樊莊區塊固縣井區煤層氣儲層流體化學場研究

張 聰 陳洪明 李夢溪 王立龍 崔新瑞 劉國偉

(中國石油山西煤層氣分公司, 山西 048000)

1 引言

煤層氣的產出是一持續的排水- 降壓- 解吸過程, 地下水系統在儲層壓力降低、壓力傳播及井網開發條件下壓力擾動中起著重要的作用, 煤層甲烷伴隨著壓降范圍的波及通過解吸- 擴散- 滲流一系列復雜過程最終從井筒產出。煤層氣、地下水多相流體在地下裂隙系統、井筒中物理流動過程極為復雜, 煤層氣勘探開發初期人們對其認識局限在物理實驗、數學模擬方面, 而通過壓力推算、室內實驗、數學及物理模擬很難全面描述儲層動態變化規律。研究煤層氣井開發后的流體化學場的變化規律, 有助于加深單井及區塊的儲層水文地質條件及水動力環境, 提取流體中化學信息及其動態變化規律對煤層氣排采控制及開采規律認識亦有重要意義。

2 水文地質條件概況

樊莊區塊地下水等勢面具有北東高南西低的總體態勢, 受于局部構造影響, 區內存在局部高部位分水嶺、低洼匯水中心等水文地質界線。水文地質單元主要由東側高平、西南部沁水縣為兩個供水區, 西南側為陽城南部 (沁河) 及浮山附近 (汾河) 為泄水區, 供水區與泄水區的距離大于40km左右。本區石炭- 二疊系的水勢面坡度達7m/km;奧陶系水勢面坡度最大處達20m/km, 水位勢能比較大, 研究區以南的延河泉、三姑泉涌出量較大。相對而言, 西北方向高平地區水壓頭勢面比較平穩, 又略有承壓條件。本區主要存在奧陶系、石炭二疊系和第四系3 套主要含水層系。

受各種水文邊界控制, 樊莊北部固縣井區北部邊界地下水向南徑流; 東部為露頭區, 大氣降水和地表水向深部運移, 在西部由于寺頭斷層的影響無法進入本區, 這樣形成了向深部匯流之勢。受到煤層上下低滲透性圍巖的在垂向上的封堵作用, 地下水就幾乎呈封閉狀態, 所以在樊莊就形成了等勢面“洼地”滯流地帶, 該地區地下水徑流條件最弱。起其東側淺部補給區是煤層氣逸散帶, 含氣量相對較低; 深部徑流帶地下水徑流緩慢, 有利于煤層氣的富集, 在樊莊區塊內3#煤儲層中形成了水動力封堵型煤層氣藏, 是煤層氣的有利聚集區。

晉城地區煤層內的水樣分析數據表明晉城地區煤層內的地層水礦化度基本相近, 略隨深度的加大而增加, 水型以重碳酸鈉型為主, 反映了該地區煤系地層水的低鹽度、與地表連通且與深層水沒有強烈交替的特點。

3 流體化學場動態變化規律

樊莊固縣井區為區塊整體單斜構造大背景下據圖褶曲發育區, 煤頂海拔位于127～186m 之間, 煤儲層整體呈現南北高, 中北部低的構造特征 (圖1) 。原始儲層壓力4．2～6．3MPa, 平均5．3MPa, 分布趨勢整體呈現由北向南升高趨勢 (圖2) , 證實了該區水頭位于監測區NE 方向。研究區15 口井在2009 年6～7 月份投產, 監測前已經排采1 年,多數井達到了穩產階段。為研究煤層氣井投入生產后及水文動態變化得流體化學場變化規律, 本次針對樊莊區塊固縣井區15口井產出進行流體化學動態監測, 監測時間段為2010 年7 月～12 月, 共進行了氣體組分、碳氫同位素; 水的pH 值、離子組分、水中元素含量等的監測。

圖1 監測區據圖構造井位圖

圖2 儲層原始壓力等值線圖

3．1 煤層氣組分動態特點

根據固縣井區進行生產監測的15 口排采煤層氣井的煤層氣組分數據進行分析, 可知： CH4含量在92．5%～84．8%之間, CO2含量在0～2．62%之間, C2H6含量在0～0．02%之間, N2含量在1．69%～4．85%之間。從排采氣的組分看, 產出的煤層氣多為濕氣。

固井井區15 口生產井的排采煤層氣成分雖然以CH4為主, 各組分變化也表現出一定的差異,另外生煤層氣的組分隨排采時間呈現波動性變化的特征。排采氣組分呈現波動性變化的原因與氣源階段性補給及組分分餾有關。排采煤層氣組分隨時間的變化在氣源階段性供給方面的反映, 不同階段來源于不同煤層氣井煤儲層顯微組分, 尤其是富氫組分的豐度差異決定的產CH4能力所導致的不同碳烴組分的差異。另一方面反映了煤層氣井網排采過程中排采速率變化影響了氣體組分在運移過程中分餾富集的變化, 因為煤層氣井的排采過程, 其實質是人為地改變了地下水動力條件。對烷烴而言, 排采速率的變化可能造成在不同煤層氣井不同時間由于輸送細菌產生的次生生物氣而影響煤層氣成分,造成組分分異, 導致不同烷烴組分隨時間變化。對于非烴類氣體而言, 組分隨時間變化表現為受自身密度及氣水相互用影響。排采氣中的N2的體積濃度隨時間的變化反映出因自身較輕而受排采速率(遷移速率) 的影響, 而CO2易溶性而易被地下水所溶解。

3．2 煤層氣甲烷碳、氫同位素動態

對固縣井區進行生產監測的15 口排采煤層氣井的 CH4同位素數據進行分析, 碳同位素(δ13CCH4) 在- 29‰～- 34‰之間, 氫同位素(δDCH4) 值在- 110‰～180‰之間。從排采氣的組分中甲烷同位素值和氫同位素看, 同位素組成均較重, 一方面可能與煤層氣的成因有關 (存在部分熱裂解氣) , 另一方面可能與排采有關。15 口排采井產出煤層氣δ13C1值和δD 值總體經歷了先變輕、再變重、后又變輕最后又變重的趨勢 (圖3) , 過程呈波動性變化特征。對于煤層氣井排采初期而言,輕同位素的甲烷先被采出, 重同位素的甲烷后被采出, 經過一段時間, 由于遠井地帶氣源的補給, 煤層氣井采出煤層氣又開始富氫氣, 再富重同位素的氣體, 如此反復, 因而煤層氣井采出煤層氣的甲烷碳、氫同位素隨時間表現出波動性變化的特征。

圖3 煤層氣組分中甲烷碳、氫同位素的時間變化

3．3 煤層產出水酸堿度化動態

15 口井所采的水樣酸堿度測結果顯示地層水的pH 值基本在8．3～9．5 之間, 說明短期內pH 值未有明顯變化。

3．4 煤層氣井產出水來源分析

根據排采水離子濃度的測定值, 參考相關文獻中有關砂巖、泥巖及灰巖水中離子濃度值, 繪制了生產監測區不同采樣時刻的水化學Piper 三線圖(圖4) , 進而判別地層水的來源。可得出在監測時間段內HG2 - 16、HG3 - 14、HG3 - 15、HG3 - 16、HG4- 14、HG4 - 15、HG4 - 16、HG5 - 13、HG5 -14 等9 口井產出水為煤層水與砂巖水的混合水;生產井HG5 - 15、HG6 - 20、HG6 - 21、HG6 - 22、HG6- 23、HG6- 25 等6 口井產出水為煤層水。

3．5 煤層產出水中離子含量變化動態

經過測試地層水中常規陰離子Cl-、HCO-、CO2-3和SO2-4和常規陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+、NH+4。陰離子中, 濃度最高的為HCO-3, 其次為Cl-, 最低的為NO-2(未檢出) 。陽離子中,濃度最高的為Na+, 其次為K+, 最低的為NH+4。15 口生產井排采地層水中離子濃度值隨時間變化(表1) 可以看出, 地層水中離子濃度整體呈現下降趨勢, 部分離子濃度呈現出波動特征, 反映該井區地下水為滯留環境, 通過長時間排采, 煤層氣井壓降漏斗波及范圍小, 同時也呈現出固縣井區煤層水補給能力弱或層間越流現象不明顯。

圖4 生產監測區不同采樣時刻產出地層水水化學Piper 三線圖

表1 煤層氣產出水中離子測試數據 (單位： mg/L)

對采出地層水中離子化學場進行平面分析, 可以得出比較一致的規律, 即化學場變化整體表現為： 先由南向北降低, 然后表現為東西向降低, 最后再表現為由南向北遞減。個別離子化學場的分布表現出既受局部排采井所產地層水的影響 (往往形成異常高值或異常低值) , 同時在整體上又體現出受整體井網的影響, 即受排采時井間干擾的影響,從而表現出化學場方向的統一變化趨勢。

3．6 煤層產出水元素含量變化動態

本論文利用電感耦合等離子質譜法測試了所采地層水中45 種元素, 包括Li、Be、B、Sc、Ti、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zu、Ga、Ge、As、Se、Rb、Sr、Y、Zr、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Au、Hg、Pb。通過測試分析發現, 煤層氣井排采地層水中元素含量差異顯著, 含量變化從百分之幾個ppb 到上百個ppb。為減小誤差, 使得分析效果明顯, 選取其中10 種含量較高的元素 (As、B、Ba、Cr、Ge、Mn、Ti、Pb、Sc、Sr) 進行分析, 以15 口井所產的地層水每次測試的元素含量平均值的變化來說明地層水中元素含量的時間變化 (表2) 。可以看出隨著排采試驗延長：水中As、Mn 元素含量略有上升; B、Cr、Ge、Se元素含量在產出較為穩定或在小范圍內波動; Ba、Ti、Pb、Sc 含量呈現下降趨勢, 反映了地層水對于煤層中金屬元素的選擇性洗選規律。

通過對元素化學場進行平面分析, 可以得知,元素化學場方向的變化大致經歷了南北變化 (由南向北降低或由北向南降低) 、東西向變化 (由東向西降低) 以及后階段的南北向變化。分析發現絕大多數元素化學場方向變化經歷較長時間由東向西遞減的過程。同時與離子化學場方向變化相比, 元素化學場的變化存在較多的不一致的地方, 如大多數離子化學場在采樣初期主要由南向北降低, 而元素化學場只有部分元素為該趨勢。通過分析認為, 主要有三個方面的原因： ①元素本身的性質, 如元素的賦存狀態、溶出及遷移性質決定了其遷移富集速率的快慢; ②局部煤層氣井所在煤儲層或巖層所含某些元素的本底值很高, 即使在有其它地層水補給情況下, 也使得產自該煤層氣井的地層水的元素含量很高, 從而出現異常; ③工程采樣的缺失導致生產監測區的某些采樣點數據缺失, 從而有可能導致化學場的分析失真。

表2 煤層氣產出水中元素測試數據 (單位： ppm)

4 結論

本文通過分析實驗測試的不同時刻生產監測區煤層氣組分、煤層氣甲烷碳氫同位素、地層水pH值, 及其中離子濃度、元素含量, 歸納總結了煤層氣井井網排采條件下煤層氣組分、煤層氣甲烷碳氫同位素、地層水中元素含量及地層水中離子濃度的時間變化規律, 判斷了生產監測區不同采樣時刻地層水的來源。研究不同時刻地層水中離子濃度及地層水中元素含量變化平面動態, 分析了井網排采條件下煤層氣流體化學場動態變化規律, 得到的主要結論如下：

(1) 煤層氣組分、煤層氣甲烷碳氫同位素隨時間呈波動性變化, 儲層解吸具有階段性特征, 可能反映為煤層氣井不同時刻氣源變化及煤層氣的分餾特征。

(2) 在煤層氣生產穩產期 (樊莊區塊氣井排采時間一般大于1 年) , 短期內PH 值未有明顯變化趨勢, 氣井產出地層水主要為煤層水或煤層水與砂巖水的混合水, 儲層離子化學場、元素化學場的方向主要經歷了南北向和東西向偏轉變化的過程, 不同排采時刻南北向和東西向遷移富集一致性變化的特點, 證實了煤層氣井井網排采存在井間干擾, 并可能由此改變地層水滲流方向。

(3) 流體化學是研究儲層水文動態特征及采動影響變化規律, 開展該方面研究有利于進一步揭示流體化學場方向的變化、側面驗證井網排采條件下的井間壓力干擾、流體動態相互干擾。

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