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煤层气与地下水浅析

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煤层气 地下水 浅析
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研究煤层气, 不能不研究地下水, 这不仅仅是因为地下水和煤层气同属流体范畴,而且还因为地下水和煤层气可以共生, 可以伴生, 煤层气的形成、 运移、 富集以至于资源评价、 开采各个方面与地下水及水文地质条件息息相关。 人类和地下水打交道的历史十分悠久, 对地下水的研究也比较深入, 而人类对煤层气的研究则相对浅显。 既然我们在地下水的研究中已获得许多成果, 地下水和煤层气又有许多共同点或相似之处且关系密切, 我们如果能够在煤层气的研究中引进地下水中相关的研究成果, 对煤层气的研究则无疑是有益的。 同时, 进一步深入研究地下水与煤层气间的关系亦是煤层气勘探与开发所必须的。 本文拟侧重从水文地质学的角度, 探讨煤层气与地下水间的关系, 试图深化对煤层气的认识。1 、 地下水与煤层气的形成、 运移、 富集的关系地下岩层具有空隙 ( 各种成因的裂隙、 孔隙、 洞穴 ) , 许多情况下, 不是被水或其它液体所充填, 就是被气体所充填 ( 煤层也是如此 ) 。 煤层气在煤层中存在的状态主要以吸附为主, 游离次之, 水则为重力水及吸附水状态。 煤中水分存在形式主要取决于煤的变质程度、 煤阶和煤的裂隙发育状况等诸种因素。 一般情况, 在煤的变质过程中, 从褐煤至无烟煤, 煤颗粒的亲水能力逐渐减弱, 内在水分逐渐减少, 而吸附煤层气的能力则有所增强, 特别是从褐煤至烟煤阶段, 煤中水与煤层气往往具有一个互相消长的关系, 在许多缺乏重力水的非含水层的煤层中, 这种关系尤为明显, 煤中水分的增加往往使得煤中所吸附的甲烷减少, 这点已为一些煤层气的研究资料所证实。 当煤层的节理裂隙或大孔隙比较发育, 含有相当数量的重力水, 可能成为含水层时, 此时煤层气的存在形式除吸附状态外, 还可能存在一定数量的游离气和少量的溶解气。煤层气的形成、 运移和储存, 富集或散失, 就像地下水的形成、 径流、 聚集、 储存一样, 煤层不具备相应的生气能力或者生气能力已经丧失, 则往往形不成有价值的煤层气, 即使是在历史时期, 富气的煤层由于生气能力减弱或丧失, 也会在此后漫长的时间内含气能力逐渐减弱。 有水补给、 有气生成则有运移、 有径流产生, 无论是地下水还是煤层气其运移均服从于流体的渗流原理, 主要受介质的渗透性、 流体的性质、 压力梯度的控制。 由于介质的不均一性, 运动压力的变化等因素, 无论是含水层还是煤层含气层往往具有非均一性, 只是在一定的条件下可以转化为均一的含水层或含气层。由于含水、 含气层的非均一性, 气态甲烷从浓度高的地方向浓度低的地段扩散, 这种情况与水中离子由于浓度差异而扩散的情况相类似。 在气、 水共存在的状态下, 水的运动可以带动气体产生追随运动, 而气体的聚集往往也可以推动水运动。 煤层气还可能以溶解的方式运移 ( 只是数量较少 ) , 当气体和水呈混合状态时, 则成混合流, 流动情况也比较复杂, 受气水混合比例制约。 地下水的排泄方式多种多样, 煤层气的排泄在许多情况下和地下水的运动关系密切, 地下水可以直接驱动气体外泄, 可以用溶解方式携带气体, 也可能由于地下水的流动进而引起气体的运动。要形成有开采价值的煤层气, 一定的生气和储气条件。 煤层既是煤层气的生成来源, 又是煤层气的储存场所。 煤层气的储存条件, 主要取决于煤层的开放程度, 即与大气和地下水的连通程度。 煤层气的富集需要一个相对封闭的环境, 储层需要有足够高的压力。 在此高压环境中, 煤层中许多孔隙可在煤化程度加深、 煤层失水压密的过程中得以保存, 煤层气也同时得以富集, 而且往往渗透性可能增大。 这当然是在煤层的构造变动和历史演化过程大体相同的情况下。 如果煤层经历的构造运动或者其中节理、 裂隙、 孔隙的成因、 演化过程和发育特征不同, 其储气和透气能力也会有大的区别。 但是不管怎样, 煤层中保持煤层气较高的压力状态, 乃是保留已形成的储气、 导煤层气与地下水 浅析内蒙古煤田地质局 151 勘探队 魏建平56 西部资源 论研讨气空间的有利因素。 故, 煤层气的储存条件 ( 最重要的边界条件 ) 和地下水的聚集条件很相似。 因此, 在煤层气研究中笔者建议引进储气单元这一概念。所谓煤层气储气单元应是具有自然边界、 相对独立的, 具有大体相同的生气、 运移和储集条件及特征的煤层分布区。 在水文地质理论中, 各水文地质单元的边界可以划分出隔水 ( 阻水 ) 边界、 补给边界 ( 定水头或定流量或已知水头变化函数等 ) 。 煤层气的储气层即补给层, 尽管各部分间煤层气的运移从局部范围内也可以划分出补给边界 ( 这在区块的资源评价上是有用的 ) , 但是从宏观上看, 就煤层气的自然边界而言,主要是阻气 ( 不透气 ) 边界和透气边界。 阻气边界的存在是煤层气储存和富集的必要条件, 这种阻气边界通常亦是阻水边界。 透气边界的存在不利于煤层气的富集, 是煤层气的逸散场所。 煤层气生成以后, 其储气单元及边界条件可能发生多次变化, 因而研究边界条件及其变化,对于阐述煤层气的赋存现状是十分必要的。煤层气储气单元的边界条件可以分为两类基本情况。 一类是煤层为非含水层, 此时煤中水以吸附状态为主, 煤层本身为隔水层, 其阻气边界亦为隔水层, 煤层气储层的圈闭为围岩圈闭。 围岩中的透气层( 段、 带 ) 或相对透气层 ( 段、 带 ) 则形成透气边界, 如果有强含水层则通常可视为透气边界, 和大气连通的煤层则存在强透气边界。 另一种情况是煤层自身为含水层, 其补给边界往往是阻气边界, 地下水的运动方向和煤层气散逸的方向相反, 成为煤层气散逸的阻力, 排泄边界则形成透气或相对透气边界, 隔水边界往往同时是阻气边界。 煤层的分叉、 尖灭、 显著变薄或被断层切割而与其它岩层对接等均可以形成自然边界, 自然边界是煤层气储层边界分析的最重要的基础。含水层中水的补给来自外部,而煤层气的补给来自内部, 这是含水层与储气煤层的显著区别。 正因为如此, 无论煤层是否为含水层,其中都必然含有煤层气。 由于煤层气来自于煤颗粒内, 形成于煤颗粒的表面, 随着煤层气的聚集, 煤颗粒间的水分将逐渐被煤层气挤出,最终使得煤层气占据了煤层中的细小孔隙, 而水占据着煤层中较大的空隙, 形成水、 气共存在的局面。 如果地下水形不成一定的水头压力,这些裂隙水则将逐渐被挤出煤层,只剩下少量的以吸附状态存在的地下水, 这些吸附水的存在将挤占一部分煤层气的储存空间。 如果煤层空隙中的水可以和外部含水层沟通或者获得补给, 或者由于外部原因排水不畅, 产生一定的水头压力, 则可以形成含重力水的煤层, 地下水占据了节理、 裂隙大的孔隙, 煤层气占据了煤层中小的孔隙, 煤层气被地下水所分割、 包围, 此时地下水位愈高, 水头压力愈大, 则愈有利于煤层气的储集, 同时地下水处于一个相对的滞流环境也是相当重要的, 过快的地下水径流循环则易于使煤层气散失。 含重力水的煤层中, 在构造适宜的煤层部位易于形成游离状态的煤层气聚集。 缺乏重力水的煤层中, 煤层中节理、 裂隙以及各类孔隙中基本上为煤层气所充填, 细小的孔隙中为吸附气, 而大的孔隙裂隙中则可能含有较多的游离气, 形成游离煤层气分割包围着吸附态的煤层气的格局, 游离气体压力愈高, 则愈有利于煤层气的储集。 此时煤层气储层为围岩圈闭类型, 围岩的封闭程度愈高煤层气的储集条件就愈好。煤层自身的非均一性和透气性也是形成煤层气储层压力的一个重要因素。 生成的煤层气如果因为储层的透气性差而不能及时地运移, 气体的继续生成和聚集在渗透性能差的地段往往形成较高的储层压力, 使得储存压力呈现不均一分布。 储层压力的增大使煤层中蕴藏了大量的压缩气体而产生弹性能量, 形成煤层与围岩有所差异的应力状态。 在煤矿区中, 某些坚硬致密的岩层中可能储集一部分构造变形的残余应力( 以弹性变形的形式存在 ) , 而煤层可能出现的应力异常则常常为气体聚集所致。煤层可以表现为含水、 弱含水和不含水, 其中煤层气的储集和运移亦各具特征。 不仅如此, 由于煤层和围岩中含水层的组合关系不同,也可能对煤层气的赋存特征产生明显的影响。 根据煤层与含水层 ( 隔水层 )的组合关系可以分为三种情况 :①煤层顶底板或之一为含水层,其间无稳定的隔水层存在 ;②煤层的顶底板层为隔水层, 但断裂切割后, 可以沟通其上部或底部含水层的联系 ;③煤层的的顶底板均为隔水层,上覆和下伏地层中的含水层在自然状态和煤层气开采时都不会与煤层沟通。从第一种情况到第三种情况, 围岩的含水性对煤层气的储集、 运移的影响依次减弱, 但是只要煤层与围岩中的含水层存在某种程度的联系, 那么含水层就会对煤层中的煤层气产生影响, 特别是在开采条件下。无论煤层含水与否, 最有利于煤层气储存的圈闭围岩为粘土、 粘土岩或粘土质含量较高的岩层。 粘土颗粒通常与水有很高的亲合力, 对裂隙有强的治愈能力, 它可以使煤层气在围岩遭受到构造变动时仍然保持较好的储存条件。2 、 地下水与煤层气的勘探和开采煤层气井的施工, 必须考虑水文地质条件, 施工不当则影响井的产气效率, 造成产水多而产气少的局面。 气井施工前首先需要分析煤层的含水性及煤层与围岩中含水层的相互组合关系。 施工中要有效地隔离和封闭除煤层之外的各种含水层,避免它们对煤层测试和评价可能造成的影响, 避免在压裂煤层过程中使煤层顶底板含水层受到压力而沟通含水层。 但在煤层与其顶底板隔水层间无稳定隔水层且间距很小时, 煤层压裂时也可能波及到含水层, 对煤层气测试产生影响, 但更重要的是, 将对煤层气的开采产生更重要的作用。 在这种情况下, 如何利用57第二十期使煤层气的开采条件向有利方向转化是十分重要的问题,而这种转化则也是可能的。当煤层为含水层时, 上覆地层的重量由煤层的固体骨架和裂隙系统中的承压水头压力共同承担。 而煤层中煤层气的储存压力和煤层中的水头压力存在着动平衡的关系, 相互影响和协调, 其中起主导作用的是水头压力。 设原始水头值为 P , 煤层气排采后水头降低至 降低值s=P - 而 s 值此时将转由煤的骨架部分承担。 当 s 值足够大以后,将引起煤层的固体骨架变形或者颗粒间产生移动, 或者形成新的裂隙,或者使老裂隙系统的渗透性改变。这种减压效应引起的煤层变形和新裂隙的产生、 旧裂隙的复活是保证煤层气井长期稳产的一个重要因素。在开采井中, 井中压力的下降是瞬间的, 含水裂隙系统中的压力也会迅速下降, 但是在煤体中, 在煤层气赋存的孔隙中, 压力的下降则是滞后的、 缓慢的, 形成了煤层气的延后释放, 使得煤层气的释放过程是一个长期的过程。 从这个角度看, 它既限制了井的产气量, 同时也延长了井的服务年限。 在开采煤层气的井中, 水压的传递是迅速的, 可以视为在封闭一全封闭系统中压力的传递方式, 压力传递不仅快, 而且范围大, 最先流人井中的水主要来自地下水, 由于压力下降而产生的弹性释放水量, 一段时间之后才包括了既有弹性释放水又有原赋存于裂隙系统中的非弹性释放水。后者一方面是由于水头差而流动的,另一方面也由于煤层中煤层气的解析、 积累而被驱动的, 在煤层气井排采试验或开采的正常时期, 地下水受逐渐释放的煤层气的驱动作用是重要的。在煤层为含水层的情况下, 排采试验井或开采井由于地下水的压力下降范围大、 压力传递快, 易于形成有效的压力降, 煤层气的解析范围大, 且地下水流动后可能形成的空间为煤层气提供了良好的储集和运移条件。 地下水也是煤层气运移的驱动因素, 故而在含水比较适中的煤层中开采煤层气时单井产气量可能要高, 而且井距也可相对大一些。在煤层气排采井中, 煤层气来自于压力降低范围内吸附气体的解析,此时的情况相当于开采以地下水储存量为主的取水井的情况, 亦可以用泰斯公式来表述其特征。 用排采煤层气试验资料求取的参数有如抽水试验求取含水层的水文地质参数一样,比在煤层气井中用其它方法测得的参数更可靠、 更真实、 更接近开采时的条件。 值得指出的是, 在自然状态下, 煤层压裂前后、 与煤层气开采后的储层参数往往是不同的。如果煤层为非含水层, 此时煤层气井中的情况也和含水煤层的情况大体相同, 只不过与煤层骨架共同承担上覆地层的压力的不是水头压力而是煤层中的气体压力。 此时裂隙和大孔隙中的游离状煤层气将发挥主要作用, 最先进入井中的也是这部分游离气体。 但是, 煤层中缺乏地下水时, 对煤气层的开发往往并非有利。 此时煤层中由于气体的体积变化可以削弱压力变化的影响, 往往造成气体的压力传递缓慢且衰减快,进而影响范围也小。 所以在非含水煤层中采气可能单井产气量较小,衰减也快。 当煤层与其顶底板含水层间无十分可靠的隔水层时, 煤层气井施工中煤层的压裂可能增大煤层与含水层之间的联系程度, 增加含水层在近煤层气井地段的渗透性能,而且开采煤层气后, 即在煤层压力降低后, 可能造成地下水补给煤层。 但是同时也可能通过含水层的水头压力的大范围下降形成比正常情况要大得多的煤层气解析范围。 当然, 含水层的影响大小还得取决于含水层的水量、 水质、 水温等特征以及与煤层的联系程度、 方式、 范围等各种因素。究竟煤层的排水量与采气量之间存在什么样的关系, 则需要通过大量的实践资料具体分析确定, 这是今后宜加强的研究内容。 此外, 不管煤层是否含水, 井周外煤层气的释放都是滞后的、 缓慢的。 故过快地降低井中压力往往是不必要的,有时还是有害的, 因地下水或游离气流走而造成的空间一时又为煤层气无法填补而产生相对真空时 ( 短暂的 ) , 这些空间易于堵塞或封闭。财政部、 国家税务总局日前联合下发通知, 确定了各地耕地占用税每平方米平均税额标准, 其中, 上海、 北京、 天津最高, 分别为 45 元、 40 元、 35元。通知具体列出了各地每平方米平均税额 : 上海市 45 元 ; 北京市 40 元 ; 天津市 35 元 ; 江苏、 浙江、 福建、 广东 4 省各 30 元 ; 辽宁、 湖北、 湖南 3 省各25 元 ; 河北、 安徽、 江西、 山东、 河南、 四川、 重庆 7 省市各 ; 广西、海南、 贵州、 云南、 陕西 5 省区各 20 元 ; 山西、 吉林、 黑龙江 3 省各 ;内蒙古、 西藏、 甘肃、 青海、 宁夏、 新疆 6 省区各 。据税务总局地方税务司相关人士介绍, 为合理利用土地资源, 加强土地管理, 保护耕地, 修订后的耕地占用税暂行条例规定, 人均耕地不超过 1 亩的地区, 每平方米税额为 10 元至 50 元。 财政、 税务主管部门根据人均耕地面积和经济发展情况确定各省、 自治区、 直辖市的平均税额。通知指出, 各地依据相关规定, 经省级人民政府批准, 确定县级行政区占用耕地的适用税额, 占用林地、 牧草地、 农田水利用地、 养殖水面以及渔业水域滩涂等其他农用地的适用税额可适当低于占用耕地的适用税额。通知还指出, 经批准占用耕地的, 耕地占用税纳税义务发生时间为纳税人收到土地管理部门办理占用农用地手续通知的当天。 未经批准占用耕地的, 耕地占用税纳税义务发生时间为实际占用耕地的当天。(内蒙古土地网)已公布耕地占用税平均税额标准58 西部资源 论研讨
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