水文地质条件对煤层气开采的影响研究

荆志杰

（山西省地质矿产研究院，太原 030001）

水文地质是影响煤层气开采的关键因素之一，当前绝大部分煤层气的开采都是通过三个阶段来实现。第一，排出煤层气的地下水，降低煤层气的煤储层压力；第二，在煤储层压力降低到一定程度之后，开始解析煤层气；第三，在煤层气达到工业生产标准之后，通过相关机械设备实现煤层气的开采[1]。由此可见，在煤层气开采过程中，降压排水是最为主要的开采措施，换而言之，水文地质条件在煤层气开采过程中起到决定性作用。

1 我国煤层气的基本情况

相对于天然气的形成机制而言，煤层气的形成机制与之存在较大的差异，煤层气藏增长的基本因素涵盖煤层条件、压力条件以及保存条件等，煤层的煤级、厚度等构成煤层条件，这也是形成煤层气藏的物质方面基础因素[2]。此外，煤层气藏的形成还需要压力密封，并且需要完善的保层条件，才能够将所形成的煤层气保存至今。

我国拥有丰富的煤层气资源，相关勘探结果表明，我国储存深度在2 000 m以下的浅层煤层气资源超过340万亿m3，而我国华北地区拥有超过一半的煤层气资源，除此之外，我国的南方和西北地区也有较大的煤层气储存量[3]。我国的煤层气主要赋存于上古生界煤储层中，由于煤层地质普遍都经历多期的构造运动，所以煤储层的构造存在强烈形变，煤的多阶段演化和多热源叠加变质作用较为明显，多重因素的共同影响使得开发煤层气面临较大的难度。我国相对于美国的煤层气开采而言情况更为复杂，所以需要在开采过程中进一步处理，开发利用煤层气需要先明确煤层气赋存的地质控制因素，这也是当前开采利用煤层气所需要关注的重点之一[4]。

2 水文和地质条件对于煤层气赋存的影响

2.1 水文特征对于煤层气赋存和开采的影响

水文特征对于煤层气赋存和开采的影响程度较大，在煤层中，其煤储层和顶板含水层互相影响，并构成完整的地下水系统，同时煤层气存储于煤的缝隙之中，处于吸附状态，而地下水系统能够对煤层气的吸附状态进行控制[5]。如果所处区域存在高储层压力和高含水层势能，煤层气会大量富集，如果缺乏上述条件，则煤层气会逸散，无法富集。就当前我国水文特征和煤层气之间的关系而言，水文特征对于煤层气赋存和开采的影响主要分为如下三个方面。

2.1.1 水力的转移与逸散作用

在拥有较强导水性的地质区域，水力的转移与逸散作用表现得较为突出，其可以通过相应的导水断层或裂隙进行联通。地下水在流动的过程中可以有效促进煤层气的解吸，将其从煤的缝隙中转移出，使得其成为游离状态并溶解于地下水，再由地下水的流动将煤层气带走，出现区域性煤层气缺乏的情况。

2.1.2 水力封闭控气作用

水力封闭控气作用能够对煤层气的赋存进行有效控制，这一现象在断层发育较弱的斜向地带较容易出现，但其必须建立在断层带不具有导水性甚至断层能够形成一定隔水层的基础上，只有对导水作用进行有效抑制，这一现象才容易出现[6]。在水文地质条件较为简单的情况下，煤层本身为含水层，因为水力条件较差，地下水的流动速度较慢，同时因为重力因素的影响，在煤层较深的部位，地下水多是以静水压力形式流动，如此可以使得煤层气紧紧地吸附在煤中，进而出现煤层气富集的情况，实现对煤层气转移的有效控制，如此会显著提高煤层气的含量。当前，我国豫西焦作、华北地区沁水盆地等地区的煤层气都是由水力封闭作用形成的。

2.1.3 水力封堵控气作用

水力封闭控气作用在不对称向斜和单斜的地质条件下较为常见，该作用的存在对于煤层气的赋存较为有利，由于压力差的存在，煤层气会由高压区域向相对低压区域转移，或者是由深部逐渐渗透到浅部，因为压力的减少，原来吸附于煤层中的煤层气会逐渐逸散，并且形成逸散区域，如果在此情况下，地下水由浅部向深部流动，则会对煤层气向上扩散形成阻碍，进而将逸散的煤层气重新富集[7]。水力运移逸散作用会导致煤层气出现转移和逸散，而水力封闭控气作用和水力封堵控气作用可以促进煤层气的富集，通过相关水文特征，人们可以大概了解煤层气的赋存情况。所以，在勘探煤层气并准备开采时，人们必须高度重视水文特征测试分析工作。

2.2 地质特征对于煤层气赋存和开采的影响

在研究煤层气赋存和开采过程中，地质构造也是需要重点关注的因素之一。相关资料表明，地质构造在断裂发育的地区，煤层气的含量相对较低，而褶皱构造发育的地区，其能够促进煤层气的局部富集，相对于前者而言，煤层气的含量更高。除此之外，煤层的埋深度与煤层自身的厚度也会对煤层气中甲烷的含量产生影响，一般而言，煤层气中的甲烷含量随着煤层深度的增加而增加，在相同深度下，煤层气中的甲烷含量随着煤层厚度的增加而增加[8]。

2.2.1 地质构造的变化作用

地质构造在数千万年间一直在持续演化中，并且在煤层之上不断形成覆盖层，由于数千年间覆盖层的不断增厚，对于煤层气的存储形成了极为良好的保存条件，其能够有效控制煤层的压力，并且对煤层气存在的逸散情况有着较好的控制效果。除此之外，相关调查结果表明，地质构造的回返抬升在控制煤层气方面起到较大的作用，会对煤层气的存储量产生直接影响。

2.2.2 地质构造的回返抬升

数千万年间的地质构造演化过程中，势必存在回返抬升的情况，即便是两处煤层的埋藏深度相同，但是由于回返抬升的自身特点，如回返抬升的时间长短以及时间早晚的差异，其蕴含的煤层气含量存在差异。相关调查数据表明，如果回返抬升的现象发生得较晚，则煤层气的存储量会更大，其主要是因为回返抬升现象距离当期时间更短，煤层气逸散的时间较短，所以其逸散量较少。我国华北地区的东部与西部地区的煤层气储量之所以存在较大差异，就是因为回返抬升发生的时间早晚不一[9]。

2.2.3 地质构造形态不同

数千万年的自然演化形成了千姿百态的地质构造形态，对于煤层气而言，其赋存效果直接受到地质构造形态的影响，相对封闭的构造对于煤层气的富集较为有利，而相对开放的构造则会对煤层气的逸散具有促进作用，对于煤层气的储存产生不利影响。以褶皱地形区域为例，其向斜地区和背斜地区的闭合处能够很好地促进煤层气的赋存，对于断层地区，如果其存在较大的压力，并且存在极为紧密的地质结构，存在闭合特点，则其会具有较大的煤层气储量。

2.2.4 煤层和围岩对于煤层气赋存的影响

煤层直接顶、老顶以及直接底板等具有一定厚度范围的岩层都被称为煤层围岩。有研究以T煤矿的勘查结果对煤层气赋存情况进行分析，T煤矿的2号和4号煤层及其顶底板岩性主要是砂质泥岩、泥岩以及粉砂岩，顶底板岩石较为紧密，存在较低的孔隙率、较差的渗透率[10]。所以，此处煤层顶底板就成为促进煤层气赋存的关键因素之一。研究发现，如果煤层顶板为灰岩，具有相对简单的结构，则此环境下很难形成高含量的煤层气藏；如果煤层顶底板为泥岩或粉砂岩，拥有相对较高含量的煤层气。在对比2号与4号煤层分布后，结果发现，其煤层分布情况较为稳定，煤层的厚度达到5 m，可以称作厚煤层。煤层厚度较大，很容易出现大量生烃资源，此环境对于煤层气的赋存较为有利，所以此处的煤层气含量较高，而且拥有较高的单位面积生烃量。较厚的煤层对于煤层瓦斯的保存较为有利，所以会导致煤层拥有较高的瓦斯含量。

3 结论

本文从水文条件与地质条件两个角度来分析其对煤层气赋存的控制作用。可以确定，在煤层气赋存方面，水文地质条件可以起到极强的影响效果，它可以从多角度对煤层气的形成、转移以及存储产生影响。所以，要加强对水文地质条件的深入研究，充分了解水文条件对煤层气赋存和开采的影响，了解地质条件对煤层气赋存的影响，在准确判断煤层中煤层气含量和位置的同时，合理利用水文条件，更加科学、高效地实现煤层气的开采，以促进我国社会经济的发展。