韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場特征及其對煤層氣的控制作用

李 劍 車延前 熊先鉞 王 偉 李 濤 王成旺 胡喚雨

（ 1中國礦業(yè)大學(xué)（北京）；2中石油煤層氣有限責(zé)任公司 ）

韓城煤層氣田經(jīng)過6年的產(chǎn)能建設(shè)和快速發(fā)展，產(chǎn)量逐步增加，開發(fā)潛力巨大，但由于對煤系地層水動(dòng)力區(qū)域分布規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，部分煤層氣井產(chǎn)水量高，產(chǎn)氣效果較差，影響了開發(fā)效果。煤層水經(jīng)歷了漫長而復(fù)雜的水文地球化學(xué)過程，記錄了煤層氣形成、保存和散失的演變史[1]。本文通過研究煤系地層采出液化學(xué)成分的變化規(guī)律，結(jié)合開發(fā)資料，總結(jié)了韓城煤層氣田水化學(xué)場特征與煤層氣富集的關(guān)系，為煤層氣的高效開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

韓城煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東南緣，渭北煤田東部邊緣斷褶帶的北端。在加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響下，形成了現(xiàn)今整體向北西傾斜的單斜構(gòu)造，局部伴有褶皺和斷層（圖1）。沉積環(huán)境主要有海相、海陸過渡相、湖泊三角洲相和河流相，地層自下而上依次為太古宇涑水群、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和第四系。主要含煤巖系為石炭系太原組及二疊系山西組，含煤層13套，其中主力煤層3套，分別為3號(hào)、5號(hào)、11號(hào)，奧陶系石灰?guī)r為煤系基底[2-3]。地表水不甚發(fā)育，地下水受構(gòu)造、巖性及地形地貌的控制，主要埋藏在第四系底部和基巖裂隙或巖溶裂隙之中。煤系及上部地層各含水層充水空間不甚發(fā)育，奧陶系石灰?guī)r巖溶水為多層段結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體。承壓水徑流以順層運(yùn)動(dòng)為主，一般不易穿過上覆厚度較大的隔水層而越流運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)通道受區(qū)域性反向承壓單斜含水構(gòu)造控制，淺層承壓水由西北向東南方向運(yùn)移，深部承壓水基本上為滯流狀態(tài)，因裂隙發(fā)育程度低，巖層透水性弱，地下水徑流條件差，邊淺部由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致基巖出露，接受大氣降水等的補(bǔ)給[4-6]。

圖1 韓城煤層氣田構(gòu)造綱要圖

2 水化學(xué)場特征

煤層氣開發(fā)過程中鉆井液和壓裂液對煤層的侵入會(huì)改變煤層氣井附近區(qū)域內(nèi)水化學(xué)場特征，因此為了消除鉆井液和壓裂液的影響，本次共計(jì)選取249口采出比（煤層水與注入水）大于2.0的單層開發(fā)11號(hào)煤層水進(jìn)行分析研究。

2.1 礦化度特征

煤層水的礦化度是地下水化學(xué)場漫長演化過程的結(jié)果[7-10]，可間接反映水動(dòng)力場特征，例如，高礦化度預(yù)示煤層水處于相對停滯狀態(tài)，缺乏循環(huán)交替，反映水動(dòng)力場較弱，封存環(huán)境好。

通過對煤層水取樣分析發(fā)現(xiàn)，由東向西煤層水礦化度逐漸升高，西部煤層水礦化度大于10000mg/L，向東部逐漸降低到礦化度小于1000mg/L，斷層區(qū)域礦化度為1000～3000mg/L（圖2），說明韓城煤層氣田11號(hào)煤層由東向西水動(dòng)力逐漸減弱，封存條件逐漸變好。

圖2 韓城煤層氣田11號(hào)煤層礦化度等值線圖

2.2 離子特征

依據(jù)天然水按礦化度的分類方法[11]，將煤層氣井煤層水分為淡水（礦化度小于1000mg/L）、微咸水（礦化度為1000～3000mg/L）、咸水（礦化度為3000～10000mg/L）和鹽水（礦化度大于10000 mg/L）4類。

通過該分類對249口井煤層水中離子與礦化度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)煤層水中含有的陽離子為Na+、Ca2+、Mg2+，陰離子為但不同煤層水種類中各種離子含量差別明顯，礦化度小于1000mg/L煤層水陽離子以為主，其他陽離子含量相對較少，陰離子以為主，其他陰離子含量相對較少（圖3a）；礦化度1000～3000mg/L煤層水陽離子以Na+為主，其他陽離子含量相對較少，陰離子以為主、Cl-次之，SO42-含量相對較少（圖3b）；礦化度3000～10000mg/L煤層水陽離子以Na+為主、Ca2+次之，Mg2+含量相對較少，陰離子以和Cl-為主含量相對較少（圖3c）；礦化度大于10000mg/L煤層水陽離子以Na+為主，其他陽離子含量相對較少，陰離子以Cl-為主，其他陰離子含量相對較少（圖3d），因此韓城煤層氣田煤層水差異比較明顯，煤層水形成環(huán)境不同。

圖3 離子特征與礦化度關(guān)系圖

2.3 水型特征

按化學(xué)成分區(qū)分煤層水類型，是揭示煤層水化學(xué)成分分布和演變規(guī)律的重要方面[12-13]，在許多分類方法中蘇林分類方法在理論和實(shí)踐上有較多優(yōu)點(diǎn),一直被長期沿用，然而蘇林分類法所劃分的4種水型與韓城煤層氣田水實(shí)際情況有較大差異，例如蘇林認(rèn)為Na2SO4型水為低礦化度的地表水或淺層地下水，而韓城煤層氣田Na2SO4型水礦化度較高，主要因?yàn)轫n城區(qū)塊煤層水中SO42-來源于地層中石膏。因此本次研究采用蘇林分類方法結(jié)合煤層水礦化度進(jìn)行水型分類，將煤層水劃分為4種水型：形成于水文地質(zhì)封閉性差大陸環(huán)境的礦化度小于1000mg/L—NaHCO3型水；形成于水文地質(zhì)封閉性由差向好過渡環(huán)境的礦化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水；形成于巖溶環(huán)境的礦化度3000～10000mg/L—Na2SO4型水；形成于水文地質(zhì)封閉性良好環(huán)境的礦化度大于10000mg/L—CaCl2型水(圖4）。

通過對韓城煤層氣田249口井煤層水水型統(tǒng)計(jì)分析，礦化度小于1000mg/L—NaHCO3型水10口井，礦化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水212口井，礦化度3000～10000mg/L—Na2SO4型水10口井，礦化度大于10000mg/L—CaCl2型水17口井。因此礦化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水為韓城煤層氣田主要水型。

圖4 不同礦化度區(qū)間典型水型圖

2.4 煤層水成因

煤層水的化學(xué)成分是在一定溫度和壓力下，水與所在層位的礦物之間相互作用的結(jié)果，煤層水的停留時(shí)間或徑流路徑不同，會(huì)表現(xiàn)出一定變動(dòng)范圍[14]。根據(jù)河水、奧陶系石灰?guī)r巖溶水、300m以淺地下水、300m以深地下水、礦化度小于1000mg/L煤層水（10口井）、礦化度1000～3000mg/L煤層水（20口井）、礦化度3000～10000mg/L煤層水（10口井）和礦化度大于10000mg/L煤層水（10口井）在Piper圖的分布，對煤層水進(jìn)行成因分析（圖5）。

圖5 韓城煤層氣田11號(hào)煤層Piper圖

通過Piper圖分析發(fā)現(xiàn)，礦化度小于1000mg/L煤層水化學(xué)成分與淺層地下水較為接近，分析認(rèn)為礦化度小于1000mg/L煤層水為地表水或大氣降水的初步濃縮，成因?yàn)榈転V作用；礦化度1000～3000mg/L煤層水化學(xué)成分與淺層地下和深層地下水既有相似又有不同，分析認(rèn)為礦化度1000～3000mg/L煤層水為原生沉積水與地表滲入初步濃縮水混合，成因?yàn)榛旌献饔茫坏V化度3000～10000mg/L煤層水化學(xué)成分與奧陶系石灰?guī)r巖溶水較為接近，分析認(rèn)為礦化度3000～10000mg/L煤層水為溶濾水，成因?yàn)槿転V作用；礦化度大于10000mg/L煤層水化學(xué)成分與深層地下水較為接近，分析認(rèn)為礦化度大于10000mg/L煤層水為原生沉積封存水，成因?yàn)闈饪s作用。

2.5 水化學(xué)場區(qū)帶劃分

根據(jù)煤層水的礦化度特征、離子特征、水型特征和煤層水成因，并結(jié)合韓城煤層氣田的構(gòu)造特征進(jìn)行水化學(xué)場區(qū)帶劃分（表1），將韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場劃分為HCO3—Na帶、HCO3—Cl—Na帶、SO4—Cl—Ca—Na 帶和 Cl—Na 帶（圖 6）。

3 水化學(xué)場特征對煤層氣的控制作用

煤層水動(dòng)力特征控制煤層氣富集成藏與產(chǎn)出的整個(gè)過程[15-21]。煤層水在運(yùn)移過程中逐漸溶解圍巖中礦物，并逐步濃縮，水動(dòng)力逐漸減弱，因此利用水化學(xué)場特征可以間接反映水動(dòng)力特征。韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場區(qū)帶由東部的HCO3—Na帶依次過渡到 HCO3—Cl—Na帶、SO4—Cl—Ca—Na帶和西部的Cl—Na帶，煤層水中常量組分保持相對不變，但離子含量逐漸增多，說明水動(dòng)力由東向西逐漸變?nèi)酢?/p>

表1 韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場區(qū)帶劃分參數(shù)指標(biāo)

圖6 韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場分帶圖

根據(jù)水化學(xué)場研究結(jié)果并結(jié)合開發(fā)過程中煤巖含氣量測試資料和生產(chǎn)資料，通過分析韓城煤層氣田水化學(xué)場特征對煤層含氣特征和煤層氣井產(chǎn)能的影響，發(fā)現(xiàn)不同水化學(xué)場區(qū)帶煤層含氣量和產(chǎn)能效果都存在明顯差異。

3.1 水化學(xué)場特征對煤層含氣量的控制作用

依據(jù)水化學(xué)場分析結(jié)果，結(jié)合25口井煤層含氣量測試資料研究分析發(fā)現(xiàn)：韓城煤層氣田HCO3—Na帶（5口井）現(xiàn)今含氣量為4～6m3/t，平均為5.5m3/t，蘭氏方程計(jì)算原始含氣量為11～15m3/t，平均為13.9m3/t；HCO3—Cl—Na帶（10口井）現(xiàn)今含氣量為6～9m3/t，平均為8.3m3/t，蘭氏方程計(jì)算原始含氣量為10～15m3/t，平均為14.0m3/t；SO4—Cl—Ca—Na帶（5口井）現(xiàn)今含氣量為8～13m3/t，平均為11.6m3/t，蘭氏方程計(jì)算原始含氣量為9～16m3/t，平均為14.1m3/t；Cl—Na帶（5口井）現(xiàn)今含氣量為12～15m3/t，平均為14.1m3/t，蘭氏方程計(jì)算原始含氣量為10～16m3/t，平均為14.3m3/t（圖7），韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場區(qū)帶由東部的HCO3—Na 帶、HCO3—Cl—Na 帶、SO4—Cl—Ca—Na 帶至西部的Cl—Na帶，煤層氣含氣量逐漸增高，說明HCO3—Na帶活躍的水動(dòng)力特征導(dǎo)致煤層氣藏的含氣量降低，不利于煤層氣的富集，Cl—Na帶弱水動(dòng)力特征有利煤層氣的富集，有利于煤層氣資源勘探開發(fā)。

圖7 不同水化學(xué)場區(qū)帶煤層平均含氣量柱狀圖

3.2 水化學(xué)場對煤層氣產(chǎn)量的控制作用

煤層氣產(chǎn)出機(jī)理為排水—降壓—?dú)怏w解吸，通過水化學(xué)場分析結(jié)果結(jié)合249口井生產(chǎn)現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，HCO3—Na帶（10口井）平均產(chǎn)水量為9.92m3/d，HCO3—Cl—Na帶（212口井）平均產(chǎn)水量為5.64m3/d，SO4—Cl—Ca—Na帶（10口井）平均產(chǎn)水量為3.62m3/d，Cl—Na帶（17口井）平均產(chǎn)水量為1.61m3/d（圖8)；HCO3—Na帶平均產(chǎn)氣量為235m3/d，HCO3—Cl—Na帶平均產(chǎn)氣量為598m3/d，SO4—Cl—Ca—Na帶平均產(chǎn)氣量為1056m3/d，Cl—Na帶平均產(chǎn)氣量為1983m3/d（圖9）。由此可見，韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場區(qū)帶由東部的HCO3—Na帶、HCO3—Cl—Na帶、SO4—Cl—Ca—Na帶至西部的Cl—Na帶，煤層氣井產(chǎn)量逐漸變高，說明HCO3—Na帶活躍的水動(dòng)力特征不僅導(dǎo)致煤層氣藏的含氣量降低，而且排水降壓過程中煤層水較高的供給能力導(dǎo)致煤層氣井難以形成有效的壓降面積，不利于煤層氣的解吸，煤層氣井不會(huì)獲得高產(chǎn)；而Cl—Na帶弱水動(dòng)力特征不僅利于煤層氣的富集，而且排水過程易形成有效的壓降面積，煤層氣井易獲得高產(chǎn)。

圖8 不同水化學(xué)場區(qū)帶產(chǎn)水量柱狀圖

圖9 不同水化學(xué)場區(qū)帶產(chǎn)氣量柱狀圖

4 結(jié)論

(1）韓城煤層氣田11號(hào)煤層水型差異明顯，主要分為礦化度小于1000mg/L—NaHCO3型水、礦化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水、礦化度3000～10000 mg/L—Na2SO4型水和礦化度大于10000mg/L—CaCl2型水，其中以礦化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水為主。

(2）韓城煤層氣田11號(hào)煤層水形成環(huán)境不同，分為原生沉積水與地表滲入水混合的大陸環(huán)境、水文地質(zhì)封閉性由差向好的過渡環(huán)境、以溶濾水為主的巖溶環(huán)境和以原生沉積封存水為主的深成環(huán)境；成因主要為淡水淋濾作用、混合作用、溶濾作用和濃縮作用4類。

(3）韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場分為HCO3—Na 帶、HCO3—Cl—Na 帶、SO4—Cl—Ca—Na 帶、Cl—Na帶4個(gè)帶，不同區(qū)帶煤層水成因及分布位置不同。

(4）韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)場控制著煤層氣的富集和產(chǎn)出，其中Cl—Na帶有利于煤層氣富集，煤層氣井產(chǎn)能效果好，HCO3—Na帶不利于煤層氣富集，煤層氣井產(chǎn)能效果差。

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