雨旺區塊煤層氣水文地質特征及開發潛力評價

李洋陽

(山西燃氣集團有限公司，山西 太原 030000)

滇東地區是我國南方重要的煤炭與煤層氣資源賦存區，煤層發育以上二疊統為主，具有“煤層層數多而薄、應力高、弱富水、煤體結構復雜”的典型地質特征[1-2]。水文地質條件對煤層氣的賦存、運移影響很大，對煤層氣的開采至關重要。煤層氣資源的生成、富集和運移等環節都與地層含水量、地層水離子成分等存在緊密聯系。由于不同水文地質條件產生的作用不同，煤層氣在生成、富集以及運移等方面存在本質的區別[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[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能有著重要影響[6-8]，在“弱富水”地質條件下的地區更為明顯。

在開發過程中發現，同時開采不同的層段會產生層間干擾，影響排水降壓乃至煤層氣資源量的釋放。因此，為最大程度開發煤層氣資源，關鍵要查清煤系地層內的水文地質特征及水動力條件，確定煤系地層煤層氣開采的優選層段并進行有序開采。

1 地質概況

雨旺區塊是滇東地區重要的煤層氣開發有利區塊，面積約82 km2。構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，且多被泥質充填或鈣質膠結，導水性、富水性均較差，總體構造發育較為簡單。

圖1 雨旺區塊構造綱要

區內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龍潭組和長興組，龍潭組為研究區煤層氣勘探開發主要地層。上二疊統龍潭組厚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，其中煤層較薄且結構較為單一，在研究區內僅局部可采。區塊內的煤級主要為無煙煤。

2 區塊水文地質特征

2.1 煤系地層富水性分析

研究區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]。研究區北部為高勢區，水位標高約1 940 m，南部為深部滯留區，水位標高約1 700 m(圖2)，相差約200 m，受地下水自重效應，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

基于區塊抽水試驗獲得單位涌水量、滲透系數以及影響半徑等水文數據(表1)。按照煤炭行業規范標準(MT/T 1091-2008)對含水層類型進行劃分，區塊煤系含(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]。煤層氣井產出水中常規陰陽離子是最容易獲取的水文地球化學數據。世界各地的煤層氣井產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境封閉性的水化學封閉指數F*(式1)：

(1)

地下水封閉指數與礦化有著良好的正相關關系(圖5)，結合煤系地層中、上兩段的水化學指標統計結果(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159.87，礦化度2 761.32 mg/L，水質類型為HCO3-Na+K型，顯示較強的封閉性以及相對較弱的水動力條件。在地下水匯流區形成滯留承壓水環境，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選層段。同時，也反映出煤系地層在垂向上存在相互阻隔現象，層段之間流體聯系交換相對獨立。

表2 水化學指標統計結果

圖5 地下水封閉指數與礦化度關系

2.3 煤系地層承壓狀態

煤層氣生產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等級的影響[16]，煤系地層的承壓狀態能夠直接反應儲層能量的高低。壓力系數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。在此采用注入/壓降試井數據來計算煤系地層壓力系數，試井數據能夠更為客觀地反應煤系地層壓力特征，以查明不同層段的煤系地層承壓狀態(表3)。

表3 煤系地層中上段流體壓力狀態計算

經計算，研究區煤系地層上段平均壓力系數為0.99，屬于正常壓力狀態；中段平均壓力系數為0.88，則屬于欠壓狀態。理論上，在同一流體壓力系統內部各層段壓力系數相對穩定，不同的含氣系統壓力系數則在垂向上表現出波動式變化，可以看出研究區煤系地層中、上兩個層段不屬于一個統一的流體壓力系統，層段之間水力相互封閉，缺乏流體聯系，形成了垂向上相對獨立的含流體系統，與上述封閉性保持一致。同時發現，研究區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出波動式變化(表4)，上段平均含氣量低于中段。

表4 研究區主力煤層平均含氣量

3 含煤層段開發潛力評價

在查清研究區水文地質條件的基礎上，綜合選取與煤層氣地質開發條件緊密相關的儲層壓力系數、含氣量、封閉指數及涌水量4個參數，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因素相互比較的困難，通過定性與定量相結合的方式確定權重，各參數對結果的影響都是量化的。根據評價指標選擇及已獲取的參數，構建出評價指標集為U={壓力系數、含氣量、封閉指數、涌水量}，壓力系數是儲層能量的直接體現，設為最重要因素，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重w=(0.438，0.313，0.188，0.072)。經計算出指標一致性比率CR=0.005 435<0.1，通過一致性檢驗，結果具備可信性。

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

表5 含煤層段各參數均值標準化結果與綜合指數(無量綱)

結合研究區目前煤層氣試驗井的排采數據(表6)發現，YW-01井開發層位為7+8號/13號，開發層段僅為上段，最高日產氣量336 m3，平均日產氣量79 m3。而同開兩層煤的YW-SR1、YW-SR4井開發層位均為7+8號/19號，開發層段中均包含了中段，最高日產氣量分別達到了751 m3和1 864 m3，平均日產氣量分別為150 m3和477.04 m3?，F場排采數據也反映出煤系地層中段的開發潛力較大，應優先開發。

表6 研究區煤層氣井排采數據

4 結 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、封閉指數以及煤層含氣量均存在差異，揭示了層段間水力聯系較弱且存在相互阻隔，顯示出在垂向上至少發育有兩套相互獨立的含煤層氣系統。其中煤系地層中段封閉指數及礦化度較大，具備煤層氣保存的良好條件。

3) 基于層次分析法，結合重要相關參數，引入水文地質開發潛力指數，定量評價出煤系地層中段的煤層氣開發潛力較大，與現場排采數據較為吻合，為后期煤層氣重點層段高效開發提供理論支撐。