煤層氣井產出水化學特征及水化學場動態演化規律

劉 賀，羅 勇，雷坤超，孔祥如，趙 龍，王新惠，齊鳴歡

(北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195)

煤層氣是一種非常規天然氣，氣體一般呈吸附態賦存在煤孔隙表面。水文地質條件是煤層氣生成、運移、富集成藏的重要影響因素之一，也直接控制著煤層氣地面井開發的排水→降壓→解吸→擴散→滲流→產出的模式[1]。煤系地層水的化學特征以及氣井排水降壓過程中水化學場的動態變化可以從本質上反映煤層水的賦存及流動狀態，對于了解煤系地層水動力狀態和指導煤層氣井的排采工藝具有重要的研究意義[2-4]。

劉會虎等以沁水盆地南部樊莊區塊生產監測區為例，發現地層水中離子濃度除受地層水來源、礦物和離子性質影響外,還受區域井間干擾形成條件下煤層氣井產出地層水的流體場影響[5]。張松航等通過研究柿莊南區塊煤層水化學類型，確定了煤層氣井產出水反映原始含水層或補給水層水化學特征的基本標準[6]。衛明明等揭示了沁水盆地南部煤層氣田產出水主要來源于古大氣降水(上新世和早更新世大氣降水)和現代大氣降水[7]。時偉等通過對山西組3號主采煤層主要離子濃度進行測定,分析了離子濃度和氫氧同位素展布特征[8-9]。劉世奇等為了探討煤層氣井排采控制指標,以沁水盆地南部高階煤為研究對象,基于氣-水相對滲透率試驗和滲流物理仿真模擬,探討了宏觀與微觀滲流網絡中氣-水相對滲透率變化機制,并進一步闡述了煤儲層氣、水產出過程[10]。李超等基于沁水盆地南部某高煤階煤層氣井勘探與開發動態資料,分析了其氣、水產出特征的差異,探討了其形成的地質控制機制[11]。李劍等通過研究韓城煤層氣田11號煤層水化學成分的變化規律,確定了該煤層水主要水化學類型，并結合構造特征將水化學場劃分為不同構造帶[12]。

前人在沁南煤層水水化學類型、氫氧同位素特征等水化學動態變化規律方面做了大量研究，取得了豐碩成果，但大部分停留在單個區塊或點上，對于該區域整體水化學場動態演化規律、產水產氣相關關系等缺少進一步研究，沁水盆地南部是現今我國煤層氣商業化開發最為成功的地區，該地區的煤層氣勘探開發理論與實踐對于中國其他地區煤層氣的開發具有重要的指導意義[13]。所以有必要對整個沁水盆地南部地區的煤儲層產出水化學特征及其在氣井排采過程中的動態變化規律進行研究，總結煤層產出水化學場與滲流場和壓力場之間關系的分析方法，以便更好地指導生產實踐。

1 區域水文地質概況

沁水盆地分布在山西省與山東、河北交界的東南部，整體構造為大型復式向斜。沁水盆地南部指二崗山斷層以南的翹起端，西南為中條山，西鄰霍山，東臨太行山，含煤面積6 200 km2。沁水盆地南部全區可采煤層主要為石炭系的太原組15號煤層和二疊系山西組3號煤層(圖1)。沁水盆地是一個具有獨立水文地質單元的地下水外流型盆地，地下水系統較多，由于地下分水嶺的存在，可以將其分為南部和北部地下水系統，兩個水利系統相互獨立，無水力聯系[14]。南部煤系地層水位范圍為550～800 m。該區地下水系統全部是單向流子系統，主要分布在樊莊、潘莊、鄭莊、柿莊、沁南、趙莊等區塊。其中，汾河及其支流為沁水盆地的主要地表水系。對沁水盆地南部煤層氣開采有顯著影響的含水層組主要包括山西組3號煤層的上覆砂巖裂隙含水層、太原組15號煤層上覆灰巖巖溶裂隙含水層組及下伏奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。

2 水樣采集與測試

以沁水盆地南部主產氣的山西組3號和太原組15號煤儲層為研究對象，對樊莊、潘莊、鄭莊、柿莊、沁南、趙莊等區塊內多個煤層氣生產井以及區內部分煤礦區礦井水進行了近300 d、100個水樣長期連續的水樣采集，并進行實驗室樣品水質分析，具體化驗結果見表1和表2。

圖1 沁水盆地南部水文地質剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile for the southern Qinshui Basin

區塊平均pHNa++K+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3CO2-3TDS/(mg·L-1)水型沉積環境樊莊3號煤8.6676.95.01.7392.84.21 085.2114.8/HCO3—Cl·Na滯流區樊莊-鄭莊3號煤8.1570.72.80.8220.12.8976.296.51 849.6HCO3—Na滯流區潘莊3號煤8.3821.311.37.7322.2189.31 313.7/2 742.4HCO3—Cl·Na滯流區柿莊3號煤8.5499.34.13.0379.386.9549.536.61 532.9HCO3—Cl·Na滯流區柿莊15號煤8.3441.83.72.7262.756.9619.332.11 413.4HCO3—Cl·Na滯流區安澤3號煤/1 658.425.026.51 341.116.91 527.3/4630.8Cl—Na滯流區安澤3號+15號煤/1 611.959.434.63 288.333.51 106.0/6 121.3Cl—Na滯流區安澤15號煤/898.97.711.2319.410.0872.9/2 146.0HCO3—Na滯流區寺河2號礦15號煤層頂板K2灰巖水/288.33.52.453.225.0622.522.41 018.8HCO3—Na弱徑流區書院礦15號煤層頂板K2灰巖水/300.413251.232.7540.9345.41.21 692.6HCO3—Ca·Na中等徑流區王臺鋪礦15號煤層頂板K2灰巖水/323.932.417.7193.6148.8504.012.71 023.5HCO3—Cl·Na弱徑流區潘2井3、9、15號煤7.9704.77.62.8123.41.01 601.545.71 756HCO3—Cl·Na弱徑流區常村礦 3 號煤7.7319.52.82.838.9105.8666.50.0836HCO3—Na弱徑流區沁新礦 2 號煤7.5421.013.86.430.621.41 113.50.01 086HCO3—Na弱徑流區黃丹溝礦 9 號煤7.655.663.636.519.127.8459.70.0440HCO3—Ca弱徑流區

注：“/”代表未檢測

表2 沁水盆地南部煤層水穩定同位素測定結果Table 2 Stable isotope of the coal seam water in thesouthern Qinshui basin

續表

3 水化學成分及類型的動態分析

3.1 水化學成分動態變化

沁南3號煤層頂底板巖性以泥巖為主，同時還包含部分砂質泥巖，在無構造影響下，幾乎不與其他含水層發生水力聯系。3號煤層排采初期排出的水主要是前期施工中侵入(或注入)煤層的鉆井液、壓裂液以及煤層本身的水，是導致排采初期溶解性總固體以及各離子濃度較高、水型相對復雜的原因。隨著排采的繼續，前期的鉆井液和壓裂液基本排出，水中離子濃度也趨于正常，此時可對煤層水化學特征進行研究。

圖2 ZY-168井3號煤產出水地球化學動態變化Fig.2 Change in geochemistry of the 3# coal produced water from the ZY-168 well

盡管15號煤層頂板為灰巖含水層，產出水水化學特征不同于3號煤層，但其動態變化規律總體上與3號煤層相似(圖3)。需要注意的是，在穩定階段，15號煤層氣井產出水溶解性總固體緩慢下降至1 000 mg/L；而3號煤層氣井產出水溶解性總固體是穩定或是緩慢上升的，這是由于15號煤層頂板灰巖水大量產出造成的。

圖3 TS-002井15號煤產出水地球化學動態變化Fig.3 Change in geochemistry of the 15# coal produced water from the TS-002 well

3.2溶解性總固體與各離子的關系

根據離子與溶解性總固體的關系研究確定水中的主要離子以及判斷地下水離子來源。

(1)Cl-離子

Cl-離子是水中最穩定的離子。3號、15號煤層產水氯離子均隨溶解性總固體的增加而增加，受環境和周圍含水層的影響較小(圖4a)。故氯離子與溶解性總固體均可作為煤層水示蹤劑，判斷地下水的補給、徑流和滯流情況。但在排采初期井會遭受壓裂液等工業污染，氯離子變化較大，因此要綜合分析地下水所處的環境。

圖4 溶解性總固體與各離子濃度關系Fig.4 Relationship between salinity and ion concentrations

(4)Na+、K+離子

由于K+離子和Na+離子的來源和性質相近，并且K+離子含量遠低于Na+離子，所以一般情況下將K+離子歸到Na+離子中，不另外區分。Na+離子是兩煤層產出水的主要陽離子，由圖4(d)可知，兩煤層的Na+、K+離子均與溶解性總固體呈較好的正相關性，Na+、K+離子的含量與溶解性總固體成正比。

(5)Ca2+、Mg2+離子

Ca2+、Mg2+離子也有相近的來源和性質，主要來自碳酸鹽類沉積物和石膏。兩煤層產出水中Ca2+、Mg2+離子與溶解性總固體呈現的關系如圖4(e)、4(f)。3號煤層的Ca2+、Mg2+離子與溶解性總固體正相關性較好，而15號煤層相關性較差。3號煤層產出水中Ca2+、Mg2+離子濃度隨著溶解性總固體的增加而增加，可能是由于溶解性總固體高，Cl-離子濃度不斷增加，而CaCl2、Mg2+的溶解度比較大，導致Ca2+、Mg2+離子濃度增加。

3.3 水類型和各離子特征

圖5 沁南各井Piper三線圖Fig.5 Piper diagram showing samples from the CBM wells in the Southern Qinshui Basin

圖6 沁南三個區塊代表井Piper三線圖Fig.6 Piper diagram showing samples from the CBM wells in the three blocks in the Southern Qinshui Basin

選取柿莊區塊15號煤層TS-002井、3號煤層ZY-168井、樊莊3號煤層JS1井、潘莊3號煤層PE-055井進一步研究，由圖6可知，柿莊區塊和樊莊區塊均屬于Ⅲ區，是SO4—Na或Cl—Na型水，唯一差別較大的是柿莊區塊15號煤層水相對分散，大部分落在堿及弱酸根為主的區域，這可能是由于15號煤層接受頂板灰巖水補給相對充分，與灰巖發生離子交換作用較多的原因造成的，兩個區塊的3號煤層水則相對一致，落在堿及強酸根為主的區域；潘莊區塊大部分落于Ⅱ區底部，屬于HCO3—Na型水，潘莊區塊不同于其他柿莊、樊莊區塊，是由于與區塊間相距較遠，沒有水力聯系，也和水巖相互作用過程中徑流強度、程度不同有關，使得在進化過程中的兩者也有一定的差異。

4 穩定同位素特征

全國大氣降水方程為：δD=7.9δ18O+8.2，而研究區的大氣降水方程為：δD=8.18δ18O+10.5。將表2整理，按照全國和研究區的大氣降水方程分別對3號煤層和15號煤層產出水中δD和δ18O繪制關系圖，見圖7。3號煤層與15號煤層大部分δD和δ18O值分布比較集中，3號煤層在大氣降水線兩側附近均有分布，而15號煤層則主要集中在大氣降水線上方，這從另一個方面表明兩個煤層產出水的補給來源是一樣的，大部分補給是通過大氣降水實現的。個別井如寺河2號礦、TS-011井、東峰3煤頂中δD和δ18O值偏離大氣降水線較大，說明其含水層補給來源不是大氣降水。

圖7 研究區3號15號以及3號+15號煤層氣產出水δD和δ18O值相關關系圖Fig.7 Correlation between δD and δ18O from the 3#，15#and 3#+15# CBM produced water

經統計，選取的8口15號煤層產出水中δD變化不大，平均為-83.2‰，而δ18O值平均為-11.3‰；選取的20口3號煤層氣井的產出水δD平均為-79.6‰，δ18O平均為-10.9‰，均高于15號煤層；選取的6口3號和15號煤層合采井，δD和δ18O平均值分別為-83.5‰和-11.5‰，與15號煤層產出水接近，說明15號煤層產出水對3號煤層產出水的影響較大；在以河流為代表的地表水中，δD為-62.5‰，δ18O為-8.8‰。由以上統計的水同位素值可以發現，隨著埋深的變淺，δD和δ18O值是變高的，說明垂向上是有分層規律的。

15號煤層產出水的δD和δ18O與15號煤層頂板水的δD和δ18O相差較大，說明區內8口井產出水沒有接受15號煤層頂板水的補給，而ZY-173、TS-288、膠帶上山1 130 m和3 106巷700 m產出水的δD和δ18O非常接近3號煤層頂板水，說明水源來自3號煤層頂板水。15號煤層產出水δD和δ18O值由低到高依次為TS-624、ZY-243、TS-623、TS-004、TS-625、TS-006、TS-003和TS-626，根據前面所說的同位素垂向分布特性，說明這幾口井的埋深是依次變淺的。由于15號煤層產出水與3號和15號煤層合采井的產出水δD和δ18O接近，故考慮15號煤層產出水的補給來源是3號煤層和15號煤層頂板的混合水。

5 水化學特征與產能關系研究

在前面產出水階段劃分、化學成分特征與成因機理分析的基礎上，進一步研究煤層氣井產能與水化學成分的關系。10口井的平均溶解性總固體和產氣量見表3。

由圖8可知，溶解性總固體與產氣量較好的正相關性，瓦斯含量與溶解性總固體之間有著緊密的關系，在高煤階地區，較高的溶解性總固體有利于煤層瓦斯儲集；越是低洼、水動力條件好、水流逸散變化較小的地區，溶解性總固體越高，越能夠富集煤層氣。這十口井氣產量不同，是由于溶解性總固體有很大差別，溶解性總固體高的井如ZY-268的產氣量也高，而其他井溶解性總固體低，氣產量也就低。

表3 ZY-246等10口井平均產水量、溶解性總固體和產氣量數據Table 3 Data of the average yielding salinity and gas production from ten wells including the ZY-246 wells

圖8 ZY-246等10口井溶解性總固體與產氣量關系Fig.8 Relationship between salinity and gas production from ten wells including the ZY-246 well

6 結論

(1)通過水化學成分Piper三線圖，柿莊區塊3號和15號煤層產出水是SO4—Na或Cl—Na型水，海水、鹽水或熱水水質，樊莊3號煤晉城兩口代表井屬于HCO3—Na型水，是深層地下水的水質，潘莊與樊莊3號煤層水性質相近，樣品點的分布位置表明，兩個區塊水力聯系密切。

(2)通過同位素分析可知，3號煤層與15號煤層大部分中δD和δ18O值分布比較集中，3號煤層在大氣降水線附近兩側均有分布，而15號煤層則主要集中在大氣降水線上方，表明兩個煤層產出水均受大氣降水補給。山西組3號煤層產出水δD與δ18O均高于太原組15號煤層，但低于以河流為代表的地表水。所以隨著埋深的變淺，δD和δ18O值顯示出遞增的趨勢。由3號和15號煤層合采井產出水的δD和δ18O與15號煤層氣井產出水接近，推測15號煤層產水量較3號煤層大，合采時產出水以15號煤層水為主。