云南老廠雨旺區塊煤層氣井產出水化學特征

翟佳宇，張松航 *，唐書恒

(1. 中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083； 2. 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083； 3. 非常規天然氣地質評價與開發工程北京市重點實驗室，北京 100083)

滇東黔西含煤盆地煤層氣資源十分豐富，資源量達到1.3078×1012m3[1]，但產能較低，因此查明產能較低原因并高效開發煤層氣資源可以有效緩解當地常規油氣資源嚴重缺乏、能源結構不合理、制約當地經濟發展的局面。煤層氣井產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能有著密不可分的關系。煤層氣井產出水中的化學組分特征是地下水動力場真實演變的結果，對煤層氣井產出水化學的研究有助于了解煤層氣的保存條件和煤層氣井產出特征、預測有利含氣區帶[2-5]和氣井產能[6-7]等。

1 研究區概況

雨旺區塊位于老廠礦區的東南部。如圖1所示，研究區地處師宗—彌勒大斷裂東南側，南鄰南盤江古斷裂。總體構造較簡單，為一傾向南東(SE)的單斜構造，地層傾角6°～15°，北部發育寬緩褶曲L1向斜和B1背斜；中部構造較簡單，以走向NE且規模較小的逆斷層為主；南部主要發育落差較小的斷層[11]。如圖 2所示，研究區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，其中上二疊統龍潭組(P2l)和長興組(P2C)為主要含煤地層。區內水文地質條件較簡單，排泄條件較好，產出水流向為西北到東南(圖 1)。研究區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潭組下段有一定水力聯系。總體看，區內地下水在老廠背斜露頭區接受補給，沿單斜構造向東南方向地層深部流動，各水文地質單元地下水力聯系不強，水文地質條件屬簡單類型。

圖 1 雨旺區塊位置及構造綱要圖Fig.1 Location and structural outline map of Yuwang block

圖 2 雨旺區塊煤系地層柱狀圖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。從構造位置看，LC-C4井組、LC-C2井位于單斜弱構造區，LC-C1為次級向斜軸部井，

3 結果與分析

3.1 水化學組分特征

表 1 研究區煤層氣井排采水常規離子統計表Table1 Conventional ion statisticsTable for produced water of CBM wells in the study area

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

在圖 3中，6組數據均落于2區，堿金屬Na++K+遠遠超過堿土金屬Ca2++Mg2+；LC-S1、LC-C4、LC-S2和LC-C3四口井位于3區，弱酸超過強酸；LC-C1和LC-C2兩口井位于4區，強酸超過弱酸；在菱形中，LC-S1、LC-C4、LC-S2和LC-C3四口井位于8區，其非碳酸堿金屬超過50%；LC-C1和LC-C2兩口井位于7區，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遠超過堿土金屬元素，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給、流動、沖洗和產出過程[9]。為追溯煤層氣井產出水的離子變化及來源可以用Pearson相關系數反映離子間的相關關系。Pearson相關系數可衡量兩個數據是否在一條直線上。通過計算得到各離子以及TDS之間的Pearson相關系數(表 2)。相關系數絕對值越接近1，相關性越強，同時結合不同離子之間質量濃度的比值可以判斷各離子之間的相似相異性、來源的統一與差異性[6]。此外，可通過主要離子濃度的毫克當量比值可以判斷離子的來源。

表 2 Pearson相關性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境中，當有機質存在時，脫硫酸菌促使硫酸根還原為硫化氫的過程。主要反應式[20]為

(1)

圖 4 研究區常規離子以及TDS質量濃度等值線圖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度判別圖Fig.6 Cationic alternating adsorption strength discrimination diagram

綜上所述，研究區煤層氣井產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內普遍存在，脫硫酸作用和陽離子交替吸附作用在各個位置的作用強度不同，前者強度較大，后者強度較小，脫碳酸作用較弱。

3.3 產出水化學特征與產能的關系

煤層氣井產出水來源一般有淺層地表水、煤層水和壓裂液3種類型。當產出水為煤層水時，煤層氣井產能較高；當產出水為淺層水或壓裂液時，產能較低。煤層氣低產井產出淺層水或壓裂液，高產井排采煤層水的觀點已基本得到普遍認同[24-29]。先前的研究指出，高產井排采水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6口井日產氣量均低于1000m3/d，除LC-C3井外，產出水中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]，由于研究區存在陽離子交替吸附作用較強，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]。煤層氣井開始產氣時，氣水相滲此消彼長，水相滲透率迅速降低，產水量迅速下降[34]，導致煤層氣后續解吸困難，產氣量下降。煤層氣井產水對產氣的影響有一定的規律性，產水量過大或過小會都對煤儲層物性產生不利影響[35]且不利于氣井產能施放[11]，產水量的大小影響著平均地層壓力的變化[36]，當產水量過低時不利于煤儲層降壓，當產水量過高時會快速達到最大日產氣量，但不利于后續產能的釋放。LC-C3井由于接受斷層所溝通的砂巖含水層補給，日產水量最大，但煤層本身產水較低，其他井日產水量較低，均不利于煤層氣解吸。

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

4 結論

(3)綜合煤層氣井產出水化學成分與研究區產能特征，分析認為雨旺區塊產能較低原因為：煤層氣井產出水主要產出壓裂液，煤層水產出較少，且煤層本身產水較少，影響煤層氣排水-降壓過程，壓降漏斗擴展范圍較小，降壓效果較差，煤層氣解吸量較少，產能較低。