潞安礦區煤層氣井產出水地球化學特征及意義

華明國 ，田 林 ，張 燕 ，李 佳 ，曹永恒

(1.潞安化工集團有限公司，山西 長治 046200；2.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003；3.焦作市非常規天然氣開發工程技術研究中心，河南 焦作 454003)

潞安礦區煤層氣開發始于1997 年，自“十二五”開始進入規模化開發階段，在13 個高瓦斯礦井累計實施地面煤層氣井超過1 000 口，先后試驗了活性水壓裂、氮氣泡沫壓裂、氮氣伴注活性水壓裂及酸化壓裂等多種增產工藝。潞安礦區煤層氣最高產量出現在余吾井田，達到3 400 m3/d，在高河、古城、五陽等井田也有產量超過1 000 m3/d 的井零星出現，但整體上，全區的煤層氣井產量較低，平均300～500 m3/d。主要原因是，潞安礦區地質條件復雜，儲層壓力低、滲透率低、含氣飽和度低，且低壓和低滲相互作用，為煤層氣增產高效開發帶來了嚴峻挑戰。

現代地下水動力條件與煤層氣聚散特征密切相關，一方面是制約煤層氣成藏效應的關鍵要素之一，另一方面影響到煤層氣產出驅動力的高低[1-2]。煤層氣井產出水在不斷徑流過程中與煤層及圍巖發生各種物理、化學和生物作用，產出水的組成和性質蘊藏了豐富的地球化學信息[3]，因此，在大部分盆地中，地下水的離子含量可直接反映離子交換、運移、流過的介質以及地下水排泄過程[4-5]。在含氣系統地下水匯流的地區，煤儲層能量積聚，煤層氣富集，具有形成高壓煤儲層的水文地質條件。因此，研究地下水中離子的變化特征對指導煤層氣勘探、測試和開發具有重要意義[6-7]。

目前，人們對煤層氣井產出水地球化學特征進行了大量研究，集中闡明了礦化度[8]、常規離子[9-10]、微量元素[11-12]和H/O 同位素[13-15]等的成因機理，對煤層氣勘探開發起到了一定推動作用。但是，針對沁水盆地中南段潞安礦區復雜斷層?褶皺帶條件下的煤層氣井產出水地球化學特征研究較少。

潞安礦區煤儲層的低壓特征與煤層埋深和底板高程具有線性相關性，影響煤儲層壓力區域性分布規律的控制性地質因素是辛安泉域地下水流場。鑒于煤層氣水文地質條件分析伴隨煤層氣成藏、運移及產出的全過程，且煤層氣井產出水的地化特征對區域水文地質條件具有重要指示作用，筆者通過分析潞安礦區山西組3 號煤層中地層水的化學特征，擬合并印證潞安開發區中煤層氣的富集區域，為下階段研究區煤層氣開發的宏觀布置及排采提供了理論依據。

1 潞安礦區地質概況

1.1 含煤地層及地質構造

石炭–二疊系是潞安礦區的主要含煤地層，主要由碳酸鹽巖、各類碎屑巖和煤層組成，平均厚度約158.74 m。其中石炭?二疊系太原組103.6 m[16]，二疊系山西組51.15 m。山西組下部的3 號煤層為中高變質程度的貧–瘦煤，厚度約6 m，是該地區目前煤層氣開發的主力煤層。

潞安礦區位于沁水盆地中南部，整體為一單斜構造，走向NE–SN，傾向西，地層傾角5°～10°。礦區面積約3 044 km2，主要包括北部五陽井田，中部的常村井田、余吾井田、古城井田，南部的高河井田和李村井田六大主力生產礦井。北部以西川斷層為界，南部以莊頭斷層為界，東部邊界為太原組15 號煤層露頭，西部邊界為人為劃定的15 號煤1 500 m 埋深線(圖1)。預測全礦區煤層氣資源量3.347×1011m3，是我國大型煤層氣田之一。煤礦開采中大量生產數據顯示，五陽井田、古城井田和高河井田北部瓦斯含量較其他區域偏高，屬于煤層氣開發的甜點區域。

礦區內自南向北依次發育莊頭斷層、看寺斷層、二崗山斷層、西魏斷層、藕澤斷層、安昌斷層、文王山斷層和西川斷層等NEE 走向的正斷層，在區域內對地層水和瓦斯具有明顯的控制性作用。區域內褶皺構造整體屬于次一級構造，走向以近SN 向為主，平行區域單斜走向，并呈背向斜相間平行發育；二崗山以南區域發育一系列走向NNE–NE 的小型褶皺，呈雁行排列，北斂南撒[17]。

1.2 區域水文地質

潞安礦區位于辛安泉域南部長治盆地，屬于海河水系清漳河和濁漳河流域。辛安泉域的主要含水層為下古生界奧陶系中奧陶統，主要由碳酸鹽巖和硫酸鹽巖混合建造。

區內的主要含水層組包括4 類。①中奧陶統含水層組，由石灰巖、泥灰巖等組成，總厚400～600 m，自下而上分為下馬家溝組(厚82～158 m)、上馬家溝組(厚223～308 m)和峰峰組(厚94～199 m)。② 太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組，太原組厚32～124 m，主要含水層由其間3～6 層石灰巖組成，屬巖溶裂隙水。水質類型屬型。③碎屑巖類含水層組，主要包括二疊系和三疊系的陸相碎屑巖，由砂巖、砂質泥巖夾煤層等組成，厚度320～435 m，水質類型屬型。④ 松散巖類含水層組：由第四系松散沉積物組成，厚度變化較大，最大三百余米[16]。

地下水補給主要來自東部寒武–奧陶系裸露區的大氣降水補給，其次來自煤系的垂直補給[18](圖2)。

圖2 潞安礦區區域水文地質Fig.2 Regional hydrological map of Lu’an Mining Area

2 潞安礦區3 號煤儲層水化學特征

2.1 樣品采集與基礎實驗

實驗樣品主要來自礦區內煤層氣井產出水，目標層是二疊系山西組3 號煤層。為全面客觀反映礦區地層水的化學特征，在潞安礦區從北至南采集了五陽井田、余吾井田、常村井田、李村井田和高河井田等5座主體礦井的水樣59 組，從煤層氣井排采水管末端取水樣，并用專用封孔膜密封保存。現場使用溫度計測量水樣溫度，采用SX-620 型測試筆測試水樣pH 值，采用DDB-305 電導率儀測試水樣電導率及礦化度。

在河南理工大學礦山環境保護與生態修復河南省重點實驗室培育基地開展K+、Na+、Ca2+、Mg2+、等多種離子濃度測試。離子濃度測試前利用2XZ-1 型旋片真空泵和規格為直徑50 mm、孔徑為0.45 μm 的混合纖維素微孔濾膜對水樣進行預過濾處理，而后分別采用分光光度法和滴定法測試離子濃度，測試方法及執行標準見表1。

表1 離子濃度測試方法Table 1 Testing method for ion concentration

2.2 實驗結果分析

2.2.1礦化度

礦化度(TDS)和水化學類型密切相關，通常礦化度低的淡水區，為重碳酸鹽或硫酸鹽型水，咸水區則多為氯化物型和硫酸鹽型水[19]。潞安礦區3 號煤層水的補給來源為大氣降水，而地下水的徑流途徑和距離的長短是決定水化學成分及礦化度的主要因素[20]。本次實驗對59 組水樣進行礦化度分析，結果統計見表2。

表2 實驗水樣礦化度分析結果Table 2 Analysis results of salinity of water samples

從測試結果看，潞安整個礦區3 號煤層水的礦化度大小順序為：五陽>余吾>高河>李村>常村。3 個高礦化度區，分別位于在五陽擴區、余吾西南部、高河北部–古城井田；1 個低礦化度區域，位于常村和余吾井田中東部(圖3)。

圖3 潞安礦區3 號煤儲層水礦化度等值線Fig.3 Contour map of water salinity in No.3 coal seam

五陽井田水的礦化度在整個研究區最大，最大值位于天倉向斜，由北向南逐漸降低，在文王山斷層附近降低，說明地下水來自天倉向斜以北，并向南部的文王山斷層流動。余吾井田西部分布第2 個高礦化區，向余吾井田東部和常村井田方向礦化度逐漸降低，說明地下水可能從文王山斷層和常村井田向西流動，在余吾西部形成1 個滯流區域，礦化度低于五陽井田。常村井田內的低礦化度區是潞安礦區中最低的，可能處于中段水文地質單元的徑流區，地下水從東向西流動。位于二崗山斷層以南的高河井田和李村井田，在高河井田東北部形成第3 個高礦化度區，該區域與北部的古城井田連成一片，礦化度低于余吾西部，而在斷層帶附近為高礦化度區，說明二崗山斷層可能為封閉且不導水斷層，與中華–安昌斷層類似。

2.2.2H/O 同位素

同位素水文地球化學分析是研究地下水在時間和空間上演化規律的重要方法。為研究潞安礦區3 號煤層產出水的穩定同位素特征，分別測試了該地區地表水和3 號煤層頂板水樣的H/O 同位素。測試結果見表3。由表中可知，地表水的δD=?63.55‰，δ18O=?8.85‰，3 號煤層產出水的δD為?84.2‰～?71.6‰，δ18O為?12.9‰～?10.9‰，3 號 煤層 頂 板 水 的δD=?81.1‰，δ18O=?10.5‰。

表3 試驗水樣H/O 同位素測試成果Table 3 H/O isotope test results of water samples

大氣降水的H/O 同位素組成具有很強的規律性，全球大氣降水的δD值平均?22‰，δ18O值為?4‰，二者服從δD=8δ18O+10，稱為“全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line，GMWL)”[21]。而潞安礦區大氣降水監測站的統計結果表明，該區域的大氣降水方程為：δD=8.18δ18O+10.5[22]。將本次實驗中各采樣點的數據與全球大氣降水線和辛安泉域降水線作對比，發現本次實驗采集的地表水和地下水的δD和δ18O均落在大氣降水線附近(圖4)，這說明潞安礦區3 號煤層產出水的補給來源是大氣降水。

圖4 研究區H/O 同位素分布曲線Fig.4 The H/O isotope distribution in research area

2.2.3離子濃度

不同巖石(如碳酸巖、蒸發巖、硅酸巖)風化可溶解釋放出不同的陰陽離子。例如碳酸巖、蒸發巖、硅酸巖的風化可溶解稀釋出Ca2+和Mg2+，蒸發巖的溶解和硅酸巖的風化可溶解釋放出Na+和K+，碳酸巖和硅酸巖的風化可溶解稀釋出，而蒸發巖的風化可溶解稀釋出Cl?和采用試劑滴定方法，對采集的59 組樣品進行了主要離子濃度測試分析，結果見表4。

表4 潞安礦區3 號煤層主要離子濃度測試結果Table 4 Test results of main ion concentration of water samples from No.3 coal seam of Lu’an Mining Area

利用Piper 三線圖進行水樣分類和水體總化學性質分析，利用陰陽離子濃度表示水體的相對成分。由圖5 可知，五陽礦區煤層氣井產出水位于Ⅱ區，屬于型水，顯示為深層地下水的水質。余吾井田水質類型與其他水樣的水質明顯不同，地層產出水位于Piper 圖的右上部位，屬于Ⅲ區，也處于Ⅱ區內，為型水。常村、李村、高河礦區位于Ⅱ區和Ⅲ區的分界處，特征離子不明顯，在圖上的位置彼此靠近，水質類型為型水，可能屬于混合水水質(圖5)。

圖5 潞安礦區3 號煤層水化學Piper 圖Fig.5 Hydrochemical Piper map of coal water samples from No.3 coal seam of Lu’an Mining Area

2.3 水化學特征的構造控制作用分析

潞安礦區具有東西分帶、南北分段的構造特征。潞安礦區位于沁水復式向斜東翼寬緩單斜上，向西以地層傾角3°～10°緩傾斜，其上發育一系列走向NE 和近SN 向褶皺，埋深自東向西增加。煤層氣含量一般隨煤層埋深的增加而增加，這也是潞安礦區煤層氣開發有利區東西向分帶的重要基礎。其次，北部文王山和南部二崗山NEE 向斷層系將礦區分為北、中、南3 段。北段為五陽井田，中段為常村、余吾、古城井田，南段為高河、李村井田。在中段南部發育有中華–安昌斷層系。這一區域構造格局奠定了地下水的運移規律，并進一步影響煤層氣的區域賦存規律。

(1) 潞安礦區地表水從東部太行山裸露巖層區向下運移至含煤地層和下部奧陶系含水層，而后在灰巖系中向東出露地表，補給辛安泉域。兩條區域斷層文王山和二崗山斷層控制為地下水運移提供了通道，地下水在巖系上部向西運移時，文王山斷層是良好通道；而后地下水向東出露地表時，二崗山斷層系是主要通道。

(2) 研究區內2 個區域斷層的開放性導水特征導致其附近煤層氣含量降低，遠離斷層帶，煤層氣含量升高；地下水在擠壓性斷層中華–安昌斷層附近、天倉向斜和許村向斜軸部相對滯流，礦化度較高，是煤層氣富集區，也是潞安礦區煤層氣開發的優選區。

3 結論

a.煤層產出水中的δD和δ18O值均落在該區大氣降水線附近，表明該區各含水層均有來自大氣降水的補給，且煤層中的水主要來源于大氣降水；礦區內分布有3 個高礦化度區，分別位于五陽井田、余吾西南部、高河北部–古城井田，平均礦化度2 000～3 200 mg/L；1 個低礦化度區域，位于常村井田和屯留井田中東部，平均礦化度1 500 mg/L 。

b.研究區內文王山斷層和二崗山斷層的展布特征決定了地下水的基本流動規律，在向斜軸部及擠壓斷層附近往往形成滯流區，地下水礦化度增加，煤層氣相對富集，是煤層氣開發的優選區。

c.礦化度和礦區構造特征表明，潞安礦區五陽井田、余吾西南部、高河北部–古城井田為該區煤層氣開發的有利區，潞安礦區煤層氣多年的開發實踐也證明了這一點。