煤层气井产出水化学特征及水化学场动态演化规律

刘 贺，罗 勇，雷坤超，孔祥如，赵 龙，王新惠，齐鸣欢

(北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

煤层气是一种非常规天然气，气体一般呈吸附态赋存在煤孔隙表面。水文地质条件是煤层气生成、运移、富集成藏的重要影响因素之一，也直接控制着煤层气地面井开发的排水→降压→解吸→扩散→渗流→产出的模式[1]。煤系地层水的化学特征以及气井排水降压过程中水化学场的动态变化可以从本质上反映煤层水的赋存及流动状态，对于了解煤系地层水动力状态和指导煤层气井的排采工艺具有重要的研究意义[2-4]。

刘会虎等以沁水盆地南部樊庄区块生产监测区为例，发现地层水中离子浓度除受地层水来源、矿物和离子性质影响外,还受区域井间干扰形成条件下煤层气井产出地层水的流体场影响[5]。张松航等通过研究柿庄南区块煤层水化学类型，确定了煤层气井产出水反映原始含水层或补给水层水化学特征的基本标准[6]。卫明明等揭示了沁水盆地南部煤层气田产出水主要来源于古大气降水(上新世和早更新世大气降水)和现代大气降水[7]。时伟等通过对山西组3号主采煤层主要离子浓度进行测定,分析了离子浓度和氢氧同位素展布特征[8-9]。刘世奇等为了探讨煤层气井排采控制指标,以沁水盆地南部高阶煤为研究对象,基于气-水相对渗透率试验和渗流物理仿真模拟,探讨了宏观与微观渗流网络中气-水相对渗透率变化机制,并进一步阐述了煤储层气、水产出过程[10]。李超等基于沁水盆地南部某高煤阶煤层气井勘探与开发动态资料,分析了其气、水产出特征的差异,探讨了其形成的地质控制机制[11]。李剑等通过研究韩城煤层气田11号煤层水化学成分的变化规律,确定了该煤层水主要水化学类型，并结合构造特征将水化学场划分为不同构造带[12]。

前人在沁南煤层水水化学类型、氢氧同位素特征等水化学动态变化规律方面做了大量研究，取得了丰硕成果，但大部分停留在单个区块或点上，对于该区域整体水化学场动态演化规律、产水产气相关关系等缺少进一步研究，沁水盆地南部是现今我国煤层气商业化开发最为成功的地区，该地区的煤层气勘探开发理论与实践对于中国其他地区煤层气的开发具有重要的指导意义[13]。所以有必要对整个沁水盆地南部地区的煤储层产出水化学特征及其在气井排采过程中的动态变化规律进行研究，总结煤层产出水化学场与渗流场和压力场之间关系的分析方法，以便更好地指导生产实践。

1 区域水文地质概况

沁水盆地分布在山西省与山东、河北交界的东南部，整体构造为大型复式向斜。沁水盆地南部指二岗山断层以南的翘起端，西南为中条山，西邻霍山，东临太行山，含煤面积6 200 km2。沁水盆地南部全区可采煤层主要为石炭系的太原组15号煤层和二叠系山西组3号煤层(图1)。沁水盆地是一个具有独立水文地质单元的地下水外流型盆地，地下水系统较多，由于地下分水岭的存在，可以将其分为南部和北部地下水系统，两个水利系统相互独立，无水力联系[14]。南部煤系地层水位范围为550～800 m。该区地下水系统全部是单向流子系统，主要分布在樊庄、潘庄、郑庄、柿庄、沁南、赵庄等区块。其中，汾河及其支流为沁水盆地的主要地表水系。对沁水盆地南部煤层气开采有显著影响的含水层组主要包括山西组3号煤层的上覆砂岩裂隙含水层、太原组15号煤层上覆灰岩岩溶裂隙含水层组及下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。

2 水样采集与测试

以沁水盆地南部主产气的山西组3号和太原组15号煤储层为研究对象，对樊庄、潘庄、郑庄、柿庄、沁南、赵庄等区块内多个煤层气生产井以及区内部分煤矿区矿井水进行了近300 d、100个水样长期连续的水样采集，并进行实验室样品水质分析，具体化验结果见表1和表2。

图1 沁水盆地南部水文地质剖面图Fig.1 Hydrogeological profile for the southern Qinshui Basin

区块平均pHNa++K+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3CO2-3TDS/(mg·L-1)水型沉积环境樊庄3号煤8.6676.95.01.7392.84.21 085.2114.8/HCO3—Cl·Na滞流区樊庄-郑庄3号煤8.1570.72.80.8220.12.8976.296.51 849.6HCO3—Na滞流区潘庄3号煤8.3821.311.37.7322.2189.31 313.7/2 742.4HCO3—Cl·Na滞流区柿庄3号煤8.5499.34.13.0379.386.9549.536.61 532.9HCO3—Cl·Na滞流区柿庄15号煤8.3441.83.72.7262.756.9619.332.11 413.4HCO3—Cl·Na滞流区安泽3号煤/1 658.425.026.51 341.116.91 527.3/4630.8Cl—Na滞流区安泽3号+15号煤/1 611.959.434.63 288.333.51 106.0/6 121.3Cl—Na滞流区安泽15号煤/898.97.711.2319.410.0872.9/2 146.0HCO3—Na滞流区寺河2号矿15号煤层顶板K2灰岩水/288.33.52.453.225.0622.522.41 018.8HCO3—Na弱径流区书院矿15号煤层顶板K2灰岩水/300.413251.232.7540.9345.41.21 692.6HCO3—Ca·Na中等径流区王台铺矿15号煤层顶板K2灰岩水/323.932.417.7193.6148.8504.012.71 023.5HCO3—Cl·Na弱径流区潘2井3、9、15号煤7.9704.77.62.8123.41.01 601.545.71 756HCO3—Cl·Na弱径流区常村矿 3 号煤7.7319.52.82.838.9105.8666.50.0836HCO3—Na弱径流区沁新矿 2 号煤7.5421.013.86.430.621.41 113.50.01 086HCO3—Na弱径流区黄丹沟矿 9 号煤7.655.663.636.519.127.8459.70.0440HCO3—Ca弱径流区

注：“/”代表未检测

表2 沁水盆地南部煤层水稳定同位素测定结果Table 2 Stable isotope of the coal seam water in thesouthern Qinshui basin

续表

3 水化学成分及类型的动态分析

3.1 水化学成分动态变化

沁南3号煤层顶底板岩性以泥岩为主，同时还包含部分砂质泥岩，在无构造影响下，几乎不与其他含水层发生水力联系。3号煤层排采初期排出的水主要是前期施工中侵入(或注入)煤层的钻井液、压裂液以及煤层本身的水，是导致排采初期溶解性总固体以及各离子浓度较高、水型相对复杂的原因。随着排采的继续，前期的钻井液和压裂液基本排出，水中离子浓度也趋于正常，此时可对煤层水化学特征进行研究。

图2 ZY-168井3号煤产出水地球化学动态变化Fig.2 Change in geochemistry of the 3# coal produced water from the ZY-168 well

尽管15号煤层顶板为灰岩含水层，产出水水化学特征不同于3号煤层，但其动态变化规律总体上与3号煤层相似(图3)。需要注意的是，在稳定阶段，15号煤层气井产出水溶解性总固体缓慢下降至1 000 mg/L；而3号煤层气井产出水溶解性总固体是稳定或是缓慢上升的，这是由于15号煤层顶板灰岩水大量产出造成的。

图3 TS-002井15号煤产出水地球化学动态变化Fig.3 Change in geochemistry of the 15# coal produced water from the TS-002 well

3.2溶解性总固体与各离子的关系

根据离子与溶解性总固体的关系研究确定水中的主要离子以及判断地下水离子来源。

(1)Cl-离子

Cl-离子是水中最稳定的离子。3号、15号煤层产水氯离子均随溶解性总固体的增加而增加，受环境和周围含水层的影响较小(图4a)。故氯离子与溶解性总固体均可作为煤层水示踪剂，判断地下水的补给、径流和滞流情况。但在排采初期井会遭受压裂液等工业污染，氯离子变化较大，因此要综合分析地下水所处的环境。

图4 溶解性总固体与各离子浓度关系Fig.4 Relationship between salinity and ion concentrations

(4)Na+、K+离子

由于K+离子和Na+离子的来源和性质相近，并且K+离子含量远低于Na+离子，所以一般情况下将K+离子归到Na+离子中，不另外区分。Na+离子是两煤层产出水的主要阳离子，由图4(d)可知，两煤层的Na+、K+离子均与溶解性总固体呈较好的正相关性，Na+、K+离子的含量与溶解性总固体成正比。

(5)Ca2+、Mg2+离子

Ca2+、Mg2+离子也有相近的来源和性质，主要来自碳酸盐类沉积物和石膏。两煤层产出水中Ca2+、Mg2+离子与溶解性总固体呈现的关系如图4(e)、4(f)。3号煤层的Ca2+、Mg2+离子与溶解性总固体正相关性较好，而15号煤层相关性较差。3号煤层产出水中Ca2+、Mg2+离子浓度随着溶解性总固体的增加而增加，可能是由于溶解性总固体高，Cl-离子浓度不断增加，而CaCl2、Mg2+的溶解度比较大，导致Ca2+、Mg2+离子浓度增加。

3.3 水类型和各离子特征

图5 沁南各井Piper三线图Fig.5 Piper diagram showing samples from the CBM wells in the Southern Qinshui Basin

图6 沁南三个区块代表井Piper三线图Fig.6 Piper diagram showing samples from the CBM wells in the three blocks in the Southern Qinshui Basin

选取柿庄区块15号煤层TS-002井、3号煤层ZY-168井、樊庄3号煤层JS1井、潘庄3号煤层PE-055井进一步研究，由图6可知，柿庄区块和樊庄区块均属于Ⅲ区，是SO4—Na或Cl—Na型水，唯一差别较大的是柿庄区块15号煤层水相对分散，大部分落在碱及弱酸根为主的区域，这可能是由于15号煤层接受顶板灰岩水补给相对充分，与灰岩发生离子交换作用较多的原因造成的，两个区块的3号煤层水则相对一致，落在碱及强酸根为主的区域；潘庄区块大部分落于Ⅱ区底部，属于HCO3—Na型水，潘庄区块不同于其他柿庄、樊庄区块，是由于与区块间相距较远，没有水力联系，也和水岩相互作用过程中径流强度、程度不同有关，使得在进化过程中的两者也有一定的差异。

4 稳定同位素特征

全国大气降水方程为：δD=7.9δ18O+8.2，而研究区的大气降水方程为：δD=8.18δ18O+10.5。将表2整理，按照全国和研究区的大气降水方程分别对3号煤层和15号煤层产出水中δD和δ18O绘制关系图，见图7。3号煤层与15号煤层大部分δD和δ18O值分布比较集中，3号煤层在大气降水线两侧附近均有分布，而15号煤层则主要集中在大气降水线上方，这从另一个方面表明两个煤层产出水的补给来源是一样的，大部分补给是通过大气降水实现的。个别井如寺河2号矿、TS-011井、东峰3煤顶中δD和δ18O值偏离大气降水线较大，说明其含水层补给来源不是大气降水。

图7 研究区3号15号以及3号+15号煤层气产出水δD和δ18O值相关关系图Fig.7 Correlation between δD and δ18O from the 3#，15#and 3#+15# CBM produced water

经统计，选取的8口15号煤层产出水中δD变化不大，平均为-83.2‰，而δ18O值平均为-11.3‰；选取的20口3号煤层气井的产出水δD平均为-79.6‰，δ18O平均为-10.9‰，均高于15号煤层；选取的6口3号和15号煤层合采井，δD和δ18O平均值分别为-83.5‰和-11.5‰，与15号煤层产出水接近，说明15号煤层产出水对3号煤层产出水的影响较大；在以河流为代表的地表水中，δD为-62.5‰，δ18O为-8.8‰。由以上统计的水同位素值可以发现，随着埋深的变浅，δD和δ18O值是变高的，说明垂向上是有分层规律的。

15号煤层产出水的δD和δ18O与15号煤层顶板水的δD和δ18O相差较大，说明区内8口井产出水没有接受15号煤层顶板水的补给，而ZY-173、TS-288、胶带上山1 130 m和3 106巷700 m产出水的δD和δ18O非常接近3号煤层顶板水，说明水源来自3号煤层顶板水。15号煤层产出水δD和δ18O值由低到高依次为TS-624、ZY-243、TS-623、TS-004、TS-625、TS-006、TS-003和TS-626，根据前面所说的同位素垂向分布特性，说明这几口井的埋深是依次变浅的。由于15号煤层产出水与3号和15号煤层合采井的产出水δD和δ18O接近，故考虑15号煤层产出水的补给来源是3号煤层和15号煤层顶板的混合水。

5 水化学特征与产能关系研究

在前面产出水阶段划分、化学成分特征与成因机理分析的基础上，进一步研究煤层气井产能与水化学成分的关系。10口井的平均溶解性总固体和产气量见表3。

由图8可知，溶解性总固体与产气量较好的正相关性，瓦斯含量与溶解性总固体之间有着紧密的关系，在高煤阶地区，较高的溶解性总固体有利于煤层瓦斯储集；越是低洼、水动力条件好、水流逸散变化较小的地区，溶解性总固体越高，越能够富集煤层气。这十口井气产量不同，是由于溶解性总固体有很大差别，溶解性总固体高的井如ZY-268的产气量也高，而其他井溶解性总固体低，气产量也就低。

表3 ZY-246等10口井平均产水量、溶解性总固体和产气量数据Table 3 Data of the average yielding salinity and gas production from ten wells including the ZY-246 wells

图8 ZY-246等10口井溶解性总固体与产气量关系Fig.8 Relationship between salinity and gas production from ten wells including the ZY-246 well

6 结论

(1)通过水化学成分Piper三线图，柿庄区块3号和15号煤层产出水是SO4—Na或Cl—Na型水，海水、盐水或热水水质，樊庄3号煤晋城两口代表井属于HCO3—Na型水，是深层地下水的水质，潘庄与樊庄3号煤层水性质相近，样品点的分布位置表明，两个区块水力联系密切。

(2)通过同位素分析可知，3号煤层与15号煤层大部分中δD和δ18O值分布比较集中，3号煤层在大气降水线附近两侧均有分布，而15号煤层则主要集中在大气降水线上方，表明两个煤层产出水均受大气降水补给。山西组3号煤层产出水δD与δ18O均高于太原组15号煤层，但低于以河流为代表的地表水。所以随着埋深的变浅，δD和δ18O值显示出递增的趋势。由3号和15号煤层合采井产出水的δD和δ18O与15号煤层气井产出水接近，推测15号煤层产水量较3号煤层大，合采时产出水以15号煤层水为主。