煤層氣井產水、產氣動態變化特征研究

劉賀等

摘? 要：為使我國煤層氣資源合理有效開釆獲得理論指導和依據，文章通過對沁水盆地南部多口煤層氣井產出水進行連續長期的水化學場監測，總結了煤層氣井產出水的水化學特征及水化學場動態演化規律。由煤層氣井產出水化學場的動態變化，可將煤層水的排采過程分為3個階段：階段Ⅰ為排污階段;階段Ⅱ為過渡階段;階段Ⅲ為穩定階段。初期的排污階段產出水礦化度以及各離子濃度較高，除碳酸氫根離子之外，其余各離子均隨礦化度的增大而增大。通過繪制3#與15#煤不同產水階段Stiff圖，各產水階段有不同的特點，產水產氣階段也存在一定的相關關系，3#煤層的產水過程的排污階段和過渡階段相當于排水降壓階段，穩定階段相當于穩產階段和衰減階段。

關鍵詞：煤層氣井;產出水;水化學場;動態演化

中圖分類號：P641.461? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2018）04-0060-07

0 前言

國外學者在煤儲層水文地球化學方面的研究較多，涉及多個大型煤層氣開發盆地。Rice（2008）通過對粉河盆地煤層氣井產出水進行了離子檢測，認為產出水為Na-HCO3型。而Pashin（2007）認為美國黑勇士盆地煤層水為Na-Cl型，具有中等至較高的TDS（總溶解固體）含量。Katrina Cheung（2009）對西加拿大Alberta地區的煤層產出水和淺層地下水進行了對比，認為煤層產出水為Na-Cl型，產出水微量元素含量相當于淺層地下水的300倍。Cemile Erarslan（2014）對土耳其的Ke?an煤田進行了水樣分析，發現pH值介于6.55 和8.36之間。Kinnon（2010）對澳大利亞Bowen盆地進行煤層產出水進行了穩定同位素分析，較淺埋深和較高產量水中多呈正的δD和δ18O，而較低的水產量和較高的氣產量的地區多呈負的δD和δ18O。

與國外相比，國內一些學者在研究煤礦區地層水化學特征方面做了大量研究。單耀（2007）對大屯礦區礦井水水質進行了研究，指出該礦井水屬高礦化度水。高波（2014）研究了賈汪礦區煤礦關閉后地下水化學特征，認為水化學類型主要為HCO3·SO4-K·Na型，TDS含量較高。孫紅福（2014）指出重慶西部干旱區91%的礦井水水化學類型為Cl-Na型。王志超（2009）對晉城地區煤層氣井采出水進行了檢測，陽離子以K+和Na+為主，陰離子以HCO3-和Cl-為主，呈弱堿性，pH值為6.5～8.5。張曉敏（2012）指出沁水盆地柿莊南區塊煤層產出水具有高礦化度和高鹽度的特征。

煤層氣的產出要經過排水→降壓→解吸→擴散→滲流→產出的過程，目前煤層氣的生產主要是排解水、降儲壓，故與排采相關的水文地質因素是很重要的，比如含水層之間的導通情況，以及斷裂褶皺的發育情況，還有就是排采制度的影響等等。對基于區域水文地質條件的煤層氣井動態變化特征的研究可以幫助我們掌握煤層氣的開發與勘探，目前關于水文地質條件的研究和基于水文地質條件的煤層氣井的排采特征研究非常有限，而且大多處于定性認識狀態，當應用于實際開發過程中時，往往不能很好的指導生產，與我們理論的研究差距較大。因此，加強煤層氣井產水、產氣動態特征的研究，從排采特征中找到一定的規律，對其加以總結概括上升為理論，能夠為我國煤層氣資源合理有效開釆提供理論指導和依據。

1 區域水文地質概況

沁水盆地總體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。通常所說的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6200km2。沁水盆地南部全區可采煤層主要有分布在石炭系的太原組15#煤層和二疊系山西組3#煤層。研究區存在5個含水層，其中山西組砂巖裂隙含水層和太原組灰巖、砂巖巖溶裂隙承壓水含水層對煤層氣開采有直接影響，兩個含水層有共同的特征，都存在分水嶺，分水嶺南北有兩個不同流動類型的流場，南部為匯流型，北部為單向流型。兩個水流系統相互獨立，無水力聯系。南部煤系地層水位范圍從800m到550m。該區的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（圖1）。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#煤層的上覆砂巖裂隙含水層、太原組15#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（圖2）。

2 水樣采集與測試

以沁水盆地南部主產氣的山西組3#和太原組15#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長期連續的水樣采集，并進行實驗室樣品水質分析，測試項目主要有pH值、主要離子濃度、總礦化度（TDS，總溶解固體）等。其中測試離子包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-等。其中由于鉀離子和鈉離子的來源和性質相近，且鉀離子含量遠低于鈉離子，所以一般情況下將鉀離子歸到鈉離子中，不另外區分。具體化驗結果見表1。

3 產水階段劃分

通過分析沁水盆地南部3#和15#煤層氣井產出水成分資料，結合水文地質學的分析方法原理，根據各離子濃度隨排采時間的變化關系，把煤層水的排采過程分為3個階段：階段Ⅰ為排污階段;階段Ⅱ為過渡階段;階段Ⅲ為穩定階段（圖3、圖4）。

3.1 煤層產水階段Ⅰ特點

通過繪制3#與15#煤不同產水階段Stiff圖，我們得出以下結論：

（1）3#煤水質類型以Na-Cl型為主，15#煤水質類型以Na-Mg-Cl型為主，礦化度值前期均較高，最高的是鈉離子、氯離子濃度，與其他離子相比明顯偏高，Stiff圖呈漏斗狀（圖5（1）、圖6（1））的污染特征。鈉離子的增加是由于陽離子的吸附交換作用。氯離子的增加是由于排采初期大量壓裂液進入導致。

（2）產水量范圍在8.1～61.5m3/d，平均為15.95 m3/d。

（3）持續時間一般需要1～3個月。此階段15#煤層比3#煤層持續時間短。

3.2 煤層產水階段Ⅱ特點

（1）3#與15#煤層水質類型都以Na-Cl-HCO3型為主。相比與第Ⅰ階段，礦化度、鈉離子降低了，但是碳酸氫根離子增加了，氯離子仍然高于碳酸氫根離子， Stiff圖呈三角形或倒旗子狀（圖5（2）、圖5（3）、圖6（2）、圖6（3）），說明還有污染存在。

（2）產水范圍在3.3～54.3 m3/d，平均為13.88m3/d。

（3）相對于階段Ⅰ，該階段持續時間較長，一般需要5個月左右。最明顯的此階段15#煤層比3#煤層持續時間短。

3.3 煤層產水階段Ⅲ特點

（1）氯離子低于碳酸氫根離子，其他離子濃度變化較小。3#與15#煤水質類型均以Na-HCO3-Cl或Na-HCO3為主。Stiff圖呈現圖5（4）、圖6（4）形狀。

（2）產水量范圍在1.1～50.2 m3/d，平均為10.98m3/d。

4 煤層氣井產出水地球化學成分動態變化

4.1 3號和15號煤層產出水礦化度與各離子的關系

地下水是不斷循環并且化學成分在不斷改變的過程。礦化度（TDS）是常規離子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、Cl-、HCO3-等離子）在水中長期積累的綜合反映。礦化度和各離子的成分是同時發生變化的。因此根據離子與礦化度的關系可以確定主要離子以及判斷地下水離子來源。

（1）氯離子

氯離子是水中最穩定的離子，它不參與碳、氮和硫循環，不參加任何簡單的氧化還原反應，不易產生沉淀，不易被粘土吸附，也不被植物及細菌攝取。3號、15號煤層產水氯離子均隨礦化度的增加而增加，受環境和周圍含水層的影響較?。▓D7（1））。故氯離子與礦化度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。

（2）碳酸氫根離子

由圖7（2）可以看出，3號和15號煤層產出水碳酸氫根離子與礦化度均為負相關。主要是由于3號和15號煤層產出水主要來自煤層水，煤層水中的碳酸氫根離子主要來自于脫硫酸作用，脫硫酸作用是在脫硫酸菌和還原環境下發生的，礦化度增加有助于形成還原環境，卻不利于脫硫酸菌的生存。

（3）硫酸根離子

地下水的硫酸根離子主要來自硫酸鹽沉積巖。難溶于水的硫化物要想進入水中，通過下式反應：

FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42-

由圖7（3）可知，3號煤和15號煤層硫酸根離子濃度與礦化度相關性均較差，15號煤層硫酸根離子濃度大部分集中在礦化度1000～1500mg/L時，而3號煤層硫酸根離子濃度大部分集中在礦化度1500～2500mg/L時，相關性較差說明該階段地下水處于還原環境，硫化物已不發生氧化反應。硫酸根是氧化還原的標志，若煤層水中大量存在，說明封閉條件不好。

（4）鈉、鉀離子

由于鉀離子和鈉離子的來源和性質相近，并且鉀離子含量遠低于鈉離子，所以一般情況下將鉀離子歸到鈉離子中，不另外區分。鈉離子是兩煤層產出水的主要陽離子，由圖7（4）可知，兩煤層的鈉、鉀離子均與礦化度呈較好的正相關性，鈉、鉀離子的含量與礦化度成正比。

（5）鈣、鎂離子

同鈉、鉀離子一樣，鈣、鎂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。兩煤層產出水中鈣、鎂離子與礦化度呈現的關系如圖7（5）、圖7（6）。3號煤層的鈣、鎂離子與礦化度正相關性較好，而15號煤層相關性較差。3號煤層產出水中鈣、鎂離子濃度隨著礦化度的增加而增加，可能是由于高礦化度中氯離子濃度不斷增加，而氯化鈣、鎂的溶解度比較大，導致鈣、鎂離子濃度增加。而15號煤層這方面有待進一步探討。

4.2 3號和15號煤層產出水離子分布形態特征

為了整體分析3號與15號煤層產出水的主要離子分布特征，還可以用對數為縱坐標，每升毫克當量百分數為單位，繪制schoeller圖，選取柿莊區塊3號煤層氣ZY-168井和15號煤層氣TS-002井，由圖8可知兩煤層產出水各離子整體分布形態相似均呈“W”狀，陽離子以鈉鉀離子為主，鈣與鎂離子相對較少;最主要的陰離子是碳酸氫根離子和氯離子。兩煤層產出水各種離子濃度分布還是有一定的差別：3號煤層產出水氯離子、鈉鉀離子濃度變化范圍以及平均濃度高于15號煤層;而兩煤層產出水鈣離子、鎂離子的平均濃度差別不大，箱體形狀也比較接近;兩煤層產出水的碳酸氫根離子差別較大，總體上15號煤的明顯高于3號煤層。

5產水階段與產氣階段關系

5.1 3號煤層產水、產氣兩階段的相互關系

煤層氣井排采生產過程可分為3個階段：排水降壓階段、穩產階段和衰減階段，其中排水降壓期又分為產氣前期、產氣后的第一個高峰期和產氣回落期。一般情況下，3#煤層的產水過程的排污階段和過渡階段相當于排水降壓階段，穩定階段相當于穩產階段和衰減階段。排污階段一般相當于排水降壓階段的產氣前期（純產水階段）和產氣后的第一個高峰期以及產氣回落期前期;過渡階段則主要相當于產氣回落期后期和第二個高峰期以及穩產期前期。下面以柿莊南區塊TS-409D井具體實例進行說明。該井從排采初期定期取水樣進行分析測試，產水、產氣階段劃分以及兩者對應關系如圖9所示。該井排污階段持續了近100天，反映進入煤層的壓裂液相對較多，純排水期僅為20天，而后開始產氣，排采至80天時日產氣量達到高峰期，高峰持續時間近一周，便進入回落期，回落期的中后期與排水過渡階段的中前期相重疊，隨著原始煤層水的增加，壓降漏斗逐漸增加，煤層氣解析范圍逐漸增大，產氣量逐漸增加，過渡階段后期該井進入穩產期，穩產期階段產出水各離子濃度基本穩定，說明此時排出的水主要是以原始煤層水為主。

5.2 15號煤層產水、產氣兩階段的相互關系

由于15#煤層產水階段Ⅰ和階段Ⅱ持續時間較短，沒有在煤層中形成有效的壓力漏斗，煤層氣無法解析產出，致使產水、產氣階段的相互關系不同于3#煤層，排水階段Ⅰ和階段Ⅱ基本對應于產氣階段的前期及純產水期，產氣的其他階段處于產水的穩定階段。

6 結論

（1）結合水文地質學的分析方法原理，把煤層氣井水的排采過程分為3個階段：階段Ⅰ為排污階段;階段Ⅱ為過渡階段;階段Ⅲ為穩定階段。

（2）除碳酸氫根離子之外，其余各離子均隨礦化度的增大而增大。初期的排污階段產出水礦化度以及各離子濃度較高，水型相對復雜的原因可歸因于前期施工中注入煤層中的鉆井液、壓裂液等。隨著排采繼續進行，產出水逐漸恢復到原始煤層水的化學場狀態。

（3）礦化度是常規離子在水中長期積累的綜合反映。礦化度和各離子的成分是同時發生變化的。根據離子與礦化度的關系可以確定主要離子以及判斷地下水離子來源。3號煤層產出水氯離子、鈉鉀離子濃度變化范圍以及平均濃度高于15號煤層;而兩煤層產出水鈣離子、鎂離子的平均濃度差別不大;兩煤層產出水的碳酸氫根離子差別較大，總體上15號煤的明顯高于3號煤層。

（4）3號煤層的產水過程的排污階段和過渡階段相當于排水降壓階段，穩定階段相當于穩產階段和衰減階段。排污階段一般相當于排水降壓階段的產氣前期（純產水階段）和產氣后的第一個高峰期以及產氣回落期前期;過渡階段則主要相當于產氣回落期后期和第二個高峰期以及穩產期前期。

參考文獻

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