水动力条件对煤层气赋存的影响研究——以鄂尔多斯盆地为例

郑贵强，朱雪征，牛岑涛，马丽红，韩 永,杨德方

(华北科技学院安全工程学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 101601)

通常认为影响煤层气富集成藏的地质因素主要有构造条件、煤层埋深、煤阶、煤层厚度、含气量、渗透率、煤储层压力、解吸压力和水文地质条件等。研究表明,水文地质条件也是影响煤层气富集成藏的最为重要的因素之一。在水动力交换作用比较强的地区,煤层含气性低,而在水动力条件相对较弱或者滞流水区,煤层含气量高。显然,活跃的地下水对煤层气的保存十分不利,对煤层气藏起着明显的破坏作用[1-2]。

含油气沉积盆地地下水动力场的研究一直是许多地质工作者关注的热点，自80年代以来，国内外许多学者对地下水动力系统开展了一系列工作[3-5], 但是对地下水动力系统与煤层气的形成和分布有待进一步深入。本研究试图以鄂尔多斯盆地为例，建立煤层气地下水动力系统模型，并对水动力条件在煤层气中的作用进行研究。

1 地下水对煤层气的影响

煤层气以吸附态、游离态和溶解态存在于煤层中。煤层气散失的几种可能的机理：①煤层气通过盖层扩散散失；②水驱作用把煤层气带走；③水溶作用把煤层气溶解带走[6]。

水溶作用是地下水带走甲烷的主要途径：水溶气在自然界中比较普遍且资源量巨大，模拟实验表明在地层压力下水对天然气的溶解量十分可观。在地下水的作用下，煤层甲烷碳同位素发生了强烈的分镏作用，碳同位素明显的变轻，煤层气甲烷的碳同位素值与常规煤成气甲烷差别很大，煤层气甲烷的碳同位素普遍轻于常规天然气甲烷的碳同位素。煤层气含量与甲烷的碳同位素值有较好的相关性，煤层气含气量低，甲烷的碳同位素值轻，充分说明水动力条件同时影响着煤层气含量与甲烷的碳同位素值[7-8]。

因此，水动力条件对煤层气含量影响显著，水动力交换作用越强，含气量越低；含气量越低，则对应煤层甲烷的碳同位素就轻。又因为只有水溶作用可以使煤层甲烷的碳同位素发生分镏作用，所以水动力对煤层气破坏途径主要是水溶作用，而不是水驱作用。

关于煤层甲烷的碳同位素偏轻机理，前人提出了若干种解释，最主要的有3种：CH4和CO2交换作用、解析-扩散-吸附和次生生物气成因。

在煤系水动力条件强的地区，煤层气甲烷的碳同位素变轻的程度较大，是因为带走13CH4的频率较快，使12CH4累计效应增大。所以在水动力强烈地区，水带走的13CH4比较多，使煤层气含量也比较低；相反，水动力条件较弱的地区，水带走甲烷的量比较小，因而水带走13CH4的频率较小，12CH4累计效应较小，甲烷的碳同位素变轻的程度较小。

2 水动力对煤层气的赋存影响

水动力条件直接影响着地层液体压力分布及流体的运移,由此改变吸附气与溶解气和游离气间原有的平衡,从而影响到煤层气的保存。水文地质控气分为3种作用形式:水力运移逸散作用； 水力封闭作用； 水力封堵作用。其中前一种作用导致煤层气散失, 后两种则有利于煤层气保存。

2.1 水力运移逸散作用

在地下水的运动过程中, 地下水携带煤层中气体运移而逸散。与煤层有水力联系的含水层包括煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层、煤系中灰岩岩溶裂隙含水层和砂岩裂隙含水层及新生界松散孔隙含水层。在我国具有这种控气特征的地区分布广泛。主要类型有： a、煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层径流对煤层气运移逸散的控制；b、煤系中灰岩岩溶裂隙含水层或砂岩裂隙含水层径流对煤层气运移逸散的控制；c、煤系上覆新生界松散孔隙含水层径流对煤层气运移逸散的控制

2.2 水力封闭控气作用

水力封闭控气作用发生于断裂不甚发育的宽缓向斜或单斜中, 而且断裂构造主要为不导水性断裂, 特别是一些边界断层, 具有挤压、逆掩性质, 成为隔水边界. 煤系地层上部和下部存在良好隔水层, 煤系地层中含水层与上覆新生界松散孔隙含水层、下伏灰岩岩溶裂隙含水层无水力联系。水力封闭控气作用中一般发生在深部, 地下水通过压力传递作用, 使煤层气吸附于煤中, 煤层气相对富集而不发生运移, 煤层含气量较高。

2.3 水力封堵控气作用

水文地质条件控气具有双重性, 它既可导致煤层气逸散, 又能起到保存聚集煤层气的作用，其根本原因是含水层压力的变化。水力封堵控气特征常见于不对称向斜或单斜中。 在一定压力差条件下, 煤层气从高压力区向低压力区渗流, 或者说由深部向浅部渗流。 压力降低使煤层气解吸, 因此在煤层露头及浅部是煤层气逸散带。 如果含水层或煤层从露头接受补给, 地下水顺层由浅部向深部运动, 则煤层中向上扩散的气体将被封堵, 致使煤层气聚集。

3 地下水动力场的水头及方向确定

通常流体流动方向由流体势的大小来判断, 流体由相对高势区流向相对低势区, 流动方向垂直于等势线(面)[10]。 流体势是指单位质量流体所具有的势能, 取海平面为基准面, 可表示为

φ=gZ+P/ρ

(1)

式中φ——流体势(m2/s2)；

Z——深度相当于海拔的深度(m) ；

Ρ——流体在深度Z处的密度( kg/m3) ；

g——重力加速度(m/s2) ；

P——深度

式(1) 第1 项代表单位质量的流体相对于基准面(海平面) 所具有的重力势能, 第2 项代表单位体积的流体所具有的压力势能。

公式两边除以g得Φ/g=Z+P/ρg,

即

Φ/g=h

(2)

h——水头(此处ρ为水的密度)。

如计算鄂尔多斯盆地上古生界储层地下水，由公式1 计算可得储层的气势平面分布(见图1)。 总体上气势由西向东降低, 因此, 天然气的运移方向也是由西向东。

图1 鄂尔多斯盆地储层的气势平面图

从气势分布图中可以看出, 在中部气田区和榆林地区, 可以在较大范围内形成等气势区, 这是天然气相对聚集区在气体渗流力学上的反映, 表明等气势区东侧的天然气运移漏失速度等于等气势区西侧的天然气运移补给速度[11-12]。

由公式2 计算可得上古生界储层的水头平面分布图。在流体势计算时，以水和气叠加的总流体势来判断水头的运移方向。从图中可以看出, 盆地东部整体上水头由东向西降低,地下水的运移方向也由东向西, 是一个主要的大气水下渗和向心流区, 水头降落最快, 其次在盆地的北部边缘。

因此, 现今地下水动力场的供水区位于盆地的东侧和北东侧, 泄水区和泄水方式则比较特殊。 泄水方式是无直接泄水的流体替代, 即天然气由西向东运移、漏失, 地层能量降低, 促使地下水在地形和重力作用下由东向西侵入, 替代天然气漏失的空间。 在该区, 由于天然气的运移、漏失量大于天然气、地下水的运移补给量, 导致地层压力降低, 形成低压, 由于天然气的运移、漏失量与天然气、地下水的运移补给量之间的差值沿向东方向减小, 从而导致地层流体压力系数有由西向东增加的总体变化规律。

因而，地下流体的运移方向可以通过计算流体势的方法来确定, 对地下水的流动则一般用地层水水头来表示。通过对地层水和天然气运移动力、运移方向和运移通道的研究, 可建立地下水动力场模式(见图3)。

图2 上古生界气田现今地下水动力场模式→向上天然气运移方向；←向下地下水流动方向

图3 地下水含水系统与地下水流动系统示意图1.隔水基底；2.相对隔水层(弱透水层)；3.透水层；4.地下水位；5.流线；6.子含水系统边界；7.流动系统边界；8.子含水系统代号；9.子流动系统代号

4 煤层气地下水动力系统的建立

煤层气开发过程不是一个独立事件，实质上是煤层气开发过程中对地下水流动系统的干扰过程，若干扰适度得当，即排水采气过程中排出的水主要来自煤层本身，则降压解吸的目标可以实现。地下水系统分为地下水含水系统和地下水流动系统，地下水含水系统和地下水流动系统，力求用系统的观点去考察、分析与处理地下水问题(康永尚等，1999)[13-15]。地下水含水系统是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的、具有统一水力联系的含水岩系(王大纯，2002)，它往往是由若干含水层和相对隔水层(弱透水层)组成(图3)[16-18]。

地下水系统原始模型是煤层气富集规律预测的基础，也是人为干扰条件下煤储层物性和地下水流动系统演化模型建立的基础。地下水系统原始模型的建立，要充分利用物探和钻井资料，研究盆地的沉积、构造和地质演化史，区分透水层和相对隔水层(弱透水层)，用静态的观点确定地下水含水系统，综合运用水化学资料和水文地质动态资料，建立天然条件下地下水流动系统模型(图4)。

图4 煤层气勘探开发地下水系统模型建立思路图

5 水动力研究在煤层气勘探开发中的应用

5.1 判断煤层气的赋存量

煤层水是煤岩储层中裂隙等较大孔隙中的储层流体。煤岩储层压力表现为煤层水压力,而常规砂岩储层压力则表现为气体压力。因此,煤层水压力的高低反映了煤岩储层能量的大小。埋深适中且煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层,其原始压力、含气量保持较好(表现为具较高煤层水压力和较高含气量),是煤层气勘探开发的理想层位。

5.2 判断煤层气产出的难易

煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层,煤层水压力的高低直接体现了煤岩储层原始压力的高低。煤层气产出过程表明,煤层气能够解吸而产出的关键是使煤岩储层压力低于临界解吸压力。而达到这一条件的必要措施是排出煤岩储层中的水。因此,临界解吸压力与煤岩储层压力比值的大小直接反映了煤层气产出的难易程度。

5.3 预测煤层产气量的高低

煤岩储层在原始状态,上覆地层压力与煤层水

压力关系为:

p=pf+pσ

(3)

式中:p表示上覆地层压力；pf表示煤层水压力(即煤岩储层压力) ；pσ表示煤岩颗粒骨架的有效应力。在p一定的条件下,pf越高,则pσ越低。对于泥质沉积物来讲,高孔隙流体压力的支撑作用,形成泥岩的“欠压实带”。煤层水不仅影响原始渗透率的大小而且也影响着煤层产气后气、水相对渗透率的变化和单井产气高峰出现的时间和产气量的大小。

6 结论

水文地质条件是影响煤层气富集成藏的最为重要的因素之一。水文地质控气主要分为3种形式：水力运移逸散、水力封闭和水力封堵。本次研究，确定了地下水动力场的水头计算及水流方向确定的方法，并以鄂尔多斯盆地为例进行了计算，并绘制出了气势平面图。通过建立地下水动力系统，地下水动力在煤层气开采中的主要作用有：判断煤层气的赋存量，判断煤层气产出的难易程度， 并预测煤层产气量的高低。

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