張兆民，史國平，廉永彪

(1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東省煤炭資源數(shù)字化工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省國土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102；3.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

煤層受上覆地層載荷的作用，煤層氣多處于承壓的原生沉積水環(huán)境中。煤層氣的形成、運(yùn)移、富集以至于煤層氣的資源評(píng)價(jià)、排采等各個(gè)方面都與地下水及區(qū)域水文地質(zhì)條件密切相關(guān)[1-2]。

煤層表現(xiàn)為含水、弱含水和不含水等特性，煤層水處于一定封閉條件下的煤巖儲(chǔ)層中，煤層水壓力的高低直接體現(xiàn)了煤巖儲(chǔ)層原始?jí)毫Φ母叩蚚3]，在邊緣地帶近地表處可能會(huì)受地表淡水的影響，但原始狀態(tài)下煤層水流動(dòng)十分緩慢，一般為滯流狀態(tài)，煤層氣排采是對(duì)地下原始水動(dòng)力場(chǎng)的擾動(dòng)，在排采井周圍形成局部水動(dòng)力場(chǎng)。

我國某煤層氣田在排采過程中煤層氣井排采動(dòng)態(tài)表現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性，科學(xué)合理地解釋復(fù)雜多樣的排采動(dòng)態(tài)，對(duì)于找出產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量等煤層氣開采重要參數(shù)的變化規(guī)律，具有十分重要的意義。

1 排采擾動(dòng)下局部水動(dòng)力場(chǎng)的分類

煤層氣儲(chǔ)層壓力的大小受大地構(gòu)造位置、地質(zhì)構(gòu)造演化、初始地應(yīng)力、水文地質(zhì)條件、生氣階段、埋深、含氣量等多種因素的影響。在開放的前提下，煤層氣儲(chǔ)層壓力通常以壓力水頭與靜水壓力梯度之積來衡量，地下水水頭高度是表征煤層氣儲(chǔ)層壓力大小的最直接數(shù)據(jù)。一般來說水頭越高，儲(chǔ)層壓力就會(huì)越大。煤層氣儲(chǔ)層壓力的變化可導(dǎo)致吸附狀態(tài)的煤層氣解吸、運(yùn)移、再富集。在煤系地層中，由于各個(gè)煤層與主要含水層間沒有明顯的水力聯(lián)系，常常構(gòu)成不同的水動(dòng)力系統(tǒng)，煤層氣儲(chǔ)層壓力主要由儲(chǔ)層自身的直接充水含水層的水頭高度來測(cè)量[4-5]。

煤層氣產(chǎn)出過程表明，煤巖儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力是煤層氣解吸產(chǎn)出的關(guān)鍵[6-7]，所以有效地降低煤巖儲(chǔ)層壓力對(duì)于煤層氣的解析產(chǎn)出具有至關(guān)重要的作用。對(duì)于煤層氣儲(chǔ)層而言，有效地釋放出煤層氣儲(chǔ)層中的水是降低煤層氣儲(chǔ)層壓力從而促使煤層氣解吸排出最直接有效的手段。

煤層氣儲(chǔ)層與周邊圍巖中含水層的不同組合關(guān)系，會(huì)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的排水降壓產(chǎn)生不同的影響。按照煤層氣儲(chǔ)層與含水層(或隔水層)的組合關(guān)系可以分為3種不同情況：①煤層頂?shù)装寤蚱渲兄粸楹畬?，其間沒有穩(wěn)定的隔水層存在；②煤層的頂?shù)装鍨楦羲畬?，但斷裂切割后可以溝通其上部或底部含水層的?lián)系；③煤層的頂板和底板均為隔水層，上覆和下伏地層中的含水層在自然狀態(tài)和煤層氣開采時(shí)均不會(huì)與煤層聯(lián)通。不同的組合類型在煤儲(chǔ)層排水降壓的過程中會(huì)對(duì)局部地下水動(dòng)力條件產(chǎn)生不同的影響，形成不同的水動(dòng)力場(chǎng)樣式。而在局部地區(qū)煤儲(chǔ)層出露于地表，地表淡水的補(bǔ)給也會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層的排水降壓產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)局部地下水動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響。對(duì)于煤層頂?shù)装寤蚱渲兄粸楹畬拥那闆r，煤儲(chǔ)層排水降壓的過程中，從煤儲(chǔ)層中排出的水會(huì)迅速被含水層中的水補(bǔ)充，從而使排出的水部分為無效排水，造成無效擾動(dòng)，該文不再進(jìn)行論述。

按照地下水的流動(dòng)狀態(tài)、區(qū)域構(gòu)造發(fā)育狀態(tài)、煤儲(chǔ)層的排水降壓過程并結(jié)合煤儲(chǔ)層與含水層(隔水層)的組合關(guān)系綜合進(jìn)行分析，煤層氣儲(chǔ)層排水降壓過程中將出現(xiàn)以下3種局部水動(dòng)力場(chǎng)樣式：一是有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)；二是含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)；三是地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)。

1.1 有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)

當(dāng)煤層的頂?shù)装寰鶠楦羲畬樱渖细埠拖路貙又械暮畬釉谧匀粻顟B(tài)下和煤層氣排采過程中均不會(huì)與煤儲(chǔ)層溝通時(shí)，則煤層氣井排出的水全部為煤層之中的水，稱之為有效排水。在這種情況下，煤層水的排出會(huì)對(duì)原始地下水動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生有效的擾動(dòng)，在地下形成壓降漏斗，并形成新的地下水動(dòng)力場(chǎng)，稱之為有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)(圖1)。

煤層氣儲(chǔ)層的壓力隨著煤層中水的不斷排出逐漸下降，當(dāng)煤儲(chǔ)層的壓力低于煤層氣的臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣就會(huì)從煤層中解吸出來。由于有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)排出的水全部為煤層之中的水即為有效排水，因此在這種局部地下水動(dòng)力場(chǎng)中最有利于降低煤儲(chǔ)層中的儲(chǔ)層壓力，最有利于煤層氣發(fā)生解吸排出。

圖1 有效擾動(dòng)型排水示意圖

1.2 含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)

在煤系形成以后長(zhǎng)期地質(zhì)歷史時(shí)期中，由于復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)影響，煤系地層及其圍巖的地質(zhì)條件往往會(huì)發(fā)生一系列變化。在構(gòu)造活動(dòng)中所產(chǎn)生的不同的地質(zhì)條件對(duì)局部地下水動(dòng)力場(chǎng)的形成會(huì)產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響煤層氣的解吸。其中影響較大的情況主要有斷層和含水層天窗2種。當(dāng)含水層天窗或斷層均具有導(dǎo)水性，能溝通含水層與煤層氣儲(chǔ)層時(shí)，在煤層氣鉆井排水降壓過程中會(huì)形成含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)(圖2)。

對(duì)于導(dǎo)水?dāng)鄬佣?，地下水所攜帶煤儲(chǔ)層中氣體也可能會(huì)隨著地下水運(yùn)動(dòng)至斷層處而逸散。對(duì)于具有不導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造的地區(qū)，地下水多以靜水壓力和重力驅(qū)動(dòng)的方式流動(dòng)，在地層深部地區(qū)，通過地下水壓力傳遞作用，使煤層氣吸附于煤層中，從而形成煤層氣相對(duì)富集區(qū)，煤層氣含量較高[7-10]。

圖2 含水層水入侵型排水示意圖

1.3 地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)

對(duì)于單斜或者不對(duì)稱的向斜，當(dāng)存在一定的壓力差時(shí)，煤層氣會(huì)從高壓力區(qū)向低壓力區(qū)進(jìn)行滲流，致使壓力降低從而煤層氣發(fā)生解吸，這也是煤層露頭及淺部成為煤層氣逸散帶的原因。但在淺部及煤儲(chǔ)層露頭地區(qū)，煤層氣儲(chǔ)層及含水層的割理、裂隙通常發(fā)育較好，地表淡水和大氣降水可能會(huì)沿著這些裂隙與割理侵入煤層和含水層。入侵的淡水會(huì)影響煤儲(chǔ)層及含水層中的水動(dòng)力條件，對(duì)原始的地下水動(dòng)力場(chǎng)造成擾動(dòng)。由于地表淡水的補(bǔ)給，煤儲(chǔ)層及含水層中地下水順層會(huì)由淺部向深部運(yùn)動(dòng)，這時(shí)煤儲(chǔ)層中向上擴(kuò)散的氣體會(huì)被封堵，煤層氣將在局部地區(qū)聚集[11]。在對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行排水降壓時(shí)，從煤儲(chǔ)層中排出的水會(huì)與地表補(bǔ)給的淡水在地下某一地區(qū)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使排出的水部分為無效排水，并不會(huì)降低煤儲(chǔ)層中的壓力。此時(shí)排水降壓所形成的局部地下水動(dòng)力場(chǎng)稱之為地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)(圖3)。

圖3 地表淡水入侵型排水示意圖

2 局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)排采動(dòng)態(tài)的控制作用分析

該文以位于沉積盆地邊緣地帶的某煤層氣田為研究對(duì)象，主要的煤層氣生產(chǎn)層位有1#煤、2#煤和3#煤三層，結(jié)合該煤層氣田在排采過程中煤層氣井排采動(dòng)態(tài)特征，具體分析以上3種水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用。

2.1 有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用

該文選取某煤層氣田5口位于有效擾動(dòng)局部水動(dòng)力場(chǎng)的生產(chǎn)井，來分析有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用[12-13]。5口典型井位置見圖4。其中1，3號(hào)井生產(chǎn)層位為1#，2#號(hào)煤層，2,4,5號(hào)井生產(chǎn)層位為1#,2#,3#號(hào)煤層。

圖4 有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)典型井位圖

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件調(diào)查研究，5口井所在地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)層位距區(qū)內(nèi)主要的含水層較遠(yuǎn)，無斷層、構(gòu)造天窗溝通煤層與含水層以及邊淺部淡水補(bǔ)給的情況，在煤層氣的排采過程所形成的水動(dòng)力場(chǎng)為有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)。

5口生產(chǎn)井的初始見氣時(shí)間、初始累計(jì)產(chǎn)水量以及穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量的情況見表1。5口井平均見氣時(shí)間為11.6天，平均累計(jì)產(chǎn)水量18.196m3，平均典型日產(chǎn)水量4.08m3。由此可知：生產(chǎn)井的初始見氣時(shí)間較早，初始累計(jì)產(chǎn)水量和穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量均較少。這說明，在有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)的影響下，地下水的水動(dòng)力條件較弱，流動(dòng)性較差，煤層氣井排出的水為有效排水，因此煤儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力所用時(shí)間短，初始見氣時(shí)間短，在見氣后的穩(wěn)定生產(chǎn)階段生產(chǎn)井的典型日產(chǎn)水量也較少。

表1 有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)典型井統(tǒng)計(jì)

注：初始見氣時(shí)間為從煤層氣井開抽后到出現(xiàn)15d以上較連續(xù)產(chǎn)氣量之前的單一排水階段的延續(xù)時(shí)間；初始累計(jì)產(chǎn)水量為從煤層氣井開抽后到初始見氣時(shí)間之間煤層氣井的累計(jì)產(chǎn)水量；典型日產(chǎn)水量為煤層氣井在氣水同產(chǎn)階段動(dòng)液面較穩(wěn)定期間的平均日產(chǎn)水量。

2.2 含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用

選取我國中部某煤層氣田中的2口位于含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)的生產(chǎn)井來分析含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用[14-15]。

2口典型井位置見圖5。其中6號(hào)井生產(chǎn)層位初期為2#,3#號(hào)煤層;后期改為1#,2#號(hào)煤層;7號(hào)井生產(chǎn)層位初期為3#號(hào)煤層;后期改為1#,2#號(hào)煤層。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件的調(diào)查研究可知，這2口井所在的地區(qū)構(gòu)造較發(fā)育，受斷層作用的影響，且3#煤層與下伏灰?guī)r含水層相距較近，可能會(huì)在局部滑動(dòng)構(gòu)造作用下形成溝通灰?guī)r含水層與3#煤層的構(gòu)造天窗，在煤層氣的排采過程中所形成的水動(dòng)力場(chǎng)為含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)。

圖5 含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)典型井位圖

2口生產(chǎn)井的初始見氣時(shí)間、初始累計(jì)產(chǎn)水量以及穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量的情況見表2。2口井平均見氣時(shí)間為406d，平均累計(jì)產(chǎn)水量3071.59m3，平均典型日產(chǎn)水量12.5m3。由此可知，生產(chǎn)井的初始見氣時(shí)間長(zhǎng)、初始累計(jì)產(chǎn)水量大，在改變生產(chǎn)層位之前穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量也相對(duì)較多，但是當(dāng)改變生產(chǎn)層位，封掉3#煤后，穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量明顯減少。這表明，在含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)的影響下，地下水的水動(dòng)力條件較強(qiáng)，流動(dòng)性較好，煤層氣井排出的水有一部分為含水層中的水，即無效排水，因此儲(chǔ)層壓力降低至煤層氣的臨界解吸壓力所用時(shí)間較長(zhǎng)，見氣前排出的水量多，煤層氣發(fā)生解吸作用較晚，初始見氣時(shí)間長(zhǎng)，在見氣后的穩(wěn)定生產(chǎn)階段生產(chǎn)井的典型日產(chǎn)水量也較多，而當(dāng)阻斷含水層水補(bǔ)給煤層水的通道后，再次達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)階段后生產(chǎn)井的典型日產(chǎn)水量較改變層位前明顯減少。

表2 含水層水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)典型井統(tǒng)計(jì)

2.3 地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用

選取我國中部某煤層氣田中的3口位于地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)的生產(chǎn)井來分析地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣井排采動(dòng)態(tài)的控制作用。3口生產(chǎn)井位置見圖6，其中3口井的生產(chǎn)層位均為1#、2#號(hào)煤層。

圖6 地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)典型井位圖

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件的調(diào)查研究可知[16-19]，這3口井所在的地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)層位距區(qū)內(nèi)主要的含水層較遠(yuǎn)，無斷層、構(gòu)造天窗溝通煤層與含水層的情況，但是從區(qū)域上來看，這3口井位于研究區(qū)內(nèi)的主要匯水部位，而且煤層水水頭相對(duì)較低，較容易發(fā)生大氣降水及地表水補(bǔ)給煤層水的現(xiàn)象，在煤層氣的排采過程中所形成的水動(dòng)力場(chǎng)為地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)。

3口典型井的初始見氣時(shí)間、初始累計(jì)產(chǎn)水量以及穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量的情況見表3。3口井平均見氣時(shí)間為151d，平均累計(jì)產(chǎn)水量401m3，平均典型日產(chǎn)水量10m3。由此可知：3口生產(chǎn)井的初始見氣時(shí)間較長(zhǎng)、初始累計(jì)產(chǎn)水量和穩(wěn)定產(chǎn)氣后典型日產(chǎn)水量較大。這說明，在地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)的影響下，地下水的水動(dòng)力條件較強(qiáng)，流動(dòng)性較好，煤層氣井排出的水既有有效排水又有無效排水，因此儲(chǔ)層壓力降低至煤層氣的臨界解吸壓力所用時(shí)間較長(zhǎng)，見氣前排出的水量相對(duì)多，煤層氣發(fā)生解吸作用較晚，初始見氣時(shí)間長(zhǎng)，在見氣后的穩(wěn)定生產(chǎn)階段生產(chǎn)井的典型日產(chǎn)水量也較多。

3 結(jié)論

(1)綜合分析了地下水的流動(dòng)狀況、區(qū)域構(gòu)造狀況、煤儲(chǔ)層的排水降壓過程并結(jié)合煤儲(chǔ)層與含水層(隔水層)的組合關(guān)系，提出了在煤儲(chǔ)層排水降壓過程中可能出現(xiàn)的3種局部水動(dòng)力場(chǎng)樣式，并對(duì)3種局部水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣排采動(dòng)態(tài)的控制作用進(jìn)行了分析。

(2)在有效擾動(dòng)型局部水動(dòng)力場(chǎng)的影響下，煤層氣井排出的水為有效排水，儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力所用時(shí)間短，初始見氣時(shí)間短，初始累計(jì)產(chǎn)水量少，見氣后的穩(wěn)定生產(chǎn)階段典型日產(chǎn)水量也較少。

(3)在含水層水入侵型和地表淡水入侵型局部水動(dòng)力場(chǎng)的影響下，煤層氣井排出的水既有有效排水，又有無效排水，儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力所用時(shí)間長(zhǎng)，初始見氣時(shí)間晚，初始累計(jì)排水量大，見氣后的穩(wěn)定生產(chǎn)階段生產(chǎn)井的典型日產(chǎn)水量多。

(4)在煤層氣的生產(chǎn)前，要對(duì)區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的勘探調(diào)查，盡可能地規(guī)避斷層附近含水層水的入侵對(duì)煤層氣的排產(chǎn)造成的不利影響。