0 引 言
目前我国煤层气产业发展已进入规模化生产阶段，发现了沁南和鄂东2个千亿方大气田。虽然我国煤层气资源量大，但还存在高效开采难度大、单井产量低、发展区域不均衡等亟需解决的问题，而目前应用基础和关键技术的研究程度尚不能很好解决这些问题。因此，基础理论的研究及关键技术的研发都迫在眉睫。为此，需要前期做大量的实质性工作，比如摸清煤层气富集成藏的规律和模式、预测有利区等。大量研究表明影响煤层气成藏的地质因素主要有构造条件、煤层埋深、煤阶、煤层厚度、煤储层压力、含气量、解吸压力和水文条件等，其中多数学者将构造和水文地质条件看作是影响煤层气成藏的直接因素，将沉积环境、岩浆活动等视为间接因素。前人对构造-水文地质条件控制煤层气成藏的研究主要是定性研究，例如很多学者提出了水动力弱的滞留区有利于煤层气富集的理论，但是均未给出具体的判定参数及判定方法，为了解决这个问题，笔者就构造-水文地质条件的控气作用进行了详细研究，细化到每个参数并给出了详细的判定标准。本次研究主要以西山煤田为例，西山煤田地质勘探历程较早，但是煤层气勘探开发起步较晚，研究程度也比沁水盆地中南部要低很多。虽然，近年来在西山煤田施工的煤层气井不断增加，并且多数已经投入生产，但整体产气量并不理想[1-2] 。笔者基于对西山煤田水文地质资料的掌握，从水位、流场、水化学类型、矿化度、水成因分析等多个具体参数入手，对该区水动力场和水化学场进行了定量分析，并在此基础上建立了构造-水文地质的煤层气富集区定量识别标准，进一步依据该标准对西山煤田煤层气富集区进行预测。
1 构造特征
西山煤田位于祁吕弧型构造东翼外带部位，在大地构造单元上处于中朝准地台山西断隆的中部，北部紧邻盂县—阳曲东西褶断带，东南邻挽近地槽太原盆地及沁水拗陷，西为吕梁隆起[3]。西山煤田主要构造格架为南北、东西向构造及北东东向构造发育(图1)。
区内主要南北向构造有：马兰向斜、水峪贯向斜、云梦山褶皱带和官地背斜等；正断层有榆林西断层、北社断层、西冶断层和水峪贯断层等。主要的东西向构造有：乔家山背斜；盘道-马家山断层和明家窊断层等。主要的北东东向构造有：安庄断裂带，九龙塔断裂带，红岩子断裂带，古交构造带(由古交断层、头南峁断层、土地沟断层等分别构成2个地垒)，王封-李家社-原相-兆峰构造带(分东段-王封，中东段-李家社，中西段-原相，西段-兆峰)，杜儿坪断裂带，平地窑-碾底沟构造带(由平地窑、瓦窑村、碾底断层构成地垒)和煤田东部与太原盆地接壤的边界断裂-清交断裂带。主要的北东和北北东向构造有：晋祠断层和风声河、圪嶛沟断层。
2 水文地质条件
目前对西山煤田岩溶水的研究较多也较透彻，但是对煤系地层的水文地质条件研究较少。然而，煤系地层的水文地质条件正是控制煤层气成藏及日后开发的重要条件，因此，笔者在收集了大量水文地质资料的基础上对山西组和太原组的水文地质条件进行研究，主要是对水动力场、水化学场的研究。
2.1 水动力特征
收集了西山矿区、草庄头、梭峪、邢家社、清交矿区等多个勘查区的水文孔100余口，其中对太原组含水层进行过抽水试验的水文孔共33口，对山西组含水层进行过抽水试验的水文孔共23口。综合水位、构造、岩性多方面进行分析整理，并结合前人的工作，把西山煤田的煤系地层的地下水划分为3个流动系统(图2)，即西北部地下水流动系统Ⅰ、中南部地下水流动系统Ⅱ和东部地下水流动系统Ⅲ。
1)西北部地下水流动系统Ⅰ。该系统东北部以煤层露头线为界接受补给，西部以王封断层为界，南部以地下分水岭为界。主要从东南向西北流动，在西南角排泄，主要向汾河、屯兰川和大川河以及断层附近排泄，此外煤矿开采过程中对地下水的疏干也是主要的排泄途径之一。该区地下水径流距离短，断层发育，是地下水流动较活跃的区域，该流动系统的南部，马兰向斜附近，水力坡度较缓，地下水流动较慢，古交矿区主要位于这个区域。
图1 西山煤田构造纲要
Fig.1 Structural outline of Xishan Coalfield
2)中南部地下水流动系统Ⅱ位于西山煤田的中部及西南部，包括狐偃山岩体波及区和西社南北向断裂以西的地区[5]。北部和东部以地表分水岭为界，东南部以清交断裂为界。在西部煤层露头区接受补给，向东南径流，在清交断裂和碾底地垒附近排泄，该流动系统径流距离长，马兰向斜轴部表现的更为明显。盆地深部地下水处于滞流区，邢家社煤层气区块位于该流动系统内。
3)东部地下水流动系统Ⅲ位于西山煤田的东北部，北部以王封断层为界，西部以地下分水岭为界，东南部以边山大断裂为界。在北部煤层露头区接受补给，向东南排泄。此系统以接受当地降水补给、当地排泄、循环浅、流程短为特征，为地下水弱径流区。
图2 西山煤田太原组含水层水动力系统
Fig.2 Hydrodynamic system diagram of formation aquifer in Xishan Coalfield
2.2 水化学特征
图3 太原组含水层Piper图
Fig.3 Piper diagram of aquifer in Taiyuan Formation
基于33口针对太原组含水层进行水质化验的水文孔，绘制了太原含水层的Piper图(图3)。从Piper图中可以看出，太原组灰岩含水层阴离子以
为主，其次为
阳离子以 Ca2+为主，其次为 Mg2+，水化学类型主要是 Ca·(Mg)HCO3型，其次为 Ca·(Mg)-HCO3·(SO4)型。其中
主要来源于煤层中的黄铁矿氧化后形成的硫酸盐，并且可以使灰岩中的CaCO3和 MgCO3溶解，从而使太原组含水层Ca2+、 Mg2+增加。
图4 山西组含水层Piper图
Fig.3 Piper diagram of aquifer in Shanxi Formation
同样绘制了山西组含水层的Piper图, 从山西组的水化学Piper图(图4)中可以看出，山西组的水化学类型具有明显的砂岩裂隙水特征，阳离子以钠离子为主，阴离子以碳酸氢根为主，水化学类型主要是Na·(Ca)HCO3型。这主要是因为砂岩中的主要矿物成分是钾长石、石英和钠长石，在风化、水解及离子交换等作用下长石屮Na+和K+被溶滤到水屮，而Ca2+、Mg2+形成CaCO3、MgCO3沉淀析出。随着运移的路径变长，Ca2+、Mg2+越来越少，因此，深层地下水水质类型主要是NaHCO3型[6]。
单独对古交矿区31口煤层气井的水化学样及邢家社煤层气勘查区5口井的多次采样资料进行整理，并绘制Schoeller图(图5)，可以看出煤层气井的水质类型大多为NaHCO3型，煤层气井产出水Ca2+、Mg2+较少，说明这些井距离补给区较远，经历了长距离的搬运，水动力较弱[7]。
图5 煤层气井产出水Schoeller图
Fig.5 Schoeller Diagram of water in coalbed methane
除了水化学类型外，矿化度也是水动力强弱的重要指标[9]，利用水文孔及煤层气孔测得的矿化度绘制了西山煤田矿化度等值线(图6)。西山煤田矿化度明显受构造和深度控制，从矿化度等值线图上可以看出，马兰向斜轴部以东矿化度明显增加，尤其是邢家社地区煤层气井采样显示矿化度都高于4 000 mg/L。古交矿区该规律也比较明显，在盆地边缘补给区矿化度普遍偏低，在300～500 mg/L，例如马兰矿和镇城底矿煤浅部的水样。随着煤层深度的增加，矿化度明显增大，在马兰向斜轴部矿化度普遍在 1 500～2 000 mg/L，说明水动力较弱。
图6 西山煤田矿化度等值线
Fig.6 Mineralization contour map of Xishan coalfield
3 构造-水文地质条件对煤层气成藏的控制机理
水动力对煤层气的控制作用主要表现为冲洗作用和封堵作用[10]，在水动力场研究的基础上，对西山煤层进行水动力区带的划分，主要划分为自由交替带、交替阻滞带、交替停滞带。补给区和排泄区主要表现为水动力冲洗作用，水动力活动强，属于自由交替带；在盆地斜坡带，古交矿区的大部分区域主要表现为侧向水动力封堵作用，该区水动力交替循环作用较弱，属于交替阻滞带；在盆地深处水动力活动非常弱，甚至处于交替停止状态。交替阻滞带和停滞带对煤层气都有封堵作用，对煤层气成藏有利。
绘制水文地质-含气量剖面图(A—A′)(图7)，可以明显看出，各个区带对含气量的影响，如屯兰矿东南部煤层埋深较深的区域承压水对煤层气形成封堵作用，该处的煤层气井含气量较高，如煤层气井T-41、T-19含气量都大于15 m3/t。
再结合水化学场来看，矿化度对含气量的控制作用，在煤层补给排泄区矿化度低，煤层气含气量也较低，地下水经过长距离的运移，矿化度逐渐升高，对煤层气的保存也越来越有利[11-13]。通过统计发现，当矿化度低于1 000 mg/L时，不利于煤层气的保存，对煤层气有破坏作用，矿化度1 000 ～2 000 mg/L，对煤层气保存较有利，当矿化度大于2 000 mg/L时，地下水处于停滞状态对煤层气保存最有利。除了矿化度，水化学类型也有很明显的控制作用，在补给排泄区，水化学类型主要以重碳酸钙镁型为主，在径流区和滞留区水化学类型以重碳酸钠型为主，该处的煤层气井含气量普遍偏高(图7)。
图7 古交矿区水文地质及含气量剖面(A—A′)
Fig.7 Hydrogeology and gas content profile of gujiao mining area(A—A′)
综合构造看，咀头断层和头南峁断层富集地下水接受补给，与地表水、大气降水交替频繁，对煤层气保存不利，而从马兰向斜到古交断层这一段距离内，地下水运动相对缓慢，属于交替阻滞带，对煤层气的保存较为有利，地下水对煤层气有侧向封堵的作用，加之封闭性断层等封闭作用，有利于煤层气的成藏。随着地下水长距离的运移，在盆地深部，运动非常缓慢，甚至处于停滞状态，地下水处于承压状态，煤层气受到两侧地下水的封堵，非常有利于成藏[14]，如图8所示。搞清楚构造及水文地质条件对煤层气成藏的控制机理后，得出3种有利的成藏模式(B—B′)(图8)。
单斜-水动力封堵成藏，地层水随着单斜构造向深部运移，而煤层气则向浅部运移，这样受到水动力的封堵聚集成藏[1,15]，这就是单斜-水动力成藏模式。马兰向斜西翼高东翼低，为不对称向斜，西翼埋藏浅，水动力强，不利于煤层气成藏，而东翼向东埋深逐渐增大，局部构造形态为一单斜。因此马兰向斜东翼的屯兰矿内煤层气井含气量大多都达到10 m3/t以上，最高达16.1 m3/t。
图8 构造-水动力作用下的成藏模式(B—B′)
Fig.8 Structural-hydrodynamic reservoir-forming mode(B—B′)
向斜-水动力封堵型成藏，由于水流的向心流动机制，在较对称且宽缓的向斜深部，由于水动力活动较弱，甚至处于停滞交替循环的状态，这样水动力向斜两端对煤层气形成封闭作用，尤其在埋藏较深的向斜核部是煤层气聚集成藏的有利地区[16]。草庄头向斜核部的钻孔M65和P23的含气量分别高达13.84 m3/t 和16.70 m3/t，正是这种成藏模式[17]。石千峰向斜中段核部及水峪贯向斜皆是这种成藏模式。
断层-水动力封堵成藏，山西煤田多为正断层，由于断层两盘岩性的配置关系以及断层面的泥岩涂抹作用，正断层断层面也可以起到一定的封堵作用，桑树勋等[18]研究发现在正断层的上下盘各距断层面几百米的位置对称存在2个异常高压带，这2个高压带正是煤层气成藏的有利区。从水动力方面来看，水动力的侧向封堵也对断层两侧的煤层气成藏起到重要作用。这也就很好地解释了杜儿坪断层两侧煤层气井的含气量很高。
4 构造-水文地质作用控制的煤层气富集区识别
在前文研究的基础上，找出了构造位置、水动力作用、水成因、矿化度、水化学类型等几个对煤层气富集有重要影响的因素，基于这些因素建立了煤层气富集区识别标准，见表1。将构造-水文地质条件对煤层气成藏的作用大小大致划分为3个区，分别是破坏区、过渡区、富集区。显然，富集区是煤层气成藏的最有利区域，过渡区次之，破坏区不利于煤层气成藏。通过这些因素的匹配，煤层气富集区的寻找就由原来的定性分析变为定量分析[19-20]。对西山煤田煤层气富集区(图9)进行识别发现，西山煤田由煤田边缘向煤田深部水动力交替逐渐减弱，煤层气由破坏区逐渐过渡到富集区，煤层气保存逐渐变好。主要在屯兰和东曲矿以南的邢家社勘查区和杜儿坪矿以西的部分区域煤层气富集条件较好，处于水文地质条件的交替停滞区，水动力条件非常弱，对煤层气形成封堵作用。
图9 古交区块煤层气富集区平面
Fig.9 Plane map of coalbed methane enrichment area in Gujiao block
表1 煤层气富集条件水文地质参数指标
Table 1 Hydrogeological parameters of coalbed methane enrichment conditions
区块划分破坏区过渡区富集区构造位置水动力作用水动力水成因水动力带划分矿化度/(mg·L-1)水相水型成藏模式开放性断裂区和浅部隆起露头区构造斜坡区构造缓坡区、相对封闭的断裂区构造平原区水力冲洗水力冲洗和水力封堵水力封堵水动力弱强径流区,水力交替最活跃中等径流区,水力交替较强弱径流区,水力交替较活跃阻滞-弱还原区地下水径流作用极弱大气降水或地表水渗入原生沉积水与地表渗入水的混合为主 以溶滤水和沉积水为主原生沉积封存水自由交替带交替阻滞带上亚带交替阻滞下亚带交替停止带小于1 0001 000～1 5001 500～2 000大于2 000Ca·Mg—HCO3·SO4NaHCO3NaHCO3NaHCO3重碳酸钙镁型重碳酸钠型重碳酸钠型重碳酸钠型—单斜-水动力封堵模式单斜-水动力模式、断层-水动力模式向斜水动力、承压水模式
5 结 论
1)西山煤田煤系地层水动力场可以分为：西北部地下水流动系统Ⅰ、中南部地下水流动系统Ⅱ和东部地下水流动系统Ⅲ；其中流动系统Ⅰ的南部(屯兰矿东曲矿南部)、流动系统Ⅱ的中部原相地区、西部水峪贯向斜核部以及流动系统Ⅲ的中部杜儿坪断层附近，水动力活动相对较弱，有利于煤层气成藏。
2)通过对研究区各含水层的水化学类型及矿化度的研究表明，高矿化度及重碳酸钠型水有利于煤层气富集。
3)提出构造-水动力作用有利于煤层气聚集成藏的3种模式：单斜-水动力成藏(如：马兰向斜东翼)、向斜-水动力成藏(如：草庄头向斜核部、石千峰向斜核部)、断层-水动力成藏(如：杜儿坪断层附近)。
4)利用构造、水动力区带、水化学类型、矿化度等指标对研究区进行煤层气富集区识别，识别出邢家社附近和杜儿坪南部2个富集区。
[1] 朱亚茹,孙蓓蕾,曾凡桂,等.西山煤田古交矿区煤层气藏水文地质特征及其控气作用[J].煤炭学报,2018,43(3):759-769.
ZHU Yaru, SUN Beilei, ZENG Fangui, et al.Hydrogeological characteristics of coalbed methane reservoirs in Gujiao Mining Area of Xishan Coalfield and their gas control effect [J].Journal of China Coal Society, 2018, 43 (3): 759-769.
[2] 曹爱国.西山煤田煤层气资源概况及开发前景探讨[J].山西能源与节能，2002(3)：23-24.
CAO Aiguo.Coalbed methane resources in Xishan coalfield and their development prospects[J].Shanxi Energy and Energy Conservation, 2002(3)：23-24.
[3] 付君华.西山煤田地质构造发育规律及其影响分析[J].山西焦煤科技，2008(6): 17-19.
FU Junhua.Geological structure development law and its impact analysis of Xishan coalfield [J].Shanxi Coking Coal Science and Technology, 2008 (6): 17-19.
[4] 唐书恒，马彩霞，袁焕章.华北地区石炭二叠系煤储层水文地质条件[J].天然气工业，2003,23(1):32-35.
TANG Shuheng，MA Caixia,YUAN Huanzhang.Hydrogeological conditions of coalbed methane in Carboniferous-Permian, north China[J].Natural Gas Industry，2003，23(1):32-35.
[5] 汪 雷，汤达祯，许 浩，等.岩浆活动对西山煤田煤储层物性的差异改造特征[J].煤炭学报，2015，40(8):1900-1910.
WANG Lei，TANG Dazhen，XU Hao，et al.Magmatism effect on different transformation characteristics of coal reservoirs physical properties in Xishan coalbed[J].Journal of China Coal Society，2015，40(8):1900-1910.
[6] 王瑞久.三线图解及其水文地质解释[J].工程勘察，1983，11(6):6 -11.
WANG Ruijiu.Three line diagram and its hydrological geological explanation[J].Geotechnical Investigation & Surverying，1983，11(6):6-11.
[7] 王红岩，张建博，刘洪林，等.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征[J].煤田地质与勘探，2001,29(5)：33-36.
WANG Hongyan, ZHANG Jianbo, LIU Honglin，et al.Hydrogeological is feature of coalbed methane reservoir in the southern Qinshui Basin[J].Coal Geology & Exploration，2001,29(5):33-36.
[8] 毛得雷，康永尚，韩 军，等.韩城煤层气田水文地质旋回对煤层气的影响[J].煤炭学报，2012，37(S2):390-394.
MAO Delei，KANG Yongshang，HAN Jun，et al.Influence of hydro-geological cycles on CBM in Hancheng CBM field，Central China[J].Journal of China Coal Society，2012，37(S2):390-394.
[9] 池卫国.沁水盆地煤层气的水文地质控制作用[J].石油勘探与开发，1998(3): 31-34.
CHI Weiguo.Control action of hydrogeological for coalbed methane in Qinshui basin[J].Petroleum Exploration and Development, 1998(3):31-34.
[10] 秦胜飞，宋 岩，唐修义，等.流动的地下水对煤层含气性的破坏机理[J].科学通报，2005,48(S1):99-104.
QIN Shengfei，SONG Yan，TANG Xiuyi，et al.Failure mechanism of flowing groundwater on coal seam gas-bearing property[J].Chinese Science Bulletin，2005,48(S1):99-104.
[11] 傅雪海，秦 勇，韦重韬.煤层气地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2007:107-108.
[12] 刘方槐，颜婉莎.油气田水文地质学原理[M].北京:石油工业出版社，1991:63-166.
[13] 林腊梅，金 强.孤南洼陷水动力场演化与油气运移[J].新疆石油地质，2004，25(6):617-620.
LIN Lamei，JIN Qiang.Evolution of hydrodynamics and petroleum migration in Gunan sub-sag[J].Xinjiang Petroleum Geology，2004，25(6):617-620.
[14] 宋国奇，刘克奇.断层两盘裂缝发育特征及其石油地质意义[J].油气地质与采收率，2009，16(4):1-4.
SONG Cuoqi，LIU Keqi.Petroleum geology and recovery efficiency[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2009，16(4):1-4.
[15] 邵珠福，钟建华，于艳玲，等.从成藏条件和成藏机理对比非常规页岩气和煤层气[J].特种油气藏，2012, 19(4):21-24.
SHAO Zhufu, ZHONG Jianhua, YU Yanling, et al.Contrast unconventional shale gas and coalbed gas from reservoir-forming conditions and mechanism [J].Special Oil and Gas Reservoirs, 2012, 19(4): 21-24.
[16] 洪 峰，宋 岩，陈振宏，等.煤层气散失过程与地质模型探讨[J].科学通报，2005,48(S1):121-125.
HONG Feng, SONG Yan, CHEN Zhenhong, et al.Discussion on coal bed methane loss process and geological model [J].Scientific Bulletin, 2005,48(S1):121-125.
[17] 汪 雷，古交地区煤层气富集成藏模式及有利区预测[D].北京：中国地质大学(北京),2016：47-73.
[18] 桑树勋，唐书恒.煤层气的封存与富集条件[J].石油与天然气地质，1999(2):8-11.
SANG Shuxun, TANG Shuheng.Conditions for the storage and enrichment of coalbed methane [J].Petroleum and Natural Gas Geology, 1999 (2):8-11.
[19] 曾 玲,孙晓光,杨 展,等.山西柿庄区块煤层气井产水量数值法预测[J].中国煤层气,2016,13(5):30-34.
ZENG Ling, SUN Xiaoguang, YANG Zhan, et al.Prediction of CBM well water production by numerical method in Shizhuang block of Shanxi [J].China Coalbed Methane, 2016, 13 (5): 30-34.
[20] 韩贝贝.西山古交区块煤储层孔渗特性与有利建产区预测[D].徐州：中国矿业大学,2015：17-37.
