水质分析实验技术在页岩气开发中的应用
2019-03-29张裕虎
摘要：在页岩气勘探开发过程中都会应用到水质分析实验技术，通过该实验技术可以对含气页岩本身的保存条件与压裂返排液污染治理情况进行分析，是页岩气勘探开发工程中的重要环节。本文中将主要分析页岩气在勘探开发过程中的水质分析实验技术内容，对页岩气地层水中的主要成分诸如盐类离子、矿化度、有机质、气体、同位素以及微量元素等等进行分析，客观评价地层水类型与压裂返排液污染物类型及其腐蚀性，并对水质分析与应用相关内容进行了研究。
关键词：水质分析实验技术；页岩气；勘探阶段；开发阶段；地层水；压裂返排液
1、引言
页岩气其本身主体就位于暗色泥页岩或者高碳泥页岩中，主要赋存状态为吸附或游离的天然气聚集状态，所以在针对页岩气的勘探开发过程中必须实施相应实验才能有效分析页岩气，得出相关成果，为其勘探开发打好基础，例如国内的丁安徐等学者就将页岩气地质实验技术内容划分为含气性实验、地球化学实验、岩石物性实验、岩石学实验以及岩力学实验。除此之外，在页岩气勘探开发过程中都会应用到水质分析实验技术，目前涉及到其实验技术内容的研究也相当广泛深入，水质分析实验技术是专门针对页岩气的储层地层水、钻井、压裂返排液等等内容进行分析，对页岩气的勘探与开发阶段工作带来了良好的科学启示性作用，极具现实价值意义[1]。
2、页岩气勘探阶段的水质分析实验技术应用分析
2.1水质分析实验技术应用概述
在页岩气勘探阶段就要实施水质分析实验技术应用方法，主要分析它的盐类离子及其矿化度、有机质成分以及气体成分，并对它的同位素与微量元素含量进行测试分析，并根据实验成果对地层水进行分类。一般都是以Na+、Mg2+、Ca2+和Cl-、SO42-、HCO3-的含量及其组合关系作为分类基础。地层水就其形成环境而言，主要是大陆水和海水两大类。大陆水含盐度低（一般小于500mg/l），其化学组成具有HCO3->SO42->Cl-，Ca2+>Na+
也就是说，利用盐类离子测试结果根据上述分析对页岩气勘探过程中的地层水实施详细分类，同时计算出这些地层水的具体脱硫系数、变质系数与盐化系数，以及氯镁系数、钙镁系数等，保证在页岩气勘探阶段的水质分析实验全面到位[2]。
2.2水质实验分析成果应用
以苏林水型分类成果为主，并可参照其他参数指标——主要包含为脱硫系数、矿化度、盐化系数、钙镁系数和氯镁系数，这些指标都能对页岩气地层水形成成因与演化过程进行判断，是重要的地层水水质成分与水质质量判断依据，通过这一系列的科学合理判断可推断页岩气的实际保存条件。以Na2SO4型液體为例，它是受到大陆冲刷环境下所形成的地面水；同为大陆环境下形成NaHCO3型液体，可作为具有相对较好的含油气标志。而反观MgCl2型液体，它的主要成分则为海水；CaCl2型液体则一般与地表大气降水隔绝的深层封闭环境中形成，属于典型的气田水类型。在我国南方地区的海相沉积地层中多为CaCl2型液体，它的水相良好且矿化度、钙镁系数、氯镁系数均表现较高，但脱硫系数与变质系数则表现相对偏低，不过整体看来其油气保存条件非常良好。同样在我国南方地区，其海相地层中还含有一定的有机质成分，这些有机质成分可作为“指纹标志”来配合勘探技术人员研究其油气层的形成与运移过程，并对它其中的氢氧同位素与微量元素等等重要化学物质内容进行推理判断，深层次了解其地层水的生成成因与演化过程[3]。
3、页岩气开发阶段的水质分析实验技术应用分析
在页岩气的开发阶段，主要结合水质实验技术对它的地层水污染原因、地层水腐蚀性原因以及污染物类型等等因素进行科学分析，在分析后得到大量数据信息反馈并制定有效防腐措施。在生产实验过程中，发现压裂液配合储集层高矿化地层水向上运移导致地下水被严重污染，同时页岩气中烃类气体溶解也会造成一定程度的地层水污染。以上各个方面，对地层水污染最为严重的当属页岩气压裂返排液，这是因为为改善储集层会在页岩气的压裂液中加入大量的增效剂、降阻剂、支撑剂以及铁离子稳定剂、助排剂等等，而这类物质通常会含有某些污染元素（盐类、低浓度金属元素、有毒非金属元素、放射性元素），进而造成地层水的污染。此时就需要再经过水质分析实验才可相对准确合理的评估得出页岩气在开发活动中对地下水所产生的具体影响[4]。
再一方面，在开发前还需要大量采集页岩气的基线数据，开发阶段应长期观测，结合地球化学指标以及大量同位素内容及相关特征准确判断地下水中污染物的主要来源。该过程，主要运用到基线数据配合页岩水敏测试实验技术对页岩气中的初始测试流体中间测试流体进行综合测试分析，这一实验测试过程可有效对地下水水质进行精确分析，研究地下水水质会对压裂液性能产生哪些负面影响，同时也会思考压裂液在加入添加剂后与地下水的配伍性会如何变化等等。整体来讲，就是通过水质实验技术来分析采用地下水所配制的压裂液基本性能，并对其作出评价。而在整个页岩气的开发阶段，水质实验技术应用的其他作用还包括了对页岩气盐类离子、矿化度、有机质成分以及同位素、微量元素等等内容的精确测量[5]。最后，要建立一个专门的页岩地层水基线数据库，以便于对页岩气开发阶段的水质变化进行动态监测，随时随地确定污染物的具体来源，包括污染物的主要类型与腐蚀性能，以便于采取相对应的防范处理措施[6]。
4、总结
总而言之，针对页岩气勘探与开发阶段的水质分析实验技术具有它一定的实用性与科学性，可有效实现对地层水及压裂返排液污染类型与腐蚀性的有效推理分析与判断，有效的减少页岩气开发过程对水体的污染，并达到实现绿色环保的目的，提高页岩气的开采安全性，也可为页岩气开采提供宝贵参考数据，配合勘探技术人员研究油气层的形成与运移过程。
参考文献
[1]张宏学，刘卫群. 页岩气开采的相关实验、模型和环境效应[J]. 岩土力学，2014，35（S2）：85-100.
[2]秦羽乔，石文睿，石元会，等. 涪陵页岩气田水平井产气剖面测井技术应用实验[J]. 天然气勘探与开发，2016，39（4）：18-22.
[3]廖仕孟，桑宇，宋毅，等. 页岩气水平井套管变形影响段分段压裂工艺研究及现场实验[J]. 天然气工业，2017，37（7）.
[4]张旭，蒋廷学，贾长贵，等. 页岩气储层水力压裂物理模拟实验研究[J]. 石油钻探技术，2013，41（2）：70-74.
[5]石富伦，易旺. 水质分析在页岩气勘探开发中的应用[J]. 内蒙古石油化工，2017（5）：8-9.
[6]陆争光，高鹏，马晨波，等. 页岩气采出水污染及处理技术进展[J]. 天然气与石油，2015，33（6）：90-95.
作者简介：张裕虎，男，工程师，1986年出生，2009年毕业于中国矿业大学，现从事地质实验测试，非常规气试井、录井工作。
（作者单位：黑龙江省煤田地质测试研究中心）
