)。
在多期构造活动中,燕山期压剪
性和新构造期张剪性活动较明显,聚财塔断裂带对煤层气藏起破坏作用,它不仅破坏了研究区煤层的连续性,而且导致其附近煤层气向地表运移散失,但
在远离该断层面以北形成平行断层的条带状结构的高压区,煤层甲烷含量相对升高,成为阻止煤层甲烷进一步向断层运移的天然屏障。
以聚财塔断层为界,为地下水隔水边界和煤层气阻气边界,聚财塔断
层附近实测甲烷含量小于8m3
/t。
三交区块主采煤层为山西组中下部的4#煤层和太原组中部的8#煤层,煤层厚度大、分布稳定,横向连续性好,为煤层气的生成和储存提供了良好的物质基础和空间,是该区最有利的煤层气储集层,所以二叠系山西组砂岩裂隙含水层组和石炭系太原组石灰岩岩溶—裂隙含水层组成为本文研究的主含水岩组。
本文则尝试研究地下水渗流场特征对煤层气聚集规律的影响,从定性评价的角度,为煤层气开发提出合理化建议。
第24卷第2期2013年4月天然气地球科学
NATURAL GAS GEOSCIENCEVol.24No.2
Ap
r. 2013
图1 研究区区域位置
Ⅰ为断坳带;Ⅱ为斜坡凹隆带;Ⅲ为盆内缓坡带
1 含水层结构及基本水文地质条件
河东煤田位于阴山古陆的南缘,吕梁隆起的西翼,鄂尔多斯盆地东缘,三交煤层气区则位于河东煤田中部
[3]。
主采煤层4#
煤层位于二叠系山西组中
下部,8#煤层位于石炭系太原组中部,所以研究区的直接给水含水层为二叠系山西组砂岩裂隙含水层组和石炭系太原组石灰岩岩溶—裂隙含水层。
石炭系、二叠系含水岩组之间,赋存较厚且稳定的泥质岩和裂隙不发育的砂岩,
具有良好隔水作用,使各含水层组处于独立的水文地质系统。
其中,山西组4#煤层顶板S4砂岩为直接充水含水层,
含水
底板至L5灰岩面之间岩层厚为17.92~30.60m,平均为23.38m,岩性主要为泥质岩类及K3中、
粗粒砂岩。
8#煤层顶板L1石灰岩为直接充水含水层,其上还赋存有L2、L3、L4、L5石灰岩含水层。
各含水层间的砂—泥质岩层的分布不仅起到隔水的效果,
而且对煤层气的富集成藏起到有利作用。
受研究区内构造的影响,2套含水岩组均在研究区内东部外围沟谷中出露,
含水岩组地下水来源于东部煤系地层隐伏露头区及奥陶系含水层灰岩露头区,以大气降水补给为主,露头区岩层整体孔隙较发育,渗透性良好,富水性好,地下水径流强度整体较强。
含水层组以承压水斜地的形式赋存,由东向西埋深逐渐增大。
2 主含水岩组水动力场特征
单纯考虑煤层本身的埋深、厚度、煤质、内部结构等因素,下组煤层太原组的含气量应该高于上组煤层山西组,但是华北煤田多年的研究成果和生产实践均发现下组煤层的含气量反而低于上组煤层的
现象非常普遍[
4-
7]。
关于煤系地层水动力条件对煤层气赋存的影
响,
相关学者[8-
11]已经做了大量研究,基本达成共识,水动力条件强的地区煤层气含量低,水动力条件弱或滞流水区,
煤层气的含量比较高。
但是水动力条件包含的因素很多,具体各因素对煤层气含量如何影响的,还需要根据具体地质背景开展研究。
2.1 主含水岩组水文地质参数选择地下水水位标高、矿化度、单井涌水量为
主要因素来研究主含水层组的水动力特征及其对煤层气含量的影响。
为了更好地说明问题,对太原组和山西组直接给水含水层开展了关于这3个方面的对比研究,2组含水层组的水文地质参数如表1所示。
太原组石灰岩裂隙—岩溶承压水层组,水位标高为718.95~
833.01m,地下水由东向西或向西南深部缓慢运移(图2)。
本组水质类型主要为HCO3·Cl—Na型,中部和东南部局部为HCO3·SO4—N
a型,矿化度为0.634~1.272g/L,北部硬度为10.84~44.44mg
/L,为软的微咸水,而在中部至南部,硬度为142.24~713.80mg
/L,为较硬的微咸水。
山西组砂岩裂隙承压含水层组,水位标高为739.51~831.63m,
地下水由东向西或向西南深部缓慢运移,水力坡度平缓(图3
)。
本组水质类型主要
为HCO3·Cl—Na·Mg型,中部为HCO3·SO4—N
a型水,矿化度为1.007~1.433g/L,为软的微咸水。
2.2 主含水岩组水动力特征
从水位数据可以看出,研究区水动力模式属于单斜型,地下水水位标高为700~840m,其水位等势面呈北高南低、东高西低的总趋势。
受地层产状控
制,
地下水流场总趋势为向西或向西南的深部方向缓慢运移,愈往深部,径流强度逐渐减弱,富水性整体上随埋藏深度增加而减弱。
如:4#煤含水岩组,埋深从500m往下,地下水径流速度逐渐变缓慢,更受南部阻水断层—聚财塔断层作用影响,
地下水径流在研究区中南部基本处于滞流状态[
12]。
表1 研究区内太原组和山西组含水层组水文地质特征参数
图2 石炭系太原组含水层地下水径流场图3 二叠系山西组含水层地下水径流场 矿化度数据反映了地下水的补给状况、
水动力条件的强弱。
图4所示钻孔的矿化度和地下水水质类型2个方面数据说明:2套含水岩组地下水大部分为软微咸水,从东北向西南,地下水矿化度和硬度逐渐增高。
其中,
石炭系灰岩含水层地下水整体硬度小于150mg/L、矿化度为600~1 200mg/L,受径流特征影响,西南深部矿化度增加,如邓家庄煤矿区一
带133#
钻孔,矿化度达到1 310mg
/L;相应的石炭系灰岩含水层地下水水质类型主要是HCO3·Cl—Na型和HCO3·SO4—Na·Ca型,西南深部则变为SO4
4
52 天 然 气 地 球 科 学Vol.24
·HCO
3
—Mg·Na型水。
二叠系砂岩含水层地下水硬度小于40mg/L,局部大于140mg/L,矿化度为400~1 300mg/L,其地下水水质类型主要为HCO3·Cl—Na型。
这些数据显示研究区中南部水动力条件弱,流动性变差,有利于煤层气的保存。
图4 太原组和山西组含水层组钻孔编号
及平面分布特征
单位涌水量是反映含水层富水性与否的一个重要参数,富水性与径流强度、流动性共同构成了描述含水层水动力条件好坏的重要指标。
太原组地下水仅在浅部具较强的富水性,单位涌水量为1~2L/s·m;在深埋区,岩溶裂隙不发育,溶孔连通性差,地下水富水性弱,钻孔资料显示含水层富水性不均一。
东部103#、359#钻孔,单位涌水量分别为1.218L/s·m和0.041L/s·m;311#、325#钻孔,单位涌水量分别为0.013 1L/s·m和0.007 8L/s·m,研究区南部地层走向转折处353#、356#、363#、370#钻孔,揭露L4石灰岩,钻孔涌水量剧增,其中356#、370#钻孔单位涌水量分别为0.90L/s·m和0.22L/s·m,形成局部富水区;深部局部构造破碎带,富水性较强,356#钻孔单位涌水量为0.90L/s·m。
山西组含水层组富水性极弱,钻孔钻进本层,水位及冲洗液消耗量均无明显变化,325#、343#、359#钻孔抽水实验单位涌水量分别为干孔、0.000 285L/s·m、0.003 5L/s·m,表明本组富水性弱。
富水性弱反映了中南部地下水径流条件差、地层
封闭性好,这一点与径流场和水质情况在空间位置上的对应性较好,3个要素的分析均显示研究区中南部是有利于煤层赋存的区域。
3 水动力场控气规律
为了验证上述水文地质条件分析结论,可利用现场实测煤层气含量数据来验证。
3.1 煤层气含量分布规律
研究区煤层气含量分布规律与含水岩组地下水动力特征相符,从东北往西南,煤层气含量整体在逐渐增加,但也不排除构造的影响,东部煤层浅埋区和南部聚财塔断层附近煤层气含量为6~7m3/t,煤层气含量最高点出现在径流场的中南部,最高值大于19m3/t(图5,图6)。
图5 4#煤层埋深展布与4#煤层煤层气含量分布
3.2 水动力场控气特征
前文水动力场特征分析可知,研究区内含水岩组地下水流场整体呈滞流型,煤层顶板为隔水阻气性能较好的泥岩和砂泥岩,地下水的越流和煤层气垂向散逸途径不畅,加之研究区内构造不发育,东部浅埋强径流区,具备煤层气向上扩散的通道,不利于游离态煤层气的吸附[13],导致东部边界区煤层气含量一般低于4m3/t。
西南深部径流滞流区,地下水径流方向与煤层气扩散方向相反,有利于煤层气的吸附和保存,实测煤层气含量最高值大于24m3/t[14],也是未来
5
5
2
No.2 连会青等:河东煤田三交区块煤层气田主含水岩组水动力场特征与控气规律
图6 太原组地下水径流场与8#煤层煤层气含量分布
山西组和太原组钻孔水位数据均表明,研究区由东北向西南随着煤层埋深的增大水压在逐渐增大,有利于煤层气的储存,尤其是中南部,水力坡度小,水势平缓,有利于煤层气的储存(图7,图8)。
图7 山西组含水层对4#主采煤层底板水压等值线
图8 太原组含水层对8#煤层底板水压等值线4 煤层气富集区预测评价
认真分析几个钻孔的水位、涌水量和矿化度资料,可得如下结果:31#、41#、48#、63#、78#等钻孔虽然含水层有一定厚度,水头标高值高,但由于这几个孔位于研究区富水性较差区和地下水径流强度较大区,加之这几个孔的影响半径都较小(小于7m),其中78#钻孔影响半径最小,仅为2.03m,不利于煤层气的储存与开采,所以这一区段为煤层气不利区。
114#钻孔虽然水文地质参数不错,但位于研究区东缘地下水补给边界,水动力交替作用较强,不利于煤层气储存。
以影响半径为指标,考察343#钻孔—359#钻孔—133#钻孔,影响半径数值由20m扩展至100m以上,表明含水岩组连通性能也逐渐增强。
如果综合对比山西组含水层的地下水位标高、单位涌水量和矿化度3个因素,圈定山西组煤层气富集靶区,应在343#、356#、359#、133#钻孔一带,优选性排序为356#>343#>359#>133#,目标区大致如下图(图9),优选性则为Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区。
太原组含水层水动力条件整体比山西组强。
24#、63#、78#、114#钻孔位于研究区北部及东部径
流区,不利于煤层气的成藏;370#、356#钻孔位于研究区西南部,地下水深埋区,影响半径大于600m,地下水水力连通性非常好,水量充沛,不利于煤层气开采;103#、90#钻孔位于研究区东部和东北部,地下水浅埋径流区,影响半径大于300m,地下水水力联系良好,水量丰富,不利于煤层气的成藏与开采。
只有102#、133#、311#、325#、359#钻孔具有较合适的水文地质条件,既利于煤层气的成藏也利于煤层气的开采。
按照水文参数的对比,几个钻孔开采煤层气的优选性排序为:311#>359#>325#>102#>133#,如果综合对比太原组含水层的地下水位标高、单位涌水量和矿化度,圈定的煤层气目标区大致如图10所示,优选性顺序为Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区>Ⅳ区>Ⅴ区。
图9
山西组水文地质条件控制下煤层气开采目标区图10 太原组水文地质条件控制下煤层气开采目标区5 结论
本文以河东煤田三交区块主采煤层的直接含水
层组为研究对象,对主含水岩组结构与水动力场特
征进行了细致分析,并选择地下水水位、矿化度、单
位涌水量3个指标,研究了水动力场的控气规律,得
出以下结论:
(1)地下水水位、矿化度、单位涌水量3个指标
可以表征水动力条件强弱、地下水循环径流强度和
含水层富水性状况,从水动力场分析结论显示,中南
部范围为有利于煤层气富集和成藏的区域。
(2)水动力场控气规律与主采煤层煤层气实测
数据在空间上存在一致性,也验证了水动力场控气
规律分析结论。
(3)利用具体的钻孔数据,结合水动力场控气规
律分析结论,可以预测主采煤层煤层气有利开采区
域,也可以为下一步开采工作提供理论依据。
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YIN Shang-xian1,LI Xiao-ming1,SUN Hong-tao3
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iao 065201,China;2.China University of Mining
and Technology,Beijing100083,China;3.China Forestry University,Beijing1
00083,China)Abstract:In this paper,take the direct aquifer of the main mining coal seams in the Hedong
coalfield as a re-search target,select ground water level,salinity,water inflow as three index to characterize the hydrody-namic conditions,runoff intensity of groundwater circulation and water richness of aquifer,detailed discus-sion on the role of hydrodynamic conditions of main aq
uifer on the coalbed methane reservoir in this areahave been carried out.The law of controlling factors of hydrodynamic field on gas shows:the central andsouthern reg
ions are favorable area for the enrichment and accumulation of coalbed methane(CBM).Basedon this,the correlation between this law and the measured gas-bearing property of coalbed has been ana-lyzed.The measured gas-bearing property of coalbed can be used to verify the conclusions by the law.Using drill-ing data,the CBM advantage mining regions of Shanxi and Taiyuan arquifers are predicted.They
are divided intothree and five districts,respectively.The most favorable area of Shanxi Formation is near 356#and 343#
drilling
wells,and the favorable area of Taiyuan Formation near 311#and 359#
drilling
wells.Key
words:Main aquifers;Hydrodynamic field;Controlling law;Advantage mining region8
52 天 然 气 地 球 科 学Vol.24 。