水質分析實驗技術在頁巖氣開發中的應用

摘要：在頁巖氣勘探開發過程中都會應用到水質分析實驗技術，通過該實驗技術可以對含氣頁巖本身的保存條件與壓裂返排液污染治理情況進行分析，是頁巖氣勘探開發工程中的重要環節。本文中將主要分析頁巖氣在勘探開發過程中的水質分析實驗技術內容，對頁巖氣地層水中的主要成分諸如鹽類離子、礦化度、有機質、氣體、同位素以及微量元素等等進行分析，客觀評價地層水類型與壓裂返排液污染物類型及其腐蝕性，并對水質分析與應用相關內容進行了研究。

關鍵詞：水質分析實驗技術;頁巖氣;勘探階段;開發階段;地層水;壓裂返排液

1、引言

頁巖氣其本身主體就位于暗色泥頁巖或者高碳泥頁巖中，主要賦存狀態為吸附或游離的天然氣聚集狀態，所以在針對頁巖氣的勘探開發過程中必須實施相應實驗才能有效分析頁巖氣，得出相關成果，為其勘探開發打好基礎，例如國內的丁安徐等學者就將頁巖氣地質實驗技術內容劃分為含氣性實驗、地球化學實驗、巖石物性實驗、巖石學實驗以及巖力學實驗。除此之外，在頁巖氣勘探開發過程中都會應用到水質分析實驗技術，目前涉及到其實驗技術內容的研究也相當廣泛深入，水質分析實驗技術是專門針對頁巖氣的儲層地層水、鉆井、壓裂返排液等等內容進行分析，對頁巖氣的勘探與開發階段工作帶來了良好的科學啟示性作用，極具現實價值意義^[1]。

2、頁巖氣勘探階段的水質分析實驗技術應用分析

2.1水質分析實驗技術應用概述

在頁巖氣勘探階段就要實施水質分析實驗技術應用方法，主要分析它的鹽類離子及其礦化度、有機質成分以及氣體成分，并對它的同位素與微量元素含量進行測試分析，并根據實驗成果對地層水進行分類。一般都是以Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Cl^-、SO₄^2-、HCO^3-的含量及其組合關系作為分類基礎。地層水就其形成環境而言，主要是大陸水和海水兩大類。大陸水含鹽度低（一般小于500mg/l），其化學組成具有HCO^3->SO₄^2->Cl^-，Ca²⁺>Na⁺2+的相互關系，且Na⁺>Cl^-，Na⁺/Cl^-（當量比）>1。海水的含鹽度較高（一般約為35000mg/l），其化學組成具有Cl^->SO₄^2->HCO^3-，Na⁺>Mg²⁺2+，且Cl^->Na⁺，Na⁺/Cl^-（當量比）<1的特點。大陸淡水中以重碳酸鈣占優勢，并含有硫酸鈉;而海水中不存在硫酸鈉。根據上述認識，以Na⁺/Cl^-、（Na⁺-Cl^-）/SO₄^2-和（Cl^--Na⁺）/Mg²⁺這三個成因系數，將地層水劃分成四個基本類型：Na₂SO₄型液體、NaCHO₃型液體、MgCl₂型液體、CaCl₂型液體。

也就是說，利用鹽類離子測試結果根據上述分析對頁巖氣勘探過程中的地層水實施詳細分類，同時計算出這些地層水的具體脫硫系數、變質系數與鹽化系數，以及氯鎂系數、鈣鎂系數等，保證在頁巖氣勘探階段的水質分析實驗全面到位^[2]。

2.2水質實驗分析成果應用

以蘇林水型分類成果為主，并可參照其他參數指標——主要包含為脫硫系數、礦化度、鹽化系數、鈣鎂系數和氯鎂系數，這些指標都能對頁巖氣地層水形成成因與演化過程進行判斷，是重要的地層水水質成分與水質質量判斷依據，通過這一系列的科學合理判斷可推斷頁巖氣的實際保存條件。以Na₂SO₄型液體為例，它是受到大陸沖刷環境下所形成的地面水;同為大陸環境下形成NaHCO₃型液體，可作為具有相對較好的含油氣標志。而反觀MgCl₂型液體，它的主要成分則為海水;CaCl₂型液體則一般與地表大氣降水隔絕的深層封閉環境中形成，屬于典型的氣田水類型。在我國南方地區的海相沉積地層中多為CaCl₂型液體，它的水相良好且礦化度、鈣鎂系數、氯鎂系數均表現較高，但脫硫系數與變質系數則表現相對偏低，不過整體看來其油氣保存條件非常良好。同樣在我國南方地區，其海相地層中還含有一定的有機質成分，這些有機質成分可作為“指紋標志”來配合勘探技術人員研究其油氣層的形成與運移過程，并對它其中的氫氧同位素與微量元素等等重要化學物質內容進行推理判斷，深層次了解其地層水的生成成因與演化過程^[3]。

3、頁巖氣開發階段的水質分析實驗技術應用分析

在頁巖氣的開發階段，主要結合水質實驗技術對它的地層水污染原因、地層水腐蝕性原因以及污染物類型等等因素進行科學分析，在分析后得到大量數據信息反饋并制定有效防腐措施。在生產實驗過程中，發現壓裂液配合儲集層高礦化地層水向上運移導致地下水被嚴重污染，同時頁巖氣中烴類氣體溶解也會造成一定程度的地層水污染。以上各個方面，對地層水污染最為嚴重的當屬頁巖氣壓裂返排液，這是因為為改善儲集層會在頁巖氣的壓裂液中加入大量的增效劑、降阻劑、支撐劑以及鐵離子穩定劑、助排劑等等，而這類物質通常會含有某些污染元素（鹽類、低濃度金屬元素、有毒非金屬元素、放射性元素），進而造成地層水的污染。此時就需要再經過水質分析實驗才可相對準確合理的評估得出頁巖氣在開發活動中對地下水所產生的具體影響^[4]。

再一方面，在開發前還需要大量采集頁巖氣的基線數據，開發階段應長期觀測，結合地球化學指標以及大量同位素內容及相關特征準確判斷地下水中污染物的主要來源。該過程，主要運用到基線數據配合頁巖水敏測試實驗技術對頁巖氣中的初始測試流體中間測試流體進行綜合測試分析，這一實驗測試過程可有效對地下水水質進行精確分析，研究地下水水質會對壓裂液性能產生哪些負面影響，同時也會思考壓裂液在加入添加劑后與地下水的配伍性會如何變化等等。整體來講，就是通過水質實驗技術來分析采用地下水所配制的壓裂液基本性能，并對其作出評價。而在整個頁巖氣的開發階段，水質實驗技術應用的其他作用還包括了對頁巖氣鹽類離子、礦化度、有機質成分以及同位素、微量元素等等內容的精確測量^[5]。最后，要建立一個專門的頁巖地層水基線數據庫，以便于對頁巖氣開發階段的水質變化進行動態監測，隨時隨地確定污染物的具體來源，包括污染物的主要類型與腐蝕性能，以便于采取相對應的防范處理措施^[6]。

4、總結

總而言之，針對頁巖氣勘探與開發階段的水質分析實驗技術具有它一定的實用性與科學性，可有效實現對地層水及壓裂返排液污染類型與腐蝕性的有效推理分析與判斷，有效的減少頁巖氣開發過程對水體的污染，并達到實現綠色環保的目的，提高頁巖氣的開采安全性，也可為頁巖氣開采提供寶貴參考數據，配合勘探技術人員研究油氣層的形成與運移過程。

參考文獻

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作者簡介：張裕虎，男，工程師，1986年出生，2009年畢業于中國礦業大學，現從事地質實驗測試，非常規氣試井、錄井工作。

（作者單位：黑龍江省煤田地質測試研究中心）