沁水盆地南部15號煤層和頂板K2灰巖水文地球化學演化特征

李忠城，吳建光，王建中，吳 翔，盧國軍

沁水盆地南部15號煤層和頂板K2灰巖水文地球化學演化特征

李忠城，吳建光，王建中，吳 翔，盧國軍

(中聯煤層氣有限責任公司，北京 100015)

針對煤層氣井產水量大、降壓困難、產氣效果不佳等問題，基于沁水盆地南部煤礦15號煤層頂板K2灰巖水以及15號煤層氣井水礦化度和離子數據，利用統計、對比方法，系統研究兩者的水化學成分特征、類型、成因機理，建立了地層水演化模型，系統闡述灰巖和煤層水在補給區、徑流區、滯流區發生的各種反應和作用。研究結果表明：K2灰巖水和15號煤層水會發生離子交換、混合作用及CO2作用，在補給區和強徑流區，K2灰巖水水型以Ca-Mg-HCO3-SO4型為主，煤層水水型以Na-HCO3-SO4型為主；緩徑流區K2灰巖水一般為Na-Ca-Cl-HCO3型，而煤層水以Na-Cl-HCO3或Na-HCO3型為主；滯流區K2灰巖水和煤層水水型相同，為Na-HCO3或Na-Cl-HCO3水型。研究結果為15號煤的煤層氣開發提供可靠的水文地質依據。

K2灰巖水；15號煤層氣井產出水；水類型；水演化模型；沁水盆地南部

由于地下水所處的補給區、徑流區、滯流區控氣作用不同，導致不同水文地質單元煤層氣富集程度存在差異[1-4]。煤層氣井排采效果不同[5-8]，直接影響煤層氣選區評價和后續開發[9]，煤層氣開發為排水降壓采氣，因此，煤層氣勘探開發工作中水文地質條件，尤其是地層水的水文地球化學特征，應作為煤層氣開發前一項重要工作。

前人針對煤礦井下或含煤巖系水文地質特征開展了大量研究。煤層水礦化度影響煤層氣富集成藏條件，高礦化度有利于高階煤煤層氣富集成藏，低礦化度有利于低階煤煤層氣富集成藏[10]。對于陷落柱發育井田，陷落柱臨近區域水的礦化度增加[11]。煤層水和地表水或煤層頂底板等其他含水層水文地球化學特征存在顯著差異，通過監測其之間的水質差異，可快速判斷突水水源，以預防礦井突水[12-13]；劉超等[14]針對廢棄礦井水地化特征開展了取樣實驗研究，認為礦井水受地表水的強烈影響，且利于生成次生生物氣。

沁水盆地南部石炭–二疊系太原組15號煤層直接頂板K2灰巖為裂隙含水層，水文地質條件復雜[15]，15號煤研究程度低，煤層氣井產水量大，降壓困難，至今無法有效開發?；谇叭搜芯空J識，筆者開展15號煤煤層水和頂板含水層水為地球化學演化研究，以期從機理上揭示其演化過程，總結不同水文地質單元煤層水和頂板灰巖水特征，指導煤層氣勘探過程中富集區優選；同時結合開發過程中產出水分析化驗數據，依據不同水文單元水化學特征判斷井區地下水活躍程度，制定合適的排采方案，為實現15號煤煤層氣有效開發提供可靠的水文地質依據。

1 礦區地質及水文地質情況

1.1 礦區地質概況

水樣取自3個煤礦，其中1、3和2號礦分別位于沁水煤田東南端和南端(圖1)，煤礦基本構造形態為一走向NE、傾向NW的單斜構造。在此基礎上發育了一系列近SN—NNE向的寬緩褶曲，形成井田內巖(煤)層的波狀起伏，巖層傾角一般不超過15o。3個煤礦的煤系主要為二疊系下統山西組、石炭系上統–二疊系下統太原組，平均總厚度136.02 m，本次研究對象為15號煤層及其頂板灰巖，全區穩定可采，煤層厚度在1.80~5.45 m，平均厚度2.67 m，含夾矸0~4層；直接頂板為石灰巖(K2)。

圖1 樣品采集煤礦地理位置

1.2 礦區水文地質概況

3個礦區均是在地勢較高的煤層淺埋露頭處接受大氣降水補給，在溝谷低洼處向地表排泄，自上而下主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層，基巖風化帶裂隙含水層，二疊系石盒子組碎屑巖類裂隙含水層，二疊系下統山西組碎屑巖類裂隙含水層組，石炭–二疊系太原組碎屑巖、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層組，奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層組。其中，石炭–二疊系太原組K2石灰巖裂隙巖溶含水層為15號煤層的直接充水含水層，據混合抽水試驗資料，單位涌水量為0.000 67~0.048 L/(s·m)。

2 15號煤層頂板K2灰巖水特征

2.1 K2灰巖水的水型

通過對沁水盆地南部3個煤礦的15號煤頂板K2灰巖水水型分析發現，3個煤礦K2灰巖水水型差別較大(圖2)，1號礦為Na-Ca-HCO3型，2號礦為Na-HCO3型，3號礦水型較復雜，有Na-Cl-HCO3型和Na-Cl-SO4-HCO3型兩種。1號礦煤層埋深230~260 m，2號礦煤層埋深270~280 m，3號礦煤層埋深290~350 m，取樣深度依次增加，1號—3號水樣礦化度總體上依次升高(表1)，反映了隨埋深增加水體封閉性變好，水力交換降低，水型由Na-Ca- HCO3型向Na-HCO3型和Na-Cl-HCO3型過渡，說明封閉條件越好，鈣離子消耗越大。由于3號礦的3號煤層已開采幾十年，資源基本枯竭，遺留的3號煤層小煤礦采空區大量積水，導致15號煤層開采時受到影響，部分水樣礦化度偏低。

圖2 沁水盆地南部15號煤層頂板K2灰巖水型

表1 不同礦井K2灰巖水礦化度

2.2 K2灰巖水和15號煤層產出水比較

煤礦開采證實15號煤層為弱含水層，采礦過程中的水主要來自頂板K2灰巖。頂板灰巖水和15號煤層氣井產出水兩者從水型上分析基本相同，主要是Na-HCO3型和Na-Cl-HCO3型。兩者水中離子組成均呈現“W”形狀(圖3)，碳酸氫根離子濃度高；煤層氣井產出水陰離子與3號礦頂板灰巖水相似，氯離子和硫酸根離子濃度較高；煤層氣井產出水陽離子主要和2號礦頂板灰巖水大致相同，鈣、鎂離子均較低；1號礦頂板灰巖水明顯與其他礦灰巖水以及煤層氣井排出水不同，主要體現在鈣離子較高，鈉離子和氯離子濃度明顯較低。造成這種現象的主要原因是，1號礦埋深較淺，導致其水化學成分不同。

注：Qn004為煤層氣井產出水；1—3號礦為頂板灰巖水

15號煤層氣井產出水脫硫系數大部分低于0.1，2號礦和3號礦灰巖頂板水脫硫系數為0.1~10.0，而1號礦K2灰巖水的脫硫系數均在2.0以上，明顯高于前兩者(圖4)。脫硫系數高反映封閉性差，說明1、2、3號礦的K2灰巖水、15號煤層氣井產出水封閉性依次增強，這與礦化度反映的規律一致。1號礦K2灰巖水體封閉性差，氧化作用較強，還原作用較弱，地下水體中以氧化反應和溶解作用為主，二氧化碳不斷溶解，導致水體酸性增加，方解石不斷被溶蝕，鈣離子濃度增高。

圖4 沁水盆地南部15號煤層氣井產出水與K2灰巖水脫硫系數對比

不僅埋深、水體所處環境不同能導致水中離子組成的差異，同樣灰巖水和煤層接觸也會導致部分離子濃度發生變化。將2號礦15號煤層樣品和K2灰巖水放到一起(一周時間)，分析混合后水樣化學離子濃度發現，混合水中鎂離子濃度明顯減小，由原來的2.69 mol/L降至0.67 mol/L，混合后硫酸根離子濃度高于K2灰巖水，由31.98 mol/L升至38.69 mol/L，其他離子濃度變化較小，這說明地下灰巖水在與煤層接觸過程中，會發生離子交換。

3 煤層水文地球化學特征形成機理

煤層水在地層流動過程中會發生溶濾作用、氧化作用、脫硫酸作用、離子交換作用等。地下水在補給、徑流過程中會發生不同的地球化學反應。

3.1 補給區

因此，煤中硫化物被氧化會產生大量氫離子，加速了碳酸鹽巖的溶解過程，使得水體中硫酸根離子增加。硫化物氧化過程只發生在淺部水溶氧化帶，距氣水交匯界面越近，氧化作用越強。大氣降水不斷攜氧補充含水層，氧化反應得以持續進行。

石膏類礦物的溶解度大于碳酸鹽巖類礦物，其溶解會發生在任意深度，水中鈣離子的增加，會促進方解石發生沉淀。具體的反應式為：

3.2 還原環境的徑流區

當有機質存在時，在脫硫酸還原菌作用下，發生脫硫化作用。其反應式為：

脫硫酸還原菌可在–5~75℃、pH值5~9的條件下生存。根據沁水盆地南部煤層溫度資料可知，15號煤儲層溫度最高為30.79℃；pH值均在9以下，完全滿足硫酸還原菌的生存條件。因此，在水徑流較弱的還原環境煤層中，會發生式(7)反應，導致碳酸氫根離子濃度增大，硫酸根離子濃度減小。

盡管目前沁水盆地水溶甲烷量較低，但在印支期和燕山期區域巖漿熱變質階段，溫度、壓力高，水溶甲烷量多[18]，很可能發生式(8)反應，消耗硫酸根離子，增加碳酸氫根離子。

3.3 離子交換作用

礦物顆粒表面常帶有電荷，具有吸附陽離子的能力。在一定條件下，巖石顆粒將吸附地下水中某些陽離子，將其原來吸附的部分陽離子轉入地下水中。通常離子價位越高，被巖石顆粒吸附的可能性越大；原子半徑越大，吸附能力越強。常見陽離子按吸附能力自大而小順序為：H+＞Fe3+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞Mn2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+，鈣、鎂離子的吸附能力要大于鈉離子的吸附能力。另外巖石顆粒越細小，比表面積越大，顆粒的吸附能力越強。在漫長的地質時期，大量鈣、鎂離子被煤顆粒吸附，置換出的鈉離子轉移到水中，導致煤層水中鈣、鎂離子損耗。

4 15號煤層與頂板灰巖水文地球化學演化

大量數據顯示，沁水盆地南部無論是3號煤層還是15號煤層，煤層氣井產出水總體表現為富碳酸氫根離子和鈉離子，缺少硫酸根、鈣和鎂離子；水型以Na-HCO3或Na-HCO3-Cl為主[5,19]。美國6個主要煤層氣生產盆地產出水特征，也有類似結論[20]。導致這種特征的主要原因有兩個方面：首先，煤層富含有機質，在弱徑流的還原環境下，發生了脫硫酸作用，導致硫酸根離子減少，碳酸氫根離子濃度增加；其次，離子交換吸附作用的發生，使得吸附能力差的鈉、鉀離子增加，鈣、鎂離子被吸附而減少。

盡管15號煤層與頂板K2灰巖兩含水層巖石成分、結構、裂隙發育特點差別很大，地下水水文地球化學演化過程不盡相同，由于兩層相互接觸，水力聯系密切，水中化學成分相互影響、作用，最終形成相似的水型。地球化學演化模型如圖5所示。模型以單斜形態表示，地下水流動路徑從地表依次分為補給區、強徑流區、緩徑流區和滯流區。隨深度增加，水體環境發生變化，從淺到深依次分為氧化環境、過渡環境和還原環境。一般補給區和強徑流區為氧化環境，部分緩徑流區為過渡環境，大部分緩徑流區和滯流區為還原環境。不同的水體環境發生的物理變化和化學反應不同。當地下水處于氧化環境時，由于地表水攜帶CO2進入，導致灰巖中碳酸鹽巖發生溶解，使得鈣、鎂、碳酸氫根離子濃度增加，水型以Ca-Mg-HCO3-SO4型為主；而煤層中黃鐵礦則發生氧化反應，使得水中硫酸根和鐵離子濃度增加，水型以Na-HCO3-SO4型為主。隨著深度的增加，溫度、壓力增高，水體進入還原環境。此時煤層中會發生脫硫酸作用和無機成分氧化有機物的反應，如式(7)和式(9)(不需要氧氣參加)，導致硫酸根離子大量減少，碳酸氫根離子增加，同時生成一定數量的CO2，此時煤層水以Na-Cl-HCO3或Na-HCO3型為主。由于方解石和白云石隨溫度的升高溶解度降低，同時氯化物被不斷溶解，導致埋深大、溫度高的還原環境下灰巖水中鈣、鎂離子濃度減少，鈉離子濃度增加，此時灰巖水一般為Na-Ca-Cl-HCO3型。

15號煤層水和K2灰巖水相互作用主要體現在3個方面。首先是離子吸附交換。煤層顆粒細小，具有很強的吸附陽離子的能力，在兩者接觸處會不斷發生離子交換，鈣、鎂離子被吸收，鈉、鉀離子被置換到水中。其二是混合作用，主要發生在兩者接觸面和相溝通聯系的裂隙中。兩種水混合是否產生明顯的化學反應，取決于兩種水的成分及混合比例。如氧化和過渡環境中煤層水以硫酸根和鈉、鉀離子為主，而灰巖水以碳酸氫根和鈣離子為主，兩者混合時會形成石膏沉淀和碳酸氫鈉型水。還原環境下兩種水發生反應的可能性小，但是灰巖水中硫酸根離子進入煤層時會發生脫硫酸作用，間接導致灰巖水中離子濃度的降低。其三，由于煤層水中無機成分氧化有機物產生的CO2進入灰巖水中，使得方解石和白云石發生溶解，水中鈣、鎂、碳酸氫根離子濃度增加。

圖5 沁水盆地南部15號煤層水和頂板K2灰巖水演化過程模型

不管在灰巖還是煤層中的各個環境下，淋濾作用始終發生，只是作用強度有差別。此外，灰巖水、煤層水還與其接觸的隔水層發生離子吸附交換，導致鈣、鎂陽離子含量減少，鈉、鉀離子增加。在以上各種作用的共同影響下，最終形成了Na-HCO3或Na-Cl-HCO3水型。

5 結論

a. K2灰巖水水型相對復雜，主要有Na-Ca- HCO3型、Na-Cl-SO4-HCO3型、Na-HCO3-Cl型和Na-HCO3型4種。結合礦化度、脫硫系數，可以判斷出前兩種水型是在地層封閉條件差的氧化環境下形成的，后兩種則是在封閉條件好的還原環境下形成的。

b. 建立了沁水盆地南部15號煤層和K2灰巖水演化模型，從機理上分析兩者在原始地層條件下相互作用、彼此影響，最終在還原環境下形成以Na- HCO3為主的水型，但各離子的絕對含量不盡相同。

c. 補給區和強徑流區K2灰巖水水型以Ca-Mg- HCO3-SO4型為主，煤層的水型以Na-HCO3-SO4型為主；緩徑流區K2灰巖水一般為Na-Ca-Cl-HCO3型，而煤層水以Na-Cl-HCO3或Na-HCO3型為主；滯流區頂板灰巖水和煤層水水型相同，為Na-HCO3或Na-Cl-HCO3水型。

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Hydrogeochemical evolution of No.15 coal seam and limestone K2in southern Qinshui basin

LI Zhongcheng, WU Jianguang, WANG Jianzhong, WU Xiang, LU Guojun

(China United Coalbed Methane Corporation Ltd., Beijing 100015, China)

Based on the water test data of No.15 coal roof K2limestone and No.15 coalbed methane well in the southern Qinshui basin, the characteristics, types and the genetic mechanism of water chemical composition were systematically studied by statistical and comparative methods. The evolution model was built to systematically describe the various reactions and effects of limestone and coalbed water in the recharge zone, runoff zone and detention zone. The results show that the K2limestone water and the No.15 coal seam water will undergo ion exchange, mixing and CO2action. The K2limestone water is mainly Ca-Mg-HCO3-SO4type in the recharge zone and the strong runoff zone, and the water type of the coal seam is Na-HCO3-SO4type; K2limestone water in slow-flow area is generally Na-Ca-Cl-HCO3type, while coalbed water is mainly Na-Cl-HCO3or Na-HCO3type; K2limestone water is the same as the coal seam water in detention area, and it is Na-HCO3or Na-Cl-HCO3water type. The study aims to provide a reliable hydrogeological basis for the development of No.15 coalbed methane.

K2limestone water; water producing from the No.15 coal seam gas wells; water patern；water evolution model; southern Qinshui basin

P641.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.011

1001-1986(2020)03-0075-06

2019-01-10；

2019-07-16

國家科技重大專項項目(2017ZX05064)

National Science and Technology Major Project(2017ZX05064)

李忠城，1971年生，男，河北唐山人，博士，高級工程師，從事煤層氣地質與勘探開發工作. E-mail：zcliu0623@sina.com

李忠城，吳建光，王建中，等. 沁水盆地南部15號煤層和頂板K2灰巖水文地球化學演化特征[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：75–80.

LI Zhongcheng，WU Jianguang，WANG Jianzhong，et al. Hydrogeochemical evolution of No.15 coal seam and limestone K2in southern Qinshui basin[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：75–80.

(責任編輯 范章群)