張 聰 陳洪明 李夢溪 王立龍 崔新瑞 劉國偉

(中國石油山西煤層氣分公司, 山西 048000)

1 引言

煤層氣的產(chǎn)出是一持續(xù)的排水- 降壓- 解吸過程, 地下水系統(tǒng)在儲層壓力降低、壓力傳播及井網(wǎng)開發(fā)條件下壓力擾動中起著重要的作用, 煤層甲烷伴隨著壓降范圍的波及通過解吸- 擴散- 滲流一系列復(fù)雜過程最終從井筒產(chǎn)出。煤層氣、地下水多相流體在地下裂隙系統(tǒng)、井筒中物理流動過程極為復(fù)雜, 煤層氣勘探開發(fā)初期人們對其認(rèn)識局限在物理實驗、數(shù)學(xué)模擬方面, 而通過壓力推算、室內(nèi)實驗、數(shù)學(xué)及物理模擬很難全面描述儲層動態(tài)變化規(guī)律。研究煤層氣井開發(fā)后的流體化學(xué)場的變化規(guī)律, 有助于加深單井及區(qū)塊的儲層水文地質(zhì)條件及水動力環(huán)境, 提取流體中化學(xué)信息及其動態(tài)變化規(guī)律對煤層氣排采控制及開采規(guī)律認(rèn)識亦有重要意義。

2 水文地質(zhì)條件概況

樊莊區(qū)塊地下水等勢面具有北東高南西低的總體態(tài)勢, 受于局部構(gòu)造影響, 區(qū)內(nèi)存在局部高部位分水嶺、低洼匯水中心等水文地質(zhì)界線。水文地質(zhì)單元主要由東側(cè)高平、西南部沁水縣為兩個供水區(qū), 西南側(cè)為陽城南部 (沁河) 及浮山附近 (汾河) 為泄水區(qū), 供水區(qū)與泄水區(qū)的距離大于40km左右。本區(qū)石炭- 二疊系的水勢面坡度達7m/km;奧陶系水勢面坡度最大處達20m/km, 水位勢能比較大, 研究區(qū)以南的延河泉、三姑泉涌出量較大。相對而言, 西北方向高平地區(qū)水壓頭勢面比較平穩(wěn), 又略有承壓條件。本區(qū)主要存在奧陶系、石炭二疊系和第四系3 套主要含水層系。

受各種水文邊界控制, 樊莊北部固縣井區(qū)北部邊界地下水向南徑流; 東部為露頭區(qū), 大氣降水和地表水向深部運移, 在西部由于寺頭斷層的影響無法進入本區(qū), 這樣形成了向深部匯流之勢。受到煤層上下低滲透性圍巖的在垂向上的封堵作用, 地下水就幾乎呈封閉狀態(tài), 所以在樊莊就形成了等勢面“洼地”滯流地帶, 該地區(qū)地下水徑流條件最弱。起其東側(cè)淺部補給區(qū)是煤層氣逸散帶, 含氣量相對較低; 深部徑流帶地下水徑流緩慢, 有利于煤層氣的富集, 在樊莊區(qū)塊內(nèi)3#煤儲層中形成了水動力封堵型煤層氣藏, 是煤層氣的有利聚集區(qū)。

晉城地區(qū)煤層內(nèi)的水樣分析數(shù)據(jù)表明晉城地區(qū)煤層內(nèi)的地層水礦化度基本相近, 略隨深度的加大而增加, 水型以重碳酸鈉型為主, 反映了該地區(qū)煤系地層水的低鹽度、與地表連通且與深層水沒有強烈交替的特點。

3 流體化學(xué)場動態(tài)變化規(guī)律

樊莊固縣井區(qū)為區(qū)塊整體單斜構(gòu)造大背景下?lián)D褶曲發(fā)育區(qū), 煤頂海拔位于127～186m 之間, 煤儲層整體呈現(xiàn)南北高, 中北部低的構(gòu)造特征 (圖1) 。原始儲層壓力4．2～6．3MPa, 平均5．3MPa, 分布趨勢整體呈現(xiàn)由北向南升高趨勢 (圖2) , 證實了該區(qū)水頭位于監(jiān)測區(qū)NE 方向。研究區(qū)15 口井在2009 年6～7 月份投產(chǎn), 監(jiān)測前已經(jīng)排采1 年,多數(shù)井達到了穩(wěn)產(chǎn)階段。為研究煤層氣井投入生產(chǎn)后及水文動態(tài)變化得流體化學(xué)場變化規(guī)律, 本次針對樊莊區(qū)塊固縣井區(qū)15口井產(chǎn)出進行流體化學(xué)動態(tài)監(jiān)測, 監(jiān)測時間段為2010 年7 月～12 月, 共進行了氣體組分、碳氫同位素; 水的pH 值、離子組分、水中元素含量等的監(jiān)測。

圖1 監(jiān)測區(qū)據(jù)圖構(gòu)造井位圖

圖2 儲層原始壓力等值線圖

3．1 煤層氣組分動態(tài)特點

根據(jù)固縣井區(qū)進行生產(chǎn)監(jiān)測的15 口排采煤層氣井的煤層氣組分?jǐn)?shù)據(jù)進行分析, 可知： CH4含量在92．5%～84．8%之間, CO2含量在0～2．62%之間, C2H6含量在0～0．02%之間, N2含量在1．69%～4．85%之間。從排采氣的組分看, 產(chǎn)出的煤層氣多為濕氣。

固井井區(qū)15 口生產(chǎn)井的排采煤層氣成分雖然以CH4為主, 各組分變化也表現(xiàn)出一定的差異,另外生煤層氣的組分隨排采時間呈現(xiàn)波動性變化的特征。排采氣組分呈現(xiàn)波動性變化的原因與氣源階段性補給及組分分餾有關(guān)。排采煤層氣組分隨時間的變化在氣源階段性供給方面的反映, 不同階段來源于不同煤層氣井煤儲層顯微組分, 尤其是富氫組分的豐度差異決定的產(chǎn)CH4能力所導(dǎo)致的不同碳烴組分的差異。另一方面反映了煤層氣井網(wǎng)排采過程中排采速率變化影響了氣體組分在運移過程中分餾富集的變化, 因為煤層氣井的排采過程, 其實質(zhì)是人為地改變了地下水動力條件。對烷烴而言, 排采速率的變化可能造成在不同煤層氣井不同時間由于輸送細菌產(chǎn)生的次生生物氣而影響煤層氣成分,造成組分分異, 導(dǎo)致不同烷烴組分隨時間變化。對于非烴類氣體而言, 組分隨時間變化表現(xiàn)為受自身密度及氣水相互用影響。排采氣中的N2的體積濃度隨時間的變化反映出因自身較輕而受排采速率(遷移速率) 的影響, 而CO2易溶性而易被地下水所溶解。

3．2 煤層氣甲烷碳、氫同位素動態(tài)

對固縣井區(qū)進行生產(chǎn)監(jiān)測的15 口排采煤層氣井的 CH4同位素數(shù)據(jù)進行分析, 碳同位素(δ13CCH4) 在- 29‰～- 34‰之間, 氫同位素(δDCH4) 值在- 110‰～180‰之間。從排采氣的組分中甲烷同位素值和氫同位素看, 同位素組成均較重, 一方面可能與煤層氣的成因有關(guān) (存在部分熱裂解氣) , 另一方面可能與排采有關(guān)。15 口排采井產(chǎn)出煤層氣δ13C1值和δD 值總體經(jīng)歷了先變輕、再變重、后又變輕最后又變重的趨勢 (圖3) , 過程呈波動性變化特征。對于煤層氣井排采初期而言,輕同位素的甲烷先被采出, 重同位素的甲烷后被采出, 經(jīng)過一段時間, 由于遠井地帶氣源的補給, 煤層氣井采出煤層氣又開始富氫氣, 再富重同位素的氣體, 如此反復(fù), 因而煤層氣井采出煤層氣的甲烷碳、氫同位素隨時間表現(xiàn)出波動性變化的特征。

圖3 煤層氣組分中甲烷碳、氫同位素的時間變化

3．3 煤層產(chǎn)出水酸堿度化動態(tài)

15 口井所采的水樣酸堿度測結(jié)果顯示地層水的pH 值基本在8．3～9．5 之間, 說明短期內(nèi)pH 值未有明顯變化。

3．4 煤層氣井產(chǎn)出水來源分析

根據(jù)排采水離子濃度的測定值, 參考相關(guān)文獻中有關(guān)砂巖、泥巖及灰?guī)r水中離子濃度值, 繪制了生產(chǎn)監(jiān)測區(qū)不同采樣時刻的水化學(xué)Piper 三線圖(圖4) , 進而判別地層水的來源?？傻贸鲈诒O(jiān)測時間段內(nèi)HG2 - 16、HG3 - 14、HG3 - 15、HG3 - 16、HG4- 14、HG4 - 15、HG4 - 16、HG5 - 13、HG5 -14 等9 口井產(chǎn)出水為煤層水與砂巖水的混合水;生產(chǎn)井HG5 - 15、HG6 - 20、HG6 - 21、HG6 - 22、HG6- 23、HG6- 25 等6 口井產(chǎn)出水為煤層水。

3．5 煤層產(chǎn)出水中離子含量變化動態(tài)

經(jīng)過測試地層水中常規(guī)陰離子Cl-、HCO-、CO2-3和SO2-4和常規(guī)陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+、NH+4。陰離子中, 濃度最高的為HCO-3, 其次為Cl-, 最低的為NO-2(未檢出) 。陽離子中,濃度最高的為Na+, 其次為K+, 最低的為NH+4。15 口生產(chǎn)井排采地層水中離子濃度值隨時間變化(表1) 可以看出, 地層水中離子濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢, 部分離子濃度呈現(xiàn)出波動特征, 反映該井區(qū)地下水為滯留環(huán)境, 通過長時間排采, 煤層氣井壓降漏斗波及范圍小, 同時也呈現(xiàn)出固縣井區(qū)煤層水補給能力弱或?qū)娱g越流現(xiàn)象不明顯。

圖4 生產(chǎn)監(jiān)測區(qū)不同采樣時刻產(chǎn)出地層水水化學(xué)Piper 三線圖

表1 煤層氣產(chǎn)出水中離子測試數(shù)據(jù) (單位： mg/L)

對采出地層水中離子化學(xué)場進行平面分析, 可以得出比較一致的規(guī)律, 即化學(xué)場變化整體表現(xiàn)為： 先由南向北降低, 然后表現(xiàn)為東西向降低, 最后再表現(xiàn)為由南向北遞減。個別離子化學(xué)場的分布表現(xiàn)出既受局部排采井所產(chǎn)地層水的影響 (往往形成異常高值或異常低值) , 同時在整體上又體現(xiàn)出受整體井網(wǎng)的影響, 即受排采時井間干擾的影響,從而表現(xiàn)出化學(xué)場方向的統(tǒng)一變化趨勢。

3．6 煤層產(chǎn)出水元素含量變化動態(tài)

本論文利用電感耦合等離子質(zhì)譜法測試了所采地層水中45 種元素, 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。通過測試分析發(fā)現(xiàn), 煤層氣井排采地層水中元素含量差異顯著, 含量變化從百分之幾個ppb 到上百個ppb。為減小誤差, 使得分析效果明顯, 選取其中10 種含量較高的元素 (As、B、Ba、Cr、Ge、Mn、Ti、Pb、Sc、Sr) 進行分析, 以15 口井所產(chǎn)的地層水每次測試的元素含量平均值的變化來說明地層水中元素含量的時間變化 (表2) 。可以看出隨著排采試驗延長：水中As、Mn 元素含量略有上升; B、Cr、Ge、Se元素含量在產(chǎn)出較為穩(wěn)定或在小范圍內(nèi)波動; Ba、Ti、Pb、Sc 含量呈現(xiàn)下降趨勢, 反映了地層水對于煤層中金屬元素的選擇性洗選規(guī)律。

通過對元素化學(xué)場進行平面分析, 可以得知,元素化學(xué)場方向的變化大致經(jīng)歷了南北變化 (由南向北降低或由北向南降低) 、東西向變化 (由東向西降低) 以及后階段的南北向變化。分析發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)元素化學(xué)場方向變化經(jīng)歷較長時間由東向西遞減的過程。同時與離子化學(xué)場方向變化相比, 元素化學(xué)場的變化存在較多的不一致的地方, 如大多數(shù)離子化學(xué)場在采樣初期主要由南向北降低, 而元素化學(xué)場只有部分元素為該趨勢。通過分析認(rèn)為, 主要有三個方面的原因： ①元素本身的性質(zhì), 如元素的賦存狀態(tài)、溶出及遷移性質(zhì)決定了其遷移富集速率的快慢; ②局部煤層氣井所在煤儲層或巖層所含某些元素的本底值很高, 即使在有其它地層水補給情況下, 也使得產(chǎn)自該煤層氣井的地層水的元素含量很高, 從而出現(xiàn)異常; ③工程采樣的缺失導(dǎo)致生產(chǎn)監(jiān)測區(qū)的某些采樣點數(shù)據(jù)缺失, 從而有可能導(dǎo)致化學(xué)場的分析失真。

表2 煤層氣產(chǎn)出水中元素測試數(shù)據(jù) (單位： ppm)

4 結(jié)論

本文通過分析實驗測試的不同時刻生產(chǎn)監(jiān)測區(qū)煤層氣組分、煤層氣甲烷碳氫同位素、地層水pH值, 及其中離子濃度、元素含量, 歸納總結(jié)了煤層氣井井網(wǎng)排采條件下煤層氣組分、煤層氣甲烷碳氫同位素、地層水中元素含量及地層水中離子濃度的時間變化規(guī)律, 判斷了生產(chǎn)監(jiān)測區(qū)不同采樣時刻地層水的來源。研究不同時刻地層水中離子濃度及地層水中元素含量變化平面動態(tài), 分析了井網(wǎng)排采條件下煤層氣流體化學(xué)場動態(tài)變化規(guī)律, 得到的主要結(jié)論如下：

(1) 煤層氣組分、煤層氣甲烷碳氫同位素隨時間呈波動性變化, 儲層解吸具有階段性特征, 可能反映為煤層氣井不同時刻氣源變化及煤層氣的分餾特征。

(2) 在煤層氣生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期 (樊莊區(qū)塊氣井排采時間一般大于1 年) , 短期內(nèi)PH 值未有明顯變化趨勢, 氣井產(chǎn)出地層水主要為煤層水或煤層水與砂巖水的混合水, 儲層離子化學(xué)場、元素化學(xué)場的方向主要經(jīng)歷了南北向和東西向偏轉(zhuǎn)變化的過程, 不同排采時刻南北向和東西向遷移富集一致性變化的特點, 證實了煤層氣井井網(wǎng)排采存在井間干擾, 并可能由此改變地層水滲流方向。

(3) 流體化學(xué)是研究儲層水文動態(tài)特征及采動影響變化規(guī)律, 開展該方面研究有利于進一步揭示流體化學(xué)場方向的變化、側(cè)面驗證井網(wǎng)排采條件下的井間壓力干擾、流體動態(tài)相互干擾。

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