樊庄区块固县井区煤层气储层流体化学场研究

张 聪 陈洪明 李梦溪 王立龙 崔新瑞 刘国伟

(中国石油山西煤层气分公司, 山西 048000)

1 引言

煤层气的产出是一持续的排水- 降压- 解吸过程, 地下水系统在储层压力降低、压力传播及井网开发条件下压力扰动中起着重要的作用, 煤层甲烷伴随着压降范围的波及通过解吸- 扩散- 渗流一系列复杂过程最终从井筒产出。煤层气、地下水多相流体在地下裂隙系统、井筒中物理流动过程极为复杂, 煤层气勘探开发初期人们对其认识局限在物理实验、数学模拟方面, 而通过压力推算、室内实验、数学及物理模拟很难全面描述储层动态变化规律。研究煤层气井开发后的流体化学场的变化规律, 有助于加深单井及区块的储层水文地质条件及水动力环境, 提取流体中化学信息及其动态变化规律对煤层气排采控制及开采规律认识亦有重要意义。

2 水文地质条件概况

樊庄区块地下水等势面具有北东高南西低的总体态势, 受于局部构造影响, 区内存在局部高部位分水岭、低洼汇水中心等水文地质界线。水文地质单元主要由东侧高平、西南部沁水县为两个供水区, 西南侧为阳城南部 (沁河) 及浮山附近 (汾河) 为泄水区, 供水区与泄水区的距离大于40km左右。本区石炭- 二叠系的水势面坡度达7m/km;奥陶系水势面坡度最大处达20m/km, 水位势能比较大, 研究区以南的延河泉、三姑泉涌出量较大。相对而言, 西北方向高平地区水压头势面比较平稳, 又略有承压条件。本区主要存在奥陶系、石炭二叠系和第四系3 套主要含水层系。

受各种水文边界控制, 樊庄北部固县井区北部边界地下水向南径流; 东部为露头区, 大气降水和地表水向深部运移, 在西部由于寺头断层的影响无法进入本区, 这样形成了向深部汇流之势。受到煤层上下低渗透性围岩的在垂向上的封堵作用, 地下水就几乎呈封闭状态, 所以在樊庄就形成了等势面“洼地”滞流地带, 该地区地下水径流条件最弱。起其东侧浅部补给区是煤层气逸散带, 含气量相对较低; 深部径流带地下水径流缓慢, 有利于煤层气的富集, 在樊庄区块内3#煤储层中形成了水动力封堵型煤层气藏, 是煤层气的有利聚集区。

晋城地区煤层内的水样分析数据表明晋城地区煤层内的地层水矿化度基本相近, 略随深度的加大而增加, 水型以重碳酸钠型为主, 反映了该地区煤系地层水的低盐度、与地表连通且与深层水没有强烈交替的特点。

3 流体化学场动态变化规律

樊庄固县井区为区块整体单斜构造大背景下据图褶曲发育区, 煤顶海拔位于127～186m 之间, 煤储层整体呈现南北高, 中北部低的构造特征 (图1) 。原始储层压力4．2～6．3MPa, 平均5．3MPa, 分布趋势整体呈现由北向南升高趋势 (图2) , 证实了该区水头位于监测区NE 方向。研究区15 口井在2009 年6～7 月份投产, 监测前已经排采1 年,多数井达到了稳产阶段。为研究煤层气井投入生产后及水文动态变化得流体化学场变化规律, 本次针对樊庄区块固县井区15口井产出进行流体化学动态监测, 监测时间段为2010 年7 月～12 月, 共进行了气体组分、碳氢同位素; 水的pH 值、离子组分、水中元素含量等的监测。

图1 监测区据图构造井位图

图2 储层原始压力等值线图

3．1 煤层气组分动态特点

根据固县井区进行生产监测的15 口排采煤层气井的煤层气组分数据进行分析, 可知： CH4含量在92．5%～84．8%之间, CO2含量在0～2．62%之间, C2H6含量在0～0．02%之间, N2含量在1．69%～4．85%之间。从排采气的组分看, 产出的煤层气多为湿气。

固井井区15 口生产井的排采煤层气成分虽然以CH4为主, 各组分变化也表现出一定的差异,另外生煤层气的组分随排采时间呈现波动性变化的特征。排采气组分呈现波动性变化的原因与气源阶段性补给及组分分馏有关。排采煤层气组分随时间的变化在气源阶段性供给方面的反映, 不同阶段来源于不同煤层气井煤储层显微组分, 尤其是富氢组分的丰度差异决定的产CH4能力所导致的不同碳烃组分的差异。另一方面反映了煤层气井网排采过程中排采速率变化影响了气体组分在运移过程中分馏富集的变化, 因为煤层气井的排采过程, 其实质是人为地改变了地下水动力条件。对烷烃而言, 排采速率的变化可能造成在不同煤层气井不同时间由于输送细菌产生的次生生物气而影响煤层气成分,造成组分分异, 导致不同烷烃组分随时间变化。对于非烃类气体而言, 组分随时间变化表现为受自身密度及气水相互用影响。排采气中的N2的体积浓度随时间的变化反映出因自身较轻而受排采速率(迁移速率) 的影响, 而CO2易溶性而易被地下水所溶解。

3．2 煤层气甲烷碳、氢同位素动态

对固县井区进行生产监测的15 口排采煤层气井的 CH4同位素数据进行分析, 碳同位素(δ13CCH4) 在- 29‰～- 34‰之间, 氢同位素(δDCH4) 值在- 110‰～180‰之间。从排采气的组分中甲烷同位素值和氢同位素看, 同位素组成均较重, 一方面可能与煤层气的成因有关 (存在部分热裂解气) , 另一方面可能与排采有关。15 口排采井产出煤层气δ13C1值和δD 值总体经历了先变轻、再变重、后又变轻最后又变重的趋势 (图3) , 过程呈波动性变化特征。对于煤层气井排采初期而言,轻同位素的甲烷先被采出, 重同位素的甲烷后被采出, 经过一段时间, 由于远井地带气源的补给, 煤层气井采出煤层气又开始富氢气, 再富重同位素的气体, 如此反复, 因而煤层气井采出煤层气的甲烷碳、氢同位素随时间表现出波动性变化的特征。

图3 煤层气组分中甲烷碳、氢同位素的时间变化

3．3 煤层产出水酸碱度化动态

15 口井所采的水样酸碱度测结果显示地层水的pH 值基本在8．3～9．5 之间, 说明短期内pH 值未有明显变化。

3．4 煤层气井产出水来源分析

根据排采水离子浓度的测定值, 参考相关文献中有关砂岩、泥岩及灰岩水中离子浓度值, 绘制了生产监测区不同采样时刻的水化学Piper 三线图(图4) , 进而判别地层水的来源。可得出在监测时间段内HG2 - 16、HG3 - 14、HG3 - 15、HG3 - 16、HG4- 14、HG4 - 15、HG4 - 16、HG5 - 13、HG5 -14 等9 口井产出水为煤层水与砂岩水的混合水;生产井HG5 - 15、HG6 - 20、HG6 - 21、HG6 - 22、HG6- 23、HG6- 25 等6 口井产出水为煤层水。

3．5 煤层产出水中离子含量变化动态

经过测试地层水中常规阴离子Cl-、HCO-、CO2-3和SO2-4和常规阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+、NH+4。阴离子中, 浓度最高的为HCO-3, 其次为Cl-, 最低的为NO-2(未检出) 。阳离子中,浓度最高的为Na+, 其次为K+, 最低的为NH+4。15 口生产井排采地层水中离子浓度值随时间变化(表1) 可以看出, 地层水中离子浓度整体呈现下降趋势, 部分离子浓度呈现出波动特征, 反映该井区地下水为滞留环境, 通过长时间排采, 煤层气井压降漏斗波及范围小, 同时也呈现出固县井区煤层水补给能力弱或层间越流现象不明显。

图4 生产监测区不同采样时刻产出地层水水化学Piper 三线图

表1 煤层气产出水中离子测试数据 (单位： mg/L)

对采出地层水中离子化学场进行平面分析, 可以得出比较一致的规律, 即化学场变化整体表现为： 先由南向北降低, 然后表现为东西向降低, 最后再表现为由南向北递减。个别离子化学场的分布表现出既受局部排采井所产地层水的影响 (往往形成异常高值或异常低值) , 同时在整体上又体现出受整体井网的影响, 即受排采时井间干扰的影响,从而表现出化学场方向的统一变化趋势。

3．6 煤层产出水元素含量变化动态

本论文利用电感耦合等离子质谱法测试了所采地层水中45 种元素, 包括Li、Be、B、Sc、Ti、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zu、Ga、Ge、As、Se、Rb、Sr、Y、Zr、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Au、Hg、Pb。通过测试分析发现, 煤层气井排采地层水中元素含量差异显著, 含量变化从百分之几个ppb 到上百个ppb。为减小误差, 使得分析效果明显, 选取其中10 种含量较高的元素 (As、B、Ba、Cr、Ge、Mn、Ti、Pb、Sc、Sr) 进行分析, 以15 口井所产的地层水每次测试的元素含量平均值的变化来说明地层水中元素含量的时间变化 (表2) 。可以看出随着排采试验延长：水中As、Mn 元素含量略有上升; B、Cr、Ge、Se元素含量在产出较为稳定或在小范围内波动; Ba、Ti、Pb、Sc 含量呈现下降趋势, 反映了地层水对于煤层中金属元素的选择性洗选规律。

通过对元素化学场进行平面分析, 可以得知,元素化学场方向的变化大致经历了南北变化 (由南向北降低或由北向南降低) 、东西向变化 (由东向西降低) 以及后阶段的南北向变化。分析发现绝大多数元素化学场方向变化经历较长时间由东向西递减的过程。同时与离子化学场方向变化相比, 元素化学场的变化存在较多的不一致的地方, 如大多数离子化学场在采样初期主要由南向北降低, 而元素化学场只有部分元素为该趋势。通过分析认为, 主要有三个方面的原因： ①元素本身的性质, 如元素的赋存状态、溶出及迁移性质决定了其迁移富集速率的快慢; ②局部煤层气井所在煤储层或岩层所含某些元素的本底值很高, 即使在有其它地层水补给情况下, 也使得产自该煤层气井的地层水的元素含量很高, 从而出现异常; ③工程采样的缺失导致生产监测区的某些采样点数据缺失, 从而有可能导致化学场的分析失真。

表2 煤层气产出水中元素测试数据 (单位： ppm)

4 结论

本文通过分析实验测试的不同时刻生产监测区煤层气组分、煤层气甲烷碳氢同位素、地层水pH值, 及其中离子浓度、元素含量, 归纳总结了煤层气井井网排采条件下煤层气组分、煤层气甲烷碳氢同位素、地层水中元素含量及地层水中离子浓度的时间变化规律, 判断了生产监测区不同采样时刻地层水的来源。研究不同时刻地层水中离子浓度及地层水中元素含量变化平面动态, 分析了井网排采条件下煤层气流体化学场动态变化规律, 得到的主要结论如下：

(1) 煤层气组分、煤层气甲烷碳氢同位素随时间呈波动性变化, 储层解吸具有阶段性特征, 可能反映为煤层气井不同时刻气源变化及煤层气的分馏特征。

(2) 在煤层气生产稳产期 (樊庄区块气井排采时间一般大于1 年) , 短期内PH 值未有明显变化趋势, 气井产出地层水主要为煤层水或煤层水与砂岩水的混合水, 储层离子化学场、元素化学场的方向主要经历了南北向和东西向偏转变化的过程, 不同排采时刻南北向和东西向迁移富集一致性变化的特点, 证实了煤层气井井网排采存在井间干扰, 并可能由此改变地层水渗流方向。

(3) 流体化学是研究储层水文动态特征及采动影响变化规律, 开展该方面研究有利于进一步揭示流体化学场方向的变化、侧面验证井网排采条件下的井间压力干扰、流体动态相互干扰。

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