煤層氣井產(chǎn)出水化學(xué)特征及水化學(xué)場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

劉 賀，羅 勇，雷坤超，孔祥如，趙 龍，王新惠，齊鳴歡

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，氣體一般呈吸附態(tài)賦存在煤孔隙表面。水文地質(zhì)條件是煤層氣生成、運(yùn)移、富集成藏的重要影響因素之一，也直接控制著煤層氣地面井開發(fā)的排水→降壓→解吸→擴(kuò)散→滲流→產(chǎn)出的模式[1]。煤系地層水的化學(xué)特征以及氣井排水降壓過(guò)程中水化學(xué)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化可以從本質(zhì)上反映煤層水的賦存及流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于了解煤系地層水動(dòng)力狀態(tài)和指導(dǎo)煤層氣井的排采工藝具有重要的研究意義[2-4]。

劉會(huì)虎等以沁水盆地南部樊莊區(qū)塊生產(chǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)為例，發(fā)現(xiàn)地層水中離子濃度除受地層水來(lái)源、礦物和離子性質(zhì)影響外,還受區(qū)域井間干擾形成條件下煤層氣井產(chǎn)出地層水的流體場(chǎng)影響[5]。張松航等通過(guò)研究柿莊南區(qū)塊煤層水化學(xué)類型，確定了煤層氣井產(chǎn)出水反映原始含水層或補(bǔ)給水層水化學(xué)特征的基本標(biāo)準(zhǔn)[6]。衛(wèi)明明等揭示了沁水盆地南部煤層氣田產(chǎn)出水主要來(lái)源于古大氣降水(上新世和早更新世大氣降水)和現(xiàn)代大氣降水[7]。時(shí)偉等通過(guò)對(duì)山西組3號(hào)主采煤層主要離子濃度進(jìn)行測(cè)定,分析了離子濃度和氫氧同位素展布特征[8-9]。劉世奇等為了探討煤層氣井排采控制指標(biāo),以沁水盆地南部高階煤為研究對(duì)象,基于氣-水相對(duì)滲透率試驗(yàn)和滲流物理仿真模擬,探討了宏觀與微觀滲流網(wǎng)絡(luò)中氣-水相對(duì)滲透率變化機(jī)制,并進(jìn)一步闡述了煤儲(chǔ)層氣、水產(chǎn)出過(guò)程[10]。李超等基于沁水盆地南部某高煤階煤層氣井勘探與開發(fā)動(dòng)態(tài)資料,分析了其氣、水產(chǎn)出特征的差異,探討了其形成的地質(zhì)控制機(jī)制[11]。李劍等通過(guò)研究韓城煤層氣田11號(hào)煤層水化學(xué)成分的變化規(guī)律,確定了該煤層水主要水化學(xué)類型，并結(jié)合構(gòu)造特征將水化學(xué)場(chǎng)劃分為不同構(gòu)造帶[12]。

前人在沁南煤層水水化學(xué)類型、氫氧同位素特征等水化學(xué)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律方面做了大量研究，取得了豐碩成果，但大部分停留在單個(gè)區(qū)塊或點(diǎn)上，對(duì)于該區(qū)域整體水化學(xué)場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、產(chǎn)水產(chǎn)氣相關(guān)關(guān)系等缺少進(jìn)一步研究，沁水盆地南部是現(xiàn)今我國(guó)煤層氣商業(yè)化開發(fā)最為成功的地區(qū)，該地區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)理論與實(shí)踐對(duì)于中國(guó)其他地區(qū)煤層氣的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義[13]。所以有必要對(duì)整個(gè)沁水盆地南部地區(qū)的煤儲(chǔ)層產(chǎn)出水化學(xué)特征及其在氣井排采過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)煤層產(chǎn)出水化學(xué)場(chǎng)與滲流場(chǎng)和壓力場(chǎng)之間關(guān)系的分析方法，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

沁水盆地分布在山西省與山東、河北交界的東南部，整體構(gòu)造為大型復(fù)式向斜。沁水盆地南部指二崗山斷層以南的翹起端，西南為中條山，西鄰霍山，東臨太行山，含煤面積6 200 km2。沁水盆地南部全區(qū)可采煤層主要為石炭系的太原組15號(hào)煤層和二疊系山西組3號(hào)煤層(圖1)。沁水盆地是一個(gè)具有獨(dú)立水文地質(zhì)單元的地下水外流型盆地，地下水系統(tǒng)較多，由于地下分水嶺的存在，可以將其分為南部和北部地下水系統(tǒng)，兩個(gè)水利系統(tǒng)相互獨(dú)立，無(wú)水力聯(lián)系[14]。南部煤系地層水位范圍為550～800 m。該區(qū)地下水系統(tǒng)全部是單向流子系統(tǒng)，主要分布在樊莊、潘莊、鄭莊、柿莊、沁南、趙莊等區(qū)塊。其中，汾河及其支流為沁水盆地的主要地表水系。對(duì)沁水盆地南部煤層氣開采有顯著影響的含水層組主要包括山西組3號(hào)煤層的上覆砂巖裂隙含水層、太原組15號(hào)煤層上覆灰?guī)r巖溶裂隙含水層組及下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

2 水樣采集與測(cè)試

以沁水盆地南部主產(chǎn)氣的山西組3號(hào)和太原組15號(hào)煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象，對(duì)樊莊、潘莊、鄭莊、柿莊、沁南、趙莊等區(qū)塊內(nèi)多個(gè)煤層氣生產(chǎn)井以及區(qū)內(nèi)部分煤礦區(qū)礦井水進(jìn)行了近300 d、100個(gè)水樣長(zhǎng)期連續(xù)的水樣采集，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室樣品水質(zhì)分析，具體化驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

圖1 沁水盆地南部水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile for the southern Qinshui Basin

區(qū)塊平均pHNa++K+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3CO2-3TDS/(mg·L-1)水型沉積環(huán)境樊莊3號(hào)煤8.6676.95.01.7392.84.21 085.2114.8/HCO3—Cl·Na滯流區(qū)樊莊-鄭莊3號(hào)煤8.1570.72.80.8220.12.8976.296.51 849.6HCO3—Na滯流區(qū)潘莊3號(hào)煤8.3821.311.37.7322.2189.31 313.7/2 742.4HCO3—Cl·Na滯流區(qū)柿莊3號(hào)煤8.5499.34.13.0379.386.9549.536.61 532.9HCO3—Cl·Na滯流區(qū)柿莊15號(hào)煤8.3441.83.72.7262.756.9619.332.11 413.4HCO3—Cl·Na滯流區(qū)安澤3號(hào)煤/1 658.425.026.51 341.116.91 527.3/4630.8Cl—Na滯流區(qū)安澤3號(hào)+15號(hào)煤/1 611.959.434.63 288.333.51 106.0/6 121.3Cl—Na滯流區(qū)安澤15號(hào)煤/898.97.711.2319.410.0872.9/2 146.0HCO3—Na滯流區(qū)寺河2號(hào)礦15號(hào)煤層頂板K2灰?guī)r水/288.33.52.453.225.0622.522.41 018.8HCO3—Na弱徑流區(qū)書院礦15號(hào)煤層頂板K2灰?guī)r水/300.413251.232.7540.9345.41.21 692.6HCO3—Ca·Na中等徑流區(qū)王臺(tái)鋪礦15號(hào)煤層頂板K2灰?guī)r水/323.932.417.7193.6148.8504.012.71 023.5HCO3—Cl·Na弱徑流區(qū)潘2井3、9、15號(hào)煤7.9704.77.62.8123.41.01 601.545.71 756HCO3—Cl·Na弱徑流區(qū)常村礦 3 號(hào)煤7.7319.52.82.838.9105.8666.50.0836HCO3—Na弱徑流區(qū)沁新礦 2 號(hào)煤7.5421.013.86.430.621.41 113.50.01 086HCO3—Na弱徑流區(qū)黃丹溝礦 9 號(hào)煤7.655.663.636.519.127.8459.70.0440HCO3—Ca弱徑流區(qū)

注：“/”代表未檢測(cè)

表2 沁水盆地南部煤層水穩(wěn)定同位素測(cè)定結(jié)果Table 2 Stable isotope of the coal seam water in thesouthern Qinshui basin

續(xù)表

3 水化學(xué)成分及類型的動(dòng)態(tài)分析

3.1 水化學(xué)成分動(dòng)態(tài)變化

沁南3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，同時(shí)還包含部分砂質(zhì)泥巖，在無(wú)構(gòu)造影響下，幾乎不與其他含水層發(fā)生水力聯(lián)系。3號(hào)煤層排采初期排出的水主要是前期施工中侵入(或注入)煤層的鉆井液、壓裂液以及煤層本身的水，是導(dǎo)致排采初期溶解性總固體以及各離子濃度較高、水型相對(duì)復(fù)雜的原因。隨著排采的繼續(xù)，前期的鉆井液和壓裂液基本排出，水中離子濃度也趨于正常，此時(shí)可對(duì)煤層水化學(xué)特征進(jìn)行研究。

圖2 ZY-168井3號(hào)煤產(chǎn)出水地球化學(xué)動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Change in geochemistry of the 3# coal produced water from the ZY-168 well

盡管15號(hào)煤層頂板為灰?guī)r含水層，產(chǎn)出水水化學(xué)特征不同于3號(hào)煤層，但其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律總體上與3號(hào)煤層相似(圖3)。需要注意的是，在穩(wěn)定階段，15號(hào)煤層氣井產(chǎn)出水溶解性總固體緩慢下降至1 000 mg/L；而3號(hào)煤層氣井產(chǎn)出水溶解性總固體是穩(wěn)定或是緩慢上升的，這是由于15號(hào)煤層頂板灰?guī)r水大量產(chǎn)出造成的。

圖3 TS-002井15號(hào)煤產(chǎn)出水地球化學(xué)動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Change in geochemistry of the 15# coal produced water from the TS-002 well

3.2溶解性總固體與各離子的關(guān)系

根據(jù)離子與溶解性總固體的關(guān)系研究確定水中的主要離子以及判斷地下水離子來(lái)源。

(1)Cl-離子

Cl-離子是水中最穩(wěn)定的離子。3號(hào)、15號(hào)煤層產(chǎn)水氯離子均隨溶解性總固體的增加而增加，受環(huán)境和周圍含水層的影響較小(圖4a)。故氯離子與溶解性總固體均可作為煤層水示蹤劑，判斷地下水的補(bǔ)給、徑流和滯流情況。但在排采初期井會(huì)遭受壓裂液等工業(yè)污染，氯離子變化較大，因此要綜合分析地下水所處的環(huán)境。

圖4 溶解性總固體與各離子濃度關(guān)系Fig.4 Relationship between salinity and ion concentrations

(4)Na+、K+離子

由于K+離子和Na+離子的來(lái)源和性質(zhì)相近，并且K+離子含量遠(yuǎn)低于Na+離子，所以一般情況下將K+離子歸到Na+離子中，不另外區(qū)分。Na+離子是兩煤層產(chǎn)出水的主要陽(yáng)離子，由圖4(d)可知，兩煤層的Na+、K+離子均與溶解性總固體呈較好的正相關(guān)性，Na+、K+離子的含量與溶解性總固體成正比。

(5)Ca2+、Mg2+離子

Ca2+、Mg2+離子也有相近的來(lái)源和性質(zhì)，主要來(lái)自碳酸鹽類沉積物和石膏。兩煤層產(chǎn)出水中Ca2+、Mg2+離子與溶解性總固體呈現(xiàn)的關(guān)系如圖4(e)、4(f)。3號(hào)煤層的Ca2+、Mg2+離子與溶解性總固體正相關(guān)性較好，而15號(hào)煤層相關(guān)性較差。3號(hào)煤層產(chǎn)出水中Ca2+、Mg2+離子濃度隨著溶解性總固體的增加而增加，可能是由于溶解性總固體高，Cl-離子濃度不斷增加，而CaCl2、Mg2+的溶解度比較大，導(dǎo)致Ca2+、Mg2+離子濃度增加。

3.3 水類型和各離子特征

圖5 沁南各井Piper三線圖Fig.5 Piper diagram showing samples from the CBM wells in the Southern Qinshui Basin

圖6 沁南三個(gè)區(qū)塊代表井Piper三線圖Fig.6 Piper diagram showing samples from the CBM wells in the three blocks in the Southern Qinshui Basin

選取柿莊區(qū)塊15號(hào)煤層TS-002井、3號(hào)煤層ZY-168井、樊莊3號(hào)煤層JS1井、潘莊3號(hào)煤層PE-055井進(jìn)一步研究，由圖6可知，柿莊區(qū)塊和樊莊區(qū)塊均屬于Ⅲ區(qū)，是SO4—Na或Cl—Na型水，唯一差別較大的是柿莊區(qū)塊15號(hào)煤層水相對(duì)分散，大部分落在堿及弱酸根為主的區(qū)域，這可能是由于15號(hào)煤層接受頂板灰?guī)r水補(bǔ)給相對(duì)充分，與灰?guī)r發(fā)生離子交換作用較多的原因造成的，兩個(gè)區(qū)塊的3號(hào)煤層水則相對(duì)一致，落在堿及強(qiáng)酸根為主的區(qū)域；潘莊區(qū)塊大部分落于Ⅱ區(qū)底部，屬于HCO3—Na型水，潘莊區(qū)塊不同于其他柿莊、樊莊區(qū)塊，是由于與區(qū)塊間相距較遠(yuǎn)，沒有水力聯(lián)系，也和水巖相互作用過(guò)程中徑流強(qiáng)度、程度不同有關(guān)，使得在進(jìn)化過(guò)程中的兩者也有一定的差異。

4 穩(wěn)定同位素特征

全國(guó)大氣降水方程為：δD=7.9δ18O+8.2，而研究區(qū)的大氣降水方程為：δD=8.18δ18O+10.5。將表2整理，按照全國(guó)和研究區(qū)的大氣降水方程分別對(duì)3號(hào)煤層和15號(hào)煤層產(chǎn)出水中δD和δ18O繪制關(guān)系圖，見圖7。3號(hào)煤層與15號(hào)煤層大部分δD和δ18O值分布比較集中，3號(hào)煤層在大氣降水線兩側(cè)附近均有分布，而15號(hào)煤層則主要集中在大氣降水線上方，這從另一個(gè)方面表明兩個(gè)煤層產(chǎn)出水的補(bǔ)給來(lái)源是一樣的，大部分補(bǔ)給是通過(guò)大氣降水實(shí)現(xiàn)的。個(gè)別井如寺河2號(hào)礦、TS-011井、東峰3煤頂中δD和δ18O值偏離大氣降水線較大，說(shuō)明其含水層補(bǔ)給來(lái)源不是大氣降水。

圖7 研究區(qū)3號(hào)15號(hào)以及3號(hào)+15號(hào)煤層氣產(chǎn)出水δD和δ18O值相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Correlation between δD and δ18O from the 3#，15#and 3#+15# CBM produced water

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，選取的8口15號(hào)煤層產(chǎn)出水中δD變化不大，平均為-83.2‰，而δ18O值平均為-11.3‰；選取的20口3號(hào)煤層氣井的產(chǎn)出水δD平均為-79.6‰，δ18O平均為-10.9‰，均高于15號(hào)煤層；選取的6口3號(hào)和15號(hào)煤層合采井，δD和δ18O平均值分別為-83.5‰和-11.5‰，與15號(hào)煤層產(chǎn)出水接近，說(shuō)明15號(hào)煤層產(chǎn)出水對(duì)3號(hào)煤層產(chǎn)出水的影響較大；在以河流為代表的地表水中，δD為-62.5‰，δ18O為-8.8‰。由以上統(tǒng)計(jì)的水同位素值可以發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的變淺，δD和δ18O值是變高的，說(shuō)明垂向上是有分層規(guī)律的。

15號(hào)煤層產(chǎn)出水的δD和δ18O與15號(hào)煤層頂板水的δD和δ18O相差較大，說(shuō)明區(qū)內(nèi)8口井產(chǎn)出水沒有接受15號(hào)煤層頂板水的補(bǔ)給，而ZY-173、TS-288、膠帶上山1 130 m和3 106巷700 m產(chǎn)出水的δD和δ18O非常接近3號(hào)煤層頂板水，說(shuō)明水源來(lái)自3號(hào)煤層頂板水。15號(hào)煤層產(chǎn)出水δD和δ18O值由低到高依次為TS-624、ZY-243、TS-623、TS-004、TS-625、TS-006、TS-003和TS-626，根據(jù)前面所說(shuō)的同位素垂向分布特性，說(shuō)明這幾口井的埋深是依次變淺的。由于15號(hào)煤層產(chǎn)出水與3號(hào)和15號(hào)煤層合采井的產(chǎn)出水δD和δ18O接近，故考慮15號(hào)煤層產(chǎn)出水的補(bǔ)給來(lái)源是3號(hào)煤層和15號(hào)煤層頂板的混合水。

5 水化學(xué)特征與產(chǎn)能關(guān)系研究

在前面產(chǎn)出水階段劃分、化學(xué)成分特征與成因機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究煤層氣井產(chǎn)能與水化學(xué)成分的關(guān)系。10口井的平均溶解性總固體和產(chǎn)氣量見表3。

由圖8可知，溶解性總固體與產(chǎn)氣量較好的正相關(guān)性，瓦斯含量與溶解性總固體之間有著緊密的關(guān)系，在高煤階地區(qū)，較高的溶解性總固體有利于煤層瓦斯儲(chǔ)集；越是低洼、水動(dòng)力條件好、水流逸散變化較小的地區(qū)，溶解性總固體越高，越能夠富集煤層氣。這十口井氣產(chǎn)量不同，是由于溶解性總固體有很大差別，溶解性總固體高的井如ZY-268的產(chǎn)氣量也高，而其他井溶解性總固體低，氣產(chǎn)量也就低。

表3 ZY-246等10口井平均產(chǎn)水量、溶解性總固體和產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)Table 3 Data of the average yielding salinity and gas production from ten wells including the ZY-246 wells

圖8 ZY-246等10口井溶解性總固體與產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.8 Relationship between salinity and gas production from ten wells including the ZY-246 well

6 結(jié)論

(1)通過(guò)水化學(xué)成分Piper三線圖，柿莊區(qū)塊3號(hào)和15號(hào)煤層產(chǎn)出水是SO4—Na或Cl—Na型水，海水、鹽水或熱水水質(zhì)，樊莊3號(hào)煤晉城兩口代表井屬于HCO3—Na型水，是深層地下水的水質(zhì)，潘莊與樊莊3號(hào)煤層水性質(zhì)相近，樣品點(diǎn)的分布位置表明，兩個(gè)區(qū)塊水力聯(lián)系密切。

(2)通過(guò)同位素分析可知，3號(hào)煤層與15號(hào)煤層大部分中δD和δ18O值分布比較集中，3號(hào)煤層在大氣降水線附近兩側(cè)均有分布，而15號(hào)煤層則主要集中在大氣降水線上方，表明兩個(gè)煤層產(chǎn)出水均受大氣降水補(bǔ)給。山西組3號(hào)煤層產(chǎn)出水δD與δ18O均高于太原組15號(hào)煤層，但低于以河流為代表的地表水。所以隨著埋深的變淺，δD和δ18O值顯示出遞增的趨勢(shì)。由3號(hào)和15號(hào)煤層合采井產(chǎn)出水的δD和δ18O與15號(hào)煤層氣井產(chǎn)出水接近，推測(cè)15號(hào)煤層產(chǎn)水量較3號(hào)煤層大，合采時(shí)產(chǎn)出水以15號(hào)煤層水為主。