沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)出水源解析及合層排采可行性判識

秦 勇,張 政,白建平,劉東海,田永東

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇徐州 221008;2.山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司,山西晉城 048006)

沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)出水源解析及合層排采可行性判識

秦 勇1,張 政1,白建平2,劉東海1,田永東2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇徐州 221008;2.山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司,山西晉城 048006)

長期以來,沁水盆地南部豐富的太原組煤層氣資源無法規(guī)模性動用,煤層氣單井產(chǎn)量難以進一步提高,合層排采產(chǎn)出水來源得不到有效判識,合排難易程度無法客觀評價。面對這些生產(chǎn)技術(shù)難題,基于28口單層及合層排采井產(chǎn)出水樣品的微量元素測試分析,建立了產(chǎn)出水來源判識及合層排采可行性評價方法,進而以7口合層排采井為例進行了初步判識。分析表明,煤層氣井產(chǎn)出水微量元素中蘊含著豐富的產(chǎn)出水來源信息,基于水巖作用原理可合理提取產(chǎn)出水源解析的特征微量元素。在甄別煤儲層返排清污程度基礎(chǔ)上,初步建立了由提取產(chǎn)出水特征微量元素、建立單煤層產(chǎn)出水特征微量元素標準模板、產(chǎn)出水來源與合排可行性判識3個步驟構(gòu)成的評價流程。應(yīng)用這一方法,在7口合層排采井中識別出產(chǎn)出水來源和層間干擾程度的3種情況。

沁水盆地;煤層氣井;合層排采;產(chǎn)出水;微量元素;源解析

沁水盆地南部太原組煤層氣地質(zhì)資源量占全區(qū)煤層氣資源總量的55%[1]。然而,目前的煤層氣開發(fā)以山西組3號煤層為主[2-3],豐富的太原組煤層氣資源難以動用。盡管近年來開展了山西組與太原組煤層合層排采的試驗探索,但多數(shù)井效果并不理想[4-5]。對多煤層含氣系統(tǒng)相互之間的流體壓力匹配關(guān)系及產(chǎn)出水來源的認識不足,是造成這一狀況的根本原因之一[6-7]。某些研究者曾從水文地質(zhì)條件、常規(guī)水化學(xué)、煤層氣井產(chǎn)出水同位素地球化學(xué)等方面對此探討,為解決這一問題提供了啟示[8-11]。面對這些問題,筆者進一步基于產(chǎn)出水微量元素測試結(jié)果,提取其中所隱含的產(chǎn)出水來源信息,建立產(chǎn)出水源解析及合層排采可行性評價方法,期望能為太原組煤層氣排采優(yōu)化提供某些依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

沁水盆地南部位于沁水復(fù)向斜南部仰起端,總體上為一單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列NNE,NE和SN向的寬緩次級褶曲,地層傾角一般為5°～15°,斷層稀少。

區(qū)內(nèi)含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組,太原組15號煤層和山西組3號煤層是煤層氣開發(fā)的主要目的層。含水層主要為奧陶系灰?guī)r巖溶含水層、太原組灰?guī)r含水層、山西組砂巖含水層、下二疊統(tǒng)下石盒子組砂巖含水層和第四系松散沉積物含水層,山西組頂部和本溪組底部區(qū)域性發(fā)育泥質(zhì)巖層,使得含煤地層與上覆、下伏含水層之間一般沒有直接的水力聯(lián)系[12]。

山西組3號煤層頂部K8砂巖裂隙含水層、太原組15號煤層頂板K2灰?guī)r巖溶含水層分別為這兩個主煤層排水降壓的直接給水層。煤田勘探鉆孔抽水結(jié)果顯示,K2灰?guī)r巖溶含水層鉆孔單位涌水量為0.05～0.35 L/(s·m),K8砂巖裂隙含水層鉆孔單位涌水量在0.001 5～0.05 L/(s·m),太原組富水性強于山西組,但總體上均較弱[13]。

2 產(chǎn)出水樣品及其測試

筆者2013年7月在沁水盆地南部采集了28口煤層氣井的產(chǎn)出水樣品,井位分布在潘莊、鄭莊、柿莊、成莊、樊莊5個區(qū)塊,均連續(xù)排采1 a以上,包括3號煤層單層排采井水樣8件、15號煤層單層排采井水樣12件、3號與15號煤層合層排采井水樣8件。

水樣直接取自煤層氣井口,采樣前先用產(chǎn)出水沖洗采樣瓶3次以上。產(chǎn)出水微量元素質(zhì)量濃度測試在環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室(貴陽)完成,儀器為美國安捷倫7700X型等離子質(zhì)譜儀(表1)。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)出水特征微量元素的提取

盡管采樣井連續(xù)排采已達1 a以上,但并不能保證鉆進和完井過程中鉆井液、壓裂液等注入煤層的污染物已全部返排,需要甄別返排清污的程度,以保證產(chǎn)出水樣地球化學(xué)信息的可靠性。甄別的基本原則是,合層排采產(chǎn)出水某種微量元素濃度不超過3號和15號煤層產(chǎn)出水相應(yīng)微量元素的最大質(zhì)量濃度分布范圍。分析表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),合層排采的第26號井產(chǎn)出水中7種微量元素顯著異常,異常元素比例超過所測元素種類的40%。與單排井產(chǎn)出水對應(yīng)元素最大濃度相比,26號井產(chǎn)出水Li元素質(zhì)量濃度高出1.87倍,Ga質(zhì)量濃度高出1.55倍,Rb質(zhì)量濃度高出3.39倍,Sr質(zhì)量濃度高出1.84倍,Cs質(zhì)量濃度高出4.57倍,Ba質(zhì)量濃度高出1.58倍。顯然,26號井兩煤層尚未返排干凈,在產(chǎn)出水特征微量元素提取中應(yīng)予剔除。

作為特征微量元素,要求其質(zhì)量濃度值相對較高以增強可甄別性,兩個主煤層對應(yīng)微量元素質(zhì)量濃度分布范圍有較大差別以保證足夠的特征性。按照這一原則,20口單層排采井產(chǎn)出水樣中Co,As,Cs,Pb和U五種微量元素質(zhì)量濃度極低,可甄別性不足(表1);兩主煤層Cr,Mn,Zn,Se四種微量元素平均質(zhì)量濃度比低于2.5倍,特征性相對較弱(表2)。

也就是說,上述9種微量元素不符合特征微量元素基本標準,而剩下的Li,Ga,Rb,Sr,Ba五種微量元素濃縮了產(chǎn)出水來源的主要信息,可作為判識產(chǎn)出水來源的特征微量元素。這5種特征微量元素中,兩煤層單層排采產(chǎn)出水的Li元素濃度交集程度最低,可作為特征微量元素中的刻度性元素(圖1)。

上述5種特征微量元素多為強活躍性的金屬元素,它們的金屬單質(zhì)在水溶液中易失去電子生成金屬陽離子[14]。逐級化學(xué)提取實驗結(jié)果顯示,晉城地區(qū)3號和15號煤層樣品中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Sr占該元素總量的89.70%和62.98%,遇水極易溶解而從礦物中釋放出來[15]。其中,Li,Rb,Sr,Ba是最活潑的金屬, Ga為較活躍的金屬。據(jù)鉆孔巖芯測試資料,潘莊地區(qū)3號和15號煤層 Rb的平均含量分別為5.53× 10-6和16.34×10-6,Sr的平均含量為 94×10-6和122×10-6,Ba的平均含量為84.9×10-6和201.5× 10-6[16];樊莊地區(qū)3號和15號煤層Ga的平均含量分別為5.53×10-6和16.34×10-6[17]。因此,產(chǎn)出水特征微量元素相對較高的質(zhì)量濃度是地下水流經(jīng)含煤地層時發(fā)生水巖相互作用所致,一方面溶解了地層所含的對應(yīng)金屬元素,另一方面也體現(xiàn)出不同地層組微量元素地球化學(xué)背景的總體特點。

表1 煤層氣井產(chǎn)出水樣品微量元素質(zhì)量濃度Table 1 Concentration of trace elements in produced-water samples from CBM wells 10-9

表2 煤層氣井產(chǎn)出水樣品微量元素質(zhì)量濃度統(tǒng)計Table 2 Statistics of trace element concentration in produced-water samples from CBM wells

圖1 煤層氣井產(chǎn)出水Li元素質(zhì)量濃度分布Fig.1 Occurrence of Li concentration in producedwater of CBM wells

3.2 產(chǎn)出水來源判識標準建模

煤層氣井產(chǎn)出水來源標準模板研制有多種方法,其中水樣投點法最為直觀,生產(chǎn)中使用最為便利。本文采用兩種具體的水樣投點法:一是交匯法,利用兩兩微量元素質(zhì)量濃度之間的相互分布關(guān)系,從單因素角度判識不同煤層來源產(chǎn)出水特征微量元素分布范圍;二是蛛網(wǎng)法,集合所有特征微量元素的信息,對合層排采煤層氣井產(chǎn)出水來源進行綜合判識。

分析特征微量元素交匯情況,兩個主煤層產(chǎn)出水特征微量元素最大分布范圍在Li-Sr關(guān)系中區(qū)分最為清晰,Li和Sr與其他4種特征微量元素以及4種微量元素之間均存在程度不等的交集區(qū)域,其中Li-Mn關(guān)系交集范圍相對較寬。為此,選擇Li-Ga,Li-Rb,Li-Sr,Li-Ba四幅交匯圖,形成了3號煤層和15號煤層來源水的判識模板集(圖2)。

圖2 煤層氣井產(chǎn)出水特征微量元素分布范圍與標準交匯模板Fig.2 Occurrence and intersection standard templates of characteristic trace elements in produced-water from CBM wells

進一步將3號煤層和15號煤層單層排采所有井產(chǎn)出水的5種特征微量元素最高質(zhì)量濃度點投影于蛛網(wǎng)(雷達)圖,點間連線所限定的區(qū)域即構(gòu)成兩個主煤層產(chǎn)出水特征微量元素的蛛網(wǎng)標準模板(表2,圖3)?？梢钥闯?15號煤層產(chǎn)出水5種特征微量元素最大值均大于3號煤層產(chǎn)出水對應(yīng)元素的最大值,使得3號煤層產(chǎn)出水標準蛛網(wǎng)模板被交集于15號煤層產(chǎn)出水模板范圍之內(nèi)。在這種情況下,若3號煤層及其圍巖水特征微量元素濃度較低,則合層排采井中混合的15號煤層及其圍巖水不易區(qū)分。為此,蛛網(wǎng)標準模板需要與交匯標準模板配合應(yīng)用。

值得提及的是,15號煤層產(chǎn)出水特征微量元素最高質(zhì)量濃度普遍大于3號煤層的現(xiàn)象,是沁水盆地南部石炭二疊紀含煤地層地下水動力場的客觀反映。即使太原組灰?guī)r含水層的富水性總體上強于山西組砂巖含水層,但由于采樣的5個區(qū)塊均處于地下水匯流帶和寺頭斷裂封堵帶,補給不足,徑流緩慢,水動力條件較弱,導(dǎo)致太原組富水性總體上依然較弱[12];某些15號煤層排采井高產(chǎn)水的原因,是由于斷層或壓裂裂縫將產(chǎn)層與富水含水層貫通所致[18]。

3.3 產(chǎn)出水來源解析及其生產(chǎn)意義

依據(jù)20口單層排采井產(chǎn)出水特征微量元素測試數(shù)據(jù)所建立的標準模板,可進一步對表1中8口合層排采井產(chǎn)出水的來源進行解析。

圖3 煤層氣井產(chǎn)出水特征微量元素分布范圍與標準蛛網(wǎng)模板Fig.3 Occurrence and spider web standard templates of characteristic trace elements in produced-water of CBM wells

地下水在井眼中的混合稀釋效應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)出水特征微量元素濃度在交匯圖中會向兩主煤層產(chǎn)出水標準模板相鄰邊界方向遷移,在蛛網(wǎng)圖中則向兩煤層產(chǎn)出水最大濃度范圍之間遷移。在5個采樣區(qū)塊,太原組富水性普遍相對強于山西組,同一直井中15號煤儲層流體壓力普遍高于3號煤層[14]。同時,本文采樣井中15號煤層產(chǎn)出水特征微量元素質(zhì)量濃度整體上高于3號煤層(表2)。這些因素綜合作用的結(jié)果,將會導(dǎo)致合排井中煤層間干擾由15號煤層向3號煤層傳遞。層間干擾效應(yīng)越強,產(chǎn)出水中15號煤層的貢獻就越大,特征微量元素質(zhì)量濃度從3號煤層分布區(qū)向15號煤層分布區(qū)遷移的趨勢就越為明顯,合層排采的可行性就會相對降低;反之,兩主煤層產(chǎn)出水的貢獻可能相對均衡,層間干擾程度相對較低,合層排采的效果可能會相對較好(圖4,5)。

圖4 合層排采煤層氣井產(chǎn)出水來源交匯判識Fig.4 Intersecting apportionment plots of produced-water sources from commingling-producing CBM wells

圖5 合層排采煤層氣井產(chǎn)出水來源蛛網(wǎng)判識Fig.5 Spider-web apportionment plots of produced-water sources from commingling-producing CBM wells

考察特征微量元素交匯分布特點,8口合排煤層氣井中,除26號井煤儲層尚未返排徹底而存在明顯污染現(xiàn)象之外,其他7口井產(chǎn)出水特征微量元素質(zhì)量濃度分布點均遠離兩主煤層標準模板不相鄰邊界,存在向兩主煤層產(chǎn)出水標準模板相鄰邊界方向遷移的明顯趨勢,但不同井遷移程度有所不同,可能在一定程度上反映出合排難度的高低(圖4)。其中,21號、24號、25號和27號4口井產(chǎn)出水特征微量元素分布在兩元素交集區(qū)范圍內(nèi),指示15號煤層流體壓力系統(tǒng)對3號煤層流體壓力系統(tǒng)的干擾相對較弱,相對來說,具備合層排采的先決條件;其他3口井產(chǎn)出水特征微量元素質(zhì)量濃度更靠近15號煤層標準模板區(qū)外邊界,表明這些井15號煤層流體壓力系統(tǒng)嚴重地干擾了3號煤層壓力系統(tǒng),其較高流體壓力作用下可能發(fā)生的地層流體向3號煤層的“倒灌”效應(yīng),將會導(dǎo)致煤層氣井只產(chǎn)水而難產(chǎn)氣。

合采井產(chǎn)出水特征微量元素在蛛網(wǎng)模板上的分布表現(xiàn)為3種情況:一是不同特征微量元素分別跨3號煤層模板邊界內(nèi)外,且僅在該煤層模板邊界附近波動,包括21號、24號、25號和28號4口井;二是盡管不同特征微量元素分別波動在3號煤層模板邊界內(nèi)外,但部分特征微量元素更靠近15號煤層模板邊界,包括22號和27號兩口井,其中27號井更為明顯;三是所有特征微量元素全部分布在3號煤層最大分布范圍之外,只有23號井(圖5)。顯然,第1種情況表明兩煤層對產(chǎn)出水的貢獻沒有實質(zhì)性差別,層間干擾程度不是很強;第2種情況反映15號煤層對產(chǎn)出水的貢獻大于3號煤層,層間干擾較為強烈;第3種情況顯示產(chǎn)出水多來源于15號煤層,層間干擾十分強烈。這一判識結(jié)果,與根據(jù)交匯模板判識的結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 語

從開發(fā)工藝上解決層間干擾是解放沁水盆地南部太原組煤層氣資源的根本途徑,而成功實現(xiàn)這一工藝技術(shù)的前提是客觀判識合采井產(chǎn)出水來源及合采難易程度。本文研究結(jié)果表明,產(chǎn)出水微量元素特征蘊含著豐富的產(chǎn)出水來源信息;所建立的提取特征微量元素、建立標準模板、判識產(chǎn)出水來源及合層排采可行性的“三步”方法,不僅可能為產(chǎn)出水源解析提供一種便捷有用的工具,而且具有一定的層間干擾程度判識功能,可能為研發(fā)合層優(yōu)化排采工藝技術(shù)、有效提高煤層氣單井產(chǎn)量及現(xiàn)場排采優(yōu)化管理提供有價值的實際依據(jù)。

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Source apportionment of produced-water and feasibility discrimination of commingling CBM production from wells in Southern Qinshui Basin

QIN Yong1,ZHANG Zheng1,BAI Jian-ping2,LIU Dong-hai1,TIAN Yong-dong2

(1.Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008,China;2.Shanxi Lanyan CBM Group Co.,Ltd.,Jincheng 048006,China)

During the past years,the rich coal-bed methane(CBM)resources in the Taiyuan Formation of the southern Qinshui Basin is unable to be extracted in a large scale,it is difficult to further improve the single CBM well production,the source of the water produced from the commingling wells is unable to be effectively discriminated,and the feasibility of the commingling CBM production is unable to be objectively evaluated.To overcome these technical problems from production,an evaluation method of the produced water source and commingling CBM production feasibility had been developed based on the trace element data of the produced water samples collected from 28 CBM wells,and then the preliminary apportionment has been implemented in 7 commingling-production wells.It is shown that the rich information of the produced water source can be obtained from the trace element in the water,and the characteristic trace elements can be reasonably extracted based on the principle of water-rock interaction.With the identification of the flow-back and pollution clean-up status from coal reservoirs,a preliminary evaluation process was established.The process consists of three steps:①extracting the characteristic trace elements of the produced water;②establishing the standard templates of the characteristic trace elements in the water from a single coal reservoir;and③discriminatingthe produced water source and commingling CBM production feasibility.According to this method,three kinds of the circumstances on the produced water sources and inter-reservoir interference were discerned in 7 commingling wells, which provides a valuable practical basis for the optimized CBM-extraction design and management.

Qinshui Basin;CBM wells;commingling production;produced water;trace element;source apportionment

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1892-07

2014-06-10 責(zé)任編輯:韓晉平

山西省煤層氣聯(lián)合基金資助項目(2012012001);國家自然科學(xué)基金重點資助項目(U1361207)

秦 勇(1957—),男,重慶人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:0516-83590091,E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

秦 勇,張 政,白建平,等.沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)出水源解析及合層排采可行性判識[J].煤炭學(xué)報,2014,39(9):1892-1898.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8012

Qin Yong,Zhang Zheng,Bai Jianping,et al.Source apportionment of produced-water and feasibility discrimination of commingling CBM production from wells in Southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1892-1898.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8012