韩城煤层气田11号煤层水化学场特征及其对煤层气的控制作用

李 剑 车延前 熊先钺 王 伟 李 涛 王成旺 胡唤雨

（ 1中国矿业大学（北京）；2中石油煤层气有限责任公司 ）

韩城煤层气田经过6年的产能建设和快速发展，产量逐步增加，开发潜力巨大，但由于对煤系地层水动力区域分布规律认识不足，部分煤层气井产水量高，产气效果较差，影响了开发效果。煤层水经历了漫长而复杂的水文地球化学过程，记录了煤层气形成、保存和散失的演变史[1]。本文通过研究煤系地层采出液化学成分的变化规律，结合开发资料，总结了韩城煤层气田水化学场特征与煤层气富集的关系，为煤层气的高效开发提供指导。

1 地质背景

韩城煤层气田位于鄂尔多斯盆地东南缘，渭北煤田东部边缘断褶带的北端。在加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动的影响下，形成了现今整体向北西倾斜的单斜构造，局部伴有褶皱和断层（图1）。沉积环境主要有海相、海陆过渡相、湖泊三角洲相和河流相，地层自下而上依次为太古宇涑水群、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和第四系。主要含煤岩系为石炭系太原组及二叠系山西组，含煤层13套，其中主力煤层3套，分别为3号、5号、11号，奥陶系石灰岩为煤系基底[2-3]。地表水不甚发育，地下水受构造、岩性及地形地貌的控制，主要埋藏在第四系底部和基岩裂隙或岩溶裂隙之中。煤系及上部地层各含水层充水空间不甚发育，奥陶系石灰岩岩溶水为多层段结构的复合承压含水体。承压水径流以顺层运动为主，一般不易穿过上覆厚度较大的隔水层而越流运动，运动通道受区域性反向承压单斜含水构造控制，浅层承压水由西北向东南方向运移，深部承压水基本上为滞流状态，因裂隙发育程度低，岩层透水性弱，地下水径流条件差，边浅部由于构造运动导致基岩出露，接受大气降水等的补给[4-6]。

图1 韩城煤层气田构造纲要图

2 水化学场特征

煤层气开发过程中钻井液和压裂液对煤层的侵入会改变煤层气井附近区域内水化学场特征，因此为了消除钻井液和压裂液的影响，本次共计选取249口采出比（煤层水与注入水）大于2.0的单层开发11号煤层水进行分析研究。

2.1 矿化度特征

煤层水的矿化度是地下水化学场漫长演化过程的结果[7-10]，可间接反映水动力场特征，例如，高矿化度预示煤层水处于相对停滞状态，缺乏循环交替，反映水动力场较弱，封存环境好。

通过对煤层水取样分析发现，由东向西煤层水矿化度逐渐升高，西部煤层水矿化度大于10000mg/L，向东部逐渐降低到矿化度小于1000mg/L，断层区域矿化度为1000～3000mg/L（图2），说明韩城煤层气田11号煤层由东向西水动力逐渐减弱，封存条件逐渐变好。

图2 韩城煤层气田11号煤层矿化度等值线图

2.2 离子特征

依据天然水按矿化度的分类方法[11]，将煤层气井煤层水分为淡水（矿化度小于1000mg/L）、微咸水（矿化度为1000～3000mg/L）、咸水（矿化度为3000～10000mg/L）和盐水（矿化度大于10000 mg/L）4类。

通过该分类对249口井煤层水中离子与矿化度进行统计分析，发现煤层水中含有的阳离子为Na+、Ca2+、Mg2+，阴离子为但不同煤层水种类中各种离子含量差别明显，矿化度小于1000mg/L煤层水阳离子以为主，其他阳离子含量相对较少，阴离子以为主，其他阴离子含量相对较少（图3a）；矿化度1000～3000mg/L煤层水阳离子以Na+为主，其他阳离子含量相对较少，阴离子以为主、Cl-次之，SO42-含量相对较少（图3b）；矿化度3000～10000mg/L煤层水阳离子以Na+为主、Ca2+次之，Mg2+含量相对较少，阴离子以和Cl-为主含量相对较少（图3c）；矿化度大于10000mg/L煤层水阳离子以Na+为主，其他阳离子含量相对较少，阴离子以Cl-为主，其他阴离子含量相对较少（图3d），因此韩城煤层气田煤层水差异比较明显，煤层水形成环境不同。

图3 离子特征与矿化度关系图

2.3 水型特征

按化学成分区分煤层水类型，是揭示煤层水化学成分分布和演变规律的重要方面[12-13]，在许多分类方法中苏林分类方法在理论和实践上有较多优点,一直被长期沿用，然而苏林分类法所划分的4种水型与韩城煤层气田水实际情况有较大差异，例如苏林认为Na2SO4型水为低矿化度的地表水或浅层地下水，而韩城煤层气田Na2SO4型水矿化度较高，主要因为韩城区块煤层水中SO42-来源于地层中石膏。因此本次研究采用苏林分类方法结合煤层水矿化度进行水型分类，将煤层水划分为4种水型：形成于水文地质封闭性差大陆环境的矿化度小于1000mg/L—NaHCO3型水；形成于水文地质封闭性由差向好过渡环境的矿化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水；形成于岩溶环境的矿化度3000～10000mg/L—Na2SO4型水；形成于水文地质封闭性良好环境的矿化度大于10000mg/L—CaCl2型水(图4）。

通过对韩城煤层气田249口井煤层水水型统计分析，矿化度小于1000mg/L—NaHCO3型水10口井，矿化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水212口井，矿化度3000～10000mg/L—Na2SO4型水10口井，矿化度大于10000mg/L—CaCl2型水17口井。因此矿化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水为韩城煤层气田主要水型。

图4 不同矿化度区间典型水型图

2.4 煤层水成因

煤层水的化学成分是在一定温度和压力下，水与所在层位的矿物之间相互作用的结果，煤层水的停留时间或径流路径不同，会表现出一定变动范围[14]。根据河水、奥陶系石灰岩岩溶水、300m以浅地下水、300m以深地下水、矿化度小于1000mg/L煤层水（10口井）、矿化度1000～3000mg/L煤层水（20口井）、矿化度3000～10000mg/L煤层水（10口井）和矿化度大于10000mg/L煤层水（10口井）在Piper图的分布，对煤层水进行成因分析（图5）。

图5 韩城煤层气田11号煤层Piper图

通过Piper图分析发现，矿化度小于1000mg/L煤层水化学成分与浅层地下水较为接近，分析认为矿化度小于1000mg/L煤层水为地表水或大气降水的初步浓缩，成因为淡水淋滤作用；矿化度1000～3000mg/L煤层水化学成分与浅层地下和深层地下水既有相似又有不同，分析认为矿化度1000～3000mg/L煤层水为原生沉积水与地表渗入初步浓缩水混合，成因为混合作用；矿化度3000～10000mg/L煤层水化学成分与奥陶系石灰岩岩溶水较为接近，分析认为矿化度3000～10000mg/L煤层水为溶滤水，成因为溶滤作用；矿化度大于10000mg/L煤层水化学成分与深层地下水较为接近，分析认为矿化度大于10000mg/L煤层水为原生沉积封存水，成因为浓缩作用。

2.5 水化学场区带划分

根据煤层水的矿化度特征、离子特征、水型特征和煤层水成因，并结合韩城煤层气田的构造特征进行水化学场区带划分（表1），将韩城煤层气田11号煤层水化学场划分为HCO3—Na带、HCO3—Cl—Na带、SO4—Cl—Ca—Na 带和 Cl—Na 带（图 6）。

3 水化学场特征对煤层气的控制作用

煤层水动力特征控制煤层气富集成藏与产出的整个过程[15-21]。煤层水在运移过程中逐渐溶解围岩中矿物，并逐步浓缩，水动力逐渐减弱，因此利用水化学场特征可以间接反映水动力特征。韩城煤层气田11号煤层水化学场区带由东部的HCO3—Na带依次过渡到 HCO3—Cl—Na带、SO4—Cl—Ca—Na带和西部的Cl—Na带，煤层水中常量组分保持相对不变，但离子含量逐渐增多，说明水动力由东向西逐渐变弱。

表1 韩城煤层气田11号煤层水化学场区带划分参数指标

图6 韩城煤层气田11号煤层水化学场分带图

根据水化学场研究结果并结合开发过程中煤岩含气量测试资料和生产资料，通过分析韩城煤层气田水化学场特征对煤层含气特征和煤层气井产能的影响，发现不同水化学场区带煤层含气量和产能效果都存在明显差异。

3.1 水化学场特征对煤层含气量的控制作用

依据水化学场分析结果，结合25口井煤层含气量测试资料研究分析发现：韩城煤层气田HCO3—Na带（5口井）现今含气量为4～6m3/t，平均为5.5m3/t，兰氏方程计算原始含气量为11～15m3/t，平均为13.9m3/t；HCO3—Cl—Na带（10口井）现今含气量为6～9m3/t，平均为8.3m3/t，兰氏方程计算原始含气量为10～15m3/t，平均为14.0m3/t；SO4—Cl—Ca—Na带（5口井）现今含气量为8～13m3/t，平均为11.6m3/t，兰氏方程计算原始含气量为9～16m3/t，平均为14.1m3/t；Cl—Na带（5口井）现今含气量为12～15m3/t，平均为14.1m3/t，兰氏方程计算原始含气量为10～16m3/t，平均为14.3m3/t（图7），韩城煤层气田11号煤层水化学场区带由东部的HCO3—Na 带、HCO3—Cl—Na 带、SO4—Cl—Ca—Na 带至西部的Cl—Na带，煤层气含气量逐渐增高，说明HCO3—Na带活跃的水动力特征导致煤层气藏的含气量降低，不利于煤层气的富集，Cl—Na带弱水动力特征有利煤层气的富集，有利于煤层气资源勘探开发。

图7 不同水化学场区带煤层平均含气量柱状图

3.2 水化学场对煤层气产量的控制作用

煤层气产出机理为排水—降压—气体解吸，通过水化学场分析结果结合249口井生产现状分析发现，HCO3—Na带（10口井）平均产水量为9.92m3/d，HCO3—Cl—Na带（212口井）平均产水量为5.64m3/d，SO4—Cl—Ca—Na带（10口井）平均产水量为3.62m3/d，Cl—Na带（17口井）平均产水量为1.61m3/d（图8)；HCO3—Na带平均产气量为235m3/d，HCO3—Cl—Na带平均产气量为598m3/d，SO4—Cl—Ca—Na带平均产气量为1056m3/d，Cl—Na带平均产气量为1983m3/d（图9）。由此可见，韩城煤层气田11号煤层水化学场区带由东部的HCO3—Na带、HCO3—Cl—Na带、SO4—Cl—Ca—Na带至西部的Cl—Na带，煤层气井产量逐渐变高，说明HCO3—Na带活跃的水动力特征不仅导致煤层气藏的含气量降低，而且排水降压过程中煤层水较高的供给能力导致煤层气井难以形成有效的压降面积，不利于煤层气的解吸，煤层气井不会获得高产；而Cl—Na带弱水动力特征不仅利于煤层气的富集，而且排水过程易形成有效的压降面积，煤层气井易获得高产。

图8 不同水化学场区带产水量柱状图

图9 不同水化学场区带产气量柱状图

4 结论

(1）韩城煤层气田11号煤层水型差异明显，主要分为矿化度小于1000mg/L—NaHCO3型水、矿化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水、矿化度3000～10000 mg/L—Na2SO4型水和矿化度大于10000mg/L—CaCl2型水，其中以矿化度1000～3000mg/L—NaHCO3型水为主。

(2）韩城煤层气田11号煤层水形成环境不同，分为原生沉积水与地表渗入水混合的大陆环境、水文地质封闭性由差向好的过渡环境、以溶滤水为主的岩溶环境和以原生沉积封存水为主的深成环境；成因主要为淡水淋滤作用、混合作用、溶滤作用和浓缩作用4类。

(3）韩城煤层气田11号煤层水化学场分为HCO3—Na 带、HCO3—Cl—Na 带、SO4—Cl—Ca—Na 带、Cl—Na带4个带，不同区带煤层水成因及分布位置不同。

(4）韩城煤层气田11号煤层水化学场控制着煤层气的富集和产出，其中Cl—Na带有利于煤层气富集，煤层气井产能效果好，HCO3—Na带不利于煤层气富集，煤层气井产能效果差。

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