云南老厂雨旺区块煤层气井产出水化学特征

翟佳宇，张松航 *，唐书恒

(1. 中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083； 2. 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； 3. 非常规天然气地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京 100083)

滇东黔西含煤盆地煤层气资源十分丰富，资源量达到1.3078×1012m3[1]，但产能较低，因此查明产能较低原因并高效开发煤层气资源可以有效缓解当地常规油气资源严重缺乏、能源结构不合理、制约当地经济发展的局面。煤层气井产出水是随着煤层气的开采排放到地面的水，与煤层气的开采和产能有着密不可分的关系。煤层气井产出水中的化学组分特征是地下水动力场真实演变的结果，对煤层气井产出水化学的研究有助于了解煤层气的保存条件和煤层气井产出特征、预测有利含气区带[2-5]和气井产能[6-7]等。

1 研究区概况

雨旺区块位于老厂矿区的东南部。如图1所示，研究区地处师宗—弥勒大断裂东南侧，南邻南盘江古断裂。总体构造较简单，为一倾向南东(SE)的单斜构造，地层倾角6°～15°，北部发育宽缓褶曲L1向斜和B1背斜；中部构造较简单，以走向NE且规模较小的逆断层为主；南部主要发育落差较小的断层[11]。如图 2所示，研究区主要地层包括新生界第四系(Q)、中生界三叠系(T)、上古生界二叠系(P)、石炭系(C)和泥盆系(D)，出露最古老地层为中元古界昆阳群(Pt2)，缺失震旦系、下古生界及中生界的侏罗系(J)、白垩系(K)等地层，其中上二叠统龙潭组(P2l)和长兴组(P2C)为主要含煤地层。区内水文地质条件较简单，排泄条件较好，产出水流向为西北到东南(图 1)。研究区主要含水层包括栖霞、茅口组(P1q+m)裂隙岩溶含水层、峨眉山玄武岩组(P2β)孔隙裂隙极弱含水层、宣威组(P2x)裂隙弱含水层(图 2)，其中栖霞、茅口组(P1q+m)裂隙岩溶含水层与龙潭组下段有一定水力联系。总体看，区内地下水在老厂背斜露头区接受补给，沿单斜构造向东南方向地层深部流动，各水文地质单元地下水力联系不强，水文地质条件属简单类型。

图 1 雨旺区块位置及构造纲要图Fig.1 Location and structural outline map of Yuwang block

图 2 雨旺区块煤系地层柱状图Fig.2 The formation coal measure stratigraphy in the Yuwang block

2 采样与测试

样品采集共包括6口井，分别为LC-S1、LC-C4、LC-S2、LC-C1、LC-C3和LC-C2，其中LC-S1、LC-S2井和LC-C4井为一丛式井组。从构造位置看，LC-C4井组、LC-C2井位于单斜弱构造区，LC-C1为次级向斜轴部井，

3 结果与分析

3.1 水化学组分特征

表 1 研究区煤层气井排采水常规离子统计表Table1 Conventional ion statisticsTable for produced water of CBM wells in the study area

图 3 研究区水样Piper三线图Fig.3 Piper trigram of water sample in the study area

在图 3中，6组数据均落于2区，碱金属Na++K+远远超过碱土金属Ca2++Mg2+；LC-S1、LC-C4、LC-S2和LC-C3四口井位于3区，弱酸超过强酸；LC-C1和LC-C2两口井位于4区，强酸超过弱酸；在菱形中，LC-S1、LC-C4、LC-S2和LC-C3四口井位于8区，其非碳酸碱金属超过50%；LC-C1和LC-C2两口井位于7区，碳酸碱金属超过50%。碱金属元素Na++K+超过碱土金属元素Ca2++Mg2+越多，其水质越软且更有利于煤层气的开采[4]。通过表 2和图 2能够看出，6口井的碱金属元素远远超过碱土金属元素，因此均有利于煤层气的开采。

3.2 离子变化作用及来源

产出水离子成分以及TDS的变化受溶滤、脱碳酸、脱硫酸、阳离子交换吸附以及混合等多种作用影响，可以反映煤层气井周围煤层水的补给、流动、冲洗和产出过程[9]。为追溯煤层气井产出水的离子变化及来源可以用Pearson相关系数反映离子间的相关关系。Pearson相关系数可衡量两个数据是否在一条直线上。通过计算得到各离子以及TDS之间的Pearson相关系数(表 2)。相关系数绝对值越接近1，相关性越强，同时结合不同离子之间质量浓度的比值可以判断各离子之间的相似相异性、来源的统一与差异性[6]。此外，可通过主要离子浓度的毫克当量比值可以判断离子的来源。

表 2 Pearson相关性Table2 Pearson correlation Numbers

3.2.1 溶滤作用

3.2.2 脱碳酸作用

3.2.3 脱硫酸作用

脱硫酸作用是指在还原环境中，当有机质存在时，脱硫酸菌促使硫酸根还原为硫化氢的过程。主要反应式[20]为

(1)

图 4 研究区常规离子以及TDS质量浓度等值线图Fig.4 Conventional ion and TDS mass concentration contour map in the study area

图 5 研究区主要离子比值图Fig.5 Main ion ratio map in study area

(2)

3.2.4 阳离子交替吸附作用

图 6 阳离子交替吸附作用强度判别图Fig.6 Cationic alternating adsorption strength discrimination diagram

综上所述，研究区煤层气井产出水在流动过程中存在溶滤作用、脱硫酸作用和阳离子交替吸附作用，其中溶滤作用在研究区内普遍存在，脱硫酸作用和阳离子交替吸附作用在各个位置的作用强度不同，前者强度较大，后者强度较小，脱碳酸作用较弱。

3.3 产出水化学特征与产能的关系

煤层气井产出水来源一般有浅层地表水、煤层水和压裂液3种类型。当产出水为煤层水时，煤层气井产能较高；当产出水为浅层水或压裂液时，产能较低。煤层气低产井产出浅层水或压裂液，高产井排采煤层水的观点已基本得到普遍认同[24-29]。先前的研究指出，高产井排采水TDS一般为500～3000mg/L[30]，Na++Cl-离子浓度介于833～1768mg/L[24]，煤层气井排采煤层水，水型主要为Na-HCO3型；低产井排采水TDS一般为3000～6000mg/L，此时煤层气井排采浅层水或压裂液，水型主要为Na-Cl型或Na-HCO3-Cl型[20]。

研究区6口井日产气量均低于1000m3/d，除LC-C3井外，产出水中TDS、Na++Cl-含量较大，均高于煤层水，符合压裂水的特征，产出水的水型也与压裂水相似；K+和Cl-可作为表征压裂液反排率高低的离子，其值越低，压裂液反排率越高[31]，由于研究区存在阳离子交替吸附作用较强，K+离子存在一定消耗，测试值低于原始值，说明压裂液反排率不高，仍然有大量压裂液存在于煤层中。

煤层气的开采需要降低储层压力，使吸附气解吸为游离气从而产出[32]，排水降压采气是煤层气井开采的主要方式[33]。煤层气井开始产气时，气水相渗此消彼长，水相渗透率迅速降低，产水量迅速下降[34]，导致煤层气后续解吸困难，产气量下降。煤层气井产水对产气的影响有一定的规律性，产水量过大或过小会都对煤储层物性产生不利影响[35]且不利于气井产能施放[11]，产水量的大小影响着平均地层压力的变化[36]，当产水量过低时不利于煤储层降压，当产水量过高时会快速达到最大日产气量，但不利于后续产能的释放。LC-C3井由于接受断层所沟通的砂岩含水层补给，日产水量最大，但煤层本身产水较低，其他井日产水量较低，均不利于煤层气解吸。

综合分析认为，雨旺区块煤层气井产能较低原因主要是煤层封闭性较好(脱硫系数较低)，导致压裂液反排率较低，造成煤层水污染，产出水主要为压裂液，煤层本身产水较少，影响煤层气排水-降压过程，压降漏斗扩展范围较小，降压效果较差，煤层气解吸量较少，产能较低。

4 结论

(3)综合煤层气井产出水化学成分与研究区产能特征，分析认为雨旺区块产能较低原因为：煤层气井产出水主要产出压裂液，煤层水产出较少，且煤层本身产水较少，影响煤层气排水-降压过程，压降漏斗扩展范围较小，降压效果较差，煤层气解吸量较少，产能较低。