煤层气井排采是通过排水降压实现的,被排出的地层水在不断地径流过程中与煤层及围岩发生各种物理、化学和生物作用,产出水组成和性质均会发生改变[1-2]。因此,不同时期和地点的地层水具有显著差异,系统研究煤层气井产出水地球化学特征,判识产出水来源及对产能的控制作用,对后期煤层气井有利区块优选和产能预测具有重要的指导意义。

地层水具有丰富的地球化学指示意义。目前,人们在产出水常规离子[3-4]、氢氧同位素[5-7]和微量元素[8-10]等方面均进行了不同程度的研究,但多集中在煤层气勘探开发条件较成熟的沁水盆地和鄂尔多斯盆地,对于煤层气资源量十分丰富,地质条件极其复杂,薄及中厚煤层群发育的松河和织金区块[11-14]煤层气井产出水地球化学特征差异分析及其地质意义缺少详细的探讨。

笔者基于2017年1月松河和织金区块16口煤层气井产出水样品的常规离子、氢氧同位素和微量元素含量测试结果,对研究区产出水来源和地球化学特征及对产能的指示意义进行了分析,以期为黔西煤层气勘探开发提供理论依据。

1 地质背景及开发层组简述

松河区块位于黔西土城向斜的北翼中段,整体为一单斜构造(图1)。区内高角度张性正断层发育,构造复杂程度属于Ⅱ类中等构造。井田薄及中厚煤层群发育,主要含煤地层为二叠系上统龙潭组,主要可采煤层为1+3,4,9,12,15,16,17号,可采总厚达11.68 m。煤级以焦煤为主,含部分瘦煤和少量肥煤,镜质组反射率为1.38%～1.69%,煤系地层埋深在560～960 m。煤体结构以原生和碎裂状为主,煤储层渗透性较差,渗透率为0.011×10-15～0.352×10-15 m2[11]。含煤地层富水性较弱,上覆、下伏地层均为厚度较大的相对隔水层,地下水越层补给的可能性较小,水力联系微弱。

松河目前有8口煤层气开发试验井,为丛式井组。GP1和GP2井2014年1月投产,GP3～GP8井2015年1月投产。均采用“分段压裂,合层排采”的开发方式,每口井一般压裂3～4段,产层跨度在200 m左右,每段厚度在20 m左右,包含3层主力煤层。截止到2017年5月,GP井日均产气量为302.88～668.4 m3,单井平均日产气455.52 m3;累计产水量为1 410.8～3 229.8 m3,单井平均累计产水2 147.62 m3。

织金区块位于织纳煤田(图1),具有煤层多而薄、含气量高、煤层气资源丰度高、地质条件较好的特点。区内煤系地层主要为上二叠统龙潭组,本文涉及的8口煤层气井均位于珠藏向斜中。煤级以无烟煤为主,镜质组反射率为2.19%～3.29%,平均2.86%,主力煤层埋深在400～600 m[15]。煤体结构以碎裂状为主,煤储层渗透性较好,渗透率为0.61×10-15～0.94×10-15 m2[16]。煤系地层富水性较弱,与强含水地层基本无水力联系,水动力条件较差。

织金8口煤层气开发井,除织平-X井和织2U1P井为水平井外,其他均为直井。织X-1井、织X-2、织X-3、织X-4井2015年2月投产,织X-5、织X-6井2015年5月投产,每口井压裂2～4层;织2U1P井和织平-X井分别于2013年7月和2015年10月投产,分6段压裂。煤层气井开发方式以直井压裂III煤组(20,23,27,30号主力煤层)分压合采为主,织2U1P井单独开发27号煤层,织平1井优选开发23号煤层。截止到2017年5月,8口井日均产气量为935.04～3 146.4 m3,单井平均日产气1 645.56 m3;累计产水量为503～2 973 m3,单井平均累计产水1 046.43 m3。

2 测试方法

针对松河和织金区块16口开发井,在2017年1月进行了水样的跟踪采集、化验,化验内容包括常规离子、微量元素、水的氢氧同位素测定。水样采集统一使用2.5 L纯净水瓶,直接从井口出水口采集,采样前先用产出水冲洗采样瓶3次以上,所采水样在72 h内送至中科院贵阳地化所环境地球化学国家重点实验室进行相关检测,测试程序严格按照国家规范及其相关分析标准进行。其中,部分测试数据见表1。

3 讨 论

3.1 水源解析分析

(1)煤层气井产出水中离子特征

Piper三线图是研究地下水成分及水化学类型的有效方法。如图2所示,两区块煤层气井产出水阴、阳离子在Piper三线图上的分布较为集中,地下水水质类型明显不同,松河区块水质为Na-Cl型,织金区块为Na-HCO3型。

结合常规离子测试,松河煤层气井产出水Cl-,Na+质量浓度高度异常,Cl-质量浓度均在3 000 mg/L以上,Na+质量浓度均在2 000 mg/L以上,矿化度介于2 543～4 118 mg/L,水质为Na-Cl型,而据以往煤田勘探水质资料,松河煤系地下水Cl-和Na+浓度均未超过1 000 mg/L,矿化度较低,水质为Na-HCO3型,产出水特征和以往地下水属性相差极大,说明受压裂液污染,原始地层水信息被部分屏蔽。织金区块产出水Na+和富集,水质为Na-HCO3型,矿化度普遍较高,介于1 267～2 346 mg/L,平均值为1 806 mg/L,总体反映出封闭的地下水环境,水动力条件较差,滞留程度较高。据统计,截止到2017年初松河8口井压裂液平均返排率为40%,织金区块除了织2U1P井外,7口井平均返排率为60%。因此,判断松河煤层气井产出水伴有压裂液,织金区块产出水来源于地层水。

(2)煤层气产出水稳定同位素特征

在煤系还原环境下,富含H和16O等较轻同位素的地层水和富含D和18O等重同位素的煤层以及围岩中矿物质发生同位素交换,可导致地层水中氢氧同位素漂移。此外,微生物在封闭还原的煤层环境中可作用生成HDS,HDS溶于水并发生同位素交换,也可导致地层水的呈现D漂移特征。

由表1可知,松河和织金区块煤层气井产出水中氢氧同位素组成差异较大。松河区块产出水的δD为-39.88‰～-26.92‰,平均-31.86‰,δ18O为-8.37‰～-5.51‰,平均-6.77‰;织金区块产出水的δD为-64.11‰～-52.71‰,平均-57.97‰,δ18O为-10.41‰～-8.62‰,平均-9.59‰。相比于织金区块,松河区块产出水的氢氧同位素组成明显较重。

氢氧同位素组成研究方法采用我国贵州大气降水线方程δD=8.83δ18O+22.15[17]。由图3可以看出,松河和织金区块所取水样在图上均分布在贵州大气降水线左侧,呈现出明显的D漂移特征,说明产出水来源为大气降水,同时受水-岩作用影响较大。

根据杨兆彪[18]对织金区块11个煤样样品元素分析结果,氢含量平均3.32%,氧含量平均1.92%。又由表2知,松河区块煤样氢含量平均4.87%,氧含量平均4.99%,两种元素含量大致相当。因此,可推测煤中氢氧元素含量均较高是导致松河区块产出水氢氧同位素明显较重的原因,加上松河区块渗透性较差,压裂液注入多,返排率低,导致大量压裂液长时间滞留煤层,发生了强烈的水岩作用,加剧了氢氧同位素的偏重。

另外,织金产出水呈现D漂移原因是氢同位素交换反应较氧同位素交换反应更加强烈。松河煤样氢氧元素含量相当,排除元素差异影响,产出水pH值平均7.64,为微生物繁殖的最佳值,故D漂移推测是由于微生物作用促使的HDS+H2OH2S+HDO反应起主导作用,致使该区δD偏高。

3.2 煤层气井产出水特征微量元素对比分析

据2017年1月松河和织金区块微量元素测试结果,除Li元素含量较小外,松河区块大部分微量元素溶出量均大于织金区块,其中Li,Ba,Mn,Rb,Sr等元素含量差异极为明显(图4),和贵州地区煤层、围岩中微量元素含量特征相同。

一方面,Li元素在自然界中主要以锂辉石、锂云母等形式存在,大多产出于花岗岩中,是一种深成酸性火成岩。据贵州省火成岩分布略图[19](贵州省地质矿产局,1987)知,松河和织金区块因燕山中期构造-热事件作用均分布有此类岩石。因此,两区块产出水中均可以检测到Li元素。据表1显示,松河产出水pH值平均7.64,织金pH平均8.49,故织金地层水pH较高,呈弱碱性,促进了酸性Li矿石的溶解,推测是导致其地层水中Li元素溶出量较高的原因之一。

除Li元素外,Ba,Mn,Rb,Sr元素,松河区块远远大于织金区块(图4)。其地质原因可能在于:① 松河区块下部龙潭煤系地温梯度为3.57～4.65 ℃/hm,表现为明显的正地温梯度,煤层埋深750 m处,地层温度超过40 ℃[20]。而据杨兆彪[18](2011)统计,织金区块总体上属于正常地温范围,煤系地层温度在20～25 ℃。② 相对于织金区块,松河区块开采层位埋深较大;压裂液返排率较低,大量滞留于煤层中;煤储层渗透率较差。上述两种原因都不同程度的促使其水岩作用更加强烈。且松河前期压裂时,大多数煤层均被扩射至顶底板,顶底板中Ba,Mn,Rb,Sr等元素含量要远远大于煤层中含量,经过长时间的水岩作用,地层水中微量元素溶出量大大增加,故表现出和围岩中微量元素特征相同的特点。

3.3 煤层气井产出水地球化学响应与产能的关系

封闭的地下水环境有助于煤层气保存。一般认为,富集,意味着接近富氧水源补给区,代表开放型水文环境;富集,说明为远离补给区的还原环境,代表封闭型水文环境[21-22]。松河产出水受压裂液污染,Cl-浓度较高,在一定程度上屏蔽了原始地层水信息,但排采2 a以上Cl-含量仍然较高,间接反映了其封闭性很强,即压裂液难以快速返排。

基于以上认识,结合两区块产出水特征,笔者在参考郭晨[22](2015)提出的表征地下水封闭程度的封闭指数基础上,进一步修正和定义了具有更强普适性的新的评价地下水环境封闭性的水化学封闭指数F*,并建立了与研究区产能的关系(图5)。

式中,分别为钾离子、钠离子、碳酸氢根离子、氯离子、钙离子、镁离子和硫酸根离子的质量浓度,mg/L。

从图5可以看出,3者相关关系较为显著,随封闭性指数增加,日产气量先增加后减少,累计产水量不断减小。当F*小于700时,地下水封闭性较弱,水动力条件较活跃,有利于煤层气井实现排水降压,表现为日产气量不断增大和累计产水量不断降低;当F*大于700时,地下水滞留程度增强,水化学环境过于封闭,不利于流体运移,表现为日产气量显著降低,产水量也随之降低。结合研究区各井产能表现,可划分出两类井型:低产井和高产井。低产井F*小于200或者大于2 000,平均日产气量在1 000 m3以下;高产井F*为200～2 000,日产气量平均在1 500 m3以上。因此,封闭性指数可作为评价产能潜力的地球化学指标,且介于300～1 700之间的中等封闭指数最有利于实现高产。这对于研究区后期煤层气开发有利区块优选和产能预测具有重要的指导意义。

Cl-质量浓度可在一定程度上反映压裂液返排率,Cl-质量浓度相对于地层水背景值越接近,返排率越高,越有利于高产;产出水中越富集,越趋于高产。故耦合两者和产能的关系,可初步建立产出水来源判识模板(图6),并划分出两个区域,低产井产出压裂液区、高产井产出煤层水区质量浓度和Cl-质量浓度相关性极其显著,且和产能潜力划分吻合一致,证实该模板对于产出水来源判识具有一定的可行性。

目前,关于研究区内煤中大部分微量元素的亲和性已基本确定,但关于Li元素为有机或无机亲和性仍存在较大争议[23-25]。由图7知,产出水中Li元素和离子呈正相关关系,说明该区Li元素可能具有无机亲和力,即碳酸氢盐亲和性,而产出水中含量越高,产气量又越大,故呈现出右图中Li元素和平均日产气量的正相关关系,且相关关系显著。同时发现,Li元素低于小于1 500 mg/L,为低产井,并产出压裂液;Li元素大于大于1 500 mg/L,为高产井,产出煤层水。因此,Li元素可作为响应产能的特征微量元素,对于研究区预测产能具有初步的指示意义。

4 结 论

(1)松河产出水Cl-,Na+质量浓度高度异常,水质为Na-Cl型,表明受压裂液污染。织金产出水来自煤层,Na+和富集,水质为Na-HCO3型,反映出较封闭的地下水环境,水动力条件较差。

(2)松河和织金产出水δD均偏重,呈现出明显的D漂移特征,煤中氢氧元素含量较高是导致松河产出水同位素组成明显较重的原因。

(3)除Li元素外,松河大部分微量元素含量均大于织金。原因为松河水岩作用较强烈,且前期压裂时多数煤层被扩射至顶底板;织金产出水来自煤层且pH较高,促进了酸性Li矿石溶解。

(4)提出了更具普适意义的封闭指数,中等封闭指数更有利于实现高产,可提取作为评价产能潜力的地球化学指标,并初步建立了基于和Cl-的产出水来源判识模板。Li元素和呈正相关,表明可能具有碳酸氢盐亲和性,故和产气量呈正相关,可作为响应产能的特征元素。

参考文献(References):

[1] 卫明明,琚宜文.沁水盆地南部煤层气田产出水地球化学特征及其来源[J].煤炭学报,2015,40(3):629-635.

WEI Mingming,JU Yiwen.Chemical characteristic and origin of produced waters from coalbed gas field in the southern of Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2015,40(3):629-635.

[2] 傅雪海,秦勇,韦重韬.煤层气地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007:34-73.

[3] 张松航,唐书恒,李忠城,等.煤层气井产出水化学特征及变化规律—以沁水盆地柿庄南区块为例[J].中国矿业大学学报,2015,44(2):292-299.

ZHANG Songhang,TANG Shuheng,LI Zhongcheng,et al.The hydrochemical characteristics and ion changes of the coproduced water-taking Shizhuangnan block,south of the Qinshui Basin as an example[J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(2):292-299.

[4] 梁积伟,李荣西,陈玉良.鄂尔多斯盆地苏里格气田西部盒8段地层水地球化学特征及成因[J].石油与天然气地质,2013,34(5):625-630.

LIANG Jiwei,LI Rongxi,CHEN Yuliang.Geochemical behaviors and genesis of formation water in 8th Member of Xiashihezi Formation in western Sulige gas field,Ordos Basin[J].Oil & Gas of Geology,2013,34(5):625-630.

[5] WANG B,SUN F J,TANG D Z,et al.Hydrological control rule on coalbed methane enrichment and high yield in FZ block of Qinshui Basin[J].Fuel,2015,140:568-577.

[6] 郭晨,秦勇,夏玉成,等.基于氢、氧同位素的煤层气合排井产出水源判识—以黔西地区比德—三塘盆地上二叠统为例[J].石油学报,2017,38(5):493-501.

GUO Chen,QIN Yong,XIA Yucheng,et al.Source discrimination of produced water from CBM commingling wells based on the hydrogen and oxygen isotopes:A case study of the Upper Permian,Bide-Santang western Guizhou area[J].Acta Petrolei Sinica,2017,38(5):93-501.

[7] 时伟,唐书恒,李忠城,等.沁水盆地南部山西组煤储层产出水氢氧同位素特征[J].煤田地质与勘探,2017,45(2):62-68.

SHI Wei,TANG Shuheng,LI Zhongcheng,et al.Hydrgen-oxygen isotope characteristics of produced water from coal reservoir of Shanxi Formation in Qinshui Basin[J].Coal Geology & Exploration,2017,45(2):62-68.

[8] 李伟,秦胜飞.四川盆地须家河组地层水微量元素与氢氧同位素特征[J].石油学报,2012,33(1):55-63.

LI Wei,QIN Shengfei.Characteristics of trace elements and hydrogen and oxygen isotopes in the formation water of the Xujiahe Formation,Sichuan Basin[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(1):55-63.

[9] 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.

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.

[10] 单耀.含煤地层水岩作用与矿井水环境效应[D].徐州:中国矿业大学,2009:51-56.

[11] 贾彤,桑树勋,韩思杰.松河井田储层高压形成机制及对煤层气开发的影响[J].煤炭科学技术,2016,44(2):50-54.

JIA Tong,SANG Shuxun,HAN Sijie.High pressure formation mechanism of reservoir in Songhe Mine Field and its impact to coalbed methane development[J].Coal Science and Technology,2016,44(2):50-54.

[12] 杨兆彪,吴丛丛,张争光,等.煤层气产出水的地球化学意义—以贵州松河区块开发试验井为例[J].中国矿业大学学报,2017,46(4):1-8.

YANG Zhaobiao,WU Congcong,ZHANG Zhenguang,et al.Geochemical significance of CBM produced water:A case study of developed test wellsin Songhe block of Guizhou province[J].Journal of China University of Mining & Technology,2017,46(4):1-8.

[13] 郭晨,秦勇,韩冬.黔西比德—三塘盆地煤层气井产出水离子动态及其对产能的指示[J].煤炭学报,2017,42(3):680-686.

GUO Chen,QIN Yong,HAN Dong.Ions dynamics of produced water and indication for CBM production from wells in Bide-Santang Basin,Western Guizhou[J].Journal of China Coal Society,2017,42(3):680-686.

[14] 郭晨,秦勇,易同生,等.黔西肥田区块地下水动力条件与煤层气有序开发[J].煤炭学报,2014,39(1):115-123.

GUO Chen,QIN Yong,YI Tongsheng,et al.Groundwater dynamic conditions and orderly coalbed methane development of Feitian block in western Guizhou,South China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):115-123.

[15] 崔彬.织金区块煤层气井产能差异主控地质因素分析[J].煤炭技术,2016,35(11):115-117.

CUI Bin.Analysis of main controlling geological factors for productivity difference of CBM well in Zhijin block[J].Coal Technology,2016,35(11):115-117.

[16] 朱东君.贵州织金区块煤层气井排采影响因素分析[J].油气藏评价与开发,2015(2):78-80.

ZHU Dongjun.Analysis of influence factors of drainage and recovery of CBM wells in Zhijin Block of Guizhou[J].Reservoir Evaluation and Development,2015(2):78-80.

[17] 毛庆亚,王建力,王家录,等.贵州安顺与重庆北碚大气降水中δD和δ18O特征分析[J].西南大学学报(自然科学版),2017,39(2):114-120.

MAO Qingya,WANG Jianli,WANG Jialu,et al.Analysis of the Characteristics of δD and δ18O in the Meteoric Precipitation in Anshun,Guizhou Province and Beibei Chongqing[J].Journal of Southwest University (Natural Science Edition),2017,39(2):114-120.

[18] 杨兆彪.多煤层叠置条件下的煤层气成藏作用[D].徐州:中国矿业大学,2011:41-44.

[19] 姚帅.比德—三塘盆地异常压力分布规律及其构造控制机制[D].徐州:中国矿业大学,2015:20-22.

[20] 赵霞,赵凌云.松河井田地温特征及煤层气井适配性压裂工艺[J].煤炭科学技术,2016,44(2):17-21.

ZHAO Xia,ZHAO Linyun.Geothermal characteristics and suitable CBM well fracturing technology in Songhe Mine Field[J].Coal Science and Technology,2016,44(2):17-21.

[21] 田文广,邵龙义,孙斌,等.保德地区煤层气井产出水化学特征及其控气作用[J].天然气工业,2014,34(8):15-19.

TIAN Wenguang,SHAO Longyi,SUN Bin,et al.Chemical behaviors of produced water from CBM wells in the Baode area Shanxi,China,and their control on gas accumulation[J].Natural Gas Industry,2014,34(8):15-19.

[22] 郭晨.多层叠置含煤层气系统及其开发模式优化—以黔西比德-三塘盆地上二叠统为例[D].徐州:中国矿业大学,2015:111-115.

[23] DAI Shifeng,REN Deyi,TANG Yuegang,et al.Concentration and distribution of elements in Late Permian coals from western Guizhou Province,China[J].Coal Geology,2005,61:119-137.

[24] DAI Shifeng,REN Deyi,CHOU Chenlin,et al.Geochemistry of trace elements in Chinese coals:A review of abundances,genetic types,impacts on human health,and industrial utilization[J].International Journal of Coal Geology,2012,94:3-21.

[25] ZHANG Junying,REN Deyi,ZHANG Chuguang,et al.Trace element abundances in major minerals of Late Permian coals from southwestern Guizhou province,China[J].International Journal of Coal Geology,2002,53:55-64.