山西柳林区块水文地质条件及其对煤层气富集和聚集的影响
基金项目:国家重大科技专项“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，出生于1979，博士，2009年毕业于中国地质大学(北京)，现就职于中联煤层气有限责任公司，联系电话:01064297957，邮箱:ZWZ 98413 @ 166。
(中国联合煤层气有限责任公司北京100011)
柳林区块位于山西省西部，西邻黄河。初步勘探和试生产表明，该区块煤层气勘探开发前景广阔。为了尽快实现该区煤层气的商业化生产，最大限度地满足当地对煤层气资源的需求，寻找煤层气富集的高产区至关重要。根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场和动力场的耦合关系，探讨了水文地质条件与煤层气富集整合的关系。结果表明，柳林区块地下水沿地层向西流动，水动力越弱，越有利于煤层气的富集和整合。
关键词:柳林区块煤层气水文地质条件丰富完整。
山西柳林区块水文地质条件及其对煤层气成藏的影响
周MENG尚志莫日和
(中国联合煤层气有限公司，北京100011，中国)
文摘:柳林区块位于山西省西部，前期勘探和试采表明，该区块具有巨大的开发潜力。为了实现煤层气的商业化生产，寻找煤层气富集区和高产区至关重要。根据煤层气富集与地下水地球化学场和动力场的空间耦合关系，探讨了水文地质条件与煤层气富集的关系。结果表明，柳林地块地下水流向由东北向西南。西部水动力条件较弱，更适合煤层气的聚集。
关键词:柳林街区；煤层气；水文地质条件；积累
煤层气是以CH4为主要成分的非常规天然气，产生于煤的煤化过程，主要以吸附状态存在于煤层中。煤层气是优质能源和基础化工原料，具有热值高、污染少、安全性高等特点，是石油、天然气等常规地质能源的重要补充。煤层气也是一种有害和危险的气体。煤层气中CH4的温室效应约为CO2的265，438+0倍，对大气臭氧层的破坏是CO2的7倍(赵庆波等，65，438+0，998)，对生态环境的破坏性极大。煤层气的易燃易爆性也严重危害着煤矿的安全生产。因此，煤层气的有效利用对于缓解我国能源供应紧张、减少温室气体排放、提高煤矿安全生产和拉动其他相关产业发展具有重要意义。
柳林区块位于山西省西部，河东煤田中部，西临黄河，面积约183km2。柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘中部离石鼻状构造上，主体构造为弧顶西凸的弧形褶皱。地块内断层较少，仅在地块北部有巨才塔南北向正断层及其派生的小断层组成的地堑。柳林地区共有14煤层，其中山西组5煤层，自上而下编号为1、2、3、4(3+4)、5；太原组共有9层，自上而下编号为6号、6号、7号、7号、8+9号、9号、10号、11号煤层。其中，山西组的2号、3号、4号(3+4)和5号煤层以及太原组的8+9号和10号煤层是煤层气勘探开发的主要煤层(任广军等，2008)。
柳林1区块水文地质条件概述
含水层类型及分布1.1
柳林地区主要含水层组有六套，即:奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭系上太原组灰岩岩溶裂隙含水层组、二叠系下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和新近系、第四系砾石(岩)孔隙含水层组(图1)。其中，上石炭统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组和下二叠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。
中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层组由上、下马家沟组和峰峰组组成。是一套以灰岩、泥灰岩、白云岩等碳酸盐岩为主的浅海相沉积，在柳林区块东缘大面积出露。该含水层组为单斜构造，自东向西埋深逐渐增大，富含岩溶水。它是该地区的主要含水层系统。
上石炭统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组主要由夹在上石炭统太原组之间的碎屑岩中的五层灰岩(L1-L5)组成，零星出露于区块东部的大峡谷中，埋深自东向西逐渐增大(图2)。储水空间主要由构造、溶隙和溶孔组成，不同地方的水丰度差异很大。柳林地块东缘岩溶发育，连通性好，补给容易，富水性强。向西，随着地层埋深的逐渐增加，灰岩的岩溶和裂隙逐渐不发育，富水性逐渐变差。总的来说，该含水层组富水性较强。
下二叠统山西组砂岩裂隙含水组由K3砂岩组成，在柳林区块东边界外围零星出露。含水层中的砂岩裂隙多被方解石脉或钙质薄膜充填，开放性和连通性差，储水空间小，富水性弱。
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砂岩和上石盒子组、石千峰组砂岩组成。K4砂岩节理、裂隙发育，由于开敞性差，充填方解石脉或钙质薄膜，以及补给条件的限制，富水性差。上石河组和石千峰组砂岩也富水性弱。
三叠系砂岩裂隙含水层组以砂岩裂隙含水层为主，出露于柳林区块西南部和聚才塔地堑，富水性差。
图1柳林区块含水系统划分
孔隙发育于新近系和第四系砾石(岩石)孔隙含水层组，受大气降水补给，形成孔隙潜水。受地形、补给条件和分布区域的限制，富水性一般不强，经短距离径流后排入河道或沟底补充地表水或渗入下伏岩石裂隙，集中排泄时形成下降泉。
1.2流场特征
1.2.1地下水补给、直径和排水条件
柳林区块地层总体向西倾斜，区域水文地质条件简单。它是一个向西倾斜、宽阔平缓的单斜蓄水构造。大气降水和东部灰岩的侧向补给是该区块所有地下水的主要补给来源，有时大气降水成为主要含水层的唯一补给来源。地表河流多为季节性河流，不利于地下水补给或补给量很小。受单斜构造控制，柳林区块主要含水层基本接受东部地层出露区大气降水的补给，然后由浅至深流动。
图2柳林区块简单水文地质剖面图
柳林区块地下水位高程北高南低，东高西低。地下水主要沿层理向深部流动，随着侧向距离的延长，径流强度逐渐减弱。当山西组深度超过500米时，地下水径流速度已经很慢，地下水径流基本处于停滞状态。煤层底部的奥陶系地层也呈现出东部和北部较高，西部和南部逐渐降低的一致趋势。
根据围岩含水层对煤层的供水强度，柳林区块煤层含水量分为三种类型。(1)煤层顶板为石灰岩溶洞含水层，为煤层提供了充足的水源，产生大量的水。石炭系太原组8号煤层属于这一类型。(2)煤层顶板或底板为砂岩孔隙和裂隙含水层，对煤层供水有限，煤层出水量一般较小。二叠系山西组的4号煤层属于这种类型；(3)煤层顶底板为泥质岩，供水差，很少有水渗入煤层，只能提供给断层或裂隙发育的部位的煤层。山西组5号煤层属于这种类型。
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。煤层水化学的研究是为了弄清地下水循环的特征。在柳林区块，煤层水的化学成分以阴离子为主，含量一般为2100 ~ 2400 mg/L，8号煤层水含量略高于4号和5号煤层。其次是Cl-，还有少量。阳离子以Na+为主，含量为1300~1800mg/L，还有少量K+、Ca2+、Mg2+和:pH值为6.7~8.2。
柳林区块4号和5号煤层水的矿化度高于8号和9号煤层，表明8号和9号煤层水的活动性较高，4号和5号煤层煤层气富集的水文地质条件优于8号和9号煤层。
2水文地质条件与煤层气富集的关系
2.1水文地质瓦斯治理
煤系地层的水文地质条件是影响煤层气富集、保存、成藏和开发的重要地质因素之一。在不同的水文地质条件下，煤层瓦斯的富集条件和含气饱和度不同，导致煤层瓦斯含量差异很大。有些水文地质条件有利于煤层气保存，有些水文地质条件对煤层气保存非常不利。水文地质控气可概括为三个特点:(1)水力运移弥散控气；(2)液压密封和气体控制；(3)水力封堵与气控(叶建平，2001)。水力封闭和水力封堵有利于煤层气的保存，水力运移和分散造成煤层气的损失。一般来说，地下水压力高，煤层气含量高，反之亦然。地下水强径流带煤层气含量低，滞流带煤层气含量高。
2.1.1水力运移和气体控制
导水能力强的断层构造发育区，水力运移和控气作用普遍。通过导水断层或裂隙，将煤层和含水层连接起来，水文地质单元的补给、直径和排泄系统完善。含水层富水性和水动力，含水层与煤层水力接触良好。在地下水运动过程中，地下水携带煤层中的气体逸出。
2.1.2液压密封气体控制功能
水力封堵控气发生在断层不发育的宽缓向斜或单斜中，断层构造以非水力断层为主，特别是一些边界断层，具有挤压和逆掩性质，成为隔水边界。水力封闭控气一般发生在深部，煤层气通过地下水的压力传递吸附在煤中，使煤层气相对富集而不运移，煤层含气量高。
2.1.3水力堵漏和气控功能
水力堵塞和气控是不对称向斜或单斜中常见的现象。在一定压差条件下，煤层气从高压区向低压区渗流，或从深部向浅层渗流。压力下降使煤层气解吸，所以它是煤层露头和浅部的煤层气逸出带。如果含水层或煤层接受露头补给，地下水沿层由浅入深，煤层中向上扩散的气体将被阻挡，导致煤层气聚集。
2.2地下水化学特征对煤层气成藏的影响
对于含煤地层，不同类型的地下水反映出不同的矿化度和矿化度，不同的矿化度和矿化度对煤层气储层有不同的影响。因此，不同类型的地下水在煤层气成藏中起着不同的作用。根据地层水的化学性质，地层水可分为三种类型:CaCl2 _ 2型、NaHCO3 _ 3型和Na2SO4型。CaCl2 _ 2水一般为深部成因水，往往位于承压区，盐度较高。承压水区煤层封闭条件好，煤层气成藏条件有利，但承压水区煤层埋深往往大于1000m，孔隙度和渗透率条件差，有利于成藏，但不利于煤层气开发。低盐度Na2SO4地下水是地表补给水的标志。位于补给区或排泄区附近，煤层埋深较浅或煤层侧向出露于地表。它是地表水沿露头区渗入煤层后水力蚀变的产物，常对应甲烷风化带，煤层气成藏条件差。NaHCO3 _ 3地下水矿化度介于前两者之间，煤层埋深主要在250 ~ 1000 m之间，煤层埋深适中，水力交替减缓。在渗入水与地层水的接触面，水流方向相反，造成局部滞流带，地层水流动不畅，造成超压，从而形成堵塞的煤层气藏。
2.3柳林区块煤层气富集特征
柳林区块地层水主要为碳酸氢钠型，局部有氯化钙或硫酸钠型(图3)。总盐度东低西高。在垂直方向上，总盐度由浅至深逐渐增加。山西组地层水Cl-含量明显高于太原组，反映出山西组地层水的封闭性好于太原组。柳林区块上古生界煤系地层的水化学特征表明，该区块地层水与地表相连，但属于相对稳定的承压水动力系统。相对高矿化度的NaHCO3水型显示了其对烃类良好的保存条件，在埋深约400m处Cl-含量可达约1，000 mg/L，这是有利于煤层气富集的水化学条件(王明明等，65438+)。
图3柳林区块山西组地下水化学类型分布图
总的来说，可以根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场和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、影响半径都会对煤层气产能产生重大影响。高含气带的分布规律与地下水系统的划分、水动力条件和矿化度分布规律有对应关系。就柳林地区水动力条件和水文地球化学特征而言，地下水沿地层流向西部深处，西部深度越深，矿化度越大，水动力越弱，越有利于煤层气富集。
柳林区块3煤层气成藏模式
柳林区块太原组和山西组煤层以焦煤和贫煤为主，煤层气富集区为高含气量和厚煤带的重叠区。埋深和水动力条件在很大程度上控制着煤层气的富集程度。
3.1太原组煤层气成藏模式
8+9号和号。太原组10煤层为单斜水动力封闭油藏(图4)。由于补给区和径流区在柳林区块之外，柳林区块多处于弱径流和滞流环境，有利于煤层气的保存。从东北向西南，随着埋深的增加，地层压力增大，煤层瓦斯含量相应增加。区块西南部地下水径流微弱，理论上有利于煤层气的富集和保存。虽然吨煤含气量可观，但由于富水性强，储层压力高，排水降压难度大。此外，该分叉处煤层变薄的趋势也不利于煤层气的开发。
图4柳林区块太原组单斜水力封堵成藏模式
3.2山西组煤层气成藏模式
山西组3+4、5号煤层顶板以泥岩为主，局部夹粉砂岩，顶底板富水性弱。虽有顶板砂岩裂隙含水层，但总体上无水动力运移和逸出，含气饱和度达90%以上，为区域性有效盖层气压封闭储层(图5)。煤层厚度和埋深是煤层气富集的主要控制因素，柳林区块煤层含气量整体上随着埋深的增加而逐渐增加，厚煤层带发育区是煤层气富集的有利区域。
图5柳林区块山西组盖层气压封闭成藏模式
4结论
水动力条件直接影响地层压力分布和流体运移，从而改变吸附气、溶解气和游离气之间的原始平衡，从而影响煤层气的富集和保存。
柳林区块太原组8号煤层与顶板灰岩为同一水动力系统。由于煤基质与地层水之间存在较大的浓度梯度，煤岩中的甲烷气体不断向上逸出，然后被交替的地层水带走，难以在煤层中储存。因此，柳林区块太原组煤层整体含气饱和度低，含水饱和度高，不利于后期排水降压。
柳林区块山西组3+4、5号煤层顶板以泥岩为主，局部为粉砂岩，顶底板富水性弱。虽有顶板砂岩裂隙含水层，但总体上无水动力运移弥散，含气饱和度达90%以上，煤层气开采条件较好。
参考
任广军，王力，楼建清。2008.柳林地区水文地质特征及其对煤层气井的影响，2008年煤层气学术讨论会论文集[M].北京:地质出版社，378~389
、陆、、等。华北石炭-二叠系煤层气富集区水文地质特征[J].石油实验地质学，20(4):385~393。
叶建平，吴强，王子鹤. 2001。水文地质条件对煤层气赋存的控制[J].煤炭学报，26卷5期:459~462页。
赵庆波，刘冰，姚超，等1998。世界煤层气产业发展现状[M]。北京:地质出版社，1~2。