李洋陽

(山西燃氣集團有限公司，山西 太原 030000)

滇東地區(qū)是我國南方重要的煤炭與煤層氣資源賦存區(qū)，煤層發(fā)育以上二疊統(tǒng)為主，具有“煤層層數(shù)多而薄、應(yīng)力高、弱富水、煤體結(jié)構(gòu)復雜”的典型地質(zhì)特征[1-2]。水文地質(zhì)條件對煤層氣的賦存、運移影響很大，對煤層氣的開采至關(guān)重要。煤層氣資源的生成、富集和運移等環(huán)節(jié)都與地層含水量、地層水離子成分等存在緊密聯(lián)系。由于不同水文地質(zhì)條件產(chǎn)生的作用不同，煤層氣在生成、富集以及運移等方面存在本質(zhì)的區(qū)別[3]。地層水通過地層壓力對煤層氣的吸附和聚集起到控制作用，通常情況下煤層氣的排采需要通過排水降壓來實現(xiàn)[4-5]，水頭壓力、被疏排含水層的富水性及滲透性能等均對煤層氣的產(chǎn)能有著重要影響[6-8]，在“弱富水”地質(zhì)條件下的地區(qū)更為明顯。

在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，同時開采不同的層段會產(chǎn)生層間干擾，影響排水降壓乃至煤層氣資源量的釋放。因此，為最大程度開發(fā)煤層氣資源，關(guān)鍵要查清煤系地層內(nèi)的水文地質(zhì)特征及水動力條件，確定煤系地層煤層氣開采的優(yōu)選層段并進行有序開采。

1 地質(zhì)概況

雨旺區(qū)塊是滇東地區(qū)重要的煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊，面積約82 km2。構(gòu)造上屬于云南老廠復背斜東翼，總體為一走向北東-南西、向南東傾的單斜(圖1)。主體褶曲為S401向斜和B401背斜，內(nèi)部有次一級的寬緩褶曲及稀少的走滑、斜交斷層。斷層以壓扭性為主，斷層破碎帶寬度不大，且多被泥質(zhì)充填或鈣質(zhì)膠結(jié)，導水性、富水性均較差，總體構(gòu)造發(fā)育較為簡單。

圖1 雨旺區(qū)塊構(gòu)造綱要

區(qū)內(nèi)出露地層由老到新有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、第四系。含煤地層包括上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長興組，龍?zhí)督M為研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)主要地層。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M厚341 m，含煤47 ～66層，一般為50層，含煤厚度37 ～ 47 m，一般為41 m，含煤系數(shù)為12%，含可采煤層17層，可采總厚11.68 m。長興組厚度約為20.88 m，其中煤層較薄且結(jié)構(gòu)較為單一，在研究區(qū)內(nèi)僅局部可采。區(qū)塊內(nèi)的煤級主要為無煙煤。

2 區(qū)塊水文地質(zhì)特征

2.1 煤系地層富水性分析

研究區(qū)出露各含水層在淺部接受大氣降水補給，由于地形切割和構(gòu)造的影響，就近于河溝谷處以泉點形式排泄，具有雨季補給常年排泄的特點[9]。研究區(qū)北部為高勢區(qū)，水位標高約1 940 m，南部為深部滯留區(qū)，水位標高約1 700 m(圖2)，相差約200 m，受地下水自重效應(yīng)，地下水流場方向為由西北至東南。

圖2 地下水位標高等值線

基于區(qū)塊抽水試驗獲得單位涌水量、滲透系數(shù)以及影響半徑等水文數(shù)據(jù)(表1)。按照煤炭行業(yè)規(guī)范標準(MT/T 1091-2008)對含水層類型進行劃分，區(qū)塊煤系含(隔)水層組由上到下可分為4層：煤系地層上覆相對隔水層組、煤系地層上段弱裂隙含水層組、煤系地層中段相對隔水層組以及煤系地層下段及茅口組強巖溶含水層組。

表1 研究區(qū)抽水試驗成果

卡以頭組平均單位涌水量為0.003 575 L/(s·m)，富水類型為弱富水，平均滲透系數(shù)為0.003 066 m/d，屬于極弱透水巖層。上段(P3c-P3l3)弱裂隙含水層組發(fā)育1～ 16號煤層，平均單位涌水量為0.016 3 L/(s·m)，平均滲透系數(shù)為0.009 m/d，屬于弱富水類型。影響半徑介于17.046 ～ 89.48 m之間，平均41.91 m。影響半徑越大，指示相同抽采條件下的壓降漏斗擴展能力越強[10]。中段(P3l2)相對隔水層組發(fā)育17～ 23號煤層，所測鉆孔單位涌水量為0.006 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.007 4 m/d，屬于弱富水類型。下段及茅口組(P2m-P3l1)基本不含煤，屬于強巖溶含水層組，富水性較好。

研究區(qū)煤系地層的單位涌水量介于0.006 ～ 0.155 L/(s·m)之間，屬于弱富水-中等富水類型；滲透系數(shù)介于0.003 6 ～ 0.017 5 m/d之間，屬于極弱-微透水巖層類型，總體上富水性較弱，水動力條件較差。

2.2 水化學特征

煤層氣井產(chǎn)出水的水化學特征在一定程度上反映含水層之間的水力聯(lián)系及地下水動力學條件，其主要指標是離子組成和礦化度及其分布特征[11]。煤層氣井產(chǎn)出水中常規(guī)陰陽離子是最容易獲取的水文地球化學數(shù)據(jù)。世界各地的煤層氣井產(chǎn)出水均具有相似的離子特征，即Na+、K+、Cl-和HCO3-濃度較高，Ca2+、Mg2+、SO42-含量較低。

圖3 地層水陰、陽離子Piper

圖4 地層水陰、陽離子Schoeller

煤層氣井產(chǎn)出水礦化度是表征水動力活躍程度的重要指標，礦化度越高，封閉條件越好，越有利于煤層氣的保存。隨著地下水徑流遠離補給區(qū)以及滯留時間的增加，礦化度也隨之增加。在此采用吳叢叢[12]修正后的評價地下水環(huán)境封閉性的水化學封閉指數(shù)F*(式1)：

(1)

地下水封閉指數(shù)與礦化有著良好的正相關(guān)關(guān)系(圖5)，結(jié)合煤系地層中、上兩段的水化學指標統(tǒng)計結(jié)果(表2)分析可知：煤系地層深部與淺部水化學類型的不同揭示了水動力條件的差異。垂向上，煤系地層上段封閉指數(shù)介于2.27 ～ 68.22之間，平均24.66，礦化度119.02 ～ 1 050.93 mg/L，平均437.18 mg/L，水質(zhì)類型為HCO3-Na+K和HCO3-Ca型，顯示出較弱的封閉性以及相對活躍的水動力條件；中段封閉指數(shù)159.87，礦化度2 761.32 mg/L，水質(zhì)類型為HCO3-Na+K型，顯示較強的封閉性以及相對較弱的水動力條件。在地下水匯流區(qū)形成滯留承壓水環(huán)境，對煤層氣形成水力封堵作用，有利于煤層氣保存和富集[13-15]。因此中段有潛力成為煤層氣開采的優(yōu)選層段。同時，也反映出煤系地層在垂向上存在相互阻隔現(xiàn)象，層段之間流體聯(lián)系交換相對獨立。

表2 水化學指標統(tǒng)計結(jié)果

圖5 地下水封閉指數(shù)與礦化度關(guān)系

2.3 煤系地層承壓狀態(tài)

煤層氣生產(chǎn)過程中流體壓力的傳播主要受給水含水層的疏排類型和參數(shù)等級的影響[16]，煤系地層的承壓狀態(tài)能夠直接反應(yīng)儲層能量的高低。壓力系數(shù)為流體壓力與同深度靜水壓力的比值，綜合考慮了儲層壓力與埋深的影響，可反映地層壓力狀態(tài)。在此采用注入/壓降試井數(shù)據(jù)來計算煤系地層壓力系數(shù)，試井數(shù)據(jù)能夠更為客觀地反應(yīng)煤系地層壓力特征，以查明不同層段的煤系地層承壓狀態(tài)(表3)。

表3 煤系地層中上段流體壓力狀態(tài)計算

經(jīng)計算，研究區(qū)煤系地層上段平均壓力系數(shù)為0.99，屬于正常壓力狀態(tài)；中段平均壓力系數(shù)為0.88，則屬于欠壓狀態(tài)。理論上，在同一流體壓力系統(tǒng)內(nèi)部各層段壓力系數(shù)相對穩(wěn)定，不同的含氣系統(tǒng)壓力系數(shù)則在垂向上表現(xiàn)出波動式變化，可以看出研究區(qū)煤系地層中、上兩個層段不屬于一個統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)，層段之間水力相互封閉，缺乏流體聯(lián)系，形成了垂向上相對獨立的含流體系統(tǒng)，與上述封閉性保持一致。同時發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主力煤層的平均含氣量在垂向上隨著層位的降低也同樣呈現(xiàn)出波動式變化(表4)，上段平均含氣量低于中段。

表4 研究區(qū)主力煤層平均含氣量

3 含煤層段開發(fā)潛力評價

在查清研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合選取與煤層氣地質(zhì)開發(fā)條件緊密相關(guān)的儲層壓力系數(shù)、含氣量、封閉指數(shù)及涌水量4個參數(shù)，運用層次分析法評價煤系地層不同層段的儲層能量大小，進一步對中、上兩層段煤層氣開發(fā)潛力作出合理的潛力預測。采用層次分析法可減少不同性質(zhì)因素相互比較的困難，通過定性與定量相結(jié)合的方式確定權(quán)重，各參數(shù)對結(jié)果的影響都是量化的。根據(jù)評價指標選擇及已獲取的參數(shù)，構(gòu)建出評價指標集為U={壓力系數(shù)、含氣量、封閉指數(shù)、涌水量}，壓力系數(shù)是儲層能量的直接體現(xiàn)，設(shè)為最重要因素，其余評價指標重要性依次遞減。運用1～9判斷矩陣標度法，結(jié)合各指標對儲層能量的重要程度兩兩相互比較，建立判斷矩陣求取特征向量，并進行歸一化即得出各指標權(quán)重w=(0.438，0.313，0.188，0.072)。經(jīng)計算出指標一致性比率CR=0.005 435<0.1，通過一致性檢驗，結(jié)果具備可信性。

為定量表征中、上兩層段煤層氣開發(fā)潛力，引入水文地質(zhì)開發(fā)潛力指數(shù)β，首先將各參數(shù)進行均值標準化處理，使數(shù)據(jù)消除量綱和數(shù)量級的影響，然后結(jié)合權(quán)重指標，將各層段單參數(shù)歸一化結(jié)果進行加權(quán)計算，結(jié)果值越大則表示開發(fā)潛力越大(表5)。通過計算結(jié)果來看，研究區(qū)煤系地層中段的水文地質(zhì)開發(fā)潛力指數(shù)β較高，說明煤層氣開發(fā)潛力較大，應(yīng)首先進行重點開發(fā)。

表5 含煤層段各參數(shù)均值標準化結(jié)果與綜合指數(shù)(無量綱)

結(jié)合研究區(qū)目前煤層氣試驗井的排采數(shù)據(jù)(表6)發(fā)現(xiàn)，YW-01井開發(fā)層位為7+8號/13號，開發(fā)層段僅為上段，最高日產(chǎn)氣量336 m3，平均日產(chǎn)氣量79 m3。而同開兩層煤的YW-SR1、YW-SR4井開發(fā)層位均為7+8號/19號，開發(fā)層段中均包含了中段，最高日產(chǎn)氣量分別達到了751 m3和1 864 m3，平均日產(chǎn)氣量分別為150 m3和477.04 m3?，F(xiàn)場排采數(shù)據(jù)也反映出煤系地層中段的開發(fā)潛力較大，應(yīng)優(yōu)先開發(fā)。

表6 研究區(qū)煤層氣井排采數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

2) 深部與淺部水化學特征的不同，以及層段間的流體壓力狀態(tài)、封閉指數(shù)以及煤層含氣量均存在差異，揭示了層段間水力聯(lián)系較弱且存在相互阻隔，顯示出在垂向上至少發(fā)育有兩套相互獨立的含煤層氣系統(tǒng)。其中煤系地層中段封閉指數(shù)及礦化度較大，具備煤層氣保存的良好條件。

3) 基于層次分析法，結(jié)合重要相關(guān)參數(shù)，引入水文地質(zhì)開發(fā)潛力指數(shù)，定量評價出煤系地層中段的煤層氣開發(fā)潛力較大，與現(xiàn)場排采數(shù)據(jù)較為吻合，為后期煤層氣重點層段高效開發(fā)提供理論支撐。