水文地质条件对煤层气赋存的控制作用

水文地质条件对煤层气赋存的控制作用

张福水

河北水文工程地质勘察院河北石家庄050000

摘要：煤层气的生成、富集、运移等一系列过程都与地层水有着十分密切的联系，因此，在新时期加强水文地质条件对煤层气赋存的控制作用的研究，有助于增强区域煤层气的生产潜力。

关键词：水文地质条件；煤层气；赋存；控制作用

引言

煤层气也就是我们经常提到的“瓦斯”，它是一种非常规的天然气，经过千万年的演化逐渐形成并保存于地层之中。近年来，随着我国经济的不断发展，对能源的需要也越来越大，煤层气作为一种重要的能源，它的控制，开采和利用正在受到社会各界的关注。水文地质条件是影响煤层气储存，开采的重要因素之一，能够对煤层气赋存的控制起到非常关键的作用。

1煤层气开发利用的现状及其所具有的重要性

煤层气是近年来新兴起的一种清洁能源。随着世界工业的不断发展进步，传统的能源资源已经渐渐不能满足当前对能源资源的过度消耗。因此加大对煤层资源的开发利用具有重要的现实意义。

1.1煤层气开发利用的现状

近年来，随着节约能源和保护生态理念的不断深入，我国逐渐加大了对煤层气的开发利用。首先，国家对煤层气资源进行了相应侦测的同时对煤层气开发应用的基础理论进行了研究，并且对相应的技术设备进行了研发支持。其次，国家在煤层气产业发展过程中给予了大量的政策支持，并投入大量的资金扶持。这种体制上的支持保障使煤层气产业的发展没有政策和资金制约，使我国对煤层气的开发利用逐渐步入先进水平。

1.2煤层气开发利用的意义

煤层气的开发利用具有重要的现实意义。首先，煤层气的开发利用能够缓解当前世界能源紧张的状况。随着全球经济的不断发展，能源供应已经日趋紧张。作为人口大国来说，我国应该注重对可再生能源的开发利用，以减少经济发展的瓶颈。其次，加大对煤层气资源的开发应用能够对我国现有的能源结构进行优化调整。随着我国经济的不断发展，能源消费需求也在不断的加大，对能源的消耗不仅对经济发展有不利影响还对生态环境的建设有极大损害。

2煤层气赋存方式分析

煤层气以三种状态存在于煤层之中：溶解状态，溶解于煤层内的地下水中；游离状态，其中大部分存在于各类裂隙之中，以游离态分布于煤的孔隙中；吸附状态，吸附在煤孔隙的内表面上。溶解状态甲烷含量较少，一般以游离态和吸附态甲烷为主。

2.1吸附状态

煤层气煤层与常规天然气储层的不同主要表现在，大多数的气体都是以吸附的方式在煤层中储存的。测算结果表明，吸附状态的气在煤中气体总量中大约占到的0~95%还多，具体比例需要看煤的变质程度，埋藏深度等方面的影响。煤吸附煤层气（甲烷）的能力与多种因素有关，主要有以下几个方面：①一般情况下，随着煤变质程度的提高，其吸附气的能力逐渐增加。②煤吸附气量与压力的关系是：当压力不大时，吸附量随压力增大而增加；压力越高，增长幅度越小；当压力达到一定值时，吸附量接近一个常数。这就是说，煤吸附气量是随压力的增加按双曲线规律变化。③由于吸附作用本身是一个放热过程，因此当温度升高时，煤对煤层气的吸附能力下降。④随着煤的湿度加大，吸附量将变小。这是因为煤的部分微孔隙已被水分了所占据，而将煤层气分子挤出所致。

2.2游离状态

煤层气在气饱和的情况下，煤的孔隙和裂隙中充满着处于游离状态的气体。这部分气服从一般气体状态方程，由于甲烷分了的自由热运动，因而显现出气体压力。游离气的含量取决于煤的孔隙（裂脚体积、温度、气体压力和甲烷的压缩系数。计算方程如下：Qy=准×P×K式中：Qy为游离气含量（cm3/g）；准为单位质量煤的孔隙体积（cm3/s）；P为气体压力（MPa）；K为甲烷的压缩系数（MPa-1）。

2.3溶解状态

煤层气水对甲烷有一定的溶解能力。与其他气体相比，甲烷在水中的溶解度是较小的。但煤层常为含水层，甲烷会因地下水的运动而从煤层中运移出去。

2.4游离态与吸附态

煤层气的转化当压力增加、温度降低时，煤的吸附能量增加，游离状态煤层气向吸附状态转化。当压力降低、温度升高时，吸附状态瓦斯向游离状态转化。在井下，当大量瓦斯解吸时，可吸收围岩热量而使煤壁降温。

3水动力特质对煤层气赋存的控制作用

煤层气存在于煤的缝隙之中，状态是吸附式的，而地下水水系统可以控制煤层气的吸附状态，这就意味着它可以影响煤层气的储存或者逸散。越是高压的地区越容易造成煤层气的赋存，反之，煤层气逸散的可能性较大。基本上，水力特质的相关控制作用有三大特点。

3.1水力的转移和逸散作用

对于一些导水性比较强的地质区域，水力的转移和逸散作用比较明显。地下水在断层构造发育地区不断地运动过程中，将吸附在煤的缝隙中的煤层气转移，进而逸散开来，导致区域性的煤层气缺乏。

3.2水力封闭控气作用

水力封闭控气作用能够控制煤层气的赋存，一般情况下，在断裂发育较弱的斜向地带容易出现这种作用，前提是，这种断裂带不具有导水性，甚至断层形成了一定的隔水层，抑制了导水作用。在水文地质条件比较简单的前提下，煤层充为含水层，因而水力条件比较弱。地下水的流速流量交小，受到重力的影响又或是以静水压力形式流动。水力封闭的控气作用大多发生在较深的区域，煤层气因为地下水的压力传递吸附在煤缝隙之中，受到压力作用，煤层气区域集中，不易产生逸散和转移现象。

3.3水力封堵控气

对于不对称向斜和单斜的地质条件，水力封堵控气作用较为常见，十分有利于煤层气的赋存。由于地层之间的压力差的存在，使得煤层气由高压区域转移到相对低压的区域，或是从深部渗流到浅部。由于压力的减少，吸附在煤中的煤层气逸散，并形成逸散区域。在这种情况下，当地下水由浅层向深层移动，那么煤层气就无法向上逸散，便聚集在一定的区域内，形成大量的煤层气富集区，这就是所谓的水力封堵控气作用。

4地质条件对煤层气赋存的控制作用

4.1地质构造的变化作用

千万年来，地质构造不断演化，在煤层之上不断生成覆盖层，覆盖层不断增厚为煤层气的储存创作了十分有利的条件，能够有效对煤层的压力起到控制作用，并且抑制煤层气的逸散。此外还应特别强调地质构造的回返抬升，根据学者专家的研究，这种现象对煤层气的控制能造成较大影响，其特质与煤层气的储存量由紧密的联系。下面笔者将就这一点进行详细的论证说明。

4.2地质构造的回返抬升

现今埋深相同的煤层，其经历的回返抬升的时间早晚和长短不同，煤层气的富集程度也不同。抬升回返时间晚且短，煤层气散失的时间就短，对煤层气藏的保存有利。例如华北东部和西部地区抬升回返时间不同，煤层气富集程度具有明显差异。聚煤盆地回返抬升后的喜马拉雅期构造演化对煤层气的富集程度也有重要影响。长期处于隆起剥蚀的地区，煤层气将不断散失；后期发生沉降的地区有利于煤层气的保存，但易造成煤层气饱和度的降低，因为地层的抬升导致上覆地层压力减小，煤层气发生解吸散失，部分以游离气和水溶气的形式保存在煤层中。当地层沉降后，上覆地层压力增大，煤的吸附能力增强，如果没有气源补给，煤层的含气量仍保持地层沉降前的水平，造成煤层气含气饱和度降低。

4.3地质构造的形态不同

各种各样的地质构造形态对煤层气赋存产生着不同的影响。例如，封闭性地质构造对煤层气赋产生着极为有利的条件。而相对开放性的地质构造则能够多煤层气逸散产生有利条件。最具特色的莫过于褶皱和断层这两种地质构造形态。褶皱式的地质形态在不同褶皱地区有着不同的作用，褶皱式地形有背斜和向斜之分，在背斜闭合的地方是煤层气储存的有利位置。在向斜部分则是煤层气富集的主要构造形态。断层式的地质形态因其断裂性质不同对煤层气赋存能力也存在一定的差异。受较大压力产生的断层地质结构会相对紧凑，透气性不好就会有利于煤层气赋存。而相对张性的断层结构则比较松散，透气性好，不利于煤层气储存却有利于煤层气逸散。

5水文地质条件对煤层气赋存的控制作用实例分析

5.1基本地质条件

图1为贵州毕节某煤矿地层构成示意图。

图1贵州毕节某煤矿地层构成示意图

区内构造主体为走向北东的一组向、背斜，并伴有与向、背斜轴同向断裂构造。区内可采煤层3层，编号为5号煤层、8号煤层、12号煤层，其中5号煤层局部为可采，8号煤层和12号煤层全区可采。

表1煤层瓦斯参数梯度

之所以出现各个煤层瓦斯逸散模式不同，分析矿区某矿的煤层顶底板岩性、水文地质条件（主要是含水层的水动力条件和隔水层的透气性）和煤层露头的分布情况，发现：

（1）5号煤层直接顶为一层薄层状石灰岩，细品结构，节理裂隙发育，岩芯破碎，透气性较好，5号煤层顶板以上不到20m，该层为富水性中等的岩溶含水层，5号煤层瓦斯沿垂直向上通过节理裂隙在含水层的疏导作用下得以充分逸散；此外，在浅部离煤层露头距离较近的地方，瓦斯顺煤层向煤层露头方向逸散；这也正是5号煤层瓦斯较小的原因所在。

（2）5号煤层和8号煤层之间岩层以粉砂质泥岩为主，岩性较为致密，8号煤层底板同样为岩性致密的粉砂质泥岩，顶底板岩性均较为致密，瓦斯封存条件较好，这一点同样可以从8号煤层瓦斯含量大、瓦斯压力高和突出危险性大得以验证；在顶底板岩性致密程度相差不大的情况下，由于瓦斯密度小于空气，瓦斯同样会垂直向上逸散，只不过逸散量非常有限；此外，8号煤层在100m以浅测定地点的百米瓦斯压力梯度均小于其平均值0.70MPa，其主要原因是埋藏较浅地方与煤层露头的距离比较近，瓦斯顺煤层向煤层露头方向逸散的比重增大。

5.2水文地质条件对煤层瓦斯赋存规律的影响

在煤层埋藏深度118~154m范围内，8号煤层的瓦斯压力为0.82~1.03MPa，平均0.90MPa。瓦斯压力与煤层埋藏深度的关系离散性较大，百米煤层瓦斯压力梯度为0.62~0.84MPa，平均为0.70MPa。在发生动力现象地点以浅（埋藏深度小于125m）的测点，8号煤层百米瓦斯含量梯度在3.40~6.90m3/t，均小于平均值7.26m3/t。去除发生动力现象地点附近的瓦斯含量异常点，将8号煤层瓦斯含量与埋藏深度绘制成散点图，并按相同埋藏深度取最大值拟合关系曲线（图2）。

图28号煤层瓦斯含量与埋深关系

由图2可以看出，在埋藏深度120m以浅，8号煤层瓦斯含量小于8m3/t。特别应该指出的是，图2中上方的拟合曲线仅适用于埋藏深度小于160m范围内瓦斯上限的估算，对于深部煤层瓦斯含量推算会比较高。

结束语

煤层气是以自生自储式为主的非常规天然气，它主要贮存于煤层及其邻近岩层之中。煤层气用于居民燃气中几乎不会产生燃烧废气，是一种具有洁净性的燃料，并且煤层气还能够作为化工原料用于工业生产中。注重对煤层气的开发应用，使其发展成为一种高效洁净的能源资源，具有很强的经济效益和生态环保效益。因而通过探讨煤层气赋存的有利条件及不利条件，从而得出煤层气赋存的评价方法，对我国煤层气勘探开发及有利区块的选定具有重要的意义。

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