寿阳地区15号煤层地下水动力场特征及控气作用

王文升，张亚飞，杜丰丰，韩 冬，倪小明

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300450；2.中联煤层气有限责任公司，北京100010；3.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作，454000）

煤层气井是通过排水降压使气体解吸产出的，地下水动力条件对煤层气的富集及煤层气井的开发具有重要影响。关于地下水动力条件及其与煤层气富集成藏关系的研究，国内外研究者通过对煤层气井排采水进行常规水离子、微量元素、氢氧同位素等测试，得出水地球化学和水化学参数特征[1-4]，或者采用地下水模拟软件Feflow、Modflow、GMS 研究地下水动力条件[5-7]，或通过地下水势划分补给区、径流区和滞留区。根据研究区煤层气勘探开发资料，得出研究区煤层气富集程度，在此基础上，研究地下水动力条件与煤层气富集的关系。这些研究方法对某一区块煤层气进一步勘探开发起到了很好的指导作用。

寿阳地区经过20 余年的煤层气勘探开发，在南燕竹地区积累了较丰富的煤层气资料，研究开发程度较高；松塔地区煤层气井资料相对较少，前期煤层气开发井的产水量、产气量差别较大，水文地质条件及与煤层气富集的关系不明。鉴于此，对该区煤层气排采井产出水的矿化度、水动力场进行分析，并探讨其对煤层气富集的影响，以期为该区进一步勘探开发提供理论指导。

1 研究区地质概况

寿阳地区位于山西省中部，西距省会太原市约50 km，松塔区块位于寿阳的南部，地处太行山脉西麓，太原东山背斜之东南翼。整体上，研究区为NW 倾向的单斜构造。根据二维地震解释结果可知：该区断层以NNE 向和NE 向正断层为主，断距介于0～240 m，差异较大。研究的目标煤层为15 号煤层。研究区内15 号煤层埋深介于769.2～970.7 m，平均为859 m；含气量介于3.85～16.09 m3/t，平均为10.89 m3/t。15 号煤层顶部岩性一般为灰岩和砂岩；灰岩含水性弱，K2′S 为主要含水层。研究区含煤地层柱状图和断层特征如图1所示。

图1 寿阳地区松塔区块含煤地层柱状图和断层特征Fig.1 Histogram and fault-block characteristics of coal bearing strata in Songta Block of Shouyang area

2 基于地下水矿化度和水势的水动力场分区

2.1 排采井产出水矿化度分布特征

对研究区11 口煤层气生产井采集样品，水样采集井位如图1b 所示。水样测试遵照石油行业标准《油田水分析方法：SY/T 5523—2016》在中海油能源发展股份有限公司非常规实验中心进行。部分测试结果见表1。

表1 寿阳地区松塔区块煤层气井排采水常规离子分析结果Table 1 Conventional ion analysis results of drainage water of CBM wells in Songta Block of Shouyang area

由表1 可知：研究区15 号煤层排采水中阳离子以Na+、K+为主；阴离子以Cl-和HC为主。参考苏林分类方法进行排采水类型划分[8-9]，方法如下：

根据该判识方法可知：研究区排采水主要为CaCl2与NaHCO3型（表1）。表明研究区地下水活动较弱，属于封闭环境，如SY03、SY15、SY11、SY12 井附近；较小部分为开放区域，如SY10井附近。

矿化度的大小可以反映地下水的封闭性，即矿化度越高封闭性越好，地下水动力越弱，反之，地下水动力越强[10]。根据水质分析测试结果，做出矿化度等值线（图2）。

图2 寿阳地区松塔区块煤层气井排采水的矿化度等值线Fig.2 Mineralization isoline of production water in CBM wells of Songta Block in Shouyang area

从图2 可看出，松塔区块排采水矿化度介于2 199～15 387 mg/L，北部地下水势较低，南部及中部部分区域较高。其中SY03、SY18、SY11 井附近的矿化度最高，说明与外界水联系少且远离补给区；SY01、SY16、SY07、SY08 井附近的矿化度较低，说明其与外界水联系较紧密。

2.2 产出水动力场分布特征

等折算水位常用来代替地层水头的大小，可根据地层水水头的大小确定地下水的流动方向。根据排采的初始动液面，可得出储层压力，结合底板等高线，求取各排采井的等折算水位[11]。计算公式为：

式中：S为等折算水位，m；H1为煤层底板的绝对标高，m；ρ为水的密度，103kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为煤层气井排采时初始动液面高度，m。

根据式（1）进行等折算水位计算，等折算水位等值线如图3所示。

图3 寿阳地区松塔区块15号煤层等折算水位等值线Fig.3 Equivalent line of converted water level in No.15 coal seam of Songta Block in Shouyang area

从图3可看出：研究区地下水由西北向中西和中东流，另外从中部向东南流。

2.3 水动力强弱分区

地下水径流强弱与等折算水位梯度大小密切相关，其中等折算水位梯度为单位高程差距下等折算水位的变化量。等折算水位梯度越大，地下水径流强度越强。利用井位与等折算水位大小可计算等折算水位梯度大小。根据矿化度、等折算水位及等折算水位梯度大小，可划分为弱径流区、径流区、滞流区。划分依据见表2，划分结果如图4所示。

表2 水动力分区划分依据Table 2 Division basis of hydrodynamic zoning

图4 寿阳地区松塔区块15号煤层水动力强弱分区Fig.4 Hydrodynamic field zoning map of No.15 coal seam in Songta Block of Shouyang area

研究区水动力由北向南逐渐降低，部分区域由于等折算水位梯度较高，水动力增强。研究区北部SY16 井附近等折算水位大于700 m，矿化度小于4 000 mg/L，为径流区；中部SY02、SY18 井附近等折算水位小于600 m，矿化度大于6 000 mg/L，为滞留区，其他区域等折算水位介于600～700 m，矿化度介于4 000～6 000 mg/L，为弱径流区；南部等折算水位普遍小于600 m，但SY17井附近矿化度小于4 000 mg/L，等折算水位梯度大于0.2 m/m，为地下水径流区；西南部地下水势最低，划分为地下水滞留区。

3 含气量分布特征及水文地质条件的控气作用

3.1 含气量分布特征

采用朗缪尔（Langmuir）等温吸附方程，计算出各排采井的实际含气量[12]，公式为：

式中：V为实际含气量，m3/t；VL为各煤层气井的兰氏体积，m3/t；pL为各煤层气井的兰氏压力，MPa；p为对应煤层气井的临界解吸压力，MPa。

参数井采用实测含气量数据；生产井采用相邻参数井的兰氏压力、兰氏体积，通过排采数据获取各排采井的临界解吸压力，计算得出含气量，分布特征如图5所示。

图5 寿阳地区松塔区块15号煤层含气量等值线Fig.5 Gas content contour of No.15 coal seams in Songta Block of Shouyang area

从图5 可看出：研究区中部、东北部与西南部含气量较高，在12 m3/t以上；其他区域含气量较低。

3.2 水文地质条件的控气作用

3.2.1 水化学参数的控气作用

研究表明一定程度上水化学参数可以表征地下水运移规律。其中钠氯系数[r（Na+）/r（Cl-）]、脱硫 系 数[100×r（）/r(Cl-)]、碳酸盐平衡系数[r]可以反映地层封闭性[13-16]。根据表1 数据，求取各井的3 个参数值，并做出等值线，见图6。

图6 寿阳地区松塔区块水化学参数等值线Fig. 6 Isoline of hydrochemical characteristic parameters in Songta Block of Shouyang area

从图6可看出：钠氯系数整体上呈现北高南低的特征，中部小部分区域最大，北部与南部小部分区域较大。SY04 井附近达到最大值1.90，SY03、SY15 井附近较小；脱硫系数整体上呈现高低值交替特征。SY04井、SY03井、SY10井附近较大，SY05、SY17井附近值为0；碳酸盐平衡系数整体上呈现中部及东部小部分区域值最大，西北、东北、西南部小部分区域出现较大值。

剔除一些异常点后，将15 号煤层含气量与这3个参数做散点图，如图7所示。

图7 寿阳地区松塔区块水化学参数与含气量关系Fig.7 Relationship between hydrogeological parameters and gas content of Songta Block in Shouyang area

从图7 可看出：含气量与3 个参数拟合关系较好，均呈现负相关关系。当钠氯系数介于1.04～1.38，脱硫系数介于0.12～0.28，碳酸盐平衡系数介于10.39～13.64 时，含气量介于8～12 m3/t。当钠氯系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数分别小于1.04，0.12，10.39时，煤层含气量大于12 m3/t。

3.2.2 水动力场控气作用

研究表明：水动力对煤层气藏的控制作用大体分为3 种：水动力封闭、水动力封堵、水动力逸散[17-20]。将水动力场划分结果与煤层含气量等值线进行对比，分析水动力对研究区煤层气富集成藏的控制作用（图8）。

图8 寿阳地区松塔区块水动力控气作用类型Fig.8 Types of hydrodynamics controlling gas content of Songta Block in Shouyang area

1）水动力封闭型

中西部(SY02 井、SY05 井)与中东部(SY03 井、SY12 井、SY13 井、SY18 井)地下水滞留区受中部（SY04 井）高等折算水位影响，煤层气较为富集。形态上，两处分别为中部水动力弱，四周水动力强，形成水动力封闭，有利区煤层气富集。

2）水动力封堵型

西南部（SY17井）地下水滞留区为等折算水位最低区，水动力强度较小，为向斜的单斜核部，受到水力封堵作用煤层气相对富集。

3）水动力逸散型

北部（SY16 井）与南部（SY07 井、SY10 井）为地下水径流区，前者等折算水位较大、后者等折算水位梯度较大，水动力较强。因此，含气量较低，为煤层非富集区；中部区域（SY04井）为东西分水岭中部，等折算水位较高，不利于区煤层气保存。

4 结论

1）进行了排采水常规离子测试，结果表明：排采水类型以NaHCO3和CaCl2为主；绘制了等折算水位与矿化度等值线，研究区自北向南大体可分为径流区、弱径流区和滞流区；中西部、中东部、西南部低洼处以及东南部等折算水位梯度较小为滞留区。

2）水化学参数与含气量呈现较好的负关系，即当钠氯系数小于1.04，脱硫系数小于0.12，碳酸盐平衡系数小于10.39 时，煤层气含气量大于12 m3/t；研究区中西部与中东部地下水滞留区受水动力封闭作用富集成藏，西南部地下水滞留区受水动力封堵作用富集成藏，北部与南部地下水径流区受水动力逸散作用，煤层气含量较低。