潞安礦區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水地球化學(xué)特征及意義

華明國 ，田 林 ，張 燕 ，李 佳 ，曹永恒

(1.潞安化工集團(tuán)有限公司，山西 長治 046200；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；3.焦作市非常規(guī)天然氣開發(fā)工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454003)

潞安礦區(qū)煤層氣開發(fā)始于1997 年，自“十二五”開始進(jìn)入規(guī)?；_發(fā)階段，在13 個高瓦斯礦井累計實施地面煤層氣井超過1 000 口，先后試驗了活性水壓裂、氮氣泡沫壓裂、氮氣伴注活性水壓裂及酸化壓裂等多種增產(chǎn)工藝。潞安礦區(qū)煤層氣最高產(chǎn)量出現(xiàn)在余吾井田，達(dá)到3 400 m3/d，在高河、古城、五陽等井田也有產(chǎn)量超過1 000 m3/d 的井零星出現(xiàn)，但整體上，全區(qū)的煤層氣井產(chǎn)量較低，平均300～500 m3/d。主要原因是，潞安礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，儲層壓力低、滲透率低、含氣飽和度低，且低壓和低滲相互作用，為煤層氣增產(chǎn)高效開發(fā)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代地下水動力條件與煤層氣聚散特征密切相關(guān)，一方面是制約煤層氣成藏效應(yīng)的關(guān)鍵要素之一，另一方面影響到煤層氣產(chǎn)出驅(qū)動力的高低[1-2]。煤層氣井產(chǎn)出水在不斷徑流過程中與煤層及圍巖發(fā)生各種物理、化學(xué)和生物作用，產(chǎn)出水的組成和性質(zhì)蘊藏了豐富的地球化學(xué)信息[3]，因此，在大部分盆地中，地下水的離子含量可直接反映離子交換、運移、流過的介質(zhì)以及地下水排泄過程[4-5]。在含氣系統(tǒng)地下水匯流的地區(qū)，煤儲層能量積聚，煤層氣富集，具有形成高壓煤儲層的水文地質(zhì)條件。因此，研究地下水中離子的變化特征對指導(dǎo)煤層氣勘探、測試和開發(fā)具有重要意義[6-7]。

目前，人們對煤層氣井產(chǎn)出水地球化學(xué)特征進(jìn)行了大量研究，集中闡明了礦化度[8]、常規(guī)離子[9-10]、微量元素[11-12]和H/O 同位素[13-15]等的成因機(jī)理，對煤層氣勘探開發(fā)起到了一定推動作用。但是，針對沁水盆地中南段潞安礦區(qū)復(fù)雜斷層?褶皺帶條件下的煤層氣井產(chǎn)出水地球化學(xué)特征研究較少。

潞安礦區(qū)煤儲層的低壓特征與煤層埋深和底板高程具有線性相關(guān)性，影響煤儲層壓力區(qū)域性分布規(guī)律的控制性地質(zhì)因素是辛安泉域地下水流場。鑒于煤層氣水文地質(zhì)條件分析伴隨煤層氣成藏、運移及產(chǎn)出的全過程，且煤層氣井產(chǎn)出水的地化特征對區(qū)域水文地質(zhì)條件具有重要指示作用，筆者通過分析潞安礦區(qū)山西組3 號煤層中地層水的化學(xué)特征，擬合并印證潞安開發(fā)區(qū)中煤層氣的富集區(qū)域，為下階段研究區(qū)煤層氣開發(fā)的宏觀布置及排采提供了理論依據(jù)。

1 潞安礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 含煤地層及地質(zhì)構(gòu)造

石炭–二疊系是潞安礦區(qū)的主要含煤地層，主要由碳酸鹽巖、各類碎屑巖和煤層組成，平均厚度約158.74 m。其中石炭?二疊系太原組103.6 m[16]，二疊系山西組51.15 m。山西組下部的3 號煤層為中高變質(zhì)程度的貧–瘦煤，厚度約6 m，是該地區(qū)目前煤層氣開發(fā)的主力煤層。

潞安礦區(qū)位于沁水盆地中南部，整體為一單斜構(gòu)造，走向NE–SN，傾向西，地層傾角5°～10°。礦區(qū)面積約3 044 km2，主要包括北部五陽井田，中部的常村井田、余吾井田、古城井田，南部的高河井田和李村井田六大主力生產(chǎn)礦井。北部以西川斷層為界，南部以莊頭斷層為界，東部邊界為太原組15 號煤層露頭，西部邊界為人為劃定的15 號煤1 500 m 埋深線(圖1)。預(yù)測全礦區(qū)煤層氣資源量3.347×1011m3，是我國大型煤層氣田之一。煤礦開采中大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，五陽井田、古城井田和高河井田北部瓦斯含量較其他區(qū)域偏高，屬于煤層氣開發(fā)的甜點區(qū)域。

礦區(qū)內(nèi)自南向北依次發(fā)育莊頭斷層、看寺斷層、二崗山斷層、西魏斷層、藕澤斷層、安昌斷層、文王山斷層和西川斷層等NEE 走向的正斷層，在區(qū)域內(nèi)對地層水和瓦斯具有明顯的控制性作用。區(qū)域內(nèi)褶皺構(gòu)造整體屬于次一級構(gòu)造，走向以近SN 向為主，平行區(qū)域單斜走向，并呈背向斜相間平行發(fā)育；二崗山以南區(qū)域發(fā)育一系列走向NNE–NE 的小型褶皺，呈雁行排列，北斂南撒[17]。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)

潞安礦區(qū)位于辛安泉域南部長治盆地，屬于海河水系清漳河和濁漳河流域。辛安泉域的主要含水層為下古生界奧陶系中奧陶統(tǒng)，主要由碳酸鹽巖和硫酸鹽巖混合建造。

區(qū)內(nèi)的主要含水層組包括4 類。①中奧陶統(tǒng)含水層組，由石灰?guī)r、泥灰?guī)r等組成，總厚400～600 m，自下而上分為下馬家溝組(厚82～158 m)、上馬家溝組(厚223～308 m)和峰峰組(厚94～199 m)。② 太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組，太原組厚32～124 m，主要含水層由其間3～6 層石灰?guī)r組成，屬巖溶裂隙水。水質(zhì)類型屬型。③碎屑巖類含水層組，主要包括二疊系和三疊系的陸相碎屑巖，由砂巖、砂質(zhì)泥巖夾煤層等組成，厚度320～435 m，水質(zhì)類型屬型。④ 松散巖類含水層組：由第四系松散沉積物組成，厚度變化較大，最大三百余米[16]。

地下水補給主要來自東部寒武–奧陶系裸露區(qū)的大氣降水補給，其次來自煤系的垂直補給[18](圖2)。

圖2 潞安礦區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)Fig.2 Regional hydrological map of Lu’an Mining Area

2 潞安礦區(qū)3 號煤儲層水化學(xué)特征

2.1 樣品采集與基礎(chǔ)實驗

實驗樣品主要來自礦區(qū)內(nèi)煤層氣井產(chǎn)出水，目標(biāo)層是二疊系山西組3 號煤層。為全面客觀反映礦區(qū)地層水的化學(xué)特征，在潞安礦區(qū)從北至南采集了五陽井田、余吾井田、常村井田、李村井田和高河井田等5座主體礦井的水樣59 組，從煤層氣井排采水管末端取水樣，并用專用封孔膜密封保存。現(xiàn)場使用溫度計測量水樣溫度，采用SX-620 型測試筆測試水樣pH 值，采用DDB-305 電導(dǎo)率儀測試水樣電導(dǎo)率及礦化度。

在河南理工大學(xué)礦山環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)河南省重點實驗室培育基地開展K+、Na+、Ca2+、Mg2+、等多種離子濃度測試。離子濃度測試前利用2XZ-1 型旋片真空泵和規(guī)格為直徑50 mm、孔徑為0.45 μm 的混合纖維素微孔濾膜對水樣進(jìn)行預(yù)過濾處理，而后分別采用分光光度法和滴定法測試離子濃度，測試方法及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 離子濃度測試方法Table 1 Testing method for ion concentration

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1礦化度

礦化度(TDS)和水化學(xué)類型密切相關(guān)，通常礦化度低的淡水區(qū)，為重碳酸鹽或硫酸鹽型水，咸水區(qū)則多為氯化物型和硫酸鹽型水[19]。潞安礦區(qū)3 號煤層水的補給來源為大氣降水，而地下水的徑流途徑和距離的長短是決定水化學(xué)成分及礦化度的主要因素[20]。本次實驗對59 組水樣進(jìn)行礦化度分析，結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 實驗水樣礦化度分析結(jié)果Table 2 Analysis results of salinity of water samples

從測試結(jié)果看，潞安整個礦區(qū)3 號煤層水的礦化度大小順序為：五陽>余吾>高河>李村>常村。3 個高礦化度區(qū)，分別位于在五陽擴(kuò)區(qū)、余吾西南部、高河北部–古城井田；1 個低礦化度區(qū)域，位于常村和余吾井田中東部(圖3)。

圖3 潞安礦區(qū)3 號煤儲層水礦化度等值線Fig.3 Contour map of water salinity in No.3 coal seam

五陽井田水的礦化度在整個研究區(qū)最大，最大值位于天倉向斜，由北向南逐漸降低，在文王山斷層附近降低，說明地下水來自天倉向斜以北，并向南部的文王山斷層流動。余吾井田西部分布第2 個高礦化區(qū)，向余吾井田東部和常村井田方向礦化度逐漸降低，說明地下水可能從文王山斷層和常村井田向西流動，在余吾西部形成1 個滯流區(qū)域，礦化度低于五陽井田。常村井田內(nèi)的低礦化度區(qū)是潞安礦區(qū)中最低的，可能處于中段水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)，地下水從東向西流動。位于二崗山斷層以南的高河井田和李村井田，在高河井田東北部形成第3 個高礦化度區(qū)，該區(qū)域與北部的古城井田連成一片，礦化度低于余吾西部，而在斷層帶附近為高礦化度區(qū)，說明二崗山斷層可能為封閉且不導(dǎo)水?dāng)鄬?，與中華–安昌斷層類似。

2.2.2H/O 同位素

同位素水文地球化學(xué)分析是研究地下水在時間和空間上演化規(guī)律的重要方法。為研究潞安礦區(qū)3 號煤層產(chǎn)出水的穩(wěn)定同位素特征，分別測試了該地區(qū)地表水和3 號煤層頂板水樣的H/O 同位素。測試結(jié)果見表3。由表中可知，地表水的δD=?63.55‰，δ18O=?8.85‰，3 號煤層產(chǎn)出水的δD為?84.2‰～?71.6‰，δ18O為?12.9‰～?10.9‰，3 號 煤層 頂 板 水 的δD=?81.1‰，δ18O=?10.5‰。

表3 試驗水樣H/O 同位素測試成果Table 3 H/O isotope test results of water samples

大氣降水的H/O 同位素組成具有很強的規(guī)律性，全球大氣降水的δD值平均?22‰，δ18O值為?4‰，二者服從δD=8δ18O+10，稱為“全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line，GMWL)”[21]。而潞安礦區(qū)大氣降水監(jiān)測站的統(tǒng)計結(jié)果表明，該區(qū)域的大氣降水方程為：δD=8.18δ18O+10.5[22]。將本次實驗中各采樣點的數(shù)據(jù)與全球大氣降水線和辛安泉域降水線作對比，發(fā)現(xiàn)本次實驗采集的地表水和地下水的δD和δ18O均落在大氣降水線附近(圖4)，這說明潞安礦區(qū)3 號煤層產(chǎn)出水的補給來源是大氣降水。

圖4 研究區(qū)H/O 同位素分布曲線Fig.4 The H/O isotope distribution in research area

2.2.3離子濃度

不同巖石(如碳酸巖、蒸發(fā)巖、硅酸巖)風(fēng)化可溶解釋放出不同的陰陽離子。例如碳酸巖、蒸發(fā)巖、硅酸巖的風(fēng)化可溶解稀釋出Ca2+和Mg2+，蒸發(fā)巖的溶解和硅酸巖的風(fēng)化可溶解釋放出Na+和K+，碳酸巖和硅酸巖的風(fēng)化可溶解稀釋出，而蒸發(fā)巖的風(fēng)化可溶解稀釋出Cl?和采用試劑滴定方法，對采集的59 組樣品進(jìn)行了主要離子濃度測試分析，結(jié)果見表4。

表4 潞安礦區(qū)3 號煤層主要離子濃度測試結(jié)果Table 4 Test results of main ion concentration of water samples from No.3 coal seam of Lu’an Mining Area

利用Piper 三線圖進(jìn)行水樣分類和水體總化學(xué)性質(zhì)分析，利用陰陽離子濃度表示水體的相對成分。由圖5 可知，五陽礦區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水位于Ⅱ區(qū)，屬于型水，顯示為深層地下水的水質(zhì)。余吾井田水質(zhì)類型與其他水樣的水質(zhì)明顯不同，地層產(chǎn)出水位于Piper 圖的右上部位，屬于Ⅲ區(qū)，也處于Ⅱ區(qū)內(nèi)，為型水。常村、李村、高河礦區(qū)位于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的分界處，特征離子不明顯，在圖上的位置彼此靠近，水質(zhì)類型為型水，可能屬于混合水水質(zhì)(圖5)。

圖5 潞安礦區(qū)3 號煤層水化學(xué)Piper 圖Fig.5 Hydrochemical Piper map of coal water samples from No.3 coal seam of Lu’an Mining Area

2.3 水化學(xué)特征的構(gòu)造控制作用分析

潞安礦區(qū)具有東西分帶、南北分段的構(gòu)造特征。潞安礦區(qū)位于沁水復(fù)式向斜東翼寬緩單斜上，向西以地層傾角3°～10°緩傾斜，其上發(fā)育一系列走向NE 和近SN 向褶皺，埋深自東向西增加。煤層氣含量一般隨煤層埋深的增加而增加，這也是潞安礦區(qū)煤層氣開發(fā)有利區(qū)東西向分帶的重要基礎(chǔ)。其次，北部文王山和南部二崗山NEE 向斷層系將礦區(qū)分為北、中、南3 段。北段為五陽井田，中段為常村、余吾、古城井田，南段為高河、李村井田。在中段南部發(fā)育有中華–安昌斷層系。這一區(qū)域構(gòu)造格局奠定了地下水的運移規(guī)律，并進(jìn)一步影響煤層氣的區(qū)域賦存規(guī)律。

(1) 潞安礦區(qū)地表水從東部太行山裸露巖層區(qū)向下運移至含煤地層和下部奧陶系含水層，而后在灰?guī)r系中向東出露地表，補給辛安泉域。兩條區(qū)域斷層文王山和二崗山斷層控制為地下水運移提供了通道，地下水在巖系上部向西運移時，文王山斷層是良好通道；而后地下水向東出露地表時，二崗山斷層系是主要通道。

(2) 研究區(qū)內(nèi)2 個區(qū)域斷層的開放性導(dǎo)水特征導(dǎo)致其附近煤層氣含量降低，遠(yuǎn)離斷層帶，煤層氣含量升高；地下水在擠壓性斷層中華–安昌斷層附近、天倉向斜和許村向斜軸部相對滯流，礦化度較高，是煤層氣富集區(qū)，也是潞安礦區(qū)煤層氣開發(fā)的優(yōu)選區(qū)。

3 結(jié)論

a.煤層產(chǎn)出水中的δD和δ18O值均落在該區(qū)大氣降水線附近，表明該區(qū)各含水層均有來自大氣降水的補給，且煤層中的水主要來源于大氣降水；礦區(qū)內(nèi)分布有3 個高礦化度區(qū)，分別位于五陽井田、余吾西南部、高河北部–古城井田，平均礦化度2 000～3 200 mg/L；1 個低礦化度區(qū)域，位于常村井田和屯留井田中東部，平均礦化度1 500 mg/L 。

b.研究區(qū)內(nèi)文王山斷層和二崗山斷層的展布特征決定了地下水的基本流動規(guī)律，在向斜軸部及擠壓斷層附近往往形成滯流區(qū)，地下水礦化度增加，煤層氣相對富集，是煤層氣開發(fā)的優(yōu)選區(qū)。

c.礦化度和礦區(qū)構(gòu)造特征表明，潞安礦區(qū)五陽井田、余吾西南部、高河北部–古城井田為該區(qū)煤層氣開發(fā)的有利區(qū)，潞安礦區(qū)煤層氣多年的開發(fā)實踐也證明了這一點。