煤层气井产水、产气动态变化特征研究

刘贺等

摘  要：为使我国煤层气资源合理有效开釆获得理论指导和依据，文章通过对沁水盆地南部多口煤层气井产出水进行连续长期的水化学场监测，总结了煤层气井产出水的水化学特征及水化学场动态演化规律。由煤层气井产出水化学场的动态变化，可将煤层水的排采过程分为3个阶段：阶段Ⅰ为排污阶段;阶段Ⅱ为过渡阶段;阶段Ⅲ为稳定阶段。初期的排污阶段产出水矿化度以及各离子浓度较高，除碳酸氢根离子之外，其余各离子均随矿化度的增大而增大。通过绘制3#与15#煤不同产水阶段Stiff图，各产水阶段有不同的特点，产水产气阶段也存在一定的相关关系，3#煤层的产水过程的排污阶段和过渡阶段相当于排水降压阶段，稳定阶段相当于稳产阶段和衰减阶段。

关键词：煤层气井;产出水;水化学场;动态演化

中图分类号：P641.461     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2018）04-0060-07

0 前言

国外学者在煤储层水文地球化学方面的研究较多，涉及多个大型煤层气开发盆地。Rice（2008）通过对粉河盆地煤层气井产出水进行了离子检测，认为产出水为Na-HCO3型。而Pashin（2007）认为美国黑勇士盆地煤层水为Na-Cl型，具有中等至较高的TDS（总溶解固体）含量。Katrina Cheung（2009）对西加拿大Alberta地区的煤层产出水和浅层地下水进行了对比，认为煤层产出水为Na-Cl型，产出水微量元素含量相当于浅层地下水的300倍。Cemile Erarslan（2014）对土耳其的Ke?an煤田进行了水样分析，发现pH值介于6.55 和8.36之间。Kinnon（2010）对澳大利亚Bowen盆地进行煤层产出水进行了稳定同位素分析，较浅埋深和较高产量水中多呈正的δD和δ18O，而较低的水产量和较高的气产量的地区多呈负的δD和δ18O。

与国外相比，国内一些学者在研究煤矿区地层水化学特征方面做了大量研究。单耀（2007）对大屯矿区矿井水水质进行了研究，指出该矿井水属高矿化度水。高波（2014）研究了贾汪矿区煤矿关闭后地下水化学特征，认为水化学类型主要为HCO3·SO4-K·Na型，TDS含量较高。孙红福（2014）指出重庆西部干旱区91%的矿井水水化学类型为Cl-Na型。王志超（2009）对晋城地区煤层气井采出水进行了检测，阳离子以K+和Na+为主，阴离子以HCO3-和Cl-为主，呈弱碱性，pH值为6.5～8.5。张晓敏（2012）指出沁水盆地柿庄南区块煤层产出水具有高矿化度和高盐度的特征。

煤层气的产出要经过排水→降压→解吸→扩散→渗流→产出的过程，目前煤层气的生产主要是排解水、降储压，故与排采相关的水文地质因素是很重要的，比如含水层之间的导通情况，以及断裂褶皱的发育情况，还有就是排采制度的影响等等。对基于区域水文地质条件的煤层气井动态变化特征的研究可以帮助我们掌握煤层气的开发与勘探，目前关于水文地质条件的研究和基于水文地质条件的煤层气井的排采特征研究非常有限，而且大多处于定性认识状态，当应用于实际开发过程中时，往往不能很好的指导生产，与我们理论的研究差距较大。因此，加强煤层气井产水、产气动态特征的研究，从排采特征中找到一定的规律，对其加以总结概括上升为理论，能够为我国煤层气资源合理有效开釆提供理论指导和依据。

1 区域水文地质概况

沁水盆地总体分布在山西省与山东、河北交界的东南部，整体构造为大型复式向斜。通常所说的沁水盆地南部指二岗山断层以南的翘起端，西南为中条山，西邻霍山，东临太行山，含煤面积6200km2。沁水盆地南部全區可采煤层主要有分布在石炭系的太原组15#煤层和二叠系山西组3#煤层。研究区存在5个含水层，其中山西组砂岩裂隙含水层和太原组灰岩、砂岩岩溶裂隙承压水含水层对煤层气开采有直接影响，两个含水层有共同的特征，都存在分水岭，分水岭南北有两个不同流动类型的流场，南部为汇流型，北部为单向流型。两个水流系统相互独立，无水力联系。南部煤系地层水位范围从800m到550m。该区的地下水系统全部是单向流子系统，主要分布在樊庄、潘庄、郑庄、柿庄、沁南、赵庄等区块（图1）。其中，汾河及其支流为沁水盆地的主要地表水系。对沁水盆地南部煤层气开采有显著影响的含水层组主要包括山西组3#煤层的上覆砂岩裂隙含水层、太原组15#煤层上覆灰岩岩溶裂隙含水层组及下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层（图2）。

2 水样采集与测试

以沁水盆地南部主产气的山西组3#和太原组15#煤储层为研究对象，对樊庄、潘庄、郑庄、柿庄、沁南、赵庄等区块内多个煤层气生产井以及区内部分煤矿区矿井水进行了长期连续的水样采集，并进行实验室样品水质分析，测试项目主要有pH值、主要离子浓度、总矿化度（TDS，总溶解固体）等。其中测试离子包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-等。其中由于钾离子和钠离子的来源和性质相近，且钾离子含量远低于钠离子，所以一般情况下将钾离子归到钠离子中，不另外区分。具体化验结果见表1。

3 产水阶段划分

通过分析沁水盆地南部3#和15#煤层气井产出水成分资料，结合水文地质学的分析方法原理，根据各离子浓度随排采时间的变化关系，把煤层水的排采过程分为3个阶段：阶段Ⅰ为排污阶段;阶段Ⅱ为过渡阶段;阶段Ⅲ为稳定阶段（图3、图4）。

3.1 煤层产水阶段Ⅰ特点

通过绘制3#与15#煤不同产水阶段Stiff图，我们得出以下结论：

（1）3#煤水质类型以Na-Cl型为主，15#煤水质类型以Na-Mg-Cl型为主，矿化度值前期均较高，最高的是钠离子、氯离子浓度，与其他离子相比明显偏高，Stiff图呈漏斗状（图5（1）、图6（1））的污染特征。钠离子的增加是由于阳离子的吸附交换作用。氯离子的增加是由于排采初期大量压裂液进入导致。

（2）产水量范围在8.1～61.5m3/d，平均为15.95 m3/d。

（3）持续时间一般需要1～3个月。此阶段15#煤层比3#煤层持续时间短。

3.2 煤层产水阶段Ⅱ特点

（1）3#与15#煤层水质类型都以Na-Cl-HCO3型为主。相比与第Ⅰ阶段，矿化度、钠离子降低了，但是碳酸氢根离子增加了，氯离子仍然高于碳酸氢根离子， Stiff图呈三角形或倒旗子状（图5（2）、图5（3）、图6（2）、图6（3）），说明还有污染存在。

（2）产水范围在3.3～54.3 m3/d，平均为13.88m3/d。

（3）相对于阶段Ⅰ，该阶段持续时间较长，一般需要5个月左右。最明显的此阶段15#煤层比3#煤层持续时间短。

3.3 煤层产水阶段Ⅲ特点

（1）氯离子低于碳酸氢根离子，其他离子浓度变化较小。3#与15#煤水质类型均以Na-HCO3-Cl或Na-HCO3为主。Stiff图呈现图5（4）、图6（4）形状。

（2）产水量范围在1.1～50.2 m3/d，平均为10.98m3/d。

4 煤层气井产出水地球化学成分动态变化

4.1 3号和15号煤层产出水矿化度与各离子的关系

地下水是不断循环并且化学成分在不断改变的过程。矿化度（TDS）是常规离子（如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、Cl-、HCO3-等离子）在水中长期积累的综合反映。矿化度和各离子的成分是同时发生变化的。因此根据离子与矿化度的关系可以确定主要离子以及判断地下水离子来源。

（1）氯离子

氯离子是水中最稳定的离子，它不参与碳、氮和硫循环，不参加任何简单的氧化还原反应，不易产生沉淀，不易被粘土吸附，也不被植物及细菌摄取。3号、15号煤层产水氯离子均随矿化度的增加而增加，受环境和周围含水层的影响较小（图7（1））。故氯离子与矿化度均可作为煤层水示踪剂，判断地下水的补给、径流和滞流情况。但在排采初期井会遭受压裂液等工业污染，氯离子变化较大，因此要综合分析地下水所处的环境。

（2）碳酸氢根离子

由图7（2）可以看出，3号和15号煤层产出水碳酸氢根离子与矿化度均为负相关。主要是由于3号和15号煤层产出水主要来自煤层水，煤层水中的碳酸氢根离子主要来自于脱硫酸作用，脱硫酸作用是在脱硫酸菌和还原环境下发生的，矿化度增加有助于形成还原环境，却不利于脱硫酸菌的生存。

（3）硫酸根离子

地下水的硫酸根离子主要来自硫酸盐沉积岩。难溶于水的硫化物要想进入水中，通过下式反应：

FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+4H++2SO42-

由图7（3）可知，3号煤和15号煤层硫酸根离子浓度与矿化度相关性均较差，15号煤层硫酸根离子浓度大部分集中在矿化度1000～1500mg/L时，而3号煤层硫酸根离子浓度大部分集中在矿化度1500～2500mg/L时，相关性较差说明该阶段地下水处于还原环境，硫化物已不发生氧化反应。硫酸根是氧化还原的标志，若煤层水中大量存在，说明封闭条件不好。

（4）钠、钾离子

由于钾离子和钠离子的来源和性质相近，并且钾离子含量远低于钠离子，所以一般情况下将钾离子归到钠离子中，不另外区分。钠离子是两煤层产出水的主要阳离子，由图7（4）可知，两煤层的钠、钾离子均与矿化度呈较好的正相关性，钠、钾离子的含量与矿化度成正比。

（5）钙、镁离子

同钠、钾离子一样，钙、镁离子也有相近的来源和性质，主要来自碳酸盐类沉积物和石膏。两煤层产出水中钙、镁離子与矿化度呈现的关系如图7（5）、图7（6）。3号煤层的钙、镁离子与矿化度正相关性较好，而15号煤层相关性较差。3号煤层产出水中钙、镁离子浓度随着矿化度的增加而增加，可能是由于高矿化度中氯离子浓度不断增加，而氯化钙、镁的溶解度比较大，导致钙、镁离子浓度增加。而15号煤层这方面有待进一步探讨。

4.2 3号和15号煤层产出水离子分布形态特征

为了整体分析3号与15号煤层产出水的主要离子分布特征，还可以用对数为纵坐标，每升毫克当量百分数为单位，绘制schoeller图，选取柿庄区块3号煤层气ZY-168井和15号煤层气TS-002井，由图8可知两煤层产出水各离子整体分布形态相似均呈“W”状，阳离子以钠钾离子为主，钙与镁离子相对较少;最主要的阴离子是碳酸氢根离子和氯离子。两煤层产出水各种离子浓度分布还是有一定的差别：3号煤层产出水氯离子、钠钾离子浓度变化范围以及平均浓度高于15号煤层;而两煤层产出水钙离子、镁离子的平均浓度差别不大，箱体形状也比较接近;两煤层产出水的碳酸氢根离子差别较大，总体上15号煤的明显高于3号煤层。

5产水阶段与产气阶段关系

5.1 3号煤层产水、产气两阶段的相互关系

煤层气井排采生产过程可分为3个阶段：排水降压阶段、稳产阶段和衰减阶段，其中排水降压期又分为产气前期、产气后的第一个高峰期和产气回落期。一般情况下，3#煤层的产水过程的排污阶段和过渡阶段相当于排水降压阶段，稳定阶段相当于稳产阶段和衰减阶段。排污阶段一般相当于排水降压阶段的产气前期（纯产水阶段）和产气后的第一个高峰期以及产气回落期前期;过渡阶段则主要相当于产气回落期后期和第二个高峰期以及稳产期前期。下面以柿庄南区块TS-409D井具体实例进行说明。该井从排采初期定期取水样进行分析测试，产水、产气阶段划分以及两者对应关系如图9所示。该井排污阶段持续了近100天，反映进入煤层的压裂液相对较多，纯排水期仅为20天，而后开始产气，排采至80天时日产气量达到高峰期，高峰持续时间近一周，便进入回落期，回落期的中后期与排水过渡阶段的中前期相重叠，随着原始煤层水的增加，压降漏斗逐渐增加，煤层气解析范围逐渐增大，产气量逐渐增加，过渡阶段后期该井进入稳产期，稳产期阶段产出水各离子浓度基本稳定，说明此时排出的水主要是以原始煤层水为主。

5.2 15号煤层产水、产气两阶段的相互关系

由于15#煤层产水阶段Ⅰ和阶段Ⅱ持续时间较短，没有在煤层中形成有效的压力漏斗，煤层气无法解析产出，致使产水、产气阶段的相互关系不同于3#煤层，排水阶段Ⅰ和阶段Ⅱ基本对应于产气阶段的前期及纯产水期，产气的其他阶段处于产水的稳定阶段。

6 结论

（1）结合水文地质学的分析方法原理，把煤层气井水的排采过程分为3个阶段：阶段Ⅰ为排污阶段;阶段Ⅱ为过渡阶段;阶段Ⅲ为稳定阶段。

（2）除碳酸氢根离子之外，其余各离子均随矿化度的增大而增大。初期的排污阶段产出水矿化度以及各离子浓度较高，水型相对复杂的原因可归因于前期施工中注入煤层中的钻井液、压裂液等。随着排采继续进行，产出水逐渐恢复到原始煤层水的化学场状态。

（3）矿化度是常规离子在水中长期积累的综合反映。矿化度和各离子的成分是同时发生变化的。根据离子与矿化度的关系可以确定主要离子以及判断地下水离子来源。3号煤层产出水氯离子、钠钾离子浓度变化范围以及平均浓度高于15号煤层;而两煤层产出水钙离子、镁离子的平均浓度差别不大;两煤层产出水的碳酸氢根离子差别较大，总体上15号煤的明显高于3号煤层。

（4）3号煤层的产水过程的排污阶段和过渡阶段相当于排水降压阶段，稳定阶段相当于稳产阶段和衰减阶段。排污階段一般相当于排水降压阶段的产气前期（纯产水阶段）和产气后的第一个高峰期以及产气回落期前期;过渡阶段则主要相当于产气回落期后期和第二个高峰期以及稳产期前期。

参考文献

单耀，秦勇，王文峰，2007. 徐州—大屯矿区矿井水类型与水质分析[J]. 能源技术与管理，（4）： 41-43.

高波，2014. 贾汪矿区煤矿关闭后地下水化学特征[D]. 徐州： 中国矿业大学.

孙红福，赵峰华，张璐，等，2014. 重庆西部干旱区煤矿矿井水水质综合评价[J]. 煤炭学报，39 （4）： 736-743

王志超，邓春苗，卢巍，等，2009. 晋城煤层气采出水的水质分析[J]. 煤炭科学技术，37（1）： 122-124.

张晓敏，2012. 沁水盆地南部煤层气产出水化学特征及动力场分析[D]. 焦作： 河南理工大学.

Cheung Katrina， Sanei Hamed， Klassen Patrick，et al， 2009. Produced fluids and shallow groundwater in coalbed methane （CBM） producing regions of Alberta， Canada： Trace element and rare earth element geochemistry [J]. International Journal of Coal Geology， 77（3-4）： 338-349.

Erarslan Cemile， ?rgün Yüksel， Bozkurto?lu Erkan， 2014. Geochemistry of trace elements in the Ke?an coal and its effect on the physicochemical features of ground- and surface waters in the coal fields， Edirne， Thrace Region， Turkey[J]. International Journal of Coal Geology ，133（1）： 1-12.

Kinnon E C P， Golding S D， Boreham C J， et al， 2010. Stable isotope and water quality analysis of coal bed methane production waters and gases from the Bowen Basin， Australia[J]. International Journal of Coal Geology，  82： 219-231.

Pashin J C， 2007. Hydrodynamics of coalbed methane reservoirs in the Black Warrior Basin： Key to understanding reservoir performance and environmental issues[J]. Applied Geochemistry， 22（10）： 2257-2272.

Rice C A， Flores R M， Stricker G D， et al， 2008. Chemical and stable isotopic evidence for water/rock interaction and biogentic origin of coalbed methane， Fort Union Formation， Powder River Basin， Wyoming and Montana U.S.A. [J]. International Journal of Coal Geology， 76（1-2）： 76-85.