云南老厂雨汪煤层气区块气水成因及产能响应

翟佳宇，张松航，唐书恒，郭慧秋，刘 冰，纪朝琪

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；3.非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京 100083)

0 引 言

老厂矿区雨汪区块煤层气资源丰富，是滇东煤层气开发有望获取突破的重点区块，然而先导试验井单井产量低、开发效果尚不理想。因此，本文充分利用雨汪区块6口在产煤层气先导试验井资料，通过研究煤层气井气水产量、气水同位素和产出水微量元素特征来探讨煤层气成因类型、产出水化学作用和来源等与产能之间的关系，为后续的煤层气勘探开发提供一定的指导。

1 研究区概况

雨汪区块位于老厂矿区东南部，总体为一倾向SE、倾角6°～15°的简单单斜构造(图1)[6]。矿区地层主要包括新生界第四系(Q)、中生界三叠系(T)、上古生界二叠系(P)、石炭系(C)和泥盆系(D)，出露最古老地层为中元古界昆阳群(Pt2)，缺失震旦系、下古生界及中生界的侏罗系(J)、白垩系(K)等地层，主要含煤地层为上二叠统龙潭组和长兴组，煤层埋深500～1 500 m，多在1 000 m以浅，含煤层数多，总厚度大，稳定煤层达26层，厚度达40.75 m，其中7、9、13、19号煤层稳定，厚度大,是煤及煤层气开发的主力层位[7]。区内水文地质条件较简单，排泄条件较好，地下水在老厂背斜露头区接收补给，流向为西北到东南(图1)，主要含水层包括栖霞组、茅口组(P1q+m)裂隙岩溶含水层、峨眉山玄武岩组(P2β)孔隙裂隙极弱含水层以及长兴组、龙潭组(P2l+P2c)裂隙弱含水层(图2)，其中栖霞组、茅口组(P1q+m)裂隙岩溶含水层与龙潭组下段有一定水力联系。总体看，区内各地质单元地下水联系不强，水文地质条件属于简单类型。

2 样品采集与测试

区内正在排采的参数井包括LC-S1、LC-C4、LC-S2、LC-C1、LC-C3和LC-C2共计6口井，其中LC-S1、LC-S2和LC-C4井为一丛式井组(图1)。6口井均于2018年5月投产，并于2019年8月份在每口井采集一组气样和水样(LC-C1井未产气)，截至采样日期已排采480天左右。6口煤层气井主采层位均位于上二叠统龙潭组中段，全部采用多层压裂合采方式生产。气体样品直接利用气样袋在井口采样阀处采集；水样在井口出水口采集，采集水样前先用产出水冲洗采样瓶三次，采样时确保水样装满采样瓶，然后旋紧瓶盖且确认无泄漏情况并贴好标签，送至SGS标准技术服务有限公司进行测试。测试内容主要包括煤层气气体组分，煤层气井产出水的氢、氧同位素和微量元素组分。

图1 雨汪区块7+8#煤层标高等值线图Fig.1 Contour map of 7+8# coal seam elevation at Yuwang Block

图2 雨汪区块煤系地层柱状图Fig.2 Measured stratigraphy of coal formation at Yuwang Block

气样采用安捷伦7890B型气相色谱仪并按照GB/T 13610—2014《天然气的组成分析 气相色谱法》进行组分测试，气样甲烷碳、氢同位素分析在气体同位素质谱仪(DELTA V Advantage MAT 271)上完成。氢、氧同位素使用MAT 253稳定同位素质谱仪测试(18O、D测量内精度≤0.013 ‰)。标样为称重法配制的纯水(GBW04402，δ18O=-8.79‰±0.14‰；δD=-64.8‰±0.11‰)，采用SMOW标准。微量元素测试标准为DZ/T 0064-80-1993。

3 测试结果

测试结果如表1所示(Ro来源于矿区先前测试结果)，老厂矿区雨汪区块煤层气气体组分以甲烷为主，含量95.84%～98.33%，平均97.44%；乙烷含量极低，平均0.11%；未检测到2个碳原子以上的烃类。气体干燥系数平均值为0.998，属于极干煤层气。排采气体非烃组分主要包括氮气和二氧化碳，含量较低且变化范围较小，平均占比分别为1.22%和1.23%。δ13C1为-34.5‰～-33.3‰，平均-34‰；δD1为-117.3‰～-112.6‰，平均-113.6‰；δ13CCO2为-13.8‰～-10.0‰，平均-11.8‰；δ18OCO2为-7.0‰～-5.3‰，平均-6.3‰。

研究区产出水δD为-85.7‰～-71.9‰，平均-80.8‰；δ18O为-10.8‰～-9.4‰，平均-10.0‰。水中含量大于0.001×10-6的微量元素包括Li、Ba、Cu、Mn、Mo、Rb、Sr、Ti、W和Zn 10种(表2)。Li含量为0.16×10-6～0.62×10-6，平均0.383×10-6；Ba含量为0.010×10-6～1.920×10-6，平均0.73×10-6；Cu含量为0.001×10-6～0.005×10-6，平均0.003 3×10-6；Mn含量为0.000 8×10-6～0.022 0×10-6，平均0.013 6×10-6；Mo含量为0.003×10-6～0.009×10-6，平均0.005 3×10-6；Rb含量为0.005×10-6～0.058×10-6，平均0.030 3×10-6；Sr含量为0.75×10-6～5.68×10-6，平均3.602×10-6；Ti含量为0.049×10-6～0.116×10-6，平均0.087×10-6；W含量为0.002×10-6～0.008×10-6，平均0.005 3×10-6；Zn含量为0.003×10-6～0.005×10-6，平均0.003 8×10-6。可以看出，Li、Ba、Mn、Rb、Sr和Ti元素是产出水中微量元素的主要组成部分，其平均值均超过0.01×10-6；Cu、Mo、W和Zn元素是次要组成部分，其平均值均介于0.001×10-6～0.010×10-6之间。

4 讨 论

4.1 煤层气成因

煤层甲烷的成因包括有机成因和无机成因，有机成因又分为生物成因、热成因和混合成因[8]。碳同位素分析是识别天然气成因、类型和演化程度的有效方法之一[9-10]，利用煤层气组分、煤层气甲烷碳氢同位素、二氧化碳碳同位素特征对煤层气进行成因分类已经得到了普遍的应用[11-12]。

煤层气成因分类一般以δ13C1=-30‰和δ13C1=-50‰为分界线，主要分为生物成因气(δ13C1<-50‰)、热成因气(-50‰<δ13C1<-30‰)和无机成因气(δ13C1>-30‰)[13-17]。结合表1、δ13C1(CH4)-δ13C1(CO2)图版(图3(a))和δ13C1(CH4)-δD(CH4)图版(图3(b))可知，5组样品δ13C1值均介于-50‰～-30‰之间，且全部落入热成因区域，指示研究区煤层气为有机质热成因气。

前人研究表明，甲烷碳同位素与有机质成熟度有很好的正相关关系[20-21]，并提出了δ13C1和Ro的回归方程[20]：

δ13C1=25.85lgRo，max-43.08
(Ro，max≥1.30%)

(1)

将本文生产层位镜质体反射率平均值代入公式(1)进行计算，发现理论δ13C1值介于-30.6‰～-30.0‰，明显重于实际测量δ13C1值。如图4(a)所示，实际δ13C1值与镜质体反射率呈负相关关系，而理论δ13C1值则完全相反(图4(b))，表明煤层甲烷生成后经历了一定的次生改造[22]。

造成煤层气“变轻”，也就是δ13C1值减小[23]的次生因素包括解吸-扩散[24]、CH4和CO2碳同位素交换[25]、水溶解作用[26]和次生生物成因[27]4类。其中由于甲烷含量在煤层气组分中占绝对优势(>95%)，而CO2含量较低，不足以导致煤层气变轻；并且由于研究区主采煤层埋深较大、水动力较弱，次生生物成因所需要的微生物无法被大气降水带入煤层，且区内煤储层成熟度和含气量相对较高，保存条件良好，其可被微生物利用的简单化合物含量和裂解点位较少，不可能受到次生生物作用的影响，因此这两种因素不是煤层气变轻的主要因素。而解吸-扩散理论认为，在煤层气解吸过程中，分子比重小的12CH4比分子比重大的13CH4优先解吸[23]，经过地层抬升、储层压力下降的逸散作用，留在储层中的甲烷总体应该偏重；但同时在煤层气排采过程中也会发生一定的解吸分馏作用，造成气井初始产气一定程度上偏轻，随着排采时间的增加，煤层气甲烷碳同位素逐渐变重。区内煤层气井已经排采近2年，但总体气产量有限，在整体偏重的背景下解吸-扩散可能会造成一定的煤层气偏轻效果。另外水溶解理论认为煤系中的水更容易把极性更强的13CH4带走，留下更多的12CH4，使游离气中12CH4会相对富集；同时游离气不断与吸附气交换，通过累积效应引起煤层气12CH4大量富集，造成煤层甲烷碳同位素变轻。因此，研究区煤层气偏轻可能是由于排采过程中煤层气发生解吸作用，但主要因素是在地质历史时期受到地下水活动的影响。

表1 雨汪区块煤层气气体组分及同位素含量

表2 雨汪区块煤层气井产出水氢氧同位素及微量元素组成

图3 雨汪区块煤层气成因分类[18-19]Fig.3 Genetic diagrams of coalbed methane in Yuwang block(a)二氧化碳和甲烷碳同位素分类;(b)甲烷碳氢同位素分类

图4 雨汪区块甲烷碳同位素δ13C与镜质体反射率散点图Fig.4 Scatter diagrams of methane carbon δ13C value and organic matter maturity at Yuwang Block

4.2 煤层气井产出水的氢、氧同位素特征

氢、氧同位素作为煤层气井产出水中重要的水化学指标，在煤层气的研究中得到越来越多的关注。我国煤层气井产出水氢、氧同位素均分布在大气降水线附近，且普遍呈明显的D漂移特征，属于大气降水来源或与地表水、浅层地下水混合[28]。高产井主要排采煤层水，且氢、氧同位素较轻并呈现明显的D漂移特征；当压裂液或浅层地下水侵入地层时，由于地下水的混和作用，会使产出水呈现明显的18O漂移特征[29]，此时煤层气井主要排采非煤层水，产气量较低。本文的氢、氧同位素研究采用云南省大气降水线方程：δD=6.56δ18O-2.96[30]。如图5所示，所采水样呈现明显的18O漂移特征，且全部落在大气降水线下方，表明煤层气井产出水来源于大气降水[3,31-32]。

图5 雨汪区块氢氧同位素散点图 Fig.5 Hydrogen and oxygen isotopes scatter plot at Yuwang block

典型的煤层水呈明显的D漂移特征。D漂移是由于煤层水通过煤层裂隙形成的相对独立的导水网进行径流，在此过程中水与煤层充分接触，不断溶解煤层中的大量含氢矿物成分，较重的氘原子(D)易于同水中较轻的氕原子发生同位素交换反应，使煤层水中D同位素不断富集，形成D漂移[2]。同位素交换平衡反应方程式如下[33]：

H2O+D(煤系)HDO+H(煤系)

(2)

然而，研究区的煤层气井产出水呈现明显的18O漂移特征(图5)，主要原因是含氧矿物(方解石、石英等)中的氧原子较重，较重的氧原子易与水中较轻的氧原子发生同位素交换反应，使水中的18O不断富集，发生18O同位素漂移[2]，导致水中氧同位素较重[34-35]。主要方程式如下[33]：

CaCO218O(方解石)+H216OCaC16O3+H218O

(3)

Si16O18O(石英或玉髓)+H216OSi16O2+H218O

(4)

CaAl2Si216O718O(长石)+H216OCaAl2Si216O8+H218O

(5)

4(Mg，Fe)5Al2Si316O10(16OH)7(18OH)(绿泥石)+H216O14(MgFe)5Al2Si316O10(16OH)8+H218O

(6)

图6 雨汪区块煤层气井日产气量折线图Fig.6 Line chart of daily gas production of CBM wells at Yuwang block

同位素交换反应的强弱取决于煤层封闭性以及煤层水的流速、温度、压力、溶解度等多种因素，从以上反应方程来看，18O漂移更容易发生在碳酸盐岩和砂岩含水层中。因此，区内的煤层气井产出水可能来自于压裂液或压裂过程中沟通的邻近含水层(图2)。从6口先导试验井产出水的水量(表1)来看，区内煤层气井产水量总体较小，最大单井日产量多在10 m3/d以下或5 m3/d左右。从截至采样日期的累积产水量和注入地层的压裂液量的关系来看，除LC-C3井外，大多数井总的排水量在410～700 m3之间，小于煤层气井压裂时注入压裂液的量(1 000 m3)。因此LC-C3井的产出水可能来自于受压裂液影响的邻近含水层的水，而其他几口井的产出水主要来自受煤层溶滤作用影响的压裂液。

如图6所示，6口煤层气井最高产量仅为809 m3/d，均属于低产井。综合氢氧同位素、累计产水量和产能特征可知，研究区煤层气井产能较低原因为产水量低、压裂液反排不完全或产出邻近含水层的水影响煤层气排水-降压过程，导致压降漏斗扩展范围较小，降压效果较差，煤层气解吸量较少。

4.3 微量元素产能响应

地壳中含量小于0.1%的元素即为微量元素[36]，微量元素水文地球化学分析方法是伴随着测试技术的进步而发展起来的水文地质研究方法[37]，对微量元素地球化学特征的分析有助于了解氧化-还原环境[38-39]、生物地球化学过程[40]和矿床成因[41-42]等。地下水中微量元素的富集主要是海成盐类的溶滤以及在风化壳中进行的各种物理和化学作用的结果，且与常规离子存在相关关系[44]。当前产出水中微量元素产能响应研究主要集中在Li元素，当Li元素含量<350×10-9，HCO3-含量<1 500 mg/L时为低产井，产出压裂液；相反则为高产井，产出煤层水[4]。研究区有三口煤层气井满足如上高产井条件(表2)，但产量均低于900 m3/d，因此上述规律在研究区并不适用。为进一步探究微量元素与产能的联系，对其进行主成分分析。

主成分分析法是当前进行水化学研究使用较多的统计学方法之一[2,44-46]，它可以把多个微量元素综合成一个或少数几个综合指标，能够最大程度地反映原始地下水微量元素的基本信息[43]。利用SPSS软件对Li、Ba、Cu、Mn、Mo、Rb、Sr、Ti、W和Zn等10种微量元素进行主成分分析，得到主成分因子载荷旋转矩阵、特征值与方差贡献率(表3)以及煤层气产出情况与产出水同位素、微量元素相关系数矩阵(表4)。

表3 产出水微量元素主成分因子载荷旋转矩阵、特征值及方差贡献率

表4 雨汪区块煤层气产出情况与产出水同位素、微量元素相关系数矩阵

如表3所示，5个主成分特征值中只有F1、F2两个特征值大于1，累计方差贡献率达到86.541%，说明F1和F2涵盖了以上10种微量元素参数的大部分信息，满足主成分选取要求，所以将其作为主成分。

由此可建立主成分F1和F2的判别表达式：

F1=0.801XLi+0.788XBa+0.964XCu-0.408XMn-0.074XMo+0.572XRb+0.952XSr+0.947XTi+0.862XW+0.625XZn

(7)

F2=0.166XLi-0.558XBa-0.205XCu-0.843XMn+0.983XMo+0.735XRb-0.018XSr-0.311XTi-0.236XW+0.525XZn

(8)

主成分中载荷绝对值大小代表权重大小，载荷绝对值越大说明对主成分的影响越大；载荷的正负代表对主成分的正负效应。主成分F1中载荷超过0.6的元素包括Li、Ba、Cu、Sr、Ti、W、Zn，且均为正值。主成分F2中载荷超过0.6的元素包括Mn、Mo、Rb，其中Mn为负载荷，Mo和Rb为正载荷。产出水的氢、氧同位素分析表明，其主要来源是大气降水，因此区内地下水中微量元素主要来自于大气降水与其运移路径上矿物中微量元素的溶解，同时可能会发生一定的吸附、交换、过滤作用对其成分进行改造。F1与多数微量元素呈正相关，表明F1主要代表溶解作用。Mn、Mo、Rb随地下水氧化-还原条件的改变而改变，这些元素被黏土颗粒吸附或植物的根系吸收的难易程度与大气降水经地表及各含水层的选择性过滤作用有关[42]。

从研究区煤层气井的气、水产出特征和煤层气井产出水的微量元素与同位素之间的关系(表4)可知，煤层气井的最大日产气量与主成分F1及其各载荷明显呈正相关，与主成分F2及其各载荷明显呈负相关；煤层气井最大日产水量与主成分F1及其各载荷明显呈负相关，与主成分F2及其各载荷明显呈正相关。累积产水量与主成分F1和F2相关性强。因此，研究区煤层气井产出水的微量元素组成和煤层气井气、水产出的关系非常密切。根据以上分析，从研究区煤层气井产出水的水量来看，除LC-C3井外，大多数井的总排水量小于煤层气井压裂时注入压裂液的量，且压裂液尚未返排完全。区内使用的是活性水压裂液，因此产气量与F1密切相关，可能说明压裂液进入煤层后对煤层中矿物元素存在溶解作用，间接反映了煤层气井压裂波及的范围和效果，F1越大代表压裂效果越好。研究区各煤层显微组分含矿物基多以黏土矿物为主，含量为4.12%～18.79%，平均9.42%[47]，因此主成分F2反映了煤中黏土矿物对微量元素的吸附作用，即黏土矿物吸水对储层的伤害作用，F2越大代表对储层的伤害越高。

5 结 论

(1)老厂矿区雨汪区块煤层气以CH4为主，含少量CO2、N2和CO2，不含重烃，为热成因气，并经过了后期的次生改造，导致煤层甲烷同位素变轻的次生成因主要是地史时期地下水的溶解作用，伴随一定的排采时的解吸-扩散作用；

(2)研究区总体上气、水产量低，多数井截至采样时的累计产水量小于压裂液量；同时气井产出水的氢、氧同位素关系曲线位于当地大气降水线下方，显示出明显的18O漂移特征，表明其主要为压裂液，而非煤层水；

(3)微量元素主成分分析表明，产出水中微量元素与气井产出情况明显。主成分F1可以反映压裂效果与最高日产气关系密切，F1越大代表压裂效果越好；主成分F2可以反映储层伤害，与产出水关系密切，F2越大代表对储层伤害越高。