樊莊區(qū)塊固縣井區(qū)煤層氣儲(chǔ)層流體化學(xué)場(chǎng)研究

張 聰 陳洪明 李夢(mèng)溪 王立龍 崔新瑞 劉國(guó)偉

(中國(guó)石油山西煤層氣分公司, 山西 048000)

1 引言

煤層氣的產(chǎn)出是一持續(xù)的排水- 降壓- 解吸過程, 地下水系統(tǒng)在儲(chǔ)層壓力降低、壓力傳播及井網(wǎng)開發(fā)條件下壓力擾動(dòng)中起著重要的作用, 煤層甲烷伴隨著壓降范圍的波及通過解吸- 擴(kuò)散- 滲流一系列復(fù)雜過程最終從井筒產(chǎn)出。煤層氣、地下水多相流體在地下裂隙系統(tǒng)、井筒中物理流動(dòng)過程極為復(fù)雜, 煤層氣勘探開發(fā)初期人們對(duì)其認(rèn)識(shí)局限在物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模擬方面, 而通過壓力推算、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)及物理模擬很難全面描述儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。研究煤層氣井開發(fā)后的流體化學(xué)場(chǎng)的變化規(guī)律, 有助于加深單井及區(qū)塊的儲(chǔ)層水文地質(zhì)條件及水動(dòng)力環(huán)境, 提取流體中化學(xué)信息及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)煤層氣排采控制及開采規(guī)律認(rèn)識(shí)亦有重要意義。

2 水文地質(zhì)條件概況

樊莊區(qū)塊地下水等勢(shì)面具有北東高南西低的總體態(tài)勢(shì), 受于局部構(gòu)造影響, 區(qū)內(nèi)存在局部高部位分水嶺、低洼匯水中心等水文地質(zhì)界線。水文地質(zhì)單元主要由東側(cè)高平、西南部沁水縣為兩個(gè)供水區(qū), 西南側(cè)為陽(yáng)城南部 (沁河) 及浮山附近 (汾河) 為泄水區(qū), 供水區(qū)與泄水區(qū)的距離大于40km左右。本區(qū)石炭- 二疊系的水勢(shì)面坡度達(dá)7m/km;奧陶系水勢(shì)面坡度最大處達(dá)20m/km, 水位勢(shì)能比較大, 研究區(qū)以南的延河泉、三姑泉涌出量較大。相對(duì)而言, 西北方向高平地區(qū)水壓頭勢(shì)面比較平穩(wěn), 又略有承壓條件。本區(qū)主要存在奧陶系、石炭二疊系和第四系3 套主要含水層系。

受各種水文邊界控制, 樊莊北部固縣井區(qū)北部邊界地下水向南徑流; 東部為露頭區(qū), 大氣降水和地表水向深部運(yùn)移, 在西部由于寺頭斷層的影響無(wú)法進(jìn)入本區(qū), 這樣形成了向深部匯流之勢(shì)。受到煤層上下低滲透性圍巖的在垂向上的封堵作用, 地下水就幾乎呈封閉狀態(tài), 所以在樊莊就形成了等勢(shì)面“洼地”滯流地帶, 該地區(qū)地下水徑流條件最弱。起其東側(cè)淺部補(bǔ)給區(qū)是煤層氣逸散帶, 含氣量相對(duì)較低; 深部徑流帶地下水徑流緩慢, 有利于煤層氣的富集, 在樊莊區(qū)塊內(nèi)3#煤儲(chǔ)層中形成了水動(dòng)力封堵型煤層氣藏, 是煤層氣的有利聚集區(qū)。

晉城地區(qū)煤層內(nèi)的水樣分析數(shù)據(jù)表明晉城地區(qū)煤層內(nèi)的地層水礦化度基本相近, 略隨深度的加大而增加, 水型以重碳酸鈉型為主, 反映了該地區(qū)煤系地層水的低鹽度、與地表連通且與深層水沒有強(qiáng)烈交替的特點(diǎn)。

3 流體化學(xué)場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

樊莊固縣井區(qū)為區(qū)塊整體單斜構(gòu)造大背景下?lián)D褶曲發(fā)育區(qū), 煤頂海拔位于127～186m 之間, 煤儲(chǔ)層整體呈現(xiàn)南北高, 中北部低的構(gòu)造特征 (圖1) 。原始儲(chǔ)層壓力4．2～6．3MPa, 平均5．3MPa, 分布趨勢(shì)整體呈現(xiàn)由北向南升高趨勢(shì) (圖2) , 證實(shí)了該區(qū)水頭位于監(jiān)測(cè)區(qū)NE 方向。研究區(qū)15 口井在2009 年6～7 月份投產(chǎn), 監(jiān)測(cè)前已經(jīng)排采1 年,多數(shù)井達(dá)到了穩(wěn)產(chǎn)階段。為研究煤層氣井投入生產(chǎn)后及水文動(dòng)態(tài)變化得流體化學(xué)場(chǎng)變化規(guī)律, 本次針對(duì)樊莊區(qū)塊固縣井區(qū)15口井產(chǎn)出進(jìn)行流體化學(xué)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2010 年7 月～12 月, 共進(jìn)行了氣體組分、碳?xì)渫凰? 水的pH 值、離子組分、水中元素含量等的監(jiān)測(cè)。

圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)據(jù)圖構(gòu)造井位圖

圖2 儲(chǔ)層原始?jí)毫Φ戎稻€圖

3．1 煤層氣組分動(dòng)態(tài)特點(diǎn)

根據(jù)固縣井區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的15 口排采煤層氣井的煤層氣組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析, 可知： CH4含量在92．5%～84．8%之間, CO2含量在0～2．62%之間, C2H6含量在0～0．02%之間, N2含量在1．69%～4．85%之間。從排采氣的組分看, 產(chǎn)出的煤層氣多為濕氣。

固井井區(qū)15 口生產(chǎn)井的排采煤層氣成分雖然以CH4為主, 各組分變化也表現(xiàn)出一定的差異,另外生煤層氣的組分隨排采時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)性變化的特征。排采氣組分呈現(xiàn)波動(dòng)性變化的原因與氣源階段性補(bǔ)給及組分分餾有關(guān)。排采煤層氣組分隨時(shí)間的變化在氣源階段性供給方面的反映, 不同階段來(lái)源于不同煤層氣井煤儲(chǔ)層顯微組分, 尤其是富氫組分的豐度差異決定的產(chǎn)CH4能力所導(dǎo)致的不同碳烴組分的差異。另一方面反映了煤層氣井網(wǎng)排采過程中排采速率變化影響了氣體組分在運(yùn)移過程中分餾富集的變化, 因?yàn)槊簩託饩呐挪蛇^程, 其實(shí)質(zhì)是人為地改變了地下水動(dòng)力條件。對(duì)烷烴而言, 排采速率的變化可能造成在不同煤層氣井不同時(shí)間由于輸送細(xì)菌產(chǎn)生的次生生物氣而影響煤層氣成分,造成組分分異, 導(dǎo)致不同烷烴組分隨時(shí)間變化。對(duì)于非烴類氣體而言, 組分隨時(shí)間變化表現(xiàn)為受自身密度及氣水相互用影響。排采氣中的N2的體積濃度隨時(shí)間的變化反映出因自身較輕而受排采速率(遷移速率) 的影響, 而CO2易溶性而易被地下水所溶解。

3．2 煤層氣甲烷碳、氫同位素動(dòng)態(tài)

對(duì)固縣井區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的15 口排采煤層氣井的 CH4同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析, 碳同位素(δ13CCH4) 在- 29‰～- 34‰之間, 氫同位素(δDCH4) 值在- 110‰～180‰之間。從排采氣的組分中甲烷同位素值和氫同位素看, 同位素組成均較重, 一方面可能與煤層氣的成因有關(guān) (存在部分熱裂解氣) , 另一方面可能與排采有關(guān)。15 口排采井產(chǎn)出煤層氣δ13C1值和δD 值總體經(jīng)歷了先變輕、再變重、后又變輕最后又變重的趨勢(shì) (圖3) , 過程呈波動(dòng)性變化特征。對(duì)于煤層氣井排采初期而言,輕同位素的甲烷先被采出, 重同位素的甲烷后被采出, 經(jīng)過一段時(shí)間, 由于遠(yuǎn)井地帶氣源的補(bǔ)給, 煤層氣井采出煤層氣又開始富氫氣, 再富重同位素的氣體, 如此反復(fù), 因而煤層氣井采出煤層氣的甲烷碳、氫同位素隨時(shí)間表現(xiàn)出波動(dòng)性變化的特征。

圖3 煤層氣組分中甲烷碳、氫同位素的時(shí)間變化

3．3 煤層產(chǎn)出水酸堿度化動(dòng)態(tài)

15 口井所采的水樣酸堿度測(cè)結(jié)果顯示地層水的pH 值基本在8．3～9．5 之間, 說(shuō)明短期內(nèi)pH 值未有明顯變化。

3．4 煤層氣井產(chǎn)出水來(lái)源分析

根據(jù)排采水離子濃度的測(cè)定值, 參考相關(guān)文獻(xiàn)中有關(guān)砂巖、泥巖及灰?guī)r水中離子濃度值, 繪制了生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)不同采樣時(shí)刻的水化學(xué)Piper 三線圖(圖4) , 進(jìn)而判別地層水的來(lái)源。可得出在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)HG2 - 16、HG3 - 14、HG3 - 15、HG3 - 16、HG4- 14、HG4 - 15、HG4 - 16、HG5 - 13、HG5 -14 等9 口井產(chǎn)出水為煤層水與砂巖水的混合水;生產(chǎn)井HG5 - 15、HG6 - 20、HG6 - 21、HG6 - 22、HG6- 23、HG6- 25 等6 口井產(chǎn)出水為煤層水。

3．5 煤層產(chǎn)出水中離子含量變化動(dòng)態(tài)

經(jīng)過測(cè)試地層水中常規(guī)陰離子Cl-、HCO-、CO2-3和SO2-4和常規(guī)陽(yáng)離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+、NH+4。陰離子中, 濃度最高的為HCO-3, 其次為Cl-, 最低的為NO-2(未檢出) 。陽(yáng)離子中,濃度最高的為Na+, 其次為K+, 最低的為NH+4。15 口生產(chǎn)井排采地層水中離子濃度值隨時(shí)間變化(表1) 可以看出, 地層水中離子濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 部分離子濃度呈現(xiàn)出波動(dòng)特征, 反映該井區(qū)地下水為滯留環(huán)境, 通過長(zhǎng)時(shí)間排采, 煤層氣井壓降漏斗波及范圍小, 同時(shí)也呈現(xiàn)出固縣井區(qū)煤層水補(bǔ)給能力弱或?qū)娱g越流現(xiàn)象不明顯。

圖4 生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)不同采樣時(shí)刻產(chǎn)出地層水水化學(xué)Piper 三線圖

表1 煤層氣產(chǎn)出水中離子測(cè)試數(shù)據(jù) (單位： mg/L)

對(duì)采出地層水中離子化學(xué)場(chǎng)進(jìn)行平面分析, 可以得出比較一致的規(guī)律, 即化學(xué)場(chǎng)變化整體表現(xiàn)為： 先由南向北降低, 然后表現(xiàn)為東西向降低, 最后再表現(xiàn)為由南向北遞減。個(gè)別離子化學(xué)場(chǎng)的分布表現(xiàn)出既受局部排采井所產(chǎn)地層水的影響 (往往形成異常高值或異常低值) , 同時(shí)在整體上又體現(xiàn)出受整體井網(wǎng)的影響, 即受排采時(shí)井間干擾的影響,從而表現(xiàn)出化學(xué)場(chǎng)方向的統(tǒng)一變化趨勢(shì)。

3．6 煤層產(chǎn)出水元素含量變化動(dòng)態(tài)

本論文利用電感耦合等離子質(zhì)譜法測(cè)試了所采地層水中45 種元素, 包括Li、Be、B、Sc、Ti、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zu、Ga、Ge、As、Se、Rb、Sr、Y、Zr、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Au、Hg、Pb。通過測(cè)試分析發(fā)現(xiàn), 煤層氣井排采地層水中元素含量差異顯著, 含量變化從百分之幾個(gè)ppb 到上百個(gè)ppb。為減小誤差, 使得分析效果明顯, 選取其中10 種含量較高的元素 (As、B、Ba、Cr、Ge、Mn、Ti、Pb、Sc、Sr) 進(jìn)行分析, 以15 口井所產(chǎn)的地層水每次測(cè)試的元素含量平均值的變化來(lái)說(shuō)明地層水中元素含量的時(shí)間變化 (表2) ?？梢钥闯鲭S著排采試驗(yàn)延長(zhǎng)：水中As、Mn 元素含量略有上升; B、Cr、Ge、Se元素含量在產(chǎn)出較為穩(wěn)定或在小范圍內(nèi)波動(dòng); Ba、Ti、Pb、Sc 含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 反映了地層水對(duì)于煤層中金屬元素的選擇性洗選規(guī)律。

通過對(duì)元素化學(xué)場(chǎng)進(jìn)行平面分析, 可以得知,元素化學(xué)場(chǎng)方向的變化大致經(jīng)歷了南北變化 (由南向北降低或由北向南降低) 、東西向變化 (由東向西降低) 以及后階段的南北向變化。分析發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)元素化學(xué)場(chǎng)方向變化經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間由東向西遞減的過程。同時(shí)與離子化學(xué)場(chǎng)方向變化相比, 元素化學(xué)場(chǎng)的變化存在較多的不一致的地方, 如大多數(shù)離子化學(xué)場(chǎng)在采樣初期主要由南向北降低, 而元素化學(xué)場(chǎng)只有部分元素為該趨勢(shì)。通過分析認(rèn)為, 主要有三個(gè)方面的原因： ①元素本身的性質(zhì), 如元素的賦存狀態(tài)、溶出及遷移性質(zhì)決定了其遷移富集速率的快慢; ②局部煤層氣井所在煤儲(chǔ)層或巖層所含某些元素的本底值很高, 即使在有其它地層水補(bǔ)給情況下, 也使得產(chǎn)自該煤層氣井的地層水的元素含量很高, 從而出現(xiàn)異常; ③工程采樣的缺失導(dǎo)致生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)的某些采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失, 從而有可能導(dǎo)致化學(xué)場(chǎng)的分析失真。

表2 煤層氣產(chǎn)出水中元素測(cè)試數(shù)據(jù) (單位： ppm)

4 結(jié)論

本文通過分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試的不同時(shí)刻生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)煤層氣組分、煤層氣甲烷碳?xì)渫凰?、地層水pH值, 及其中離子濃度、元素含量, 歸納總結(jié)了煤層氣井井網(wǎng)排采條件下煤層氣組分、煤層氣甲烷碳?xì)渫凰?、地層水中元素含量及地層水中離子濃度的時(shí)間變化規(guī)律, 判斷了生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)不同采樣時(shí)刻地層水的來(lái)源。研究不同時(shí)刻地層水中離子濃度及地層水中元素含量變化平面動(dòng)態(tài), 分析了井網(wǎng)排采條件下煤層氣流體化學(xué)場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律, 得到的主要結(jié)論如下：

(1) 煤層氣組分、煤層氣甲烷碳?xì)渫凰仉S時(shí)間呈波動(dòng)性變化, 儲(chǔ)層解吸具有階段性特征, 可能反映為煤層氣井不同時(shí)刻氣源變化及煤層氣的分餾特征。

(2) 在煤層氣生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期 (樊莊區(qū)塊氣井排采時(shí)間一般大于1 年) , 短期內(nèi)PH 值未有明顯變化趨勢(shì), 氣井產(chǎn)出地層水主要為煤層水或煤層水與砂巖水的混合水, 儲(chǔ)層離子化學(xué)場(chǎng)、元素化學(xué)場(chǎng)的方向主要經(jīng)歷了南北向和東西向偏轉(zhuǎn)變化的過程, 不同排采時(shí)刻南北向和東西向遷移富集一致性變化的特點(diǎn), 證實(shí)了煤層氣井井網(wǎng)排采存在井間干擾, 并可能由此改變地層水滲流方向。

(3) 流體化學(xué)是研究?jī)?chǔ)層水文動(dòng)態(tài)特征及采動(dòng)影響變化規(guī)律, 開展該方面研究有利于進(jìn)一步揭示流體化學(xué)場(chǎng)方向的變化、側(cè)面驗(yàn)證井網(wǎng)排采條件下的井間壓力干擾、流體動(dòng)態(tài)相互干擾。

[1] 王明明, 盧曉霞, 金惠, 等．華北地區(qū)石炭二疊系煤層氣富集區(qū)水文地質(zhì)特征 [J] ．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),1998, 20 (4) ： 385- 393．

[2] 王勃, 李謹(jǐn), 張敏．煤層氣成藏地層水化學(xué)特征研究 [J] ．石油天然氣學(xué)報(bào), 2007, 29 (5) ： 66- 68．

[3] 李金海, 蘇現(xiàn)波, 林曉英, 等．煤層氣井排采速率與產(chǎn)能的關(guān)系 [J] ．煤炭學(xué)報(bào), 2009, 34 (3) ： 376- 379．

[4] 唐書恒, 馬彩霞, 袁煥章．華北地區(qū)石炭二疊系煤儲(chǔ)層水文地質(zhì)條件 [J ] ． 天然氣工業(yè), 2003, 23(1) ： 32- 35．

[5] 劉建軍, 劉先貴．煤儲(chǔ)層流固耦合滲流的數(shù)學(xué)模型[J] ．焦作工學(xué)院學(xué)報(bào), 1999, 18 (6) ： 397- 400．

[6] 張小軍, 陶明信, 馬錦龍, 等．含次生生物成因煤層氣的碳同位素組成特征——以淮南煤田為例[J] ．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì), 2009, 31 (6) ： 622- 626．

[7] 楊焦生, 王一兵, 王憲花．煤層氣井井底流壓分析及計(jì)算 [J] ． 天然氣工, 2010, 30 (2) ： 66 - 68 +141- 142．