水文地質條件對煤層氣開采的影響研究

荊志杰

（山西省地質礦產研究院，太原 030001）

水文地質是影響煤層氣開采的關鍵因素之一，當前絕大部分煤層氣的開采都是通過三個階段來實現。第一，排出煤層氣的地下水，降低煤層氣的煤儲層壓力；第二，在煤儲層壓力降低到一定程度之后，開始解析煤層氣；第三，在煤層氣達到工業生產標準之后，通過相關機械設備實現煤層氣的開采[1]。由此可見，在煤層氣開采過程中，降壓排水是最為主要的開采措施，換而言之，水文地質條件在煤層氣開采過程中起到決定性作用。

1 我國煤層氣的基本情況

相對于天然氣的形成機制而言，煤層氣的形成機制與之存在較大的差異，煤層氣藏增長的基本因素涵蓋煤層條件、壓力條件以及保存條件等，煤層的煤級、厚度等構成煤層條件，這也是形成煤層氣藏的物質方面基礎因素[2]。此外，煤層氣藏的形成還需要壓力密封，并且需要完善的保層條件，才能夠將所形成的煤層氣保存至今。

我國擁有豐富的煤層氣資源，相關勘探結果表明，我國儲存深度在2 000 m以下的淺層煤層氣資源超過340萬億m3，而我國華北地區擁有超過一半的煤層氣資源，除此之外，我國的南方和西北地區也有較大的煤層氣儲存量[3]。我國的煤層氣主要賦存于上古生界煤儲層中，由于煤層地質普遍都經歷多期的構造運動，所以煤儲層的構造存在強烈形變，煤的多階段演化和多熱源疊加變質作用較為明顯，多重因素的共同影響使得開發煤層氣面臨較大的難度。我國相對于美國的煤層氣開采而言情況更為復雜，所以需要在開采過程中進一步處理，開發利用煤層氣需要先明確煤層氣賦存的地質控制因素，這也是當前開采利用煤層氣所需要關注的重點之一[4]。

2 水文和地質條件對于煤層氣賦存的影響

2.1 水文特征對于煤層氣賦存和開采的影響

水文特征對于煤層氣賦存和開采的影響程度較大，在煤層中，其煤儲層和頂板含水層互相影響，并構成完整的地下水系統，同時煤層氣存儲于煤的縫隙之中，處于吸附狀態，而地下水系統能夠對煤層氣的吸附狀態進行控制[5]。如果所處區域存在高儲層壓力和高含水層勢能，煤層氣會大量富集，如果缺乏上述條件，則煤層氣會逸散，無法富集。就當前我國水文特征和煤層氣之間的關系而言，水文特征對于煤層氣賦存和開采的影響主要分為如下三個方面。

2.1.1 水力的轉移與逸散作用

在擁有較強導水性的地質區域，水力的轉移與逸散作用表現得較為突出，其可以通過相應的導水斷層或裂隙進行聯通。地下水在流動的過程中可以有效促進煤層氣的解吸，將其從煤的縫隙中轉移出，使得其成為游離狀態并溶解于地下水，再由地下水的流動將煤層氣帶走，出現區域性煤層氣缺乏的情況。

2.1.2 水力封閉控氣作用

水力封閉控氣作用能夠對煤層氣的賦存進行有效控制，這一現象在斷層發育較弱的斜向地帶較容易出現，但其必須建立在斷層帶不具有導水性甚至斷層能夠形成一定隔水層的基礎上，只有對導水作用進行有效抑制，這一現象才容易出現[6]。在水文地質條件較為簡單的情況下，煤層本身為含水層，因為水力條件較差，地下水的流動速度較慢，同時因為重力因素的影響，在煤層較深的部位，地下水多是以靜水壓力形式流動，如此可以使得煤層氣緊緊地吸附在煤中，進而出現煤層氣富集的情況，實現對煤層氣轉移的有效控制，如此會顯著提高煤層氣的含量。當前，我國豫西焦作、華北地區沁水盆地等地區的煤層氣都是由水力封閉作用形成的。

2.1.3 水力封堵控氣作用

水力封閉控氣作用在不對稱向斜和單斜的地質條件下較為常見，該作用的存在對于煤層氣的賦存較為有利，由于壓力差的存在，煤層氣會由高壓區域向相對低壓區域轉移，或者是由深部逐漸滲透到淺部，因為壓力的減少，原來吸附于煤層中的煤層氣會逐漸逸散，并且形成逸散區域，如果在此情況下，地下水由淺部向深部流動，則會對煤層氣向上擴散形成阻礙，進而將逸散的煤層氣重新富集[7]。水力運移逸散作用會導致煤層氣出現轉移和逸散，而水力封閉控氣作用和水力封堵控氣作用可以促進煤層氣的富集，通過相關水文特征，人們可以大概了解煤層氣的賦存情況。所以，在勘探煤層氣并準備開采時，人們必須高度重視水文特征測試分析工作。

2.2 地質特征對于煤層氣賦存和開采的影響

在研究煤層氣賦存和開采過程中，地質構造也是需要重點關注的因素之一。相關資料表明，地質構造在斷裂發育的地區，煤層氣的含量相對較低，而褶皺構造發育的地區，其能夠促進煤層氣的局部富集，相對于前者而言，煤層氣的含量更高。除此之外，煤層的埋深度與煤層自身的厚度也會對煤層氣中甲烷的含量產生影響，一般而言，煤層氣中的甲烷含量隨著煤層深度的增加而增加，在相同深度下，煤層氣中的甲烷含量隨著煤層厚度的增加而增加[8]。

2.2.1 地質構造的變化作用

地質構造在數千萬年間一直在持續演化中，并且在煤層之上不斷形成覆蓋層，由于數千年間覆蓋層的不斷增厚，對于煤層氣的存儲形成了極為良好的保存條件，其能夠有效控制煤層的壓力，并且對煤層氣存在的逸散情況有著較好的控制效果。除此之外，相關調查結果表明，地質構造的回返抬升在控制煤層氣方面起到較大的作用，會對煤層氣的存儲量產生直接影響。

2.2.2 地質構造的回返抬升

數千萬年間的地質構造演化過程中，勢必存在回返抬升的情況，即便是兩處煤層的埋藏深度相同，但是由于回返抬升的自身特點，如回返抬升的時間長短以及時間早晚的差異，其蘊含的煤層氣含量存在差異。相關調查數據表明，如果回返抬升的現象發生得較晚，則煤層氣的存儲量會更大，其主要是因為回返抬升現象距離當期時間更短，煤層氣逸散的時間較短，所以其逸散量較少。我國華北地區的東部與西部地區的煤層氣儲量之所以存在較大差異，就是因為回返抬升發生的時間早晚不一[9]。

2.2.3 地質構造形態不同

數千萬年的自然演化形成了千姿百態的地質構造形態，對于煤層氣而言，其賦存效果直接受到地質構造形態的影響，相對封閉的構造對于煤層氣的富集較為有利，而相對開放的構造則會對煤層氣的逸散具有促進作用，對于煤層氣的儲存產生不利影響。以褶皺地形區域為例，其向斜地區和背斜地區的閉合處能夠很好地促進煤層氣的賦存，對于斷層地區，如果其存在較大的壓力，并且存在極為緊密的地質結構，存在閉合特點，則其會具有較大的煤層氣儲量。

2.2.4 煤層和圍巖對于煤層氣賦存的影響

煤層直接頂、老頂以及直接底板等具有一定厚度范圍的巖層都被稱為煤層圍巖。有研究以T煤礦的勘查結果對煤層氣賦存情況進行分析，T煤礦的2號和4號煤層及其頂底板巖性主要是砂質泥巖、泥巖以及粉砂巖，頂底板巖石較為緊密，存在較低的孔隙率、較差的滲透率[10]。所以，此處煤層頂底板就成為促進煤層氣賦存的關鍵因素之一。研究發現，如果煤層頂板為灰巖，具有相對簡單的結構，則此環境下很難形成高含量的煤層氣藏；如果煤層頂底板為泥巖或粉砂巖，擁有相對較高含量的煤層氣。在對比2號與4號煤層分布后，結果發現，其煤層分布情況較為穩定，煤層的厚度達到5 m，可以稱作厚煤層。煤層厚度較大，很容易出現大量生烴資源，此環境對于煤層氣的賦存較為有利，所以此處的煤層氣含量較高，而且擁有較高的單位面積生烴量。較厚的煤層對于煤層瓦斯的保存較為有利，所以會導致煤層擁有較高的瓦斯含量。

3 結論

本文從水文條件與地質條件兩個角度來分析其對煤層氣賦存的控制作用。可以確定，在煤層氣賦存方面，水文地質條件可以起到極強的影響效果，它可以從多角度對煤層氣的形成、轉移以及存儲產生影響。所以，要加強對水文地質條件的深入研究，充分了解水文條件對煤層氣賦存和開采的影響，了解地質條件對煤層氣賦存的影響，在準確判斷煤層中煤層氣含量和位置的同時，合理利用水文條件，更加科學、高效地實現煤層氣的開采，以促進我國社會經濟的發展。