水文地质条件分析在煤层气开发甜点区预测中的应用——以山西省榆社—武乡煤层气区块为例

覃 轩

(山西省煤炭地质勘查研究院，太原 030006)

煤层气受到地下水动力条件的影响和控制，其富集的影响因素和水文地质条件密不可分，煤层气的生产也是通过持续性的从煤储层中不断的抽水，减小储层压力来实现的，所以研究水文地质条件对煤层气的勘查、开发具有指导性意义。叶建平等认为水文地质条件对煤层气赋存的控制作用主要有水力运移、水力封闭和水力封堵三种[1]；傅雪海等认为地下水滞留地区的矿化度高、煤层含气量高；沁水盆地从盆地边缘到盆地中心依次可以划分为强径流、中等径流和弱径流区，依次出现水力封堵、水溶携带、径流逸散和水力封闭作用[2-3]。目前针对于水文地质条件对煤层气的控气作用的研究较为成熟，但利用水文地质条件圈定煤层气甜点区的案例较少[4-9]。本文以山西省榆社—武乡区块为例，通过对区块地下水动力条件、地下水水头压力的分析研究，建立了三种本区煤层气富集模型，并以此圈定煤层气甜点区。

1 水文地质条件分析

榆社—武乡区块位于山西省沁水煤田北部，主要可采煤层为1、3、8、15号煤层，其中3号煤层位于山西组中部，平均厚1.25m，是大部可采的稳定煤层。本文以3号煤储层的煤层气作为主要研究对象。

1.1 地下水动力条件

地下水动力条件对煤层气富集的影响主要体现在两个方面，一是地下水流场的方向，二是地下水径流的强度。

1.1.1 地下水流场的方向对煤层气的封堵/封闭作用

煤层气作为一种流体，其边界条件和地下水系统类似，故当含水层的流向和煤层气的逸散方向相同，或者含水层流向和煤层气流向相反，但是含水层流速比煤层气逸散速度大，地下水系统对将煤层气起到水力运移的作用；当含水层流向和煤层气流向相反，且含水层流速比煤层气逸散速度小，地下水的流动既能阻止煤层气在静压力作用下顺层逸散，也可以使得其中溶解的煤层气向深部运移，因而有利于煤层气聚集，这时地下水系统将对将煤层气起到水力封堵的作用。

本区块横跨娘子关泉域和辛安泉域两个岩溶泉域系统，以区块中北部的地下水分水岭为界，北为娘子关岩溶泉域系统，南部为辛安岩溶泉域系统。北东部地下水流向为北东方向，南西部地下水流向为南西方向，越往深部径流速度越慢。

区块无大型断层，煤层气顺层由深到浅向上逸散。根据3号煤层埋深情况，煤层气的逸散方向为北西向至南东向。由此可知，区块北部娘子关泉域地下水的流向和煤层气逸散方向相同，地下水系统对煤层气以水力运移为主，不利于煤层气富集；南部辛安泉域地下水流向和煤层气逸散方向相反，在矿化度较低的区域(地下水流速慢)地下水系统对煤层气以水力封闭为主，推断为煤层气富集区，含气量高(图1)。

图1 地下水流向和煤层气逸散方向示意Figure 1 A schematic diagram of groundwater flowdirection and CBM escaping direction

1.1.2 地下水径流强度对地下水化学特征的影响

沁水盆地从盆地中心到盆地边缘地下水径流能力由弱到强，控气类型可分为“滞流型”“缓流型”“强径流型”三种。一般来说滞留型对煤层气的保存有利，缓流型对煤层的保存较有利，强径流型对煤层气的保存不利，而地下水的径流强度，往往又可以通过煤储层系统中地下水的化学特征反映出来，即地下水径流强度越大，地下水的矿化度就越低，地下水系统对煤层气的富集就越不利；地下水径流强度越小，地下水的矿化度就越高，地下水系统对煤层气的富集就有越利。

根据收集本区钻孔资料，将区块矿化度为300～600mg/L的区域划分为“强径流型”，矿化度600～1 200mg/L的区域划分“缓流带”，矿化度大于1 200mg/L的区域划分为“滞留带”(图2)。由图2可知，本区块在北西部地下水径流条件差，地下水流速慢，容易产生煤层气富集。

图2 山西组含水层矿化度等值线Figure 2 Isogram of Shanxi Formation aquifer watermineralization degrees

1.2 地下水水头压力

储层压力既是控制储层吸附量的重要因素，也是煤层气开发难易程度的考察指标之一。在煤层气和地下水共存的状态下，储层压力与水头压力趋于一致，水头压力往往能够显示储层压力的大小，随着煤层埋深的增大，水头压力变大，储层压力也变大，呈现联动状态，且储层压力变化较之水头压力变化往往有一定的延迟性。

在煤层气开发当中，产能高的煤层气井地层能量也高，而高地层能量则表现为高储层压力梯度。本区块内缺乏煤储层压力的试井资料，为了更好的了解本区块的煤储层压力情况，可以充分利用煤田地质勘探井山西组含水层的抽水试验资料，将压力水头值换算等效储层压力，绘制3号煤层储层压力等值线图(图3)，预测本区块的煤层气产能。

由图3可知，3号煤层区块中部、西部储层压力较大，从中西部向南部和北部储层压力逐渐减小，和本区块煤层埋深规律基本吻合，说明区块中部地层能量大，煤层气开发潜力好。

1.3 煤层气富集模型

根据本区的地层、构造和煤层发育情况特征，结合地下水对煤层气的封闭作用，笔者建立了以下3种煤层气富集模型：

1)模型I。存在隔水顶板，且该区为型背斜构造，煤层发育稳定，则容易在背斜核部有煤层气富集。值得注意的是，本模型只适用于以游离气为主且含水量较多的煤储层，对于其他条件下的煤储层，可能会由于含水量小的缘故导致排采时出现“无水可排”的情形，影响煤层气的解吸效果效果，导致“不出气”的情况发生(图4a)。

2)模型II。存在隔水顶板，且该区为单斜构造，煤层在地层倾向的相反方向逐渐尖灭为泥岩，则容易在煤层尖灭处有煤层气富集(图4b)。

图3 3号煤层储层压力等值线Figure 3 Isogram of coal No.3 reservoir pressures

图4 煤层气富集模型Figure 4 CBM enrichment model

3)模型III。存在隔水底板，且该区为单斜构造，煤层发育稳定，发育正断层。当断层上盘的煤层下降到下盘隔水底板的位置，即煤层与隔水性好的泥岩类地层相接，那么则容易在断层上盘、煤层与泥岩相接处有煤层气富集(图4c)。

2 甜点区预测和论证

综上所述，根据上述3种煤层气模型，结合区块地下水径流较差的区域、地下水头压力较大的区域，对榆社—武乡区块进行甜点区预测，共划分出3处甜点区(图5)。

图5 根据水文地质条件圈定的甜点区Figure 5 Delineated dessert areas basedon hydrogeological conditions

目前，榆社—武乡区块已经分割为5个煤层气矿业权挂牌出让，根据目前排采的情况，榆社东区块和榆社—武乡区块最大日产气量超过1 000m3的生产井均位于本次预测的甜点区内，说明通过水文地质条件预测煤层气甜点区具有一定的可行性。

3 结论

综上所述，地下水系统对于煤层气富集有着紧密的联系，在榆社—武乡区块，地下水动力条件直接影响到了煤层的分布。笔者通过对水文地质条件的分析，建立煤层气富集模型并对榆社—武乡区块煤层气开发甜点区进行预测。根据目前已施工排采井的排采情况，预测的2处甜点区基本吻合。