隴東地區(qū)地下水對煤層氣開發(fā)的影響

樊利沙

(1.河南理工大學(xué)，河南　焦作　454000； 2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西　晉城　048000)

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·問題探討·

隴東地區(qū)地下水對煤層氣開發(fā)的影響

樊利沙

(1.河南理工大學(xué)，河南焦作454000； 2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000)

隴東地區(qū)主要含煤地層為延安組，可采煤層主要為5號、6號和8號煤層，煤層瓦斯含量高，煤層氣資源豐富。在煤層氣勘探的過程中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)下白堊統(tǒng)志丹群洛河組、宜君組裂隙承壓含水層為中等富水含水層，且地下水礦化度高，構(gòu)成煤5和煤8層頂板間接充水含水層，導(dǎo)致煤層氣井排采過程中產(chǎn)水量大，動液面下降困難，且油管、油桿等設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，影響了煤層氣井的連續(xù)排采。本文通過對該區(qū)煤層氣井排出水進(jìn)行測試化驗，根據(jù)化驗結(jié)果找出設(shè)備腐蝕的原因，并針對該水文地質(zhì)條件提出煤層氣井改進(jìn)措施。

隴東地區(qū)；地下水；煤層氣；排采

甘肅隴東地區(qū)整體為一傾向西南的低角度單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，褶曲、斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育。隴東地區(qū)含煤巖系為延安組地層，在我國北方早中侏羅紀(jì)成煤時期內(nèi)形成多套煤層，主力煤儲層為5、6、8號煤(煤層厚度分別為3.55 m、3.16 m、 9.07 m).煤層在埋藏深度和發(fā)育厚度上具有顯著地陸相成煤特點，煤儲層普遍埋深在1 000 m左右，整體趨勢是煤層埋藏深度自東向西逐漸增加，個別地區(qū)煤層埋深可以達(dá)到1 700 m(8號煤)。區(qū)內(nèi)煤層氣資源豐富，綜合評價結(jié)果表明，隴東地區(qū)南部煤層埋藏淺于1 500 m的范圍內(nèi)，擁有5 166.2億m3的煤層氣資源量，在這些煤層氣資源總量中，8號煤所占的份額較大，是隴東地區(qū)中生界煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層。在煤層氣勘探的過程中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)含水層富水性強(qiáng)，礦化度垂向上變化較大，煤層氣井產(chǎn)水量大且抽采設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，給該區(qū)煤層氣勘探及開發(fā)造成嚴(yán)重影響。

1　地下水特征

1.1含水層

隴東地區(qū)主要含水層為裂隙承壓含水層，地層水礦化度隨著地層深度的增加而增大。主要含水層如下：

1) 下白堊統(tǒng)志丹群環(huán)河-華池組裂隙承壓含水層。巖性主要為暗紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖及少量粉、細(xì)砂巖，上部發(fā)育有溶蝕孔洞。地層厚度為87.10～336.98 m，含水層厚度37.72～125.86 m.單孔推算最大涌水量為2.79～283.29 m3/日，礦化度為1.107～5.597 g/L.水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na及SO4-Na·Ca型。 根據(jù)地層巖性結(jié)構(gòu)及抽水試驗資料，該層組應(yīng)劃為極弱富水含水層。

2) 下白堊統(tǒng)志丹群洛河組、宜君組裂隙承壓含水層。巖性主要為紫紅、棕紅色中粗粒砂巖，上部夾薄層砂質(zhì)泥巖，中下部夾礫巖及巨粒砂巖。膠結(jié)欠佳，較疏松。含水性較好，厚度較大，而且較穩(wěn)定，在286.56～457.81 m，平均厚度為380.39 m，南北較薄，中間較厚，在慶陽市范圍內(nèi)為北部較薄，南部較厚。鉆孔最大涌水量在46.49～482.41 m3/日，礦化度大多數(shù)在4 g/L以上，水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na及SO4-Na型。該組地層地表沒有出露，在低洼的河谷區(qū)揭露到該層組的鉆孔往往形成自流水，應(yīng)為中等富水含水層。

3) 中侏羅統(tǒng)安定、直羅組裂隙承壓含水層。巖性為紫紅、暗紫、灰綠色砂質(zhì)泥巖，粉細(xì)砂巖互層，每組的下部均有灰白色含礫中粗砂巖，2組總厚在36 m左右。區(qū)內(nèi)對本層沒有進(jìn)行抽水試驗，根據(jù)巖性判斷為極弱富水的含水層。

4) 上三疊統(tǒng)延長群裂隙承壓含水層。本層地表沒有出露。鉆孔中揭露的厚度很小，巖性主要為灰綠、淺灰、灰黑色泥巖。砂質(zhì)泥巖加薄層粉細(xì)砂巖。根據(jù)巖性判斷，應(yīng)為弱富水巖層。

1.2隔水層

本區(qū)的主要隔水層有2組：1) 白堊系地層上覆的新第三系上統(tǒng)甘肅群深橘色、橘紅色砂質(zhì)泥巖，全區(qū)分布，一般厚度70～90 m，最厚達(dá)123.39 m. 2) 中下侏羅統(tǒng)延安組及下侏羅統(tǒng)富縣組地層，巖性主要為灰、淺灰及紫紅和灰色泥巖，砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖夾薄煤層及薄層粉砂巖，根據(jù)巖性分析應(yīng)為相對的涌水層。此外在下白堊統(tǒng)志丹群環(huán)河-華池組及上三疊統(tǒng)延長群地層中某些層段巖性較細(xì)，也起到相對隔水層的作用。

1.3地下水流動特征

延安組地層水補(bǔ)給主要來自盆地周緣地區(qū)地表和大氣降水的補(bǔ)給。補(bǔ)給方式有兩種：1) 通過斷裂構(gòu)造的垂向補(bǔ)給。2) 通過地層露頭區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給。通過地層水礦化度分析，淺部地層礦化度低，地下水補(bǔ)給應(yīng)該以垂向補(bǔ)給為主；深部地層礦化度較高，以側(cè)向補(bǔ)給為主。地表淡水沿著地層滲透帶向盆地內(nèi)部流動，隨著距離增大，地下水的交替、活動趨緩，地層水礦化度增高，水型由Na2SO4型過渡為CaCl2型。

根據(jù)該區(qū)施工的煤層氣井來看，區(qū)內(nèi)煤層氣井排采時間2年左右，動液面依舊保持在8號煤層頂板以上50 m左右。分析認(rèn)為區(qū)內(nèi)地下水資源較豐富，地層含水性較好，上部地層在垂向和橫向上水力交換活躍，下部地層水活動相對緩慢，區(qū)內(nèi)馬蓮河為地層水泄水區(qū)。

2　地下水對煤層氣開發(fā)的影響

2.1煤層氣井排出水成分分析

對該區(qū)煤層氣井排出水的水質(zhì)進(jìn)行化驗，部分檢測結(jié)果見表1.

表1化驗結(jié)果顯示，排出水的成分氯化物、鈉含量、地層水礦化度高。

表1　煤層氣井排出水水質(zhì)化驗部分檢測結(jié)果表

2.2地下水對煤層氣地面抽采的影響

地下水對煤層氣地面抽采的影響主要體現(xiàn)在煤層氣井溝通含水層的水，排液困難；地層水礦化度高，對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，影響煤層氣井的連續(xù)排采。

1) 從區(qū)內(nèi)煤層氣井普遍排水情況看，動液面始終維持在一定的高位。說明該區(qū)地下水資源較豐富，地層含水性較好，上部地層在垂向和橫向上水力交換活躍。單純依靠加大功率、提高排水速度方法以達(dá)到降低動液面的目的存在一定難度。經(jīng)分析，勘查區(qū)內(nèi)地表水與頂板直接充水含水層間有環(huán)河華池組隔水層(少量為弱含水層)存在，地表水對礦床不構(gòu)成直接充水威脅。洛河、宜君組屬中等富水性含水層，構(gòu)成煤5和煤8層頂板間接充水含水層。

2) 研究區(qū)水化學(xué)分帶性明顯，具體表現(xiàn)為上部地層水以NaHCO3和Na2SO4型水為主，下部地層水以CaCl2型水為主，隨著地層深度的增加，地層水礦化度隨之增大，對地層水中礦物溶解度要求更高，水型由NaHCO3和Na2SO4型向CaCl2型轉(zhuǎn)化。根據(jù)測試化驗結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層氣井產(chǎn)出地層水礦化度較高，水中富含有Cl-、Na+、S2-，地層水與泵掛設(shè)備之間的離子交換造成井下泵掛設(shè)備腐蝕損壞。煤層氣井生產(chǎn)油桿、油管均有一定程度損壞，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)腐爛穿孔現(xiàn)象。地下水對設(shè)備的腐蝕實物圖見圖1.

圖1　地下水對設(shè)備的腐蝕實物圖

3　建　議

針對該區(qū)含水層富水性強(qiáng)，礦化度高，對設(shè)備造成腐蝕的現(xiàn)象，對于后期煤層氣勘探提出以下建議：

1) 隴東地區(qū)煤的硬度小，且煤中小微構(gòu)造裂隙非常發(fā)育，因此采取洞穴完井方式會對煤層的力學(xué)穩(wěn)定性造成不利影響，煤層洞穴完井會造成井筒井壁失穩(wěn)垮塌，因此，建議當(dāng)前研究區(qū)煤層氣井盡量避免采用該方式。

2) 由于本區(qū)地層水礦化度高，腐蝕性強(qiáng)，井下泵掛設(shè)備被腐蝕的同時會產(chǎn)生一定的腐蝕碎片，加之本區(qū)煤儲層中煤粉產(chǎn)出較為嚴(yán)重，腐蝕碎片和煤粉聯(lián)合作用造成本區(qū)卡泵現(xiàn)象頻發(fā)。本區(qū)煤層氣修井頻繁，不利于煤層氣井井底流壓的穩(wěn)定和儲層壓力的穩(wěn)定下降，因此，建議嘗試使用碳纖維抽油桿、防腐抽油桿、防砂泵、螺桿泵、電潛泵等新材料、新設(shè)備，實現(xiàn)抽采連續(xù)性與穩(wěn)定性，突破該地區(qū)煤層氣的抽采技術(shù)難題。

3) 為減少煤層氣排水對周圍生態(tài)環(huán)境的影響，應(yīng)從研究區(qū)實際出發(fā)，加強(qiáng)煤層氣排水的處理和綜合利用，使排水達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084-2006)中的要求，出水回用作當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田灌溉等用途，實現(xiàn)煤層氣排水的資源化利用。

[1]吳旭東．蚌埠市區(qū)淺層、中層地下水硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體增高機(jī)理探討[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1998(5)：30-32.

[2]李志強(qiáng)，鮮學(xué)福，歐成華，等．瀝鼻峽背斜煤層氣富集的水文地質(zhì)控氣特征[J]．重慶大學(xué)學(xué)報，2008，3l(2)：191-196.

[3]秦勝飛，宋巖，唐修義,等,流動的地下水對煤層含氣性的破壞機(jī)理[J]．科學(xué)通報,2005,50(B10)：99-104.

[4]葉建平，武強(qiáng)，王子和.水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存的控制作用[J]．煤炭學(xué)報,2001，26(5)：459-462.

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

Influence of Groundwater in Longdong Region on CBM Development

FAN Lisha

Yan'an formation is the main coal bearing stratum in Longdong region. The main mineable coal seams are No.5, No.6, No.8 coal seam. The Coalbed gas content is high, and the resource is rich. It finds that in the process of coalbed methane exploration, the fracture confined aquifer of Zhidan and Yijun formation of lower cretaceous is medium water-rich, and the degree of mineralization of underground water is high. It forms the indirect water filling aquifers of No.5 and No.8 coal layer roof, leads to water rate of CBM well is big, working fluid level drawdown is difficult, and equipment such as tubing, rod is serious corrosion, affects the continuous drainage of CBM wells. The discharge water of coalbed methane well in this area is tested, according to the test results find out the cause of equipment corrosion, CBM well improvement measures are put forward based on the hydrogeological conditions in this region.

Longdong region; Groundwater; Coalbed methane; Drainage

2016-01-28

樊利沙(1986—)，女，山西晉城人，2012級河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事瓦斯地質(zhì)與煤層氣勘探開發(fā)的研究(E-mail)1206806724@qq.com

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1672-0652(2016)03-0050-03