张文忠 周尚忠 孟尚志 赵军 莫日和
基金项目:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目62(2011ZX05062)
作者简介:张文忠,男,工程师,1979年出生,博士,2009年毕业于中国地质大学(北京),现在中联煤层气有限责任公司工作,电话:01064297957,邮箱:[email protected]。
(中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘要:柳林区块位于山西省西部,西邻黄河,前期勘探和试生产显示该区块煤层气勘探开发具有广阔的前景。为尽快在该地区实现煤层气商业化生产,最大限度地满足当地对煤层气资源的需求,寻找煤层气富集高产区显得至关重要。本文根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场、动力场的耦合关系,探讨了水文地质条件与煤层气富集成藏的关系,结果显示柳林区块地下水顺地层向西部深处流动,越往西部深处水动力越弱,越有利于煤层气的富集成藏。
关键词:柳林区块 煤层气 水文地质条件 富集成藏
Hydrogeologic Conditions and Its Influence on Coalbed Methane Accumulation in Liulin Block, Shanxi Province
ZHANG Wenzhong ZHOU Shangzhong MENG Shangzhi ZHAO Jun MO Rihe
(China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011, China)
Abstract: Liulin Block lies in the west of Shanxi Province, previous exploration and trial production indi- cates that this block has vast potential for future development.For the purpose of realizing CBM commercial produc- tion, it's vital to find CBM-rich areas and high-yield areas.According to the spatial coupling relation of CBM ac- cumulation with groundwater geochemical field and dynamic field, this paper discusses the relationship between hydrogeologic conditions and CBM accumulation.The result shows the ground water of Liulin Block flows from northeast to southwest. the hydrodynamic condition is weak in the west and it is more suitable for CBM accumula- tion.
Keywords: Liulin Block; coalbed methane; hydrogeologic condition; accumulation
煤层气是煤在煤化作用过程中生成,主要以吸附状态赋存于煤层内的以CH4为主要成分的非常规天然气。煤层气是优质的能源和基础化工原料,具有热值高、污染少、安全性高的特点,是石油和天然气等常规地质能源的重要补充。煤层气同时又是一种有害的危险气体,煤层气中CH4的温室效应约是CO2的21倍,对大气臭氧层造成的破坏是CO2的7倍(赵庆波等,1998),对生态环境破坏性极强;煤层气的易燃易爆性也严重危及着煤矿的安全生产,因此,对煤层气有效利用,对于缓解我国能源供应的紧张局面、减少温室气体排放、提高煤矿的安全生产及拉动其他相关产业的发展具有重要的意义。
柳林区块位于山西省西部,河东煤田中部,西邻黄河,面积约183km2。柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘中部的离石鼻状构造上,主体构造为一个弧顶向西突出的弧状褶皱。区块内断层较少,仅在区块北部发育由聚财塔南北正断层组成的地堑及其派生的小型断层。柳林地区发育煤层14层,其中山西组5层,自上而下编号为1、2、3、4(3+4)、5号煤层;太原组9层,自上而下编号为6上、6、7、7下、8+9、9下、10、10下、11号煤层。其中山西组的2、3、4(3+4)、5号煤层,太原组的8+9、10号煤层为煤层气勘探开发的主力煤层(任光军等,2008)。
1 柳林区块水文地质条件概述
1.1 含水层类型及分布
柳林地区有六套主要含水层组,分别是:奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组、二叠系上、下石盒子组和石千峰组砂岩裂隙含水层组、三叠系砂岩裂隙含水层组与新近系、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层组(图1)。其中石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组和二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组是与煤层气开采直接相关的两套含水层组。
奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组由上、下马家沟组和峰峰组组成,为一套以石灰岩、泥灰岩、白云岩等碳酸盐岩为主的浅海相沉积,在柳林区块以东外围大面积出露,该套含水层组呈单斜构造,自东向西埋深逐渐增大,含有丰富的岩溶水,是区域的主要含水层系。
石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组主要由石炭系上统太原组间夹于碎屑岩中的5层石灰岩(L1-L5)组成,在区块东部的大沟谷中零星出露,由东向西,埋深逐渐增大(图2)。储水空间主要是构造、溶蚀裂隙以及溶蚀孔洞,富水性在不同地点差别较大。柳林区块东缘岩溶发育,连通性好,接受补给容易,富水性较强。向西随着地层埋深的逐渐增大,灰岩的岩溶、裂隙逐渐变得不是很发育,富水性也逐渐变差,总体来说,该套含水层组的富水性是较强的。
二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组由K3砂岩组成,在柳林区块东界外围有零星出露,含水层砂岩裂隙大部分充填方解石脉或钙质薄膜,开启性、连通性较差,储水空间小,富水性较弱。
二叠系上、下石盒子组和石千峰组砂岩裂隙含水层由下石盒子组K4砂岩及上石盒子组和石千峰组的砂岩组成。K4砂岩节理、裂隙较发育,由于开启性差,且多充填方解石脉或钙质薄膜,再加上补给条件的限制,富水性差。上石盒子组和石千峰组砂岩富水性也较弱。
三叠系砂岩裂隙含水层组以砂岩裂隙含水层为主,在柳林区块西南部与聚财塔地堑中出露,其富水性较差。
图1 柳林区块含水层系划分图
新近系、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层组中孔隙发育,接受大气降水补给,形成孔隙潜水,受地形、补给条件及其分布面积的限制,富水性一般不强,经短途径流即排向河道或沟底补给地表水或渗入下伏岩层裂隙中,集中排泄时形成下降泉。
1.2 流体场特征
1.2.1 地下水补、径、排条件
柳林区块地层总体向西倾伏,区域水文地质条件简单,为一西倾宽缓单斜蓄水构造,大气降水和东部灰岩的侧向补给是区块内所有地下水的主要补给源,有时大气降水成为各主要含水层唯一的补给源。地表河流多为季节性河流,不利于地下水补给或者补给量很小。受单斜构造的控制,柳林区块各主要含水层基本上都是在东部地层出露区接受大气降水的补给,然后由浅部流向深部。
图2 柳林区块水文地质简易剖面图
柳林区块地下水水位高程呈北高南低、东高西低的总体背景。地下水主要表现为顺层向深部流动,随侧向距离的延长,径流强度逐渐减弱。在山西组埋深大于500m处,地下水径流速度已经很缓慢,地下水径流基本处于滞流状。煤层底部奥陶系地层也表现出东、北部较高,逐渐向西、南部降低的一致趋势。
根据围岩含水层对煤层供水强弱,将柳林区块煤层水分为三种类型。(1)煤层顶板为灰岩溶蚀孔型含水层,对煤层供水较为充足,煤层产水量大,石炭系太原组8号煤层属于此种类型;(2)煤层顶板或底板为砂岩孔隙、裂隙型含水层,对煤层供水有限,煤层产水量一般不大,二叠系山西组4号煤层属于此种类型;(3)煤层顶、底板皆为泥质岩,供水性差,渗透到煤层中的水极少,只有在断层或裂隙发育的部位才能提供给煤层,山西组5号煤层属于该种类型。
1.2.2 地下水化学特征
水化学成分是地下水运动的真实记录。煤层水化学研究是为了阐明地下水循环特征。柳林区块煤层水化学成分阴离子以 为主,含量一般2100~2400mg/L,8号煤层水的 含量略高于4、5号煤层水;其次是Cl-,另外含有少量 。阳离子以Na+占主导,含量1300~1800mg/L,还含有少量K+、Ca2+、Mg2+和 ；pH值6.7~8.2。
柳林区块4、5号煤层水矿化度高于8、9号煤层水,反映8、9号煤层水的活跃程度较高,4、5号煤层气富集的水文地质条件要好于8、9号煤层。
2 水文地质条件与煤层气富集的关系
2.1 水文地质控气作用
煤系地层的水文地质条件是影响煤层气富集、保存、成藏及开采的重要地质因素之一。不同水文地质条件下,煤层瓦斯的富存条件不同,含气饱和度不同,造成煤层瓦斯含量的差别很大。某些水文地质条件对煤层瓦斯保存有利,而有些水文地质条件对煤层瓦斯保存却十分不利。水文地质控气作用可概括为三种特征:(1)水力运移逸散控气作用;(2)水力封闭控气作用;(3)水力封堵控气作用(叶建平等,2001)。水力封闭作用和水力封堵作用有利于煤层气的保存,而水力运移逸散作用则造成煤层气的散失。一般而言,地下水压力大,煤层气含量高,反之则低。地下水的强径流带煤层气含量低,而滞流带煤层气含量高。
2.1.1 水力运移逸散控气作用
水力运移逸散控气作用常见于导水性强的断层构造发育区,通过导水断层或裂隙,沟通煤层与含水层,水文地质单元的补、径、排系统完善,含水层富水性与水动力强,含水层与煤层水力联系较好,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。
2.1.2 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。水力封闭控气作用一般发生在深部,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。
2.1.3 水力封堵控气作用
水力封堵控气作用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。
2.2 地下水化学特征对煤层气成藏的影响
对于含煤地层来说,不同类型的地下水反映不同的矿化度、盐度,而不同的矿化度、盐度对煤层气藏的影响不尽相同。因此,不同类型的地下水对煤层气成藏起着不同的作用。按地层水的化学性质,可将地层水分为CaCl2型、NaHCO3型和Na2SO4型三类。一般CaCl2型水是深层成因水,往往位于承压区,具有较高的矿化度。承压水封闭区煤层封闭条件较好,煤层气成藏条件有利,但承压水区煤层埋深往往大于1000m,孔渗条件较差,虽利于成藏,但不利于煤层气的开发。低矿化度的Na2SO4型地下水是地表补给水的标志,处于补给区或泄水区附近,煤层埋深较浅或侧向煤层已出露地表,是地表水沿露头区渗入煤层后产生水力交替的产物,常常与甲烷风化带相对应,煤层气成藏条件差。NaHCO3型地下水的矿化度介于前两者之间,煤层埋深主要在250~1000m之间,煤层埋藏适中,水力交替滞缓,在渗入水与地层水的接触面水流相反,产生局部滞流带,地层水流动不畅而形成超压,从而形成封堵型煤层气藏。
2.3 柳林区块煤层气富集特点
柳林区块地层水以NaHCO3型为主,局部地区有CaCl2或Na2SO4型(图3),总矿化度东低西高,纵向上,总矿化度由浅到深有逐渐增大的趋势,山西组地层水的Cl-含量明显高于太原组,反映了山西组地层水的封闭性要好于太原组。柳林区块上古生界煤系地层水化学特征显示出该区块的地层水与地表连通,但属较稳定承压水动力系统,相对较高矿化度的NaHCO3水型显示其对烃类的较好保存条件,并且在400m左右的埋深,Cl-含量能达到1000mg/L左右,为很有利于煤层气富集的水化学条件(王明明等,1998)。
图3 柳林区块山西组地下水化学类型分布图
综合来讲,可根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场、动力场的耦合关系,来探讨水文地质条件与煤层气富集的关系。水文地质参数、水位标高、矿化度、影响半径,都将对煤层气的生产能力产生显著影响。高含气带分布规律与地下水系统划分、水动力条件、矿化度分布规律具有对应关系。就柳林地区的水动力条件和水文地球化学特征来说,地下水顺地层向西部深处流动,且越往西部深处矿化度越大、水动力越弱,对煤层气富集越有利。
3 柳林区块煤层气成藏模式
柳林区块太原组与山西组煤层以焦煤、瘦煤为主,煤层气的富集表现为高含气量与厚煤带的叠合区域。埋深与水动力条件在很大程度上控制了煤层气的富集程度。
3.1 太原组煤层气成藏模式
太原组8+9、10号煤层为单斜水动力封闭成藏(图4)。由于补给区与径流区均在柳林区块外,柳林区块多为弱径流与滞流环境,有利于煤层气的保存。由北东向南西方向,随埋深加大,地层压力增加,煤层含气量相应增高。区块西南方向地下水径流作用弱,理论上有利于煤层气富集保存,虽然吨煤含气量可观,但由于富水性强,储层压力大,排水降压困难。加之煤层在此分岔变薄的趋势,不利于煤层气开发。
图4 柳林区块太原组单斜水压封闭成藏模式图
3.2 山西组煤层气成藏模式
山西组3+4、5号煤层顶板主要为泥岩封盖,局部为粉砂岩,顶底板含水性较弱,虽然存在顶板砂岩裂隙含水层,但整体上不存在水动力运移逸散作用,含气饱和度达90%以上,为区域有效盖层气压封闭成藏(图5)。煤层厚度与埋深是煤层气富集的主控因素,柳林区块煤层含气量整体上随埋深增加逐渐增大,厚煤带发育区为煤层气富集的有利地区。
图5 柳林区块山西组盖层气压封闭成藏模式图
4 结论
水动力条件直接影响着地层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富集与保存。
柳林区块太原组8号煤层与顶板灰岩为同一水动力系统,由于煤岩基质和地层水中存在较大的浓度梯度,煤岩中甲烷气体不断向上逸散,继而被交替地层水带走而难以保存在煤层中。因此,柳林区块太原组煤层整体含气饱和度偏低,含水饱和度较高,对后期排水降压不利。
柳林区块山西组3+4、5号煤层顶板主要为泥岩封盖,局部为粉砂岩,顶底板含水性较弱,虽然存在顶板砂岩裂隙含水层,但整体上不存在水动力运移逸散作用,含气饱和度达90%以上,煤层气开采条件较好。
参考文献
任光军,王莉,娄剑青.2008.柳林地区水文地质特征及其对煤层气生产井的影响,2008年煤层气学术研讨会论文集[M].北京:地质出版社,378~389
王明明,卢晓霞,金惠等.1998.华北地区石炭-二叠系煤层气富集区水文地质特征[J].石油实验地质,20(4):385~393
叶建平,武强,王子和.2001.水文地质条件对煤层气赋存的控制作用[J].煤炭学报,26(5):459~462
赵庆波,刘兵,姚超等.1998.世界煤层气工业发展现状[M].北京:地质出版社,1~2