延川南地区水文地质条件及煤层气成藏_余林.pdf

第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY groundwater condition; accumulation feature; reservoir pattern 水文地质条件是煤层气富集和开发过程的重要 控制因素[1-4]。前人做了大量工作，但是水文地质条 件控制煤层气成藏机理认识尚不完善，不同水文地 质条件下成藏特征、模式也未完全明确。通过分析 延川南地区水文、 地球化学特征及其对煤层气组分、 含气性等方面影响，明确研究区煤层气特殊的水文 地质条件，揭示了热裂解成因机制下煤层气藏因后 期运移作用导致元素分馏，甲烷碳同位素偏轻，指 出煤层产气受水动力条件影响；不同水动力条件下 煤层气成藏模式、含气性、产气效果等方面具有各 异的特点。 延川南地区位于鄂尔多斯盆地东缘南段，整体 呈单斜构造，山西组 2 号煤层为主力目的煤层，压 力系数为 0.30.9，镜质体最大反射率为 23， 煤级处于瘦煤、贫煤到无烟煤阶段。研究区被中部 断裂带一分为二，西部为万宝山构造带，埋深普遍 大于 1 km；东部为谭坪构造带，埋深 0.61 km，西 北局部埋深大于 1 km。受中部中垛白鹤逆断层断 裂带影响，两侧压力系数差异明显，整体为相互独 立压力系统，且分属不同的水文系统。 ChaoXing 70 煤田地质与勘探 第 45 卷 1 水化学特征 1.1 煤层水类型 按沉积水的化学性质，可把地层水进一步分为 CaCl2型、NaHCO3型、Na2SO4型。CaCl2型一般是 深层成因水， 往往位于承压区[5]； 低矿化度的 Na2SO4 型是地表补给水的标志，是地表水沿露头区渗入煤 层后交替作用的产物，处在供水区或泄水区； NaHCO3型介于前两者之间系径流区，水交替滞缓， 在渗入水与地层水的接触面水流方向相反，产生局 部阻滞带，地层水流动不畅易形成局部超压。 延川南 2 号煤层水质分析表明，煤层水属于 NaHCO3型和 CaCl2型图 1a， 图 1b。 阳离子以 Na、 K、Ca2和 Mg2为主，阴离子以 2 4 SO 、Cl–、 3 HCO 和 2 3 CO  为主，各离子矿化度、总矿化度及 pH 值变 化范围较大，表明区块煤层保存环境存在差异性。 煤层水矿化度在纵向上同样具有差异性。 埋深不同， 温压场与水动力也均不同，矿化度、酸碱度分化差 图 1 延川南地区 2 号煤层水离子特征 Piper 判别图 Fig.1 Piper plot of seam 2 in Yanchuannan area 异。万宝山构造带矿化度高，在高矿化度、高温高压 及偏酸性–还原环境下， 2 4 SO 、 3 HCO、 2 3 CO  离子变 得不稳定而逐渐消失， 地层水以CaCl2型KNa、 Ca2、 Cl–为主。谭坪构造带矿化度较低，浅部渗入水富含 O2及 CO2，有利于形成 3 HCO和 2 4 SO 离子，因而地层 水属于 NaHCO3型KNa、 3 HCO、 2 3 CO  、 2 4 SO 。 1.2 矿化度 地层水矿化度可用来粗略判断油气的保存条件[6]， 两者具有很好的相关性[7]。延川南处于克拉通盆地 边缘，煤层水在自由重力作用主导下，由地表露头 下渗，水动力条件和水文地球化学特征发生相应变 化。近补给源区，径流强度大，与外界的物质交换 作用强，处于相对开放的地球化学环境，与土壤、 岩石等接触时间短，矿化度低，接近补给水源矿化 度。由补给区向深部运移过程中，流速减缓，伴随 着碳酸盐类矿物的溶解，矿化度增大。至深部煤层 流动几乎停滞，水体处于还原环境，矿化度极高。 一般认为氯化物化学性质最稳定，氯离子含量 与矿化度的平面分布具有一致性，硫酸根离子在煤 层水演化过程中具有指示水体的氧化还原状态的作 用。阳离子中钠离子与钙离子也具有一定代表性。 依据 Na、Ca2、Cl–、 2 4 SO 等离子分布特征图 2， 研究区水文地质条件在剖面上显示出明确分界。 图 2 延川南地区 2 号煤层水质剖面变化图 Fig.2 Hydrochemistry profile of seam 2 water in Yanchuannan area 延川南煤层排采水矿化度特征明显，煤层气井 因投产前压裂施工存在注入流体，仅当经过长时间 排采通常 200 d 以上， 排采水水型和主要离子含量 相对稳定，能够反映煤层原始含水特征。谭坪构造 带地层水总矿化度在 410 3 mg/L 左右，氯离子与阳 离子含量低，且整体偏碱性环境，表明近地层水补 给区，水动力较强；万宝山构造带地层水总矿化度 ChaoXing 第 2 期 余林 延川南地区水文地质条件及煤层气成藏 71 普遍大于 410 4 mg/L，氯离子含量高，阳离子含量 明显高出谭坪构造带表 1，且整体为偏酸性环境， 保存条件良好，有利于煤层气富集。在剖面上，从 西到东利用 Y21 至 Y11E1 单井的矿化度与 pH 值绘 制研究区水质剖面图 2，以断层带上 Y18 井为界， 矿化度分化为 2 个数量级，西部万宝山构造带矿化 度为东部谭坪构造带的十倍到百倍不等； 在平面上， 矿化度基本上以中部断裂带为界，泾渭分明，不存 在明显中间过渡带，表明断层东西两侧属于不同水 文地质条件，形成不同的煤层气保存环境。 表 1 延川南地区构造带水组分及矿化度对比 Table 1 Component and salinity of groundwater from seam 2 in Yanchuannan area 阳离子/mgL-1 阴离子/mgL-1 构造带 KNa Ca2 Mg2 Cl– 2 4 SO  2 3 CO  3 HCO- 总矿化度/mgL–1 pH 水型 谭坪 1.278103 14.7 3.5 562 80 129 2.058103 4.124103 7.62 NaHCO3型 万宝山 1.283 4104 4.801103 501 2.914 9104 51 14 888 4.823 9104 6.34 CaCl2型 2 水动力特征 2.1 煤层水头与产液 鉴于研究区拥有丰富的煤层气井排采数据，结 合井口海拔深度，可以换算出 2 号煤层的水头高数 据，进而为分析煤层水动力提供依据。延川南水头 高整体在 0.41 km，由东南向西北方向逐渐降底。 其中，万宝山构造带水头整体偏低，水头高数值介 于 0.40.8 km， 普遍低于 0.7 km； 谭坪构造带水头介 于 0.61 km，普遍高于 700 m，且在构造带内自东向 西水头高度降低图 3。水头高分布表明，整体上煤 层水自周边往中央区渗流， 显示出了受重力流控制盆 地的流体特征。 图 3 延川南地区 2 号煤层水头高分布图 Fig.3 Contour map of groundwater head of seam 2 in Yanchuannan area 鉴于煤层气“连续、缓慢、长期、稳定”的排采 特征，排采井的平均日产液可以用来近似表征延川 南地区 2 号煤层的供液能力。在研究区中南部 Y1 井区、Y16 井区日产液量分布与水头高分布一致图 4。水头低的区域单井平均日产液整体较高，普遍 大于 2 m3/d，主要分布于谭坪构造带中部与万宝山 构造带北部地区；水头高的区域整体产液量相对较 低，一般小于 1.5 m3/d，主要分布于万宝山构造带 西南部。平均日产液的平面分布显示，断裂带中部 万宝山构造带范围内 Y18 井附近为低水势区，与周 边区域不同，该井区日产液明显偏高，也从一个侧 面说明了该区的水动力另一特征由于受中部断裂 带局部沟通两盘地层水文地质条件作用的影响，两 盘单井的平均日产液量均相对较高，中部断裂带附 近尤其是近 Y1 井区、Y18 井区的水动力作用较强。 研究区北部 Y8 井区高水势高产水，较为反常，强 抽试验显示可能是因中部断裂带断层局部沟通水层 的影响。谭坪构造带的 Y1 井区附近高产水，看似 水势作用的结果，但其产液量远高于测试所得煤层 正常供液能力，将在下面的甲烷碳同位素分馏部分 继续讨论。 图 4 延川南地区 2 号煤层日产液分布图 Fig.4 Contour map of daily water yield from seam 2 in Yanchuannan area 2.2 甲烷碳同位素分馏 煤层气组分中甲烷比例一般大于 90， 为“干气 –极干气”[8]，研究区甲烷质量分数一般高于 95。 除有甲烷存在外，还有水存在，煤层中水处在不断 地交替循环之中。地下水的运动，水动力场的变化， 将导致甲烷发生变化，引起煤层中甲烷的运移、再 ChaoXing 72 煤田地质与勘探 第 45 卷 聚集，产生甲烷碳同位素分馏效应。水是极弱性溶 剂， 13CH 4极性大于 12CH 4， 根据相似相溶原理， 13CH 4 在水中的溶解度性大于 12CH 4， 因此， 在水动力较强 的地区， 甲烷碳同位素将发生明显的分馏， 即 13CH 4 被水流带走，12CH4在原地富集[9-14]。由甲烷碳同位 素等值线分布图图 5显示，谭坪构造带 13CH 4明显 偏低， 平均–36‰左右， 表明经历了较强的水流作用； 而万宝山构造带 13CH 4含量较高，平均﹣32‰左右， 整体为滞留水动力保存环境。谭坪构造带邻近中部 断裂带井区的 13CH 4同位素较高，推测不是水动力 弱的表现，而是由于局部断层破坏作用导致同位素 变重掩盖了水动力的作用致使同位素变轻。煤层气 在保存过程中，无时不发生着扩散–散失[15-17]。煤层 基质中甲烷通过解吸–扩散–运移–脱离基质，而 13CH 4会较多地留在煤层， 从而使煤层中的甲烷碳同 位素变重[9]。当散失量较大时，散失作用导致的同 位素变重将掩盖水动力作用产生的变轻现象。 同时， 该区域 Y1 井含气量明显偏低也是甲烷通过断层散 失的重要证据。综合同位素分布与上文提到的该区 域高产水特征，且明显高于煤层供液能力，推测该 区 13CH 4含量较高现象为水动力与断层共同作用的 结果。 图 5 延川南地区 2 号煤层甲烷碳同位素分布图 Fig.5 Contour map of methane carbon isotope of seam 2 in Yanchuannan area 2.3 煤层水动力分布 延川南地区 2 号煤层水动力平面分布具有“东 西分块、南北成带”的特征，总矿化度整体呈西高东 低的趋势，且以中部断裂带为界，两侧水动力分布 整体上泾渭分明。东侧谭坪构造带煤层埋深较浅， 矿化度偏低，水质呈弱碱性，为弱交替水动力区； 西侧万宝山构造带煤层埋藏较深，且白鹤、中垛两 条封闭性主导的逆断层阻断了上部水层的渗入，地 层矿化度急剧升高，pH 值降低，为深部滞留环境， 地层水交替阻滞或弱交替。水动力同时影响煤层产 出水的类型[18]。谭坪构造带以 NaHCO3型为主，万 宝山构造带煤层产出水以 CaCl2型为主。矿化度也 反映了水交替作用的强弱程度，矿化度越高，表明 煤层中水与其他含水层交换的几率就越低，煤层气 保存条件较好，有利于煤层气富集。 综合水质、煤层水型、矿化度与水头分布以及 甲烷碳同位素分布等特征认为，延川南 2 号煤层存 在 3 种水文地质条件图 6 万宝山构造带以承压封 闭滞留区为主，谭坪构造带属于弱径流区，水流自 斜坡周边向中央断裂带缓慢渗流；在研究区中北部 和局部断层发育区，不同水层的联系沟通，存在垂 向渗流现象，矿化度也较低且呈弱碱性，水体沿断 裂系统缓慢流动，煤层产水量高，属于渗流区。 图 6 延川南地区 2 号煤层水动力平面分布图 Fig.6 Occurrence map of groundwater hydrodynamics of seam 2 in Yanchuannan area 3 煤层气藏特征 3.1 煤层气组分 氮气分子属于非极性分子，电离势与有效直径 的差异使氮气与煤岩表面的吸附能力远远弱于甲 烷，所以氮气在煤层中具有较强的迁移能力。且在 相同条件下，氮气在水中的溶解度小于甲烷，煤层 水的流动往往伴随游离氮气的运移。在煤层水从浅 部向深部的流动过程中，谭坪构造带因整体水动力 较强， 煤层气中氮气体积分数偏低， 一般小于 0.1， 而万宝山构造带中氮气体积分数 0.21.0。延川 南地区煤层气中二氧化碳含量受水动力作用影响明 显，二氧化碳的溶解能力是同等条件下甲烷的 24 倍[19-20]，万宝山构造带相比谭坪构造带二氧化碳体 积分数普遍高 0.5左右。需要注意的是二氧化碳含 量可能会在某些情况呈现先减小后增大的趋势[21]， 这是因为部分甲烷被氧化形成 CO2，使后期 CO2含 量出现增加，也不排除水中微生物作用的可能。 3.2 含气性 延川南地区整体断裂活动不强烈，仅见少量较 小规模断层发育，且煤层顶底板连续性好，岩性稳 定，煤层气以热成因气为主，地层水对煤层气的破 ChaoXing 第 2 期 余林 延川南地区水文地质条件及煤层气成藏 73 坏起主导作用。煤层气溶解于水后随着水的流动而 散失，吸附气与溶解气发生交换或因浓度差扩散， 吸附气量减少，溶解气量增加，煤层含气饱和度降 低[22]。 氯离子含量分布与煤层水的运移相关性明显， 可以反映水动力强弱。接近补给区，处于补给径流 路线或补给方向上，氯离子含量低，反之，距补给 源远，偏离补给径流，加之盐类的不断溶解，极大 地提高了氯离子含量[23]。延川南地区煤层水的氯离 子含量与含气量呈正相关性。万宝山构造带含气量 1220 m3/t， 平均15 m3/t左右， 含气饱和度平均69； 谭坪构造带含气量 517 m3/t，平均 10 m3/t 左右， 平均含气饱和度 62。谭坪构造带中部地区水动力 较高，含气量与含气饱和度明显低于其他条件相当 的地区。研究区中部尤其断裂带中部水动力作用较 强，为断层控制渗流带，煤层含气量与含气饱和度 明显偏低，极难获得高产稳产煤层气。产出效果也 相应不同万宝山早产气，谭坪晚产气，断裂带附 近低产气高产水。 3.3 成藏模式 延川南地区煤层空间上呈 NE–SW向单斜形态， 从边缘浅层向盆地中心煤层埋深增加， 水动力减弱。 以煤层为研究对象，与上下层其他含水系统以隔水 层分隔，不存在水动力联系，可视作相对独立的含 水系统。煤层水的补给源来自浅层水与地表径流。 区内东南角 Y12 井区煤层埋藏较浅，2 号煤层隐伏 出露，为重要补给区。煤层水自西向东径流，运动 逐渐减弱，并在一定深度范围形成滞留，形成地下 水对煤层气的侧向封堵。同时，由于受中部中垛– 白鹤逆断层的影响，中部断裂带形成对煤层气的封 堵。结合水文地质条件和构造特征，认为延川南地 区主要为承压水动力和断层封堵复合型煤层气藏。 谭坪构造带为东侧承压水、西侧阶梯状逆断层联合 封堵气藏， 万宝山构造带则以逆断层封堵气藏为主。 受水文地质条件影响，煤层产气效果也表现出不同 的特点。万宝山构造带煤层水文环境独立，几乎处 于滞留状态，煤层含水量低，经过水力压裂改造后， 在排采过程中只需排出少量水，就能达到较大面积 降压的效果。因此，储层压力下降效率较高，达到 高产气量所需时间较短。谭坪构造带则表现为高产 水、产气晚的特点，受断层影响明显区域，以气藏 的改造与破坏为主，煤层气产出效果差，但次生气 藏发育，以近邻的砂岩富集的煤成气藏为主。 4 结 论 a. 综合水质、煤层水型、矿化度与水头分布以 及甲烷碳同位素分布等特征，认为延川南 2 号煤层 存在 3 种水动力条件万宝山构造带的高压封闭滞 留区、谭坪构造带弱径流区与研究区北部、中部局 部发育的断层控制渗流区。 b. 水文地质条件对煤层气组分、含气量与含气 饱和度有重要影响。由于谭坪构造带的整体水动力 较强，氮气相对含量偏低，含气量与含气饱和度偏 低，万宝山构造带则均较高。CO2含量则表示出相 反的特征。 c. 结合水文地质条件和构造特征，认为延川南 地区主要为承压水动力和断层封堵复合型煤层气 藏。谭坪构造带为东侧承压水、西侧阶梯状逆断层 联合封堵气藏，万宝山构造带则以逆断层封堵气藏 为主。受中部断裂控制的区域以垂向渗流为主，对 煤层气藏以改造与破坏作用为主。 参考文献 [1] 吴鲜，廖冲，叶玉娟，等. 水文地质条件对煤层气富集的 影响[J]. 重庆科技学院学报，2011，13578–81. 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