劉賀等

摘? 要：為使我國煤層氣資源合理有效開釆獲得理論指導(dǎo)和依據(jù)，文章通過對沁水盆地南部多口煤層氣井產(chǎn)出水進(jìn)行連續(xù)長期的水化學(xué)場監(jiān)測，總結(jié)了煤層氣井產(chǎn)出水的水化學(xué)特征及水化學(xué)場動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。由煤層氣井產(chǎn)出水化學(xué)場的動(dòng)態(tài)變化，可將煤層水的排采過程分為3個(gè)階段：階段Ⅰ為排污階段;階段Ⅱ?yàn)檫^渡階段;階段Ⅲ為穩(wěn)定階段。初期的排污階段產(chǎn)出水礦化度以及各離子濃度較高，除碳酸氫根離子之外，其余各離子均隨礦化度的增大而增大。通過繪制3#與15#煤不同產(chǎn)水階段Stiff圖，各產(chǎn)水階段有不同的特點(diǎn)，產(chǎn)水產(chǎn)氣階段也存在一定的相關(guān)關(guān)系，3#煤層的產(chǎn)水過程的排污階段和過渡階段相當(dāng)于排水降壓階段，穩(wěn)定階段相當(dāng)于穩(wěn)產(chǎn)階段和衰減階段。

關(guān)鍵詞：煤層氣井;產(chǎn)出水;水化學(xué)場;動(dòng)態(tài)演化

中圖分類號：P641.461? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2018）04-0060-07

0 前言

國外學(xué)者在煤儲層水文地球化學(xué)方面的研究較多，涉及多個(gè)大型煤層氣開發(fā)盆地。Rice（2008）通過對粉河盆地煤層氣井產(chǎn)出水進(jìn)行了離子檢測，認(rèn)為產(chǎn)出水為Na-HCO3型。而Pashin（2007）認(rèn)為美國黑勇士盆地煤層水為Na-Cl型，具有中等至較高的TDS（總?cè)芙夤腆w）含量。Katrina Cheung（2009）對西加拿大Alberta地區(qū)的煤層產(chǎn)出水和淺層地下水進(jìn)行了對比，認(rèn)為煤層產(chǎn)出水為Na-Cl型，產(chǎn)出水微量元素含量相當(dāng)于淺層地下水的300倍。Cemile Erarslan（2014）對土耳其的Ke?an煤田進(jìn)行了水樣分析，發(fā)現(xiàn)pH值介于6.55 和8.36之間。Kinnon（2010）對澳大利亞Bowen盆地進(jìn)行煤層產(chǎn)出水進(jìn)行了穩(wěn)定同位素分析，較淺埋深和較高產(chǎn)量水中多呈正的δD和δ18O，而較低的水產(chǎn)量和較高的氣產(chǎn)量的地區(qū)多呈負(fù)的δD和δ18O。

與國外相比，國內(nèi)一些學(xué)者在研究煤礦區(qū)地層水化學(xué)特征方面做了大量研究。單耀（2007）對大屯礦區(qū)礦井水水質(zhì)進(jìn)行了研究，指出該礦井水屬高礦化度水。高波（2014）研究了賈汪礦區(qū)煤礦關(guān)閉后地下水化學(xué)特征，認(rèn)為水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-K·Na型，TDS含量較高。孫紅福（2014）指出重慶西部干旱區(qū)91%的礦井水水化學(xué)類型為Cl-Na型。王志超（2009）對晉城地區(qū)煤層氣井采出水進(jìn)行了檢測，陽離子以K+和Na+為主，陰離子以HCO3-和Cl-為主，呈弱堿性，pH值為6.5～8.5。張曉敏（2012）指出沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層產(chǎn)出水具有高礦化度和高鹽度的特征。

煤層氣的產(chǎn)出要經(jīng)過排水→降壓→解吸→擴(kuò)散→滲流→產(chǎn)出的過程，目前煤層氣的生產(chǎn)主要是排解水、降儲壓，故與排采相關(guān)的水文地質(zhì)因素是很重要的，比如含水層之間的導(dǎo)通情況，以及斷裂褶皺的發(fā)育情況，還有就是排采制度的影響等等。對基于區(qū)域水文地質(zhì)條件的煤層氣井動(dòng)態(tài)變化特征的研究可以幫助我們掌握煤層氣的開發(fā)與勘探，目前關(guān)于水文地質(zhì)條件的研究和基于水文地質(zhì)條件的煤層氣井的排采特征研究非常有限，而且大多處于定性認(rèn)識狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際開發(fā)過程中時(shí)，往往不能很好的指導(dǎo)生產(chǎn)，與我們理論的研究差距較大。因此，加強(qiáng)煤層氣井產(chǎn)水、產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)特征的研究，從排采特征中找到一定的規(guī)律，對其加以總結(jié)概括上升為理論，能夠?yàn)槲覈簩託赓Y源合理有效開釆提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

沁水盆地總體分布在山西省與山東、河北交界的東南部，整體構(gòu)造為大型復(fù)式向斜。通常所說的沁水盆地南部指二崗山斷層以南的翹起端，西南為中條山，西鄰霍山，東臨太行山，含煤面積6200km2。沁水盆地南部全區(qū)可采煤層主要有分布在石炭系的太原組15#煤層和二疊系山西組3#煤層。研究區(qū)存在5個(gè)含水層，其中山西組砂巖裂隙含水層和太原組灰?guī)r、砂巖巖溶裂隙承壓水含水層對煤層氣開采有直接影響，兩個(gè)含水層有共同的特征，都存在分水嶺，分水嶺南北有兩個(gè)不同流動(dòng)類型的流場，南部為匯流型，北部為單向流型。兩個(gè)水流系統(tǒng)相互獨(dú)立，無水力聯(lián)系。南部煤系地層水位范圍從800m到550m。該區(qū)的地下水系統(tǒng)全部是單向流子系統(tǒng)，主要分布在樊莊、潘莊、鄭莊、柿莊、沁南、趙莊等區(qū)塊（圖1）。其中，汾河及其支流為沁水盆地的主要地表水系。對沁水盆地南部煤層氣開采有顯著影響的含水層組主要包括山西組3#煤層的上覆砂巖裂隙含水層、太原組15#煤層上覆灰?guī)r巖溶裂隙含水層組及下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層（圖2）。

2 水樣采集與測試

以沁水盆地南部主產(chǎn)氣的山西組3#和太原組15#煤儲層為研究對象，對樊莊、潘莊、鄭莊、柿莊、沁南、趙莊等區(qū)塊內(nèi)多個(gè)煤層氣生產(chǎn)井以及區(qū)內(nèi)部分煤礦區(qū)礦井水進(jìn)行了長期連續(xù)的水樣采集，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室樣品水質(zhì)分析，測試項(xiàng)目主要有pH值、主要離子濃度、總礦化度（TDS，總?cè)芙夤腆w）等。其中測試離子包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-等。其中由于鉀離子和鈉離子的來源和性質(zhì)相近，且鉀離子含量遠(yuǎn)低于鈉離子，所以一般情況下將鉀離子歸到鈉離子中，不另外區(qū)分。具體化驗(yàn)結(jié)果見表1。

3 產(chǎn)水階段劃分

通過分析沁水盆地南部3#和15#煤層氣井產(chǎn)出水成分資料，結(jié)合水文地質(zhì)學(xué)的分析方法原理，根據(jù)各離子濃度隨排采時(shí)間的變化關(guān)系，把煤層水的排采過程分為3個(gè)階段：階段Ⅰ為排污階段;階段Ⅱ?yàn)檫^渡階段;階段Ⅲ為穩(wěn)定階段（圖3、圖4）。

3.1 煤層產(chǎn)水階段Ⅰ特點(diǎn)

通過繪制3#與15#煤不同產(chǎn)水階段Stiff圖，我們得出以下結(jié)論：

（1）3#煤水質(zhì)類型以Na-Cl型為主，15#煤水質(zhì)類型以Na-Mg-Cl型為主，礦化度值前期均較高，最高的是鈉離子、氯離子濃度，與其他離子相比明顯偏高，Stiff圖呈漏斗狀（圖5（1）、圖6（1））的污染特征。鈉離子的增加是由于陽離子的吸附交換作用。氯離子的增加是由于排采初期大量壓裂液進(jìn)入導(dǎo)致。

（2）產(chǎn)水量范圍在8.1～61.5m3/d，平均為15.95 m3/d。

（3）持續(xù)時(shí)間一般需要1～3個(gè)月。此階段15#煤層比3#煤層持續(xù)時(shí)間短。

3.2 煤層產(chǎn)水階段Ⅱ特點(diǎn)

（1）3#與15#煤層水質(zhì)類型都以Na-Cl-HCO3型為主。相比與第Ⅰ階段，礦化度、鈉離子降低了，但是碳酸氫根離子增加了，氯離子仍然高于碳酸氫根離子， Stiff圖呈三角形或倒旗子狀（圖5（2）、圖5（3）、圖6（2）、圖6（3）），說明還有污染存在。

（2）產(chǎn)水范圍在3.3～54.3 m3/d，平均為13.88m3/d。

（3）相對于階段Ⅰ，該階段持續(xù)時(shí)間較長，一般需要5個(gè)月左右。最明顯的此階段15#煤層比3#煤層持續(xù)時(shí)間短。

3.3 煤層產(chǎn)水階段Ⅲ特點(diǎn)

（1）氯離子低于碳酸氫根離子，其他離子濃度變化較小。3#與15#煤水質(zhì)類型均以Na-HCO3-Cl或Na-HCO3為主。Stiff圖呈現(xiàn)圖5（4）、圖6（4）形狀。

（2）產(chǎn)水量范圍在1.1～50.2 m3/d，平均為10.98m3/d。

4 煤層氣井產(chǎn)出水地球化學(xué)成分動(dòng)態(tài)變化

4.1 3號和15號煤層產(chǎn)出水礦化度與各離子的關(guān)系

地下水是不斷循環(huán)并且化學(xué)成分在不斷改變的過程。礦化度（TDS）是常規(guī)離子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、Cl-、HCO3-等離子）在水中長期積累的綜合反映。礦化度和各離子的成分是同時(shí)發(fā)生變化的。因此根據(jù)離子與礦化度的關(guān)系可以確定主要離子以及判斷地下水離子來源。

（1）氯離子

氯離子是水中最穩(wěn)定的離子，它不參與碳、氮和硫循環(huán)，不參加任何簡單的氧化還原反應(yīng)，不易產(chǎn)生沉淀，不易被粘土吸附，也不被植物及細(xì)菌攝取。3號、15號煤層產(chǎn)水氯離子均隨礦化度的增加而增加，受環(huán)境和周圍含水層的影響較小（圖7（1））。故氯離子與礦化度均可作為煤層水示蹤劑，判斷地下水的補(bǔ)給、徑流和滯流情況。但在排采初期井會(huì)遭受壓裂液等工業(yè)污染，氯離子變化較大，因此要綜合分析地下水所處的環(huán)境。

（2）碳酸氫根離子

由圖7（2）可以看出，3號和15號煤層產(chǎn)出水碳酸氫根離子與礦化度均為負(fù)相關(guān)。主要是由于3號和15號煤層產(chǎn)出水主要來自煤層水，煤層水中的碳酸氫根離子主要來自于脫硫酸作用，脫硫酸作用是在脫硫酸菌和還原環(huán)境下發(fā)生的，礦化度增加有助于形成還原環(huán)境，卻不利于脫硫酸菌的生存。

（3）硫酸根離子

地下水的硫酸根離子主要來自硫酸鹽沉積巖。難溶于水的硫化物要想進(jìn)入水中，通過下式反應(yīng)：

FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42-

由圖7（3）可知，3號煤和15號煤層硫酸根離子濃度與礦化度相關(guān)性均較差，15號煤層硫酸根離子濃度大部分集中在礦化度1000～1500mg/L時(shí)，而3號煤層硫酸根離子濃度大部分集中在礦化度1500～2500mg/L時(shí)，相關(guān)性較差說明該階段地下水處于還原環(huán)境，硫化物已不發(fā)生氧化反應(yīng)。硫酸根是氧化還原的標(biāo)志，若煤層水中大量存在，說明封閉條件不好。

（4）鈉、鉀離子

由于鉀離子和鈉離子的來源和性質(zhì)相近，并且鉀離子含量遠(yuǎn)低于鈉離子，所以一般情況下將鉀離子歸到鈉離子中，不另外區(qū)分。鈉離子是兩煤層產(chǎn)出水的主要陽離子，由圖7（4）可知，兩煤層的鈉、鉀離子均與礦化度呈較好的正相關(guān)性，鈉、鉀離子的含量與礦化度成正比。

（5）鈣、鎂離子

同鈉、鉀離子一樣，鈣、鎂離子也有相近的來源和性質(zhì)，主要來自碳酸鹽類沉積物和石膏。兩煤層產(chǎn)出水中鈣、鎂離子與礦化度呈現(xiàn)的關(guān)系如圖7（5）、圖7（6）。3號煤層的鈣、鎂離子與礦化度正相關(guān)性較好，而15號煤層相關(guān)性較差。3號煤層產(chǎn)出水中鈣、鎂離子濃度隨著礦化度的增加而增加，可能是由于高礦化度中氯離子濃度不斷增加，而氯化鈣、鎂的溶解度比較大，導(dǎo)致鈣、鎂離子濃度增加。而15號煤層這方面有待進(jìn)一步探討。

4.2 3號和15號煤層產(chǎn)出水離子分布形態(tài)特征

為了整體分析3號與15號煤層產(chǎn)出水的主要離子分布特征，還可以用對數(shù)為縱坐標(biāo)，每升毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)為單位，繪制schoeller圖，選取柿莊區(qū)塊3號煤層氣ZY-168井和15號煤層氣TS-002井，由圖8可知兩煤層產(chǎn)出水各離子整體分布形態(tài)相似均呈“W”狀，陽離子以鈉鉀離子為主，鈣與鎂離子相對較少;最主要的陰離子是碳酸氫根離子和氯離子。兩煤層產(chǎn)出水各種離子濃度分布還是有一定的差別：3號煤層產(chǎn)出水氯離子、鈉鉀離子濃度變化范圍以及平均濃度高于15號煤層;而兩煤層產(chǎn)出水鈣離子、鎂離子的平均濃度差別不大，箱體形狀也比較接近;兩煤層產(chǎn)出水的碳酸氫根離子差別較大，總體上15號煤的明顯高于3號煤層。

5產(chǎn)水階段與產(chǎn)氣階段關(guān)系

5.1 3號煤層產(chǎn)水、產(chǎn)氣兩階段的相互關(guān)系

煤層氣井排采生產(chǎn)過程可分為3個(gè)階段：排水降壓階段、穩(wěn)產(chǎn)階段和衰減階段，其中排水降壓期又分為產(chǎn)氣前期、產(chǎn)氣后的第一個(gè)高峰期和產(chǎn)氣回落期。一般情況下，3#煤層的產(chǎn)水過程的排污階段和過渡階段相當(dāng)于排水降壓階段，穩(wěn)定階段相當(dāng)于穩(wěn)產(chǎn)階段和衰減階段。排污階段一般相當(dāng)于排水降壓階段的產(chǎn)氣前期（純產(chǎn)水階段）和產(chǎn)氣后的第一個(gè)高峰期以及產(chǎn)氣回落期前期;過渡階段則主要相當(dāng)于產(chǎn)氣回落期后期和第二個(gè)高峰期以及穩(wěn)產(chǎn)期前期。下面以柿莊南區(qū)塊TS-409D井具體實(shí)例進(jìn)行說明。該井從排采初期定期取水樣進(jìn)行分析測試，產(chǎn)水、產(chǎn)氣階段劃分以及兩者對應(yīng)關(guān)系如圖9所示。該井排污階段持續(xù)了近100天，反映進(jìn)入煤層的壓裂液相對較多，純排水期僅為20天，而后開始產(chǎn)氣，排采至80天時(shí)日產(chǎn)氣量達(dá)到高峰期，高峰持續(xù)時(shí)間近一周，便進(jìn)入回落期，回落期的中后期與排水過渡階段的中前期相重疊，隨著原始煤層水的增加，壓降漏斗逐漸增加，煤層氣解析范圍逐漸增大，產(chǎn)氣量逐漸增加，過渡階段后期該井進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期，穩(wěn)產(chǎn)期階段產(chǎn)出水各離子濃度基本穩(wěn)定，說明此時(shí)排出的水主要是以原始煤層水為主。

5.2 15號煤層產(chǎn)水、產(chǎn)氣兩階段的相互關(guān)系

由于15#煤層產(chǎn)水階段Ⅰ和階段Ⅱ持續(xù)時(shí)間較短，沒有在煤層中形成有效的壓力漏斗，煤層氣無法解析產(chǎn)出，致使產(chǎn)水、產(chǎn)氣階段的相互關(guān)系不同于3#煤層，排水階段Ⅰ和階段Ⅱ基本對應(yīng)于產(chǎn)氣階段的前期及純產(chǎn)水期，產(chǎn)氣的其他階段處于產(chǎn)水的穩(wěn)定階段。

6 結(jié)論

（1）結(jié)合水文地質(zhì)學(xué)的分析方法原理，把煤層氣井水的排采過程分為3個(gè)階段：階段Ⅰ為排污階段;階段Ⅱ?yàn)檫^渡階段;階段Ⅲ為穩(wěn)定階段。

（2）除碳酸氫根離子之外，其余各離子均隨礦化度的增大而增大。初期的排污階段產(chǎn)出水礦化度以及各離子濃度較高，水型相對復(fù)雜的原因可歸因于前期施工中注入煤層中的鉆井液、壓裂液等。隨著排采繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)出水逐漸恢復(fù)到原始煤層水的化學(xué)場狀態(tài)。

（3）礦化度是常規(guī)離子在水中長期積累的綜合反映。礦化度和各離子的成分是同時(shí)發(fā)生變化的。根據(jù)離子與礦化度的關(guān)系可以確定主要離子以及判斷地下水離子來源。3號煤層產(chǎn)出水氯離子、鈉鉀離子濃度變化范圍以及平均濃度高于15號煤層;而兩煤層產(chǎn)出水鈣離子、鎂離子的平均濃度差別不大;兩煤層產(chǎn)出水的碳酸氫根離子差別較大，總體上15號煤的明顯高于3號煤層。

（4）3號煤層的產(chǎn)水過程的排污階段和過渡階段相當(dāng)于排水降壓階段，穩(wěn)定階段相當(dāng)于穩(wěn)產(chǎn)階段和衰減階段。排污階段一般相當(dāng)于排水降壓階段的產(chǎn)氣前期（純產(chǎn)水階段）和產(chǎn)氣后的第一個(gè)高峰期以及產(chǎn)氣回落期前期;過渡階段則主要相當(dāng)于產(chǎn)氣回落期后期和第二個(gè)高峰期以及穩(wěn)產(chǎn)期前期。

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