沁水盆地南部煤层气井产出水源解析及合层排采可行性判识

秦 勇,张 政,白建平,刘东海,田永东

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221008;2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城 048006)

沁水盆地南部煤层气井产出水源解析及合层排采可行性判识

秦 勇1,张 政1,白建平2,刘东海1,田永东2

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221008;2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城 048006)

长期以来,沁水盆地南部丰富的太原组煤层气资源无法规模性动用,煤层气单井产量难以进一步提高,合层排采产出水来源得不到有效判识,合排难易程度无法客观评价。面对这些生产技术难题,基于28口单层及合层排采井产出水样品的微量元素测试分析,建立了产出水来源判识及合层排采可行性评价方法,进而以7口合层排采井为例进行了初步判识。分析表明,煤层气井产出水微量元素中蕴含着丰富的产出水来源信息,基于水岩作用原理可合理提取产出水源解析的特征微量元素。在甄别煤储层返排清污程度基础上,初步建立了由提取产出水特征微量元素、建立单煤层产出水特征微量元素标准模板、产出水来源与合排可行性判识3个步骤构成的评价流程。应用这一方法,在7口合层排采井中识别出产出水来源和层间干扰程度的3种情况。

沁水盆地;煤层气井;合层排采;产出水;微量元素;源解析

沁水盆地南部太原组煤层气地质资源量占全区煤层气资源总量的55%[1]。然而,目前的煤层气开发以山西组3号煤层为主[2-3],丰富的太原组煤层气资源难以动用。尽管近年来开展了山西组与太原组煤层合层排采的试验探索,但多数井效果并不理想[4-5]。对多煤层含气系统相互之间的流体压力匹配关系及产出水来源的认识不足,是造成这一状况的根本原因之一[6-7]。某些研究者曾从水文地质条件、常规水化学、煤层气井产出水同位素地球化学等方面对此探讨,为解决这一问题提供了启示[8-11]。面对这些问题,笔者进一步基于产出水微量元素测试结果,提取其中所隐含的产出水来源信息,建立产出水源解析及合层排采可行性评价方法,期望能为太原组煤层气排采优化提供某些依据。

1 地质背景

沁水盆地南部位于沁水复向斜南部仰起端,总体上为一单斜构造。区内发育一系列NNE,NE和SN向的宽缓次级褶曲,地层倾角一般为5°～15°,断层稀少。

区内含煤地层主要为上石炭统太原组和下二叠统山西组,太原组15号煤层和山西组3号煤层是煤层气开发的主要目的层。含水层主要为奥陶系灰岩岩溶含水层、太原组灰岩含水层、山西组砂岩含水层、下二叠统下石盒子组砂岩含水层和第四系松散沉积物含水层,山西组顶部和本溪组底部区域性发育泥质岩层,使得含煤地层与上覆、下伏含水层之间一般没有直接的水力联系[12]。

山西组3号煤层顶部K8砂岩裂隙含水层、太原组15号煤层顶板K2灰岩岩溶含水层分别为这两个主煤层排水降压的直接给水层。煤田勘探钻孔抽水结果显示,K2灰岩岩溶含水层钻孔单位涌水量为0.05～0.35 L/(s·m),K8砂岩裂隙含水层钻孔单位涌水量在0.001 5～0.05 L/(s·m),太原组富水性强于山西组,但总体上均较弱[13]。

2 产出水样品及其测试

笔者2013年7月在沁水盆地南部采集了28口煤层气井的产出水样品,井位分布在潘庄、郑庄、柿庄、成庄、樊庄5个区块,均连续排采1 a以上,包括3号煤层单层排采井水样8件、15号煤层单层排采井水样12件、3号与15号煤层合层排采井水样8件。

水样直接取自煤层气井口,采样前先用产出水冲洗采样瓶3次以上。产出水微量元素质量浓度测试在环境地球化学国家重点实验室(贵阳)完成,仪器为美国安捷伦7700X型等离子质谱仪(表1)。

3 结果与讨论

3.1 产出水特征微量元素的提取

尽管采样井连续排采已达1 a以上,但并不能保证钻进和完井过程中钻井液、压裂液等注入煤层的污染物已全部返排,需要甄别返排清污的程度,以保证产出水样地球化学信息的可靠性。甄别的基本原则是,合层排采产出水某种微量元素浓度不超过3号和15号煤层产出水相应微量元素的最大质量浓度分布范围。分析表1数据发现,合层排采的第26号井产出水中7种微量元素显著异常,异常元素比例超过所测元素种类的40%。与单排井产出水对应元素最大浓度相比,26号井产出水Li元素质量浓度高出1.87倍,Ga质量浓度高出1.55倍,Rb质量浓度高出3.39倍,Sr质量浓度高出1.84倍,Cs质量浓度高出4.57倍,Ba质量浓度高出1.58倍。显然,26号井两煤层尚未返排干净,在产出水特征微量元素提取中应予剔除。

作为特征微量元素,要求其质量浓度值相对较高以增强可甄别性,两个主煤层对应微量元素质量浓度分布范围有较大差别以保证足够的特征性。按照这一原则,20口单层排采井产出水样中Co,As,Cs,Pb和U五种微量元素质量浓度极低,可甄别性不足(表1);两主煤层Cr,Mn,Zn,Se四种微量元素平均质量浓度比低于2.5倍,特征性相对较弱(表2)。

也就是说,上述9种微量元素不符合特征微量元素基本标准,而剩下的Li,Ga,Rb,Sr,Ba五种微量元素浓缩了产出水来源的主要信息,可作为判识产出水来源的特征微量元素。这5种特征微量元素中,两煤层单层排采产出水的Li元素浓度交集程度最低,可作为特征微量元素中的刻度性元素(图1)。

上述5种特征微量元素多为强活跃性的金属元素,它们的金属单质在水溶液中易失去电子生成金属阳离子[14]。逐级化学提取实验结果显示,晋城地区3号和15号煤层样品中碳酸盐结合态Sr占该元素总量的89.70%和62.98%,遇水极易溶解而从矿物中释放出来[15]。其中,Li,Rb,Sr,Ba是最活泼的金属, Ga为较活跃的金属。据钻孔岩芯测试资料,潘庄地区3号和15号煤层 Rb的平均含量分别为5.53× 10-6和16.34×10-6,Sr的平均含量为 94×10-6和122×10-6,Ba的平均含量为84.9×10-6和201.5× 10-6[16];樊庄地区3号和15号煤层Ga的平均含量分别为5.53×10-6和16.34×10-6[17]。因此,产出水特征微量元素相对较高的质量浓度是地下水流经含煤地层时发生水岩相互作用所致,一方面溶解了地层所含的对应金属元素,另一方面也体现出不同地层组微量元素地球化学背景的总体特点。

表1 煤层气井产出水样品微量元素质量浓度Table 1 Concentration of trace elements in produced-water samples from CBM wells 10-9

表2 煤层气井产出水样品微量元素质量浓度统计Table 2 Statistics of trace element concentration in produced-water samples from CBM wells

图1 煤层气井产出水Li元素质量浓度分布Fig.1 Occurrence of Li concentration in producedwater of CBM wells

3.2 产出水来源判识标准建模

煤层气井产出水来源标准模板研制有多种方法,其中水样投点法最为直观,生产中使用最为便利。本文采用两种具体的水样投点法:一是交汇法,利用两两微量元素质量浓度之间的相互分布关系,从单因素角度判识不同煤层来源产出水特征微量元素分布范围;二是蛛网法,集合所有特征微量元素的信息,对合层排采煤层气井产出水来源进行综合判识。

分析特征微量元素交汇情况,两个主煤层产出水特征微量元素最大分布范围在Li-Sr关系中区分最为清晰,Li和Sr与其他4种特征微量元素以及4种微量元素之间均存在程度不等的交集区域,其中Li-Mn关系交集范围相对较宽。为此,选择Li-Ga,Li-Rb,Li-Sr,Li-Ba四幅交汇图,形成了3号煤层和15号煤层来源水的判识模板集(图2)。

图2 煤层气井产出水特征微量元素分布范围与标准交汇模板Fig.2 Occurrence and intersection standard templates of characteristic trace elements in produced-water from CBM wells

进一步将3号煤层和15号煤层单层排采所有井产出水的5种特征微量元素最高质量浓度点投影于蛛网(雷达)图,点间连线所限定的区域即构成两个主煤层产出水特征微量元素的蛛网标准模板(表2,图3)。可以看出,15号煤层产出水5种特征微量元素最大值均大于3号煤层产出水对应元素的最大值,使得3号煤层产出水标准蛛网模板被交集于15号煤层产出水模板范围之内。在这种情况下,若3号煤层及其围岩水特征微量元素浓度较低,则合层排采井中混合的15号煤层及其围岩水不易区分。为此,蛛网标准模板需要与交汇标准模板配合应用。

值得提及的是,15号煤层产出水特征微量元素最高质量浓度普遍大于3号煤层的现象,是沁水盆地南部石炭二叠纪含煤地层地下水动力场的客观反映。即使太原组灰岩含水层的富水性总体上强于山西组砂岩含水层,但由于采样的5个区块均处于地下水汇流带和寺头断裂封堵带,补给不足,径流缓慢,水动力条件较弱,导致太原组富水性总体上依然较弱[12];某些15号煤层排采井高产水的原因,是由于断层或压裂裂缝将产层与富水含水层贯通所致[18]。

3.3 产出水来源解析及其生产意义

依据20口单层排采井产出水特征微量元素测试数据所建立的标准模板,可进一步对表1中8口合层排采井产出水的来源进行解析。

图3 煤层气井产出水特征微量元素分布范围与标准蛛网模板Fig.3 Occurrence and spider web standard templates of characteristic trace elements in produced-water of CBM wells

地下水在井眼中的混合稀释效应,导致产出水特征微量元素浓度在交汇图中会向两主煤层产出水标准模板相邻边界方向迁移,在蛛网图中则向两煤层产出水最大浓度范围之间迁移。在5个采样区块,太原组富水性普遍相对强于山西组,同一直井中15号煤储层流体压力普遍高于3号煤层[14]。同时,本文采样井中15号煤层产出水特征微量元素质量浓度整体上高于3号煤层(表2)。这些因素综合作用的结果,将会导致合排井中煤层间干扰由15号煤层向3号煤层传递。层间干扰效应越强,产出水中15号煤层的贡献就越大,特征微量元素质量浓度从3号煤层分布区向15号煤层分布区迁移的趋势就越为明显,合层排采的可行性就会相对降低;反之,两主煤层产出水的贡献可能相对均衡,层间干扰程度相对较低,合层排采的效果可能会相对较好(图4,5)。

图4 合层排采煤层气井产出水来源交汇判识Fig.4 Intersecting apportionment plots of produced-water sources from commingling-producing CBM wells

图5 合层排采煤层气井产出水来源蛛网判识Fig.5 Spider-web apportionment plots of produced-water sources from commingling-producing CBM wells

考察特征微量元素交汇分布特点,8口合排煤层气井中,除26号井煤储层尚未返排彻底而存在明显污染现象之外,其他7口井产出水特征微量元素质量浓度分布点均远离两主煤层标准模板不相邻边界,存在向两主煤层产出水标准模板相邻边界方向迁移的明显趋势,但不同井迁移程度有所不同,可能在一定程度上反映出合排难度的高低(图4)。其中,21号、24号、25号和27号4口井产出水特征微量元素分布在两元素交集区范围内,指示15号煤层流体压力系统对3号煤层流体压力系统的干扰相对较弱,相对来说,具备合层排采的先决条件;其他3口井产出水特征微量元素质量浓度更靠近15号煤层标准模板区外边界,表明这些井15号煤层流体压力系统严重地干扰了3号煤层压力系统,其较高流体压力作用下可能发生的地层流体向3号煤层的“倒灌”效应,将会导致煤层气井只产水而难产气。

合采井产出水特征微量元素在蛛网模板上的分布表现为3种情况:一是不同特征微量元素分别跨3号煤层模板边界内外,且仅在该煤层模板边界附近波动,包括21号、24号、25号和28号4口井;二是尽管不同特征微量元素分别波动在3号煤层模板边界内外,但部分特征微量元素更靠近15号煤层模板边界,包括22号和27号两口井,其中27号井更为明显;三是所有特征微量元素全部分布在3号煤层最大分布范围之外,只有23号井(图5)。显然,第1种情况表明两煤层对产出水的贡献没有实质性差别,层间干扰程度不是很强;第2种情况反映15号煤层对产出水的贡献大于3号煤层,层间干扰较为强烈;第3种情况显示产出水多来源于15号煤层,层间干扰十分强烈。这一判识结果,与根据交汇模板判识的结果基本一致。

4 结 语

从开发工艺上解决层间干扰是解放沁水盆地南部太原组煤层气资源的根本途径,而成功实现这一工艺技术的前提是客观判识合采井产出水来源及合采难易程度。本文研究结果表明,产出水微量元素特征蕴含着丰富的产出水来源信息;所建立的提取特征微量元素、建立标准模板、判识产出水来源及合层排采可行性的“三步”方法,不仅可能为产出水源解析提供一种便捷有用的工具,而且具有一定的层间干扰程度判识功能,可能为研发合层优化排采工艺技术、有效提高煤层气单井产量及现场排采优化管理提供有价值的实际依据。

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Source apportionment of produced-water and feasibility discrimination of commingling CBM production from wells in Southern Qinshui Basin

QIN Yong1,ZHANG Zheng1,BAI Jian-ping2,LIU Dong-hai1,TIAN Yong-dong2

(1.Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008,China;2.Shanxi Lanyan CBM Group Co.,Ltd.,Jincheng 048006,China)

During the past years,the rich coal-bed methane(CBM)resources in the Taiyuan Formation of the southern Qinshui Basin is unable to be extracted in a large scale,it is difficult to further improve the single CBM well production,the source of the water produced from the commingling wells is unable to be effectively discriminated,and the feasibility of the commingling CBM production is unable to be objectively evaluated.To overcome these technical problems from production,an evaluation method of the produced water source and commingling CBM production feasibility had been developed based on the trace element data of the produced water samples collected from 28 CBM wells,and then the preliminary apportionment has been implemented in 7 commingling-production wells.It is shown that the rich information of the produced water source can be obtained from the trace element in the water,and the characteristic trace elements can be reasonably extracted based on the principle of water-rock interaction.With the identification of the flow-back and pollution clean-up status from coal reservoirs,a preliminary evaluation process was established.The process consists of three steps:①extracting the characteristic trace elements of the produced water;②establishing the standard templates of the characteristic trace elements in the water from a single coal reservoir;and③discriminatingthe produced water source and commingling CBM production feasibility.According to this method,three kinds of the circumstances on the produced water sources and inter-reservoir interference were discerned in 7 commingling wells, which provides a valuable practical basis for the optimized CBM-extraction design and management.

Qinshui Basin;CBM wells;commingling production;produced water;trace element;source apportionment

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1892-07

2014-06-10 责任编辑:韩晋平

山西省煤层气联合基金资助项目(2012012001);国家自然科学基金重点资助项目(U1361207)

秦 勇(1957—),男,重庆人,教授,博士生导师。Tel:0516-83590091,E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

秦 勇,张 政,白建平,等.沁水盆地南部煤层气井产出水源解析及合层排采可行性判识[J].煤炭学报,2014,39(9):1892-1898.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8012

Qin Yong,Zhang Zheng,Bai Jianping,et al.Source apportionment of produced-water and feasibility discrimination of commingling CBM production from wells in Southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1892-1898.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8012