第12卷第1期 华北科技学院学报 Journal of North China Institute of Science and Technology V01.12 No.1 Fleb. 2015 2015年 2月 水动力条件对煤层气赋存的影响研究 以鄂尔多斯盆地为例 郑贵强,朱雪征,牛岑涛,马丽红,韩 永,杨德方 (华北科技学院安全工程学院河北省矿井灾害防治重点实验室,北京东燕郊101601) 摘要:通过对煤层气破坏机理的分析,研究了水动力条件对煤层气赋存的影响,水文地质控气主 要分为3种形式:水力运移逸散、水力封闭和水力封堵。给出了地下水动力场的水头计算及水流方 向确定的方法,并以鄂尔多斯盆地为例进行了计算,并绘制出了气势平面图。提出了地下水动力系 统模型建立的思路和方法,最后分析了水动力条件的研究在煤层气勘探开发中的应用。主要应用 有:判断煤层气的赋存量,判断煤层气产出的难易程度,并预测煤层产气量的高低。 关键词:关键词:水动力条件;破坏机理;水头及水势;地下水动力系统 中图分类号:TD163 文献标识码:A 文章编号:1672—7169(2015)Ol一0001—05 Study on the affecti0n 0f hydrodynamic water condition to the coal bed methane ZHENG Gui-qiang,ZHU Xue—zheng,NIU Qin-tao,MA Li-hong,HAN Yong,YANG De-fang (School ofSafety Engineering,HeBei State Key Laboratory ofMie Dinsaster Prevention, Noah China Institute ofScience and Technology,Yanjiao,101601,China) Abstract:The damage mechanism of coal bed methane was studied in this paper,and the affection of hydro- dynamic force condition to the CBM was also studied.There are mainly three kinds of gas controlling methods. The way of how calculate the water head and the method that how to decide the water flowing direction was giv. en.Finally,the model of underground water hydrodynamic system was proposed.The main application of wa— ter system used in exploration of coalbed methane is to calculate the storage of CBM,to judge the diiculfty de— gree of exploration and to predict the production of CBM. Key words:hydrodynamic force condition;damage mechanism;water head;underground water system 通常认为影响煤层气富集成藏的地质因素主 要有构造条件、煤层埋深、煤阶、煤层厚度、含气 件相对较弱或者滞流水区,煤层含气量高。显然, 活跃的地下水对煤层气的保存十分不利,对煤层 量、渗透率、煤储层压力、解吸压力和水文地质条 件等。研究表明,水文地质条件也是影响煤层气 富集成藏的最为重要的因素之一。在水动力交换 作用比较强的地区,煤层含气性低,而在水动力条 收稿日期:2015—01一O3 气藏起着明显的破坏作用_l j。 含油气沉积盆地地下水动力场的研究一直是 许多地质工作者关注的热点,自80年代以来,国 内外许多学者对地下水动力系统开展了一系列工 基金项目:国家重大专项(No.2011ZX05042—001);高校基本科研业务费(3142014001;3142013096;3142014025; 3142015019);河北省重点实验开放基金(KJZH2014K04). 作者简介:郑贵强(1979一),男,山东日照人,博士,华北科技学院安全工程学院讲师,研究方向为煤层气与非常规油气勘探开发。 E—mail:76382119@qq.corn 1 华北科技学院学报 2015年第1期 作 ,但是对地下水动力系统与煤层气的形成 和分布有待进一步深入。本研究试图以鄂尔多斯 盆地为例,建立煤层气地下水动力系统模型,并对 水动力条件在煤层气中的作用进行研究。 地下水对煤层气的影响 煤层气以吸附态、游离态和溶解态存在于煤 层中。煤层气散失的几种可能的机理:①煤层气 通过盖层扩散散失;②水驱作用把煤层气带走;③ 水溶作用把煤层气溶解带走 ]。 水溶作用是地下水带走甲烷的主要途径:水 溶气在自然界中比较普遍且资源量巨大,模拟实 验表明在地层压力下水对天然气的溶解量十分可 观。在地下水的作用下,煤层甲烷碳同位素发生 了强烈的分镏作用,碳同位素明显的变轻,煤层气 甲烷的碳同位素值与常规煤成气甲烷差别很大, 煤层气甲烷的碳同位素普遍轻于常规天然气甲烷 的碳同位素。煤层气含量与甲烷的碳同位素值有 较好的相关性,煤层气含气量低,甲烷的碳同位素 值轻,充分说明水动力条件同时影响着煤层气含 量与甲烷的碳同位素值 卜引。 因此,水动力条件对煤层气含量影响显著,水 动力交换作用越强,含气量越低;含气量越低,则 对应煤层甲烷的碳同位素就轻。又因为只有水溶 作用可以使煤层甲烷的碳同位素发生分镏作用, 所以水动力对煤层气破坏途径主要是水溶作用, 而不是水驱作用。 关于煤层甲烷的碳同位素偏轻机理,前人提 出了若干种解释,最主要的有3种:CH 和CO,交 换作用、解析一扩散一吸附和次生生物气成因。 在煤系水动力条件强的地区,煤层气甲烷的 碳同位素变轻的程度较大,是因为带走 CH 的 频率较快,使 CH 累计效应增大。所以在水动 力强烈地区,水带走的 CH 比较多,使煤层气含 量也比较低;相反,水动力条件较弱的地区,水带 走甲烷的量比较小,因而水带走 CH 的频率较 小, CH 累计效应较小,甲烷的碳同位素变轻的 程度较小。 2水动力对煤层气的赋存影响 水动力条件直接影响着地层液体压力分布及 流体的运移,由此改变吸附气与溶解气和游离气 2 问原有的平衡,从而影响到煤层气的保存。水文 地质控气分为3种作用形式:水力运移逸散作用; 水力封闭作用;水力封堵作用。其中前一种作用 导致煤层气散失,后两种则有利于煤层气保存。 2.1水力运移逸散作用 在地下水的运动过程中,地下水携带煤层中 气体运移而逸散。与煤层有水力联系的含水层包 括煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层、煤系中灰岩岩 溶裂隙含水层和砂岩裂隙含水层及新生界松散孑L 隙含水层。在我国具有这种控气特征的地区分布 广泛。主要类型有:a、煤系下伏灰岩岩溶裂隙含 水层径流对煤层气运移逸散的控制;b、煤系中灰 岩岩溶裂隙含水层或砂岩裂隙含水层径流对煤层 气运移逸散的控制;C、煤系上覆新生界松散孔隙 含水层径流对煤层气运移逸散的控制 2.2水力封闭控气作用 水力封闭控气作用发生于断裂不甚发育的宽 缓向斜或单斜中,而且断裂构造主要为不导水性 断裂,特别是一些边界断层,具有挤压、逆掩性 质,成为隔水边界.煤系地层上部和下部存在良 好隔水层,煤系地层中含水层与上覆新生界松散 孔隙含水层、下伏灰岩岩溶裂隙含水层无水力联 系。水力封闭控气作用中一般发生在深部,地下 水通过压力传递作用,使煤层气吸附于煤中,煤 层气相对富集而不发生运移,煤层含气量较高。 2.3水力封堵控气作用 水文地质条件控气具有双重性,它既可导致 煤层气逸散,又能起到保存聚集煤层气的作用, 其根本原因是含水层压力的变化。水力封堵控气 特征常见于不对称向斜或单斜中。在一定压力差 条件下,煤层气从高压力区向低压力区渗流,或 者说由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解 吸,因此在煤层露头及浅部是煤层气逸散带。如 果含水层或煤层从露头接受补给,地下水顺层由 浅部向深部运动,则煤层中向上扩散的气体将被 封堵,致使煤层气聚集。 3地下水动力场的水头及方向确定 通常流体流动方向由流体势的大小来判断, 流体由相对高势区流向相对低势区,流动方向垂 直于等势线(面)¨ 。流体势是指单位质量流体 第1期 郑贵强等:水动力条件对煤层气赋存的影响研究 所具有的势能,取海平面为基准面,可表示为 从气势分布图中可以看出,在中部气田区和榆林 =gZ+P/p (1) 地区,可以在较大范围内形成等气势区,这是天 式中 ——流体势(m2/s2); 然气相对聚集区在气体渗流力学上的反映,表明 z——深度相当于海拔的深度(m); 等气势区东侧的天然气运移漏失速度等于等气势 P——流体在深度z处的密度(kg/m ); 区西侧的天然气运移补给速度 卜 J。 g——重力加速度(m/s ); 由公式2计算可得上古生界储层的水头平面 P——深度 分布图。在流体势计算时,以水和气叠加的总流 式(1)第1项代表单位质量的流体相对于基 体势来判断水头的运移方向。从图中可以看出, 准面(海平面)所具有的重力势能,第2项代表 盆地东部整体上水头由东向西降低,地下水的运 单位体积的流体所具有的压力势能。 移方向也由东向西,是一个主要的大气水下渗和 公式两边除以g得 /g=Z+P/pg, 向心流区,水头降落最快,其次在盆地的北部 即  ̄/g=h (2) 边缘。 ——水头(此处P为水的密度)。 因此,现今地下水动力场的供水区位于盆 如计算鄂尔多斯盆地上古生界储层地下水, 地的东侧和北东侧,泄水区和泄水方式则比较 由公式1计算可得储层的气势平面分布(见图 特殊。泄水方式是无直接泄水的流体替代,即 1)。总体上气势由西向东降低,因此,天然气的 天然气由西向东运移、漏失,地层能量降低, 运移方向也是由西向东。 促使地下水在地形和重力作用下由东向西侵 人,替代天然气漏失的空间。在该区,由于天 然气的运移、漏失量大于天然气、地下水的运 _ 移补给量,导致地层压力降低,形成低压,由 l 于天然气的运移、漏失量与天然气、地下水的 l 运移补给量之间的差值沿向东方向减小,从而 导致地层流体压力系数有由西向东增加的总 体变化规律。 I 因而,地下流体的运移方向可以通过计算流 ● i 体势的方法来确定,对地下水的流动则一般用地 层水水头来表示。通过对地层水和天然气运移动 力、运移方向和运移通道的研究,可建立地下水 图1鄂尔多斯盆地储层的气势平面图 动力场模式(见图3)。 数 图2上古生界气田现今地下水动力场模式 一向上天然气运移方向;十一向下地下水流动方向 3 华北科技学院学报 2015年第1期 圈1皿2口3日 目5回6日,田8回9 图3地下水含水系统与地下水流动系统示意图 1.隔水基底;2.相对隔水层(弱透水层);3.透水层;4.地下水位;s.流线;6.子含水系统边界 7.流动系统边界;8.子含水系统代号;9.子流动系统代号 4煤层气地下水动力系统的建立 煤层气开发过程不是一个事件,实质 上是煤层气开发过程中对地下水流动系统的干 扰过程,若干扰适度得当,即排水采气过程中排 出的水主要来自煤层本身,则降压解吸的目标 可以实现。地下水系统分为地下水含水系统和 地下水流动系统,地下水含水系统和地下水流 往往是由若干含水层和相对隔水层(弱透水层) 组成(图3)¨ J。 地下水系统原始模型是煤层气富集规律预 测的基础,也是人为干扰条件下煤储层物性和 地下水流动系统演化模型建立的基础。地下水 系统原始模型的建立,要充分利用物探和钻井 资料,研究盆地的沉积、构造和地质演化史,区 分透水层和相对隔水层(弱透水层),用静态的 动系统,力求用系统的观点去考察、分析与处理 地下水问题(康永尚等,1999)¨ J。地下水含 水系统是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的、具 有统一水力联系的含水岩系(王大纯,2002),它 观点确定地下水含水系统,综合运用水化学资 料和水文地质动态资料,建立天然条件下地下 水流动系统模型(图4)。 钻井和物探资料 处理分析 (含水系统和天然条件下的流动系)rI_.1 处理分析 地下水系统原始模型 I l 水文地质资料 l 煤层气富集规律预测 l l煤层气开采人为干扰 渗流力学 I , (煤储层物性变化和流动系统演化) l l … l l 合理井位 预测 l 合理排采组合方式 预测 J 合理降压 强度预测 I 合理工作 制度预测 图4煤层气勘探开发地下水系统模型建立思路图 4 第1期 郑贵强等:水动力条件对煤层气赋存的影响研究 5 水动力研究在煤层气勘探开发中 的应用 5.1判断煤层气的赋存量 煤层水是煤岩储层中裂隙等较大孔隙中的储 层流体。煤岩储层压力表现为煤层水压力,而常 规砂岩储层压力则表现为气体压力。因此,煤层 水压力的高低反映了煤岩储层能量的大小。埋深 适中且煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层, 其原始压力、含气量保持较好(表现为具较高煤 层水压力和较高含气量),是煤层气勘探开发的 理想层位。 5.2判断煤层气产出的难易 煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层,煤 层水压力的高低直接体现了煤岩储层原始压力的 高低。煤层气产出过程表明, 层气能够解吸而 产出的关键是使煤岩储层压力低于临界解吸压 力。而达到这一条件的必要措施是排出煤岩储层 中的水。因此,临界解吸压力与煤岩储层压力比 值的大小直接反映了煤层气产出的难易程度。 5.3预测煤层产气量的高低 煤岩储层在原始状态,上覆地层压力与煤 层水 压力关系为:P= +ptr (3) 式中:P表示上覆地层压力;pf表示煤层水压 力(即煤岩储层压力);ptr表示煤岩颗粒骨架的 有效应力。在P一定的条件下,pf越高,则p仃越 低。对于泥质沉积物来讲,高孑L隙流体压力的支 撑作用,形成泥岩的“欠压实带”。煤层水不仅影 响原始渗透率的大小而且也影响着煤层产气后 气、水相对渗透率的变化和单井产气高峰出现的 时间和产气量的大小。 6 结论 水文地质条件是影响煤层气富集成藏的最为 重要的因素之一。水文地质控气主要分为3种形 式:水力运移逸散、水力封闭和水力封堵。本次研 究,确定了地下水动力场的水头计算及水流方向 确定的方法,并以鄂尔多斯盆地为例进行了计算, 并绘制出了气势平面图。通过建立地下水动力系 统,地下水动力在煤层气开采中的主要作用有:判 断煤层气的赋存量,判断煤层气产出的难易程度, 并预测煤层产气量的高低。 参考文献: [1] 陈振宏,宋岩,等.活跃地下水对煤层气藏的破坏及其物理 模拟[J].天然气工业,2007,27(7):16—2O. 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