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水文地質條件對煤層氣富集的影響

更新時間：2020-12-02　點擊量：1345

在煤層氣富集成藏和煤層氣開發研究中水文地質研究具有十分重要的意義，其中地下水水動力系統和水化學特征研究是分析水文地質對煤層氣富集影響的重點內容。

　　1 地層水含量與煤層氣吸附量的關系

　　地層水含量是水文地質研究中首要考慮的內容，在煤層中,煤對水和甲烷的吸附作用是同時存在的。由于煤孔隙表面吸著水或薄膜水分的存在，必定影響到煤對甲烷氣體的吸附能力與吸附量。

　　實驗、測試結果表明，在煤層中的水分達到臨界水分之前，隨著煤層本身含水量的增加，煤對甲烷氣體的吸附量具有明顯降低的趨勢，但當水分含量達到或超過臨界水分含量時，增加的水分就不再對吸附作用產生影響。因此地層水含量較高會在一定程度上造成煤層吸附氣的降低，不利于煤層氣的富集。

　　2 水動力條件對煤層氣富集的影響

　　水動力條件是水文地質對煤層氣富集影響中的關鍵因素之一，它對煤層氣的富集既有建設性作用也有破壞作用。根據地層水的流動狀態，可將地下水動力系統劃分為供水區帶、強交替區帶、弱交替區帶、滯緩區帶、滯留區帶及泄水區帶六大類。其中，滯緩類中的封閉亞類及滯留類中的封閉亞類為水文條件，對煤層氣富集、保存有利，是有利勘探區。對中、高煤階和低煤階煤層而言，滯流區往往是中、高煤階煤層氣聚集的場所，緩流區域多為低煤階煤層氣主要富集區。而水動力較強的交替區帶和泄水區帶對煤層氣富集成藏具有破壞性作用，往往形成煤層氣貧瘠區。

　　2.1 地下水動力條件對含氣量的影響

　　煤層中流動的地下水動力對煤層氣的含量影響很大，流動水對煤層長期沖洗必將導致煤層氣的大量散失。在平面上和剖面上，水動力條件強的地區，煤層氣的含量小；相反，在水動力不活躍地區，或滯流水區域，煤層氣的含量則比較高。另外，在煤礦生產實踐中，很多現象也表明：地下水活躍地區瓦斯涌出量小，反之瓦斯涌出量就大。例如位于遼寧省西部阜新市的王營子井就是如此。

　　在特定條件下水動力系統還可促進次生生物氣的生成，形成煤層氣的一個補充來源。如美國圣胡安盆地，盆地北部超高壓區煤層氣為富CO2的干氣，南部低壓區煤層氣則為貧CO2的濕氣。在區域抬升后又遭受剝蝕的盆地邊緣，雨水進入可滲透煤層中，細菌隨流動水也一起遷移到煤層中。在細菌的降解和自身代謝活動作用下，生成了次生生物成因氣，它是煤層氣的一個補充來源，并有可能形成異常高的氣體產量。

　　2.2 水動力條件的控氣特征

　　水動力條件不僅對煤層氣的含量和碳同位素有影響，還是煤層氣富集成藏的一個重要因素。地下水動力學條件的控氣特征可概括為水力運移逸散、水力封閉與水力封堵作用［3-4］，其中，水力封閉和水力封堵作用有利于煤層氣保存，水力運移逸散作用則會導致煤層氣的散失。

　　2.2.1 水力運移逸散控氣作用

　　水力運移逸散控氣作用常見于導水性強的斷層

　　構造發育地區，通過導水斷層或裂隙溝通煤層與含水層水文地質單元的補、徑、排系統，含水層富水性與水動力強，含水層與煤層水力聯系較好。在地下水的運動過程中，地下水攜帶煤層中氣體運移而逸散，常形成煤層氣貧瘠區。

　　2.2.2 水力封閉控氣作用

　　水力封閉控氣作用有利于煤層氣的富集，它多發生在構造簡單、斷層不甚發育的寬緩向斜或單斜中，主要特征為：（1）斷裂構造具有阻水的性質，煤系地層上部和下部存在良好隔水層；（2）區域水文地質條件簡單，煤層直接充水，含水層多為煤系中砂巖裂隙水，含水性微弱，滲透系數低，地下水逕流緩慢甚至停滯；（3）含水層補給僅限于淺部露頭的大氣降水；（4）地下水以靜水壓力、重力驅動方式流動，地下水是封閉狀態，煤層氣受水力封閉作用而富集。

　　這種類型的水力控氣作用在我國分布廣泛，具有普遍意義，沁水盆地就是該類的典型。

　　沁水盆地平面上有多個水力系統，主要受控于分水嶺，其盆地南部為匯水區，呈單斜向盆地內延伸，斷層不發育。沁水盆地南部的這種水文地質條件（圖1）阻止了煤層氣向淺部擴散，水流趨于停滯。

　　地下水沿煤層、含水層露頭補給，向深部運移，逕流強度由強變弱，并在空間上依次形成了補給區-逕流帶-滯流帶。在淺部補給區是煤層氣逸散帶，含氣量低；深部滯流帶地下水逕流緩慢，形成煤層氣的有利聚集區。

　　2.2.3 水力封堵控氣作用

　　水力封堵控氣作用多見于不對稱向斜或單斜中，是煤層氣富集的有利因素。在一定壓力差條件下，煤層氣從高壓力區向低壓力區滲流，或者說由深部向淺部滲流。壓力降低使煤層氣解吸，因此在煤層露頭及淺部形成煤層氣逸散帶。如果含水層或煤層從露頭接受補給，地下水順層由淺部向深部運動，則煤層中向上擴散的氣體將被封堵，致使煤層氣聚集富集成藏，形成煤層氣富集有利區。

　　例如，河北開灤煤田開平向斜上分布的一系列煤礦煤層氣特征就具有該特征。開平向斜為一不對稱向斜，西北翼陡，東南翼緩，兩翼巖石露頭西北翼高而東南翼低。地下水自西北翼的露頭補給，向東南翼排泄。在靠近向斜西北翼的軸部，形成了一個水徑流相對滯留的對流區域，地下水徑流條件相對東南翼較差。在東南翼，地下水徑流條件較好。在向斜東北翼煤礦中，煤層氣的含量明顯高于相近深度的向斜東南翼煤層氣含量。

　　3 水化學特征對煤層氣富集的影響

　　地下水的水化學特征對煤層氣的生成和富集成藏都有重要影響，水化學特征研究內容主要為地下水的pH 值﹑礦化度﹑礦物離子組分﹑礦物成分﹑同位素種類等，這里主要分析pH 值﹑礦化度及礦物離子組分對煤層氣的影響。

　　3.1 地層水pH 值對煤層氣的影響

　　在煤層氣生成過程中，甲烷菌的生長需要合適的地化環境，首先是足夠強的還原條件，一般Eh＜-300mV 為宜（即地層水中的氧和SO42-依次全部被還原以后，才會大量繁殖）；其次對pH 值要求以靠近中性為宜，一般為6.0～8.0，佳值為7.2～7.6；甲烷菌生長溫度0～75℃，佳值37～42℃。沒有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣，不利于煤層氣大量富集成藏。

　　3.2 地層水離子組分對煤層氣的影響

　　國內研究地層水礦物組分對煤層氣影響方面的資料較少，我們可以根據不同礦物成分對煤層氣生氣作用的影響進行簡單分析。

　　按成因類型，煤層氣分為生物成因氣、熱成因氣和混合氣。生物成因氣形成的前提條件是豐富的有機質和強還原條件，在生氣過程中地層水離子成分和含量決定了地層水化學特征，是影響生物氣生成過程中的一個關鍵因素。熱成因氣是在溫度（大于50℃）和壓力作用下，煤中有機質發生一系列物理、化學變化形成的，而地層水離子含量和不同離子間的化學反應都會對水溫和水壓產生影響［5］。因此，可以間接的說明地層水離子組分與煤層氣的生成是有聯系的。

　　3.3 地層水礦化度對煤層氣富集的影響

　　地層水的礦化度可以作為反映煤層氣運、聚、保存和富集成藏的一個重要指標，在一定礦化度條件下，地層水的循環表現為由高礦化度區向低礦化度區運動，高礦化度區往往為地層水補給區。而且地層水高礦化度還將導致水頭壓力增大，可以在一定程度上促進煤層氣的吸附。礦化度對煤層氣富集的影響要根據研究區的實際情況進行綜合評價得出結論，根據前人的研究成果總結出的主要影響特征為：

　　地層水高礦化度對中、高煤階煤層氣富集有利，低礦化度則有利于低煤階煤層氣的富集。

　　3.3.1 地下水礦化度對高煤階煤層氣藏的影響

　　中、高煤階煤成氣藏具有含氣量高，CH4百分含量高，儲層滲透率變化小，儲層改造難，構造熱事件對煤層氣的生成、富集貢獻大，持續的水動力使氣藏遭到破壞，且破壞幅度大等特點。研究表明高礦化度有利于中、高煤階煤層氣藏的富集成藏。

　　鄂爾多斯盆地南部東南緣地區可以證實以上影響特征，該區演化程度較高，屬貧煤，為高階煤。在區內鄉寧-吉縣一帶，有一相對滯留區，地下水流勢總體向西和南西方向流，中部區域為構造簡單的滯留區，對煤層氣的保存有利。滯留區內地層水礦化度相對周圍較高，生產實踐證實該區已經獲得持續的煤層氣氣流。

　　3.3.2 地下水礦化度對低煤階煤層氣氣藏的影響地下水格局能對煤層氣氣藏的調整和改造起決定性作用，地層水礦化度對低煤階煤層氣的生成具有很大影響。

　　低階煤層中的煤層氣主要來源于熱成因氣和次生熱成因氣，低階煤層氣藏成藏需要有一個利于甲烷生成、成長和富集的環境，合適的溫度和地下水礦化度。如果埋深是地下水的滯留區，礦化度非常高，不利于甲烷菌的活動。根據劉洪林等人對地下水化學場模擬實驗得出的結論，高礦化度造成低煤階煤儲層吸附能力的降低，游離氣隨著水力作用發生運移和散失，同時隨著儲層壓力降低到臨界解吸壓力時，吸附氣體不斷發生解吸、擴散、滲流和運移，導致煤層氣含氣量降低，煤層氣藏遭到嚴重破壞。

　　所以對于低煤階煤層氣藏而言，地下水礦化度越低越利于煤層氣的富集成藏。

　　以低階褐煤為主的吐哈盆地證明了地層水礦化度對低階煤層氣含量的影響特征。吐哈盆地地層水礦化度高達16 000mg/L，含氣量測試小于3m3 ／ t（見表1）, 研究證明造成含氣量如此小的主要原因是高礦化度的地下水條件，一方面破壞了低煤階甲烷菌的生長和生物氣的生成，另一方面降低了該區的煤層氣吸附能力，使得氣體隨水力作用發生運移散失，對煤層氣藏的保存極為不利。

　　4 結語

　　煤層氣的生成、富集、運移等一系列過程都與地層水有著十分密切的聯系，對煤層氣的研究自然少不了對水文地質的深入調查，由于煤層氣勘探與開發在我國起步較晚，在水文地質對煤層氣的影響方面的研究比較薄弱。雖然地下水水文地質研究是個非常復雜的過程，但沁水盆地、吐哈盆地等區塊的研究已經證明水文地質研究可以為煤層氣富集區的勘探和煤層氣的開發等提供有力支撐，有待深入研究。

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此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

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3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

水文地質條件對煤層氣富集的影響

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