潞安矿区煤层气井产出水地球化学特征及意义

华明国 ，田 林 ，张 燕 ，李 佳 ，曹永恒

(1.潞安化工集团有限公司，山西 长治 046200；2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003；3.焦作市非常规天然气开发工程技术研究中心，河南 焦作 454003)

潞安矿区煤层气开发始于1997 年，自“十二五”开始进入规模化开发阶段，在13 个高瓦斯矿井累计实施地面煤层气井超过1 000 口，先后试验了活性水压裂、氮气泡沫压裂、氮气伴注活性水压裂及酸化压裂等多种增产工艺。潞安矿区煤层气最高产量出现在余吾井田，达到3 400 m3/d，在高河、古城、五阳等井田也有产量超过1 000 m3/d 的井零星出现，但整体上，全区的煤层气井产量较低，平均300～500 m3/d。主要原因是，潞安矿区地质条件复杂，储层压力低、渗透率低、含气饱和度低，且低压和低渗相互作用，为煤层气增产高效开发带来了严峻挑战。

现代地下水动力条件与煤层气聚散特征密切相关，一方面是制约煤层气成藏效应的关键要素之一，另一方面影响到煤层气产出驱动力的高低[1-2]。煤层气井产出水在不断径流过程中与煤层及围岩发生各种物理、化学和生物作用，产出水的组成和性质蕴藏了丰富的地球化学信息[3]，因此，在大部分盆地中，地下水的离子含量可直接反映离子交换、运移、流过的介质以及地下水排泄过程[4-5]。在含气系统地下水汇流的地区，煤储层能量积聚，煤层气富集，具有形成高压煤储层的水文地质条件。因此，研究地下水中离子的变化特征对指导煤层气勘探、测试和开发具有重要意义[6-7]。

目前，人们对煤层气井产出水地球化学特征进行了大量研究，集中阐明了矿化度[8]、常规离子[9-10]、微量元素[11-12]和H/O 同位素[13-15]等的成因机理，对煤层气勘探开发起到了一定推动作用。但是，针对沁水盆地中南段潞安矿区复杂断层−褶皱带条件下的煤层气井产出水地球化学特征研究较少。

潞安矿区煤储层的低压特征与煤层埋深和底板高程具有线性相关性，影响煤储层压力区域性分布规律的控制性地质因素是辛安泉域地下水流场。鉴于煤层气水文地质条件分析伴随煤层气成藏、运移及产出的全过程，且煤层气井产出水的地化特征对区域水文地质条件具有重要指示作用，笔者通过分析潞安矿区山西组3 号煤层中地层水的化学特征，拟合并印证潞安开发区中煤层气的富集区域，为下阶段研究区煤层气开发的宏观布置及排采提供了理论依据。

1 潞安矿区地质概况

1.1 含煤地层及地质构造

石炭–二叠系是潞安矿区的主要含煤地层，主要由碳酸盐岩、各类碎屑岩和煤层组成，平均厚度约158.74 m。其中石炭−二叠系太原组103.6 m[16]，二叠系山西组51.15 m。山西组下部的3 号煤层为中高变质程度的贫–瘦煤，厚度约6 m，是该地区目前煤层气开发的主力煤层。

潞安矿区位于沁水盆地中南部，整体为一单斜构造，走向NE–SN，倾向西，地层倾角5°～10°。矿区面积约3 044 km2，主要包括北部五阳井田，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产矿井。北部以西川断层为界，南部以庄头断层为界，东部边界为太原组15 号煤层露头，西部边界为人为划定的15 号煤1 500 m 埋深线(图1)。预测全矿区煤层气资源量3.347×1011m3，是我国大型煤层气田之一。煤矿开采中大量生产数据显示，五阳井田、古城井田和高河井田北部瓦斯含量较其他区域偏高，属于煤层气开发的甜点区域。

矿区内自南向北依次发育庄头断层、看寺断层、二岗山断层、西魏断层、藕泽断层、安昌断层、文王山断层和西川断层等NEE 走向的正断层，在区域内对地层水和瓦斯具有明显的控制性作用。区域内褶皱构造整体属于次一级构造，走向以近SN 向为主，平行区域单斜走向，并呈背向斜相间平行发育；二岗山以南区域发育一系列走向NNE–NE 的小型褶皱，呈雁行排列，北敛南撒[17]。

1.2 区域水文地质

潞安矿区位于辛安泉域南部长治盆地，属于海河水系清漳河和浊漳河流域。辛安泉域的主要含水层为下古生界奥陶系中奥陶统，主要由碳酸盐岩和硫酸盐岩混合建造。

区内的主要含水层组包括4 类。①中奥陶统含水层组，由石灰岩、泥灰岩等组成，总厚400～600 m，自下而上分为下马家沟组(厚82～158 m)、上马家沟组(厚223～308 m)和峰峰组(厚94～199 m)。② 太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类含水层组，太原组厚32～124 m，主要含水层由其间3～6 层石灰岩组成，属岩溶裂隙水。水质类型属型。③碎屑岩类含水层组，主要包括二叠系和三叠系的陆相碎屑岩，由砂岩、砂质泥岩夹煤层等组成，厚度320～435 m，水质类型属型。④ 松散岩类含水层组：由第四系松散沉积物组成，厚度变化较大，最大三百余米[16]。

地下水补给主要来自东部寒武–奥陶系裸露区的大气降水补给，其次来自煤系的垂直补给[18](图2)。

图2 潞安矿区区域水文地质Fig.2 Regional hydrological map of Lu’an Mining Area

2 潞安矿区3 号煤储层水化学特征

2.1 样品采集与基础实验

实验样品主要来自矿区内煤层气井产出水，目标层是二叠系山西组3 号煤层。为全面客观反映矿区地层水的化学特征，在潞安矿区从北至南采集了五阳井田、余吾井田、常村井田、李村井田和高河井田等5座主体矿井的水样59 组，从煤层气井排采水管末端取水样，并用专用封孔膜密封保存。现场使用温度计测量水样温度，采用SX-620 型测试笔测试水样pH 值，采用DDB-305 电导率仪测试水样电导率及矿化度。

在河南理工大学矿山环境保护与生态修复河南省重点实验室培育基地开展K+、Na+、Ca2+、Mg2+、等多种离子浓度测试。离子浓度测试前利用2XZ-1 型旋片真空泵和规格为直径50 mm、孔径为0.45 μm 的混合纤维素微孔滤膜对水样进行预过滤处理，而后分别采用分光光度法和滴定法测试离子浓度，测试方法及执行标准见表1。

表1 离子浓度测试方法Table 1 Testing method for ion concentration

2.2 实验结果分析

2.2.1矿化度

矿化度(TDS)和水化学类型密切相关，通常矿化度低的淡水区，为重碳酸盐或硫酸盐型水，咸水区则多为氯化物型和硫酸盐型水[19]。潞安矿区3 号煤层水的补给来源为大气降水，而地下水的径流途径和距离的长短是决定水化学成分及矿化度的主要因素[20]。本次实验对59 组水样进行矿化度分析，结果统计见表2。

表2 实验水样矿化度分析结果Table 2 Analysis results of salinity of water samples

从测试结果看，潞安整个矿区3 号煤层水的矿化度大小顺序为：五阳>余吾>高河>李村>常村。3 个高矿化度区，分别位于在五阳扩区、余吾西南部、高河北部–古城井田；1 个低矿化度区域，位于常村和余吾井田中东部(图3)。

图3 潞安矿区3 号煤储层水矿化度等值线Fig.3 Contour map of water salinity in No.3 coal seam

五阳井田水的矿化度在整个研究区最大，最大值位于天仓向斜，由北向南逐渐降低，在文王山断层附近降低，说明地下水来自天仓向斜以北，并向南部的文王山断层流动。余吾井田西部分布第2 个高矿化区，向余吾井田东部和常村井田方向矿化度逐渐降低，说明地下水可能从文王山断层和常村井田向西流动，在余吾西部形成1 个滞流区域，矿化度低于五阳井田。常村井田内的低矿化度区是潞安矿区中最低的，可能处于中段水文地质单元的径流区，地下水从东向西流动。位于二岗山断层以南的高河井田和李村井田，在高河井田东北部形成第3 个高矿化度区，该区域与北部的古城井田连成一片，矿化度低于余吾西部，而在断层带附近为高矿化度区，说明二岗山断层可能为封闭且不导水断层，与中华–安昌断层类似。

2.2.2H/O 同位素

同位素水文地球化学分析是研究地下水在时间和空间上演化规律的重要方法。为研究潞安矿区3 号煤层产出水的稳定同位素特征，分别测试了该地区地表水和3 号煤层顶板水样的H/O 同位素。测试结果见表3。由表中可知，地表水的δD=−63.55‰，δ18O=−8.85‰，3 号煤层产出水的δD为−84.2‰～−71.6‰，δ18O为−12.9‰～−10.9‰，3 号 煤层 顶 板 水 的δD=−81.1‰，δ18O=−10.5‰。

表3 试验水样H/O 同位素测试成果Table 3 H/O isotope test results of water samples

大气降水的H/O 同位素组成具有很强的规律性，全球大气降水的δD值平均−22‰，δ18O值为−4‰，二者服从δD=8δ18O+10，称为“全球大气降水线(Global Meteoric Water Line，GMWL)”[21]。而潞安矿区大气降水监测站的统计结果表明，该区域的大气降水方程为：δD=8.18δ18O+10.5[22]。将本次实验中各采样点的数据与全球大气降水线和辛安泉域降水线作对比，发现本次实验采集的地表水和地下水的δD和δ18O均落在大气降水线附近(图4)，这说明潞安矿区3 号煤层产出水的补给来源是大气降水。

图4 研究区H/O 同位素分布曲线Fig.4 The H/O isotope distribution in research area

2.2.3离子浓度

不同岩石(如碳酸岩、蒸发岩、硅酸岩)风化可溶解释放出不同的阴阳离子。例如碳酸岩、蒸发岩、硅酸岩的风化可溶解稀释出Ca2+和Mg2+，蒸发岩的溶解和硅酸岩的风化可溶解释放出Na+和K+，碳酸岩和硅酸岩的风化可溶解稀释出，而蒸发岩的风化可溶解稀释出Cl−和采用试剂滴定方法，对采集的59 组样品进行了主要离子浓度测试分析，结果见表4。

表4 潞安矿区3 号煤层主要离子浓度测试结果Table 4 Test results of main ion concentration of water samples from No.3 coal seam of Lu’an Mining Area

利用Piper 三线图进行水样分类和水体总化学性质分析，利用阴阳离子浓度表示水体的相对成分。由图5 可知，五阳矿区煤层气井产出水位于Ⅱ区，属于型水，显示为深层地下水的水质。余吾井田水质类型与其他水样的水质明显不同，地层产出水位于Piper 图的右上部位，属于Ⅲ区，也处于Ⅱ区内，为型水。常村、李村、高河矿区位于Ⅱ区和Ⅲ区的分界处，特征离子不明显，在图上的位置彼此靠近，水质类型为型水，可能属于混合水水质(图5)。

图5 潞安矿区3 号煤层水化学Piper 图Fig.5 Hydrochemical Piper map of coal water samples from No.3 coal seam of Lu’an Mining Area

2.3 水化学特征的构造控制作用分析

潞安矿区具有东西分带、南北分段的构造特征。潞安矿区位于沁水复式向斜东翼宽缓单斜上，向西以地层倾角3°～10°缓倾斜，其上发育一系列走向NE 和近SN 向褶皱，埋深自东向西增加。煤层气含量一般随煤层埋深的增加而增加，这也是潞安矿区煤层气开发有利区东西向分带的重要基础。其次，北部文王山和南部二岗山NEE 向断层系将矿区分为北、中、南3 段。北段为五阳井田，中段为常村、余吾、古城井田，南段为高河、李村井田。在中段南部发育有中华–安昌断层系。这一区域构造格局奠定了地下水的运移规律，并进一步影响煤层气的区域赋存规律。

(1) 潞安矿区地表水从东部太行山裸露岩层区向下运移至含煤地层和下部奥陶系含水层，而后在灰岩系中向东出露地表，补给辛安泉域。两条区域断层文王山和二岗山断层控制为地下水运移提供了通道，地下水在岩系上部向西运移时，文王山断层是良好通道；而后地下水向东出露地表时，二岗山断层系是主要通道。

(2) 研究区内2 个区域断层的开放性导水特征导致其附近煤层气含量降低，远离断层带，煤层气含量升高；地下水在挤压性断层中华–安昌断层附近、天仓向斜和许村向斜轴部相对滞流，矿化度较高，是煤层气富集区，也是潞安矿区煤层气开发的优选区。

3 结论

a.煤层产出水中的δD和δ18O值均落在该区大气降水线附近，表明该区各含水层均有来自大气降水的补给，且煤层中的水主要来源于大气降水；矿区内分布有3 个高矿化度区，分别位于五阳井田、余吾西南部、高河北部–古城井田，平均矿化度2 000～3 200 mg/L；1 个低矿化度区域，位于常村井田和屯留井田中东部，平均矿化度1 500 mg/L 。

b.研究区内文王山断层和二岗山断层的展布特征决定了地下水的基本流动规律，在向斜轴部及挤压断层附近往往形成滞流区，地下水矿化度增加，煤层气相对富集，是煤层气开发的优选区。

c.矿化度和矿区构造特征表明，潞安矿区五阳井田、余吾西南部、高河北部–古城井田为该区煤层气开发的有利区，潞安矿区煤层气多年的开发实践也证明了这一点。