云南老廠雨旺區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)出水化學(xué)特征

翟佳宇，張松航 *，唐書恒

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083； 2. 海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3. 非常規(guī)天然氣地質(zhì)評價與開發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

滇東黔西含煤盆地煤層氣資源十分豐富，資源量達(dá)到1.3078×1012m3[1]，但產(chǎn)能較低，因此查明產(chǎn)能較低原因并高效開發(fā)煤層氣資源可以有效緩解當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)油氣資源嚴(yán)重缺乏、能源結(jié)構(gòu)不合理、制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的局面。煤層氣井產(chǎn)出水是隨著煤層氣的開采排放到地面的水，與煤層氣的開采和產(chǎn)能有著密不可分的關(guān)系。煤層氣井產(chǎn)出水中的化學(xué)組分特征是地下水動力場真實(shí)演變的結(jié)果，對煤層氣井產(chǎn)出水化學(xué)的研究有助于了解煤層氣的保存條件和煤層氣井產(chǎn)出特征、預(yù)測有利含氣區(qū)帶[2-5]和氣井產(chǎn)能[6-7]等。

1 研究區(qū)概況

雨旺區(qū)塊位于老廠礦區(qū)的東南部。如圖1所示，研究區(qū)地處師宗—彌勒大斷裂東南側(cè)，南鄰南盤江古斷裂。總體構(gòu)造較簡單，為一傾向南東(SE)的單斜構(gòu)造，地層傾角6°～15°，北部發(fā)育寬緩褶曲L1向斜和B1背斜；中部構(gòu)造較簡單，以走向NE且規(guī)模較小的逆斷層為主；南部主要發(fā)育落差較小的斷層[11]。如圖 2所示，研究區(qū)主要地層包括新生界第四系(Q)、中生界三疊系(T)、上古生界二疊系(P)、石炭系(C)和泥盆系(D)，出露最古老地層為中元古界昆陽群(Pt2)，缺失震旦系、下古生界及中生界的侏羅系(J)、白堊系(K)等地層，其中上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)和長興組(P2C)為主要含煤地層。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單，排泄條件較好，產(chǎn)出水流向?yàn)槲鞅钡綎|南(圖 1)。研究區(qū)主要含水層包括棲霞、茅口組(P1q+m)裂隙巖溶含水層、峨眉山玄武巖組(P2β)孔隙裂隙極弱含水層、宣威組(P2x)裂隙弱含水層(圖 2)，其中棲霞、茅口組(P1q+m)裂隙巖溶含水層與龍?zhí)督M下段有一定水力聯(lián)系。總體看，區(qū)內(nèi)地下水在老廠背斜露頭區(qū)接受補(bǔ)給，沿單斜構(gòu)造向東南方向地層深部流動，各水文地質(zhì)單元地下水力聯(lián)系不強(qiáng)，水文地質(zhì)條件屬簡單類型。

圖 1 雨旺區(qū)塊位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Location and structural outline map of Yuwang block

圖 2 雨旺區(qū)塊煤系地層柱狀圖Fig.2 The formation coal measure stratigraphy in the Yuwang block

2 采樣與測試

樣品采集共包括6口井，分別為LC-S1、LC-C4、LC-S2、LC-C1、LC-C3和LC-C2，其中LC-S1、LC-S2井和LC-C4井為一叢式井組。從構(gòu)造位置看，LC-C4井組、LC-C2井位于單斜弱構(gòu)造區(qū)，LC-C1為次級向斜軸部井，

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)組分特征

表 1 研究區(qū)煤層氣井排采水常規(guī)離子統(tǒng)計表Table1 Conventional ion statisticsTable for produced water of CBM wells in the study area

圖 3 研究區(qū)水樣Piper三線圖Fig.3 Piper trigram of water sample in the study area

在圖 3中，6組數(shù)據(jù)均落于2區(qū)，堿金屬Na++K+遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過堿土金屬Ca2++Mg2+；LC-S1、LC-C4、LC-S2和LC-C3四口井位于3區(qū)，弱酸超過強(qiáng)酸；LC-C1和LC-C2兩口井位于4區(qū)，強(qiáng)酸超過弱酸；在菱形中，LC-S1、LC-C4、LC-S2和LC-C3四口井位于8區(qū)，其非碳酸堿金屬超過50%；LC-C1和LC-C2兩口井位于7區(qū)，碳酸堿金屬超過50%。堿金屬元素Na++K+超過堿土金屬元素Ca2++Mg2+越多，其水質(zhì)越軟且更有利于煤層氣的開采[4]。通過表 2和圖 2能夠看出，6口井的堿金屬元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過堿土金屬元素，因此均有利于煤層氣的開采。

3.2 離子變化作用及來源

產(chǎn)出水離子成分以及TDS的變化受溶濾、脫碳酸、脫硫酸、陽離子交換吸附以及混合等多種作用影響，可以反映煤層氣井周圍煤層水的補(bǔ)給、流動、沖洗和產(chǎn)出過程[9]。為追溯煤層氣井產(chǎn)出水的離子變化及來源可以用Pearson相關(guān)系數(shù)反映離子間的相關(guān)關(guān)系。Pearson相關(guān)系數(shù)可衡量兩個數(shù)據(jù)是否在一條直線上。通過計算得到各離子以及TDS之間的Pearson相關(guān)系數(shù)(表 2)。相關(guān)系數(shù)絕對值越接近1，相關(guān)性越強(qiáng)，同時結(jié)合不同離子之間質(zhì)量濃度的比值可以判斷各離子之間的相似相異性、來源的統(tǒng)一與差異性[6]。此外，可通過主要離子濃度的毫克當(dāng)量比值可以判斷離子的來源。

表 2 Pearson相關(guān)性Table2 Pearson correlation Numbers

3.2.1 溶濾作用

3.2.2 脫碳酸作用

3.2.3 脫硫酸作用

脫硫酸作用是指在還原環(huán)境中，當(dāng)有機(jī)質(zhì)存在時，脫硫酸菌促使硫酸根還原為硫化氫的過程。主要反應(yīng)式[20]為

(1)

圖 4 研究區(qū)常規(guī)離子以及TDS質(zhì)量濃度等值線圖Fig.4 Conventional ion and TDS mass concentration contour map in the study area

圖 5 研究區(qū)主要離子比值圖Fig.5 Main ion ratio map in study area

(2)

3.2.4 陽離子交替吸附作用

圖 6 陽離子交替吸附作用強(qiáng)度判別圖Fig.6 Cationic alternating adsorption strength discrimination diagram

綜上所述，研究區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水在流動過程中存在溶濾作用、脫硫酸作用和陽離子交替吸附作用，其中溶濾作用在研究區(qū)內(nèi)普遍存在，脫硫酸作用和陽離子交替吸附作用在各個位置的作用強(qiáng)度不同，前者強(qiáng)度較大，后者強(qiáng)度較小，脫碳酸作用較弱。

3.3 產(chǎn)出水化學(xué)特征與產(chǎn)能的關(guān)系

煤層氣井產(chǎn)出水來源一般有淺層地表水、煤層水和壓裂液3種類型。當(dāng)產(chǎn)出水為煤層水時，煤層氣井產(chǎn)能較高；當(dāng)產(chǎn)出水為淺層水或壓裂液時，產(chǎn)能較低。煤層氣低產(chǎn)井產(chǎn)出淺層水或壓裂液，高產(chǎn)井排采煤層水的觀點(diǎn)已基本得到普遍認(rèn)同[24-29]。先前的研究指出，高產(chǎn)井排采水TDS一般為500～3000mg/L[30]，Na++Cl-離子濃度介于833～1768mg/L[24]，煤層氣井排采煤層水，水型主要為Na-HCO3型；低產(chǎn)井排采水TDS一般為3000～6000mg/L，此時煤層氣井排采淺層水或壓裂液，水型主要為Na-Cl型或Na-HCO3-Cl型[20]。

研究區(qū)6口井日產(chǎn)氣量均低于1000m3/d，除LC-C3井外，產(chǎn)出水中TDS、Na++Cl-含量較大，均高于煤層水，符合壓裂水的特征，產(chǎn)出水的水型也與壓裂水相似；K+和Cl-可作為表征壓裂液反排率高低的離子，其值越低，壓裂液反排率越高[31]，由于研究區(qū)存在陽離子交替吸附作用較強(qiáng)，K+離子存在一定消耗，測試值低于原始值，說明壓裂液反排率不高，仍然有大量壓裂液存在于煤層中。

煤層氣的開采需要降低儲層壓力，使吸附氣解吸為游離氣從而產(chǎn)出[32]，排水降壓采氣是煤層氣井開采的主要方式[33]。煤層氣井開始產(chǎn)氣時，氣水相滲此消彼長，水相滲透率迅速降低，產(chǎn)水量迅速下降[34]，導(dǎo)致煤層氣后續(xù)解吸困難，產(chǎn)氣量下降。煤層氣井產(chǎn)水對產(chǎn)氣的影響有一定的規(guī)律性，產(chǎn)水量過大或過小會都對煤儲層物性產(chǎn)生不利影響[35]且不利于氣井產(chǎn)能施放[11]，產(chǎn)水量的大小影響著平均地層壓力的變化[36]，當(dāng)產(chǎn)水量過低時不利于煤儲層降壓，當(dāng)產(chǎn)水量過高時會快速達(dá)到最大日產(chǎn)氣量，但不利于后續(xù)產(chǎn)能的釋放。LC-C3井由于接受斷層所溝通的砂巖含水層補(bǔ)給，日產(chǎn)水量最大，但煤層本身產(chǎn)水較低，其他井日產(chǎn)水量較低，均不利于煤層氣解吸。

綜合分析認(rèn)為，雨旺區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)能較低原因主要是煤層封閉性較好(脫硫系數(shù)較低)，導(dǎo)致壓裂液反排率較低，造成煤層水污染，產(chǎn)出水主要為壓裂液，煤層本身產(chǎn)水較少，影響煤層氣排水-降壓過程，壓降漏斗擴(kuò)展范圍較小，降壓效果較差，煤層氣解吸量較少，產(chǎn)能較低。

4 結(jié)論

(3)綜合煤層氣井產(chǎn)出水化學(xué)成分與研究區(qū)產(chǎn)能特征，分析認(rèn)為雨旺區(qū)塊產(chǎn)能較低原因?yàn)椋好簩託饩a(chǎn)出水主要產(chǎn)出壓裂液，煤層水產(chǎn)出較少，且煤層本身產(chǎn)水較少，影響煤層氣排水-降壓過程，壓降漏斗擴(kuò)展范圍較小，降壓效果較差，煤層氣解吸量較少，產(chǎn)能較低。