大河邊向斜中深部煤層氣排采井地球化學(xué)特征研究

王少雷 趙福平 鄭鵬宇

摘? 要：本研究以大河邊向斜中深部煤層氣為研究對(duì)象，深入剖析該區(qū)塊資源潛力，探索合層排采精細(xì)化管理方法。運(yùn)用煤層氣地球化學(xué)分析方法對(duì)排采全過程進(jìn)行跟蹤分析，包括氣體組成、氣體中CH4碳?xì)渫凰亍⑺|(zhì)全分析及水中氫氧同位素等。通過跟蹤分析，為探明演化成因、地下水補(bǔ)給、隱伏斷層、通道結(jié)垢消除以及壓裂液礦化度等問題提供清晰認(rèn)識(shí)和改進(jìn)思路，最終論證該跟蹤分析方法是煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段，有望進(jìn)一步完善并規(guī)范化后廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤層氣排采；地球化學(xué)分析方法；高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)

1.項(xiàng)目概況

根據(jù)貴州省地勘資金項(xiàng)目安排，于2021年在貴州省六盤水市鐘山區(qū)大河鎮(zhèn)大河邊向斜空白區(qū)塊部署了涉及3口參數(shù)井的一組叢式井井組。該項(xiàng)目旨在系統(tǒng)探究該區(qū)塊內(nèi)煤層氣資源賦存規(guī)律及資源量，并深入開展多產(chǎn)層高效合層排采管控技術(shù)研究及工程實(shí)踐等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。本研究區(qū)煤層段埋深800至950m之間，主力層段為11#煤，上部包括1#、7#煤層，或者下部煤層包括12#、13#、14#、17#煤層。大叢1井組3口井采用光套管活性水壓裂工藝開展10個(gè)層段的壓裂施工，選用石英砂和陶粒作為裂縫支撐劑，活性水壓裂液施工排量7至10m3/min，累積注入壓裂液量9602m3，支撐劑量420m3。

為做好精細(xì)化排采管控，將大叢1井組排采過程劃分為8個(gè)階段，即試抽階段Ⅰ、控（流）壓排液階段Ⅱ、緩慢降（流）壓階段Ⅲ、控（套）壓產(chǎn)氣階段Ⅳ、降（流）壓提產(chǎn)階段Ⅴ、控（流）壓穩(wěn)產(chǎn)階段Ⅵ、產(chǎn)氣衰減階段Ⅶ和暴露（產(chǎn)層）提產(chǎn)階段Ⅷ。利用煤層氣地球化學(xué)分析方法對(duì)排采全過程進(jìn)行跟蹤分析，定期采集和化驗(yàn)分析煤層氣井產(chǎn)出的氣、水樣品，開展氣體組成（烴類及組成、非烴類氣體）、氣體中CH4碳?xì)渫凰?、水質(zhì)全分析（常量陽離子、陰離子、總硬度、總礦化度、總堿度、微量陽離子等）及水中氫氧同位素等分析。

2.采樣與測(cè)試

2.1水樣采集

本研究對(duì)大河邊向斜區(qū)域大氣降水、配壓裂液用水、壓裂液、井下煤層頂板淋水、中央水倉水、放溢流水及煤層氣井排采水進(jìn)行采樣測(cè)試。

（1）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試采樣

采集壓裂前煤層水、壓裂過程中壓裂液和壓裂液注入完成后、正常排采階段及放溢流過程中排采水每種6瓶（每口參數(shù)井各取兩瓶），測(cè)定常規(guī)離子、微量元素、溶解無機(jī)碳穩(wěn)定同位素及水中氫氧同位素；壓裂液注入完成后需考慮陽離子交替吸附作用在返排初期交換作用強(qiáng)烈，分別在返排初期的第1、2、3、4、5、14天進(jìn)行各參數(shù)口井取樣，進(jìn)行常規(guī)離子測(cè)試，壓裂液返排正常排采階段，采樣測(cè)試為排采前期一個(gè)月進(jìn)行1次，后期兩個(gè)月到三個(gè)月1次。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)測(cè)試采樣

現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)測(cè)試頻率為一天兩次，本研究現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選用C-600便攜式多功能水質(zhì)檢測(cè)儀、WGZ-1S濁度儀、PXS-CL氯離子計(jì)，進(jìn)行水質(zhì)pH、EC、TDS、鹽度、ORP指標(biāo)、S.G、濁度、Cl-測(cè)試。室內(nèi)測(cè)試選用戴安ICS-90型檢測(cè)陰離子，美國Vista MPX電感耦合等離子體－發(fā)射光譜儀檢測(cè)陽離子，NexION300電感耦合等離子體質(zhì)譜儀素檢測(cè)微量元，MAT253同位素質(zhì)譜儀檢測(cè)氫氧同位素儀器以及MAT253穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀檢測(cè)溶解無機(jī)碳。

2.2氣樣采集

本研究在放溢流時(shí)涌出氣、排采初期游離氣以及煤層氣井產(chǎn)氣三階段進(jìn)行參數(shù)井采氣，各參數(shù)井分別采集3袋氣體，使用Agilen 7890B氣相色譜儀、Thermo Scientific MAT 253氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀——?dú)庀嗌V及DI-MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀分別進(jìn)行氣體組分、甲烷碳?xì)渫凰匾约皻怏w二氧化碳同位素測(cè)定。

3 .樣品采集及分析成果

（1）pH值

pH值是一種標(biāo)志溶液酸堿度的單位，中性溶液pH值為7，大于7為偏堿性，小于7為偏酸性。大叢1井組合層排采過程中，各井產(chǎn)出水pH值變化如圖3所示。各井產(chǎn)出液pH值主要介于6.5—8.2之間。從各井情況對(duì)比來看，大叢1-3井煤儲(chǔ)層壓裂過程中施工壓力持續(xù)較低或存在施工壓力突降，判斷壓裂過程中與斷裂構(gòu)造帶溝通，因此在排采過程中有較強(qiáng)的偏堿性的滯留地下水補(bǔ)給，導(dǎo)致大叢1-3井產(chǎn)出液pH值明顯偏高；隨著排采進(jìn)行，一方面滯留地下水不斷被排出，使地表水間接補(bǔ)給作用增強(qiáng)，另一方面煤儲(chǔ)層中CO2氣體解吸溶于產(chǎn)出液，導(dǎo)致產(chǎn)出液pH值快速下降。

（2）ORP值

ORP指氧化還原電位，用來反映水溶液中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化還原性。氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)，氧化還原電位越低，還原性越強(qiáng)。電位為正表示溶液顯示出一定的氧化性，為負(fù)則表示溶液顯示出一定的還原性。大叢1井組合層排采過程中，各井產(chǎn)出水ORP值變化如圖4所示。

從各井情況來看，大叢1-1井壓裂施工未明顯溝通導(dǎo)水?dāng)鄬?，產(chǎn)出水ORP值相對(duì)較高；相比之下，大叢1-2井（影響較弱）、大叢1-3井（影響較強(qiáng)）均不同程度地受到臨近斷裂構(gòu)造帶導(dǎo)水的影響，產(chǎn)出水ORP值降低，隨著排采進(jìn)行，斷裂帶附近滯留地下水不斷被排出，使具氧化性的（高ORP值）地表水間接補(bǔ)給作用增強(qiáng)，導(dǎo)致大叢1-3井產(chǎn)出液ORP值快速升高，且明顯高于大叢1-2井、大叢1-3井。

（3）TDS值

TDS是常規(guī)離子在水中長期積累的綜合反應(yīng)，排采井經(jīng)過長期的排采，其產(chǎn)出水礦化度基本能代表原始地下水信息。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。大叢1井組合層排采過程中，各井產(chǎn)出水TDS值變化如圖5所示。從各井情況來看，大叢1-1井并未明顯受到導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊?，因此排采前期產(chǎn)出水以壓裂液為主，導(dǎo)致產(chǎn)出水中TDS值較高；相比之下，大叢1-2井、大叢1-3井受到導(dǎo)水?dāng)鄬硬煌潭鹊挠绊懠暗蚑DS地層水的混入，因此產(chǎn)出水TDS值相對(duì)較低。

（4）鹽度值

鹽度表示每千克水中所含的溶解的鹽類物質(zhì)的量（單位mg/L或ppm）。鹽度越高，表示水中所溶解的鹽類物質(zhì)越多。大叢1井組合層排采過程中，各井產(chǎn)出液鹽度變化如圖6所示。各井產(chǎn)出液鹽度與TDS值及其變化趨勢(shì)一致。分析認(rèn)為，各井產(chǎn)出液中所溶解的物質(zhì)以鹽類為主，包括壓裂過程中加入的KCl、陽離子交換作用置換出的NaCl、地層水中的NaHCO3等，且在排采初期產(chǎn)出水以KCl為主，排采一段時(shí)間后以NaCl為主，隨著煤層氣解吸及地層水補(bǔ)給增強(qiáng)，NaHCO3比例逐漸升高。從各井對(duì)比情況來看，大叢1-1井基本無地層水補(bǔ)給，以壓裂液為主要成分的排采產(chǎn)出液鹽度值較高；大叢1-3井受地層水補(bǔ)給強(qiáng)烈，因此產(chǎn)出液稀釋后鹽度值較低。

3.2水中常量離子濃度差異

（1）Ca2+

各井產(chǎn)出液中Ca2+濃度主要介于150.7至641.7 mg/L之間，且排采過程中各井Ca2+濃度均整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。從各井對(duì)比情況來看：大叢1井組各井產(chǎn)出液Ca2+濃度差別較大，大叢1-1井濃度最高，且2023年5月12日后Ca2+濃度突然下降，當(dāng)前產(chǎn)出液Ca2+濃度與大叢1-2井、大叢1-3井相當(dāng)，如圖7所示。分析認(rèn)為：產(chǎn)出液中Ca2+濃度與壓裂施工壓力存在一定關(guān)系，當(dāng)壓裂施工壓力高時(shí)，壓裂液與煤層中無機(jī)礦物在高壓條件下發(fā)生的陽離子交替吸附作用更強(qiáng)，陽離子交換程度高，導(dǎo)致K+與Na+、Ca2+、Mg2+發(fā)生的離子交換作用更徹底，因此大叢1-1井產(chǎn)出液中Ca2+濃度明顯升高；此外，大叢1-1井產(chǎn)出液中Ca2+濃度高還可能與地層水補(bǔ)給弱，未發(fā)生明顯的稀釋作用有關(guān)。

（2）Mg2+

各井產(chǎn)出液中Mg2+濃度主要介于13.2至87.6 mg/L之間，且排采過程中各井Mg2+濃度均整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。從各井對(duì)比情況來看：大叢1-1井濃度最高，且2023年2月17日后Mg2+濃度產(chǎn)生大幅波動(dòng)，當(dāng)前產(chǎn)出液Ca2+濃度與大叢1-2井相當(dāng)，如圖8所示。分析認(rèn)為：產(chǎn)出液中Mg2+濃度與壓裂施工壓力存在一定關(guān)系，當(dāng)壓裂施工壓力高時(shí)，壓裂液與煤層中無機(jī)礦物在高壓條件下發(fā)生的陽離子交替吸附作用更強(qiáng)，陽離子交換程度高，導(dǎo)致K+與Na+、Ca2+、Mg2+發(fā)生的離子交換作用更徹底，因此大叢1-1井產(chǎn)出液中Mg2+濃度明顯升高。此外，大叢1-1井產(chǎn)出液中Mg2+濃度高還可能與地層水補(bǔ)給弱，未發(fā)生明顯的稀釋作用有關(guān)。

（3）HCO3-

各井產(chǎn)出液中HCO3-濃度主要介于45至882 mg/L之間，且排采過程中各井HCO3-濃度均整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，如圖9所示。從各井對(duì)比情況來看：大叢1-3井濃度明顯低于大叢1-1井、大叢1-2井。大叢1-2井HCO3-濃度在排采過程中顯著升高，推測(cè)與地層水補(bǔ)給、煤層中CO2解吸溶解作用有關(guān)；大叢1-1井地層水補(bǔ)給弱，因此排采過程中HCO3-濃度升高幅度較??；大叢1-3井地層水補(bǔ)給主要為斷裂帶水而非煤系滯留態(tài)水，且解吸氣中CO2含量極低，因此排采過程中產(chǎn)出液HCO3-濃度無明顯升高。

（4）Cl-

各井產(chǎn)出液中Cl-濃度主要介于2473至8105 mg/L之間，且排采過程中各井Cl-濃度均整體呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，如圖10所示。從各井對(duì)比情況來看：大叢1井組各井產(chǎn)出液Cl-濃度差別較大，大叢1-1井濃度最高，大叢1-2井濃度次之，大叢1-3井濃度最低。分析認(rèn)為：大叢1-1井產(chǎn)出液中Cl-濃度高與地層水補(bǔ)給弱，壓裂液高濃度Cl-基本未被稀釋有關(guān)；與之相比，大叢1-2、大叢1-3井均不同程度受斷裂構(gòu)造導(dǎo)水的影響，導(dǎo)致壓裂液被稀釋及Cl-濃度相對(duì)較低。

3.3 產(chǎn)出液穩(wěn)定同位素特征差異

（1）氫穩(wěn)定同位素

各井產(chǎn)出液中δDV-smow主要介于-45.32至-23.53‰之間，且排采過程中各井產(chǎn)出液δDV-smow均呈現(xiàn)先變大、后變小的趨勢(shì)，如圖11所示。對(duì)比各井情況分析來看：大叢1-1井壓裂過程中施工壓力較高，壓裂液與煤中有機(jī)組分、無機(jī)礦物之間的同位素交換作用強(qiáng)，而且煤系地層水（低δDV-smow值）的補(bǔ)給、稀釋作用較弱，因此導(dǎo)致大叢1-1井排采過程中產(chǎn)出液δDV-smow值較大。

（2）氫氧穩(wěn)定同位素比值

氫氧同位素組成研究方法通常采用我國的大氣降水線方程δD=7.9δ18O+8.2，我國煤層氣井產(chǎn)出水氫氧同位素均分布在大氣降水線附近。各井產(chǎn)出液中δDV-smow/δ18OV-smow在排采初期主要位于貴州大氣降雨線上側(cè)；隨著排采進(jìn)行δDV-smow/δ18OV-smow移動(dòng)至貴州大氣降雨線下側(cè)，大叢1-1井偏離貴州大氣降雨線較遠(yuǎn)，如圖12所示，反映排采產(chǎn)出液基本不受大氣降水補(bǔ)給的影響；大叢1-2井、大叢1-3井與貴州大氣降雨線靠近（特別是大叢1-3井），反映煤層氣井產(chǎn)液受大氣降水的間接補(bǔ)給作用。

3.4 大叢1井組產(chǎn)出氣特征差異

煤層氣組成差異很大， 主要包含CH4， 重?zé)N氣 （C2+） ， CO2， N2等， 另外還含有一些微量組分：CO，H2S， He， Ar， Hg等。圖13所示，各井產(chǎn)出氣成分以CH4為主，含有少量的重?zé)N（C2+）、N2、CO2、He等氣體。

總體來看，各井產(chǎn)出氣中CH4含量變化不明顯，主要受氣體中N2含量變化的控制。各井解吸氣中重?zé)N（C2+）相對(duì)穩(wěn)定，在排采過程中重?zé)N（C2+）含量未觀察到大幅度變化。各井解吸氣中N2含量存在較大波動(dòng)，且整體上大叢1-1井N2含量呈下降趨勢(shì)，這與井筒附近煤儲(chǔ)層初期N2解吸量大、深度解壓時(shí)N2解吸量減少有關(guān)；分析認(rèn)為，大叢1-3井受斷裂構(gòu)造影響，排采過程中壓降漏斗擴(kuò)展范圍大，導(dǎo)致斷裂構(gòu)造帶附近活動(dòng)的地下水?dāng)y帶少量N2持續(xù)補(bǔ)給，大叢1-1井受周圍斷裂構(gòu)造的影響弱，氣體保存條件良好，因此煤層及頂?shù)装逯写嬖谙鄬?duì)較多的不吸附呈游離狀態(tài)存在的He，導(dǎo)致大叢1-1井He含量偏高。

3.5甲烷穩(wěn)定同位素特征差異

結(jié)合Whiticar煤層氣成因分類圖版分析大叢1井組各井煤層氣成因，如圖14所示，碳?xì)浞€(wěn)定同位素比值大叢1-1井、大叢1-2井產(chǎn)出CH4 δ13C1/δD聚集且交疊，在圖版中被判識(shí)為熱成因氣，煤層中解吸的CH4為煤中有機(jī)質(zhì)在熱降解、熱裂解作用下產(chǎn)生。大叢1-3井產(chǎn)出CH4 δ13C1/δD比值點(diǎn)主要位于混合成因氣范圍，大叢1-3井煤層解吸甲烷來源于煤中有機(jī)質(zhì)熱降解、熱裂解成因及次生生物成因（斷裂構(gòu)造導(dǎo)水條件下產(chǎn)甲烷微生物活動(dòng)成因）。此外，結(jié)合大叢1-3井重?zé)N（C2+）、N2及CO2含量低的特征，大叢1-3井部分CH4為厭氧微生物消耗重?zé)N（C2+）、CO2等氣體所產(chǎn)生。

4 .結(jié)論

該分析方法在大叢1井組取得成功應(yīng)用，為煤層氣演化成因、地下水補(bǔ)給、隱伏斷層、通道結(jié)垢消除、壓裂液配伍性等提供了清晰認(rèn)識(shí)和改進(jìn)思路，為排采現(xiàn)象認(rèn)識(shí)提供了判斷依據(jù)，是煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)必要手段，可以進(jìn)一步完善后規(guī)范化推廣應(yīng)用。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)pH、TDS、鹽度、ORP，離子濃度K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、NO3-、Cl-，水氫氧穩(wěn)定同位素δD‰、δ18O‰，氣樣成分CH4、C2+、N2、CO2、He、CH4碳?xì)浞€(wěn)定同位素δ13C1‰、δD‰等指導(dǎo)意義較大，可進(jìn)一步完善分析方法，為地質(zhì)和工程認(rèn)識(shí)提供更有效手段。

作者單位：貴州省油氣勘查開發(fā)工程研究院