大河邊向斜中深部煤層氣排采井地球化學(xué)特征研究

王少雷 趙福平 鄭鵬宇

摘? 要：本研究以大河邊向斜中深部煤層氣為研究對(duì)象，深入剖析該區(qū)塊資源潛力，探索合層排采精細(xì)化管理方法。運(yùn)用煤層氣地球化學(xué)分析方法對(duì)排采全過(guò)程進(jìn)行跟蹤分析，包括氣體組成、氣體中CH4碳?xì)渫凰亍⑺|(zhì)全分析及水中氫氧同位素等。通過(guò)跟蹤分析，為探明演化成因、地下水補(bǔ)給、隱伏斷層、通道結(jié)垢消除以及壓裂液礦化度等問(wèn)題提供清晰認(rèn)識(shí)和改進(jìn)思路，最終論證該跟蹤分析方法是煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段，有望進(jìn)一步完善并規(guī)范化后廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤層氣排采；地球化學(xué)分析方法；高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)

1.項(xiàng)目概況

根據(jù)貴州省地勘資金項(xiàng)目安排，于2021年在貴州省六盤(pán)水市鐘山區(qū)大河鎮(zhèn)大河邊向斜空白區(qū)塊部署了涉及3口參數(shù)井的一組叢式井井組。該項(xiàng)目旨在系統(tǒng)探究該區(qū)塊內(nèi)煤層氣資源賦存規(guī)律及資源量，并深入開(kāi)展多產(chǎn)層高效合層排采管控技術(shù)研究及工程實(shí)踐等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。本研究區(qū)煤層段埋深800至950m之間，主力層段為11#煤，上部包括1#、7#煤層，或者下部煤層包括12#、13#、14#、17#煤層。大叢1井組3口井采用光套管活性水壓裂工藝開(kāi)展10個(gè)層段的壓裂施工，選用石英砂和陶粒作為裂縫支撐劑，活性水壓裂液施工排量7至10m3/min，累積注入壓裂液量9602m3，支撐劑量420m3。

為做好精細(xì)化排采管控，將大叢1井組排采過(guò)程劃分為8個(gè)階段，即試抽階段Ⅰ、控（流）壓排液階段Ⅱ、緩慢降（流）壓階段Ⅲ、控（套）壓產(chǎn)氣階段Ⅳ、降（流）壓提產(chǎn)階段Ⅴ、控（流）壓穩(wěn)產(chǎn)階段Ⅵ、產(chǎn)氣衰減階段Ⅶ和暴露（產(chǎn)層）提產(chǎn)階段Ⅷ。利用煤層氣地球化學(xué)分析方法對(duì)排采全過(guò)程進(jìn)行跟蹤分析，定期采集和化驗(yàn)分析煤層氣井產(chǎn)出的氣、水樣品，開(kāi)展氣體組成（烴類(lèi)及組成、非烴類(lèi)氣體）、氣體中CH4碳?xì)渫凰亍⑺|(zhì)全分析（常量陽(yáng)離子、陰離子、總硬度、總礦化度、總堿度、微量陽(yáng)離子等）及水中氫氧同位素等分析。

2.采樣與測(cè)試

2.1水樣采集

本研究對(duì)大河邊向斜區(qū)域大氣降水、配壓裂液用水、壓裂液、井下煤層頂板淋水、中央水倉(cāng)水、放溢流水及煤層氣井排采水進(jìn)行采樣測(cè)試。

（1）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試采樣

采集壓裂前煤層水、壓裂過(guò)程中壓裂液和壓裂液注入完成后、正常排采階段及放溢流過(guò)程中排采水每種6瓶（每口參數(shù)井各取兩瓶），測(cè)定常規(guī)離子、微量元素、溶解無(wú)機(jī)碳穩(wěn)定同位素及水中氫氧同位素；壓裂液注入完成后需考慮陽(yáng)離子交替吸附作用在返排初期交換作用強(qiáng)烈，分別在返排初期的第1、2、3、4、5、14天進(jìn)行各參數(shù)口井取樣，進(jìn)行常規(guī)離子測(cè)試，壓裂液返排正常排采階段，采樣測(cè)試為排采前期一個(gè)月進(jìn)行1次，后期兩個(gè)月到三個(gè)月1次。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)測(cè)試采樣

現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)測(cè)試頻率為一天兩次，本研究現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選用C-600便攜式多功能水質(zhì)檢測(cè)儀、WGZ-1S濁度儀、PXS-CL氯離子計(jì)，進(jìn)行水質(zhì)pH、EC、TDS、鹽度、ORP指標(biāo)、S.G、濁度、Cl-測(cè)試。室內(nèi)測(cè)試選用戴安ICS-90型檢測(cè)陰離子，美國(guó)Vista MPX電感耦合等離子體－發(fā)射光譜儀檢測(cè)陽(yáng)離子，NexION300電感耦合等離子體質(zhì)譜儀素檢測(cè)微量元，MAT253同位素質(zhì)譜儀檢測(cè)氫氧同位素儀器以及MAT253穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀檢測(cè)溶解無(wú)機(jī)碳。

2.2氣樣采集

本研究在放溢流時(shí)涌出氣、排采初期游離氣以及煤層氣井產(chǎn)氣三階段進(jìn)行參數(shù)井采氣，各參數(shù)井分別采集3袋氣體，使用Agilen 7890B氣相色譜儀、Thermo Scientific MAT 253氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀——?dú)庀嗌V及DI-MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀分別進(jìn)行氣體組分、甲烷碳?xì)渫凰匾约皻怏w二氧化碳同位素測(cè)定。

3 .樣品采集及分析成果

（1）pH值

pH值是一種標(biāo)志溶液酸堿度的單位，中性溶液pH值為7，大于7為偏堿性，小于7為偏酸性。大叢1井組合層排采過(guò)程中，各井產(chǎn)出水pH值變化如圖3所示。各井產(chǎn)出液pH值主要介于6.5—8.2之間。從各井情況對(duì)比來(lái)看，大叢1-3井煤儲(chǔ)層壓裂過(guò)程中施工壓力持續(xù)較低或存在施工壓力突降，判斷壓裂過(guò)程中與斷裂構(gòu)造帶溝通，因此在排采過(guò)程中有較強(qiáng)的偏堿性的滯留地下水補(bǔ)給，導(dǎo)致大叢1-3井產(chǎn)出液pH值明顯偏高；隨著排采進(jìn)行，一方面滯留地下水不斷被排出，使地表水間接補(bǔ)給作用增強(qiáng)，另一方面煤儲(chǔ)層中CO2氣體解吸溶于產(chǎn)出液，導(dǎo)致產(chǎn)出液pH值快速下降。

（2）ORP值

ORP指氧化還原電位，用來(lái)反映水溶液中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的宏觀氧化還原性。氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)，氧化還原電位越低，還原性越強(qiáng)。電位為正表示溶液顯示出一定的氧化性，為負(fù)則表示溶液顯示出一定的還原性。大叢1井組合層排采過(guò)程中，各井產(chǎn)出水ORP值變化如圖4所示。

從各井情況來(lái)看，大叢1-1井壓裂施工未明顯溝通導(dǎo)水?dāng)鄬樱a(chǎn)出水ORP值相對(duì)較高；相比之下，大叢1-2井（影響較弱）、大叢1-3井（影響較強(qiáng)）均不同程度地受到臨近斷裂構(gòu)造帶導(dǎo)水的影響，產(chǎn)出水ORP值降低，隨著排采進(jìn)行，斷裂帶附近滯留地下水不斷被排出，使具氧化性的（高ORP值）地表水間接補(bǔ)給作用增強(qiáng)，導(dǎo)致大叢1-3井產(chǎn)出液ORP值快速升高，且明顯高于大叢1-2井、大叢1-3井。

（3）TDS值

TDS是常規(guī)離子在水中長(zhǎng)期積累的綜合反應(yīng)，排采井經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的排采，其產(chǎn)出水礦化度基本能代表原始地下水信息。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。大叢1井組合層排采過(guò)程中，各井產(chǎn)出水TDS值變化如圖5所示。從各井情況來(lái)看，大叢1-1井并未明顯受到導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊懀虼伺挪汕捌诋a(chǎn)出水以壓裂液為主，導(dǎo)致產(chǎn)出水中TDS值較高；相比之下，大叢1-2井、大叢1-3井受到導(dǎo)水?dāng)鄬硬煌潭鹊挠绊懠暗蚑DS地層水的混入，因此產(chǎn)出水TDS值相對(duì)較低。

（4）鹽度值

鹽度表示每千克水中所含的溶解的鹽類(lèi)物質(zhì)的量（單位mg/L或ppm）。鹽度越高，表示水中所溶解的鹽類(lèi)物質(zhì)越多。大叢1井組合層排采過(guò)程中，各井產(chǎn)出液鹽度變化如圖6所示。各井產(chǎn)出液鹽度與TDS值及其變化趨勢(shì)一致。分析認(rèn)為，各井產(chǎn)出液中所溶解的物質(zhì)以鹽類(lèi)為主，包括壓裂過(guò)程中加入的KCl、陽(yáng)離子交換作用置換出的NaCl、地層水中的NaHCO3等，且在排采初期產(chǎn)出水以KCl為主，排采一段時(shí)間后以NaCl為主，隨著煤層氣解吸及地層水補(bǔ)給增強(qiáng)，NaHCO3比例逐漸升高。從各井對(duì)比情況來(lái)看，大叢1-1井基本無(wú)地層水補(bǔ)給，以壓裂液為主要成分的排采產(chǎn)出液鹽度值較高；大叢1-3井受地層水補(bǔ)給強(qiáng)烈，因此產(chǎn)出液稀釋后鹽度值較低。

3.2水中常量離子濃度差異

（1）Ca2+

各井產(chǎn)出液中Ca2+濃度主要介于150.7至641.7 mg/L之間，且排采過(guò)程中各井Ca2+濃度均整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。從各井對(duì)比情況來(lái)看：大叢1井組各井產(chǎn)出液Ca2+濃度差別較大，大叢1-1井濃度最高，且2023年5月12日后Ca2+濃度突然下降，當(dāng)前產(chǎn)出液Ca2+濃度與大叢1-2井、大叢1-3井相當(dāng)，如圖7所示。分析認(rèn)為：產(chǎn)出液中Ca2+濃度與壓裂施工壓力存在一定關(guān)系，當(dāng)壓裂施工壓力高時(shí)，壓裂液與煤層中無(wú)機(jī)礦物在高壓條件下發(fā)生的陽(yáng)離子交替吸附作用更強(qiáng)，陽(yáng)離子交換程度高，導(dǎo)致K+與Na+、Ca2+、Mg2+發(fā)生的離子交換作用更徹底，因此大叢1-1井產(chǎn)出液中Ca2+濃度明顯升高；此外，大叢1-1井產(chǎn)出液中Ca2+濃度高還可能與地層水補(bǔ)給弱，未發(fā)生明顯的稀釋作用有關(guān)。

（2）Mg2+

各井產(chǎn)出液中Mg2+濃度主要介于13.2至87.6 mg/L之間，且排采過(guò)程中各井Mg2+濃度均整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。從各井對(duì)比情況來(lái)看：大叢1-1井濃度最高，且2023年2月17日后Mg2+濃度產(chǎn)生大幅波動(dòng)，當(dāng)前產(chǎn)出液Ca2+濃度與大叢1-2井相當(dāng)，如圖8所示。分析認(rèn)為：產(chǎn)出液中Mg2+濃度與壓裂施工壓力存在一定關(guān)系，當(dāng)壓裂施工壓力高時(shí)，壓裂液與煤層中無(wú)機(jī)礦物在高壓條件下發(fā)生的陽(yáng)離子交替吸附作用更強(qiáng)，陽(yáng)離子交換程度高，導(dǎo)致K+與Na+、Ca2+、Mg2+發(fā)生的離子交換作用更徹底，因此大叢1-1井產(chǎn)出液中Mg2+濃度明顯升高。此外，大叢1-1井產(chǎn)出液中Mg2+濃度高還可能與地層水補(bǔ)給弱，未發(fā)生明顯的稀釋作用有關(guān)。

（3）HCO3-

各井產(chǎn)出液中HCO3-濃度主要介于45至882 mg/L之間，且排采過(guò)程中各井HCO3-濃度均整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，如圖9所示。從各井對(duì)比情況來(lái)看：大叢1-3井濃度明顯低于大叢1-1井、大叢1-2井。大叢1-2井HCO3-濃度在排采過(guò)程中顯著升高，推測(cè)與地層水補(bǔ)給、煤層中CO2解吸溶解作用有關(guān)；大叢1-1井地層水補(bǔ)給弱，因此排采過(guò)程中HCO3-濃度升高幅度較小；大叢1-3井地層水補(bǔ)給主要為斷裂帶水而非煤系滯留態(tài)水，且解吸氣中CO2含量極低，因此排采過(guò)程中產(chǎn)出液HCO3-濃度無(wú)明顯升高。

（4）Cl-

各井產(chǎn)出液中Cl-濃度主要介于2473至8105 mg/L之間，且排采過(guò)程中各井Cl-濃度均整體呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，如圖10所示。從各井對(duì)比情況來(lái)看：大叢1井組各井產(chǎn)出液Cl-濃度差別較大，大叢1-1井濃度最高，大叢1-2井濃度次之，大叢1-3井濃度最低。分析認(rèn)為：大叢1-1井產(chǎn)出液中Cl-濃度高與地層水補(bǔ)給弱，壓裂液高濃度Cl-基本未被稀釋有關(guān)；與之相比，大叢1-2、大叢1-3井均不同程度受斷裂構(gòu)造導(dǎo)水的影響，導(dǎo)致壓裂液被稀釋及Cl-濃度相對(duì)較低。

3.3 產(chǎn)出液穩(wěn)定同位素特征差異

（1）氫穩(wěn)定同位素

各井產(chǎn)出液中δDV-smow主要介于-45.32至-23.53‰之間，且排采過(guò)程中各井產(chǎn)出液δDV-smow均呈現(xiàn)先變大、后變小的趨勢(shì)，如圖11所示。對(duì)比各井情況分析來(lái)看：大叢1-1井壓裂過(guò)程中施工壓力較高，壓裂液與煤中有機(jī)組分、無(wú)機(jī)礦物之間的同位素交換作用強(qiáng)，而且煤系地層水（低δDV-smow值）的補(bǔ)給、稀釋作用較弱，因此導(dǎo)致大叢1-1井排采過(guò)程中產(chǎn)出液δDV-smow值較大。

（2）氫氧穩(wěn)定同位素比值

氫氧同位素組成研究方法通常采用我國(guó)的大氣降水線方程δD=7.9δ18O+8.2，我國(guó)煤層氣井產(chǎn)出水氫氧同位素均分布在大氣降水線附近。各井產(chǎn)出液中δDV-smow/δ18OV-smow在排采初期主要位于貴州大氣降雨線上側(cè)；隨著排采進(jìn)行δDV-smow/δ18OV-smow移動(dòng)至貴州大氣降雨線下側(cè)，大叢1-1井偏離貴州大氣降雨線較遠(yuǎn)，如圖12所示，反映排采產(chǎn)出液基本不受大氣降水補(bǔ)給的影響；大叢1-2井、大叢1-3井與貴州大氣降雨線靠近（特別是大叢1-3井），反映煤層氣井產(chǎn)液受大氣降水的間接補(bǔ)給作用。

3.4 大叢1井組產(chǎn)出氣特征差異

煤層氣組成差異很大， 主要包含CH4， 重?zé)N氣 （C2+） ， CO2， N2等， 另外還含有一些微量組分：CO，H2S， He， Ar， Hg等。圖13所示，各井產(chǎn)出氣成分以CH4為主，含有少量的重?zé)N（C2+）、N2、CO2、He等氣體。

總體來(lái)看，各井產(chǎn)出氣中CH4含量變化不明顯，主要受氣體中N2含量變化的控制。各井解吸氣中重?zé)N（C2+）相對(duì)穩(wěn)定，在排采過(guò)程中重?zé)N（C2+）含量未觀察到大幅度變化。各井解吸氣中N2含量存在較大波動(dòng)，且整體上大叢1-1井N2含量呈下降趨勢(shì)，這與井筒附近煤儲(chǔ)層初期N2解吸量大、深度解壓時(shí)N2解吸量減少有關(guān)；分析認(rèn)為，大叢1-3井受斷裂構(gòu)造影響，排采過(guò)程中壓降漏斗擴(kuò)展范圍大，導(dǎo)致斷裂構(gòu)造帶附近活動(dòng)的地下水?dāng)y帶少量N2持續(xù)補(bǔ)給，大叢1-1井受周?chē)鷶嗔褬?gòu)造的影響弱，氣體保存條件良好，因此煤層及頂?shù)装逯写嬖谙鄬?duì)較多的不吸附呈游離狀態(tài)存在的He，導(dǎo)致大叢1-1井He含量偏高。

3.5甲烷穩(wěn)定同位素特征差異

結(jié)合Whiticar煤層氣成因分類(lèi)圖版分析大叢1井組各井煤層氣成因，如圖14所示，碳?xì)浞€(wěn)定同位素比值大叢1-1井、大叢1-2井產(chǎn)出CH4 δ13C1/δD聚集且交疊，在圖版中被判識(shí)為熱成因氣，煤層中解吸的CH4為煤中有機(jī)質(zhì)在熱降解、熱裂解作用下產(chǎn)生。大叢1-3井產(chǎn)出CH4 δ13C1/δD比值點(diǎn)主要位于混合成因氣范圍，大叢1-3井煤層解吸甲烷來(lái)源于煤中有機(jī)質(zhì)熱降解、熱裂解成因及次生生物成因（斷裂構(gòu)造導(dǎo)水條件下產(chǎn)甲烷微生物活動(dòng)成因）。此外，結(jié)合大叢1-3井重?zé)N（C2+）、N2及CO2含量低的特征，大叢1-3井部分CH4為厭氧微生物消耗重?zé)N（C2+）、CO2等氣體所產(chǎn)生。

4 .結(jié)論

該分析方法在大叢1井組取得成功應(yīng)用，為煤層氣演化成因、地下水補(bǔ)給、隱伏斷層、通道結(jié)垢消除、壓裂液配伍性等提供了清晰認(rèn)識(shí)和改進(jìn)思路，為排采現(xiàn)象認(rèn)識(shí)提供了判斷依據(jù)，是煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)必要手段，可以進(jìn)一步完善后規(guī)范化推廣應(yīng)用。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)pH、TDS、鹽度、ORP，離子濃度K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、NO3-、Cl-，水氫氧穩(wěn)定同位素δD‰、δ18O‰，氣樣成分CH4、C2+、N2、CO2、He、CH4碳?xì)浞€(wěn)定同位素δ13C1‰、δD‰等指導(dǎo)意義較大，可進(jìn)一步完善分析方法，為地質(zhì)和工程認(rèn)識(shí)提供更有效手段。

作者單位：貴州省油氣勘查開(kāi)發(fā)工程研究院