焦作矿区煤层气开发的水文地质条件分析＊

付江伟 傅雪海 刘爱华

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221008;2.河南省煤层气开发利用有限公司,河南省郑州市,450016)

焦作矿区煤层气开发的水文地质条件分析＊

付江伟1,2傅雪海1刘爱华1

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221008;2.河南省煤层气开发利用有限公司,河南省郑州市,450016)

在系统研究焦作矿区地质特征和水文地质条件的基础上,分析了矿区水文地质条件对煤层气赋存、渗流、运移及煤层气开发产生的影响,并对煤层气井的选择提出了建议。

煤层气开发 水文地质条件 焦作矿区 赋存 渗流 运移

焦作矿区位于河南省北部,处在华北聚煤区中部,区内煤层气资源丰富,煤层吸附性好,含气量为10～42 m3/t。据2000年中联煤层气公司和煤炭科学研究院预测资料显示,焦作矿区煤层气资源2000 m以浅总量为1733.5亿m3,1000 m以浅总量为416亿m3。为了有效地利用能源,我国对焦作矿区煤层气开发做了大量的研究,对矿区内二1煤层含气特征、吸附性、渗透性以及开发潜能进行了详细的探讨和评价,但目前关于煤层气开发的水文地质条件研究尚显薄弱。本文通过对焦作矿区水文地质特征的研究,认为水文地质条件对煤层气赋存特征以及开发过程中煤层气开采都有较大影响。

1 矿区地质特征

焦作矿区含煤地层为石炭-二叠系,含煤地层总厚945.76 m,含煤26层,煤层平均总厚16.04 m,可采煤层总厚7.57 m,其中山西组下部的二1煤层厚0.65～19.59 m,平均5.51 m。二1煤层层位稳定、普遍可采、结构简单,是焦作矿区山西组煤层气主要储层,也是目前煤层气开发的主要层位。矿区二1煤层顶板为粉砂岩、细砂岩互层,粉砂岩致密,胶结良好;顶板和煤层之间发育一层0.2～1.0 m的致密炭质泥岩;煤层底板普遍发育一层1.2～2.5 m的泥岩,使煤层处在封闭条件良好的环境中,对煤层气的保存十分有利。

2 矿区水文地质条件

2.1 含水组划分

按岩性、岩溶、裂隙发育程度、水力性质和富水程度,矿区内含水岩组自下而上可分为4组。

(1)碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组:主要为寒武、奥陶系的厚层状灰岩、泥质灰岩,总厚度800～1000 m。裸露区或断裂带常有大泉出露,泉流量0.01～7 m3/s。矿区北部双头泉水位标高为+850 m、山前为+110 m。区内岩溶裂隙发育不均匀,煤矿涌水量1000～5000 m3/d,水文标高+110～+82 m,属强富水含水层。

(2)碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层组:由太原组石灰岩夹砂岩组成,其中灰岩含水层9层,以上段L8、下段L2灰岩层含水最为丰富,厚度分别为6～8 m和8～21 m,岩溶裂隙较发育,渗透系数1～15 m/d。L8灰岩简称八灰,上距二1煤层20 m左右,其间是以粉砂岩为主的隔水岩层,岩溶以裂隙为主,溶洞为辅,静水位标高+90 m。八灰承压水通过断裂突破上覆隔水层与二1煤层发生水力联系;L2灰岩简称二灰,上距二1煤层70 m左右,水文标高-90 m,受断裂及溶洞影响,二灰可直接与奥灰发生水力联系。焦作矿区煤系水文地质柱状图见图1。

图1 焦作矿区煤系水文地质柱状图

(3)碎屑岩类砂岩裂隙水含水层组:主要由山西组砂岩组成,其中顶部风化岩层厚度一般30 m左右,渗透系数0.2～1.0 m/d;未风化砂岩含水层单位涌水量0.01～1.31 L/s·m,渗透系数0.01～0.5 m/d,为弱含水层组。

(4)松散岩类孔隙水含水层组:由新生界地层中的砂、砾石层组成。近山前地带以砾、卵石层为主,顶板埋深20～40 m,富水程度由北向南递减,南部冲积平原以中细砂含水层为主,在冲积扇前缘常有泉群出现,目前多已干涸。

2.2 含水层水力联系特征

由于焦作矿区受北东向、北西向和近东西向3组高角度断裂的影响与控制,基岩地层被切割破碎,导致各含水层之间发生了一定的水力联系。在断裂带附近岩溶裂隙相对发育,常常形成强富水导水带,是焦作矿区内诸矿井和勘探区的补给边界,因而成为煤层气开发选区和井网布置必须考虑的边界条件。断裂的力学性质是影响煤层与含水层之间水力联系的主要条件,强导水断层是影响地下水流向的重要因素。根据焦作矿井多次突水资料,从矿区断裂形成的相对年龄、规模、性质、岩性等方面分析可知,凤凰岭断裂是矿区控制性断裂,是强径流带,沿九里山断层、朱村断层形成本区较强径流带,径流带断裂发育区岩石破碎,岩溶发育,裂隙密集,连通性强,岩溶水沿断裂带富集、运移。焦作矿区主要断层几何特征及控水意义见表1。

2.3 矿区岩溶地下水补给、径流与排泄

大气降水是焦作矿区岩溶裂隙水的主要补给来源,西部、北部裸露山区广泛出露的石灰岩是岩溶地下水良好的补给场所,补给的地下水沿地层断面、岩溶裂隙或断层由高至低径流入井田;另外,受区内导水断裂构造的影响,下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙水垂向补给其上各含水层,致使石灰岩岩溶裂隙水量大、补给水源充沛,构成了区内矿井主要冲水水源。矿区内最大的九里山岩溶水系统补给面积约4900 km2,天然资源量为38541万m3/a,其中灰岩裸露补给区面积1395 km2,大气降水补给量10～15 m3/s,河流及水库渗入补给量26.28 m3/s。

在天然状态下,补给区地下水水力坡度为11‰,径流区地下水水力坡度为5‰,进入矿区后地下水水力坡度为2‰～0.44‰。以东井交断层至黄水河断层北侧的分水岭和纸坊沟以北的夺火乡至峪河口地下分水岭,将本区九里山岩溶水系统分为北部百泉、中部十里河和南部的双头泉3个岩溶水子系统。十里河岩与百泉岩溶水系统的石灰岩裸露区是峪河断裂以北的各区的补给区;双头泉岩溶水子系统的石灰岩裸露区为焦作矿区岩溶水的直接补给区,演马庄矿区处于该区的径流排泄区内,排泄的主要方式是矿井人工疏排。

表1 焦作矿区主要断层几何特征及控水意义

岩溶水一部分沿山前冲洪积扇形成泉群排泄,总排泄量3.14～14.3 m3/s,其中,九里山泉群流量9.2 m3/s,陨城塞间歇泉流量2.4 m3/s,百泉最大流量2.32 m3/s;另一部分向深部循环径流或由人工排泄。由于焦作矿区补给面积大,岩溶裂隙发育,因此九里山岩溶水系统具有巨大调蓄功能,储存资源约为88.73亿m3。

3 矿区水文地质条件对煤层气开发影响

煤层气主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中,地下水系统通过地层压力对煤层气吸附起控制作用,因此水文地质条件对煤层气赋存、运移影响很大,对煤层气的开采至关重要。

3.1 对煤层气赋存的影响

焦作矿区二1煤层下部主要有L8灰岩、L2灰岩、奥灰3个主要含水层,富水性极强且水压很大,煤层底板泥岩封闭,使煤层气处于水压封堵状态。二1煤层上部山西组砂岩含水层与泥岩、砂质泥岩隔水层相间沉积,富水性较弱,呈滞流或微流状态,具有一定静水压,煤层气上浮力小于静水压,对煤层气保存有利。

焦作矿区水文条件整体上有利于煤层气的赋存,但局部地区大断裂附近形成地下水强径流带,煤层气以水流为载体进行运移,例如朱村强径流带,断层落差大于1000 m,由于矿区北部山区岩溶裂隙地下水及沁河、丹河、西石河地表水垂直或横跨断层形成有利补给条件,在与北东向断层交汇地带,地下岩溶更为发育,致使距该断裂250 m范围内的煤层甲烷实测含量由正常梯度下的16.18 m3/t下降为7.83 m3/t;受马坊泉强径流带影响,在演马庄矿田中部的马坊泉断层附近100 m范围内煤层气含量低于15 m3/t。

3.2 对煤层气渗流、运移的影响

在一定的构造条件下,水头压力对煤层气的封存、圈闭起着重要的控制作用。一般来说只有通过排水降压,储层压力降到临界解吸压力之后,被吸附的煤层气体才能解吸、游离出来。解吸后的煤层气在孔隙-裂隙网络中扩散、渗流的过程,除了受网络本身的透气、透水性能影响外,气、水两相渗流之间还存在一定的相互制约作用。

煤层中采气的机理与所观察到的常规储层采气机理大不相同,煤层中很少或不存在游离气,割理裂隙系统中的一部分孔隙空间被水饱和。尽管割理裂隙系统中可能存在一些游离气,但大多数气体被吸附在煤表面上,因此,要采出这种气体,必须降低割理系统的压力使气体从煤表面解吸出来,并运移至割理系统,通过煤基质扩散。通常,为了降低割理系统压力,必须采出大量的水,使气体不断解吸出来。从这方面来说煤储层中的水是有利的,对于煤系含水层的补给、径流条件较好的焦作矿区,地下水的流动可以较好地达到煤层气开发中排水降压的目的。但是,在局部富水较强、补给条件较好的煤系含水层,在煤层气勘探开发时,因煤层富水或与含水层的贯穿,势必增加了煤层气井的排水费用和时间,特别是在煤系暴露或煤系埋藏较浅而且又接近地表水体的区域,由于岩溶裂隙发育,地表水可通过裂隙进入煤层,造成排采期间产水量大、产气量小的现象,对煤层气开采很不利。因此,在煤层气井选址和布置时,研究和分析储层地下水的水源,即查明排采期间水的来源十分重要。

3.3 对煤层气可采性的影响

在可采性评价中,水文地质条件不但直接影响对储层产能的评价,而且对完井方式、增产措施、开发选区、井网布置等也有一定的影响作用。焦作矿区地下水补给、径流条件较好,而且部分张性断层具有导水性,地下水的径流不可避免地带走大量的煤层气,引起煤层气含量降低。因此,在煤层气开发选区时,应考虑水文地质因素对煤层气含量的影响。另外,焦作矿区岩溶裂隙发育,地表水可通过裂隙进入煤层,因此,地貌因素是煤层气勘探开发时一个考虑的方面。焦作矿区构造复杂,断裂发育,断裂有可能成为导水通道,煤层气勘探开发选择井位时,在其他条件相同情况下,本区煤层气井应选择在较深部,且离断层较远的部位上。在煤层气钻井、压裂作业时,应做好预防突水的准备工作。

3.4 对煤层气生产的影响

长期煤炭生产必然会使焦作矿区产生大量疏排矿坑水,据测算吨煤需排水4.5 m3,目前矿井水排放量5.4 m3/s,造成了大面积漏斗区,漏斗区主要为九里山漏斗区、焦南漏斗区、东小庄水源地漏斗区和岗庄水源地漏斗区,九里山漏斗区面积约9 km2,中心水位90 m以下,主要由矿井排水造成。近年来,区域地下水位下降造成区内泉点枯竭,对矿区居民人畜用水和工农业用水造成极大影响。另外,因矿井排水、工业废水及生活污水的大量排放,使大部分地表水污染严重,同时也给矿区内地下水带来严重污染。据水质化验资料分析,岩溶地下水主要污染因子为氯离子、铁、锰、总硬度等。

目前,焦作煤层气开发还处于探索试验阶段,由生产因素产生的负面影响还不十分突出,但是如果大规模进行开采后,就需要加强矿区区域地下水水位降落漏斗范围及变化趋势的监测,调整地下水开采布局,对地下水开采层位进行人工回灌,并采取分层取水、以丰补枯等措施控制地下水水位下降的态势。

4 结论

(1)焦作矿区地质构造条件复杂,在特征鲜明的多尺度断块构造影响下,造成水文地质条件地区差异显著,即使同一井田范围内,被疏排层段的含水层、隔水层在空间上的配置关系及均匀程度都有很大差别。

(2)焦作矿区水文地质条件整体上有利于煤层气的赋存,但局部地区大断裂附近形成地下水强径流带,煤层气以水流为载体被运移逸散。

(3)焦作矿区岩溶裂隙发育,在煤系暴露或煤系埋藏较浅而且又接近地表水体的区域,地表水可通过裂隙进入煤层,对煤层气开采不利。因此,在进行井网选址与布置时,应充分分析水文地质条件对煤层气排采的影响。

(4)焦作矿区构造复杂,断裂发育,断裂有可能成为导水通道,煤层气勘探开发选择井位时,在其他条件相同情况下,煤层气井应选择在离断层较远、埋藏较深部。

(5)考虑到煤层气开发可能由于排水造成的环境地质问题,应合理处理水环境恶化及区域水位下降等问题。

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An analysis of hydrogeology in the coalbed methane development in Jiaozuo coal mine area

Fu Jiangwei1,2,Fu Xuehai1,Liu Aihua1
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;2.Henan Provincial Coalbed Methane Development&Utilization Co Ltd,Zhengzhou,Henan province 450016,China)

On the basis of a systematic analysis of the geological features and hydrological conditions of Jiaozuo coal mine area,this paper provides an analysis of the influences of the said hydrological and geological conditions upon the coal bed methane occurrences,infiltration,mitigation and coal bed methane extraction.Besides,the authors also propose some suggestions and recommendations on the determination of coalbed methane extraction well sites in this paper.

coalbed methane development,hydrological conditions,Jiaozuo coal mine area,occurrence,infiltration,mitigation,extraction

P618.4

B

国家重点基础研究发展规划项目——“973”煤层气项目(2009CB219605)、国家自然科学基金项目(40730422和40872104)、油气重大专项(2008ZX05034)。

付江伟(1982-),男,河南长垣人,中国矿业大学博士研究生,主要从事煤矿瓦斯治理与煤层气开发方面的研究和应用工作。

(责任编辑 张艳华)