柳林区块煤层气井产出水特征及动态变化规律

柳林区块煤层气井产出水特征及动态变化规律~

唐书恒1 朱卫平2 李忠城1 吕建伟1 陈江1 郭东鑫1
基金项目:国家科技重大专项课题(2011ZX05034-003);国家自然科学基金项目(40972108);国家973计划课题(2009CB219604)
作者简介:唐书恒,1965年生,河北正定人,博士,教授,博士生导师,从事煤层气地质与开发工程研究。电话:010-82320601,E-mail:[email protected]
(1.中国地质大学能源学院 北京 1000832.中国石油吐哈油田公司 新疆哈密 839009)
摘要:河东煤田柳林区块煤层气井产出水具有高盐度、高矿化度的特点,直接排放可能会造成对生态环境的破坏,开展煤层气井产出水特征及动态变化规律研究,将为建立合理有效的产出水处理技术提供依据。通过连续跟踪采集柳林区块煤层气井产出水样品,并进行了25项物理化学参数的系统测试,发现矿化度及氯离子、钠离子浓度均呈现先高后低的变化趋势,而碳酸氢根离子的变化规律相反,呈现先低后高的特点。水型呈现由Na-Cl水型向Na-Cl-HCO3水型和Na-HCO3-Cl水型变化的规律。产出水中阳离子以K++Na+离子为主,阴离子 和Cl-值较为接近,不存在明显占绝对优势的离子。依据产出水中各离子的变化特点。采用回归分析方法,建立了氯离子浓度排采动态变化模型。
关键词:煤层气井产出水水质动态变化柳林区块
The Characteristics and Dynamic Changes of Producing Water from Coalbed Methane Wells in Liulin Block
TANG Shuheng1, ZHU Weiping2, LI Zhongcheng1, LV Jianwei1, CHEN Jiang1, GUO Dongxin1
(1.School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing, 1000832.Tuha Oilfield Company, CNPC, Hami, Xinjiang, 839009, China)
Abstract: The groundwater produced from the coalbed methane (CBM) wells in Liulin block, Hedong coal field is characterized by high salinity, so the direct discharge of the water will cause environment degradation.The research on the characteristics and dynamic changes of the water produced from the CBM wells will provide basis for establishing the reasonable and effective produced water treatment technology.Based on the continuous tracking collection of the CBM wells produced water samples and the systematically testing 25 physical and chemical param- eters, the dynamic changes of the Salinity and various anions and cations were analyzed.The results show that the concentration of salinity, chloride ion and sodium ion change from high to low, but the concentration of bicarbon- ate ion changes conversely with the trend from low to high.The water changes from Na-Cl type to Na-Cl-HCO3 type and Na-HCO3 -Cl type.The cations are mainly K+ and Na+ions, and there is no obvious dominant anions with the close and Cl-values in the produced water. According to the changes of the ions, the model of Chloride ion concentration in the water was established using nonlinear regression analysis.
Keywords: CBM wells; produced water; water quality; dynamic changes; Liulin block
1 地质背景
河东煤田柳林区块面积183.824km2,位于山西省西部,河东煤田中部,距太原市220km,隶属于吕梁市柳林县。该区属于西北黄土高原地带,总体地形形态南北高,西部与中部低,区内属黄河流域。从构造位置上看,该区块处于鄂尔多斯盆地东缘吕梁山西坡的南北向构造带上,总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造,属于吕梁复背斜西翼的一部分。该区断层稀少,次级褶曲一般幅度也不大,以单斜为主导构造。
区块内及周边赋存的地层有奥陶系中统峰峰组(O2f);石炭系中统本溪组(C2b)和上统太原组(C3t);二叠系下统山西组(P1s)和下石盒子组(P1x);二叠系上统上石盒子组(P2s)和石千峰组(P2sh);三叠系下统刘家沟组(T1l)和和尚沟组(T1h);新生界新近系上新统(N2);第四系中更新统(Q2)、上更新统(Q3)和全新统(Q4)。
该区目前主要开采二叠系下统山西组(P1s)3+4号和5号煤层中的煤层气(周宝艳等,2007;接铭训,2010;赵庆波等,2006;刘新社等,2007;傅雪海等,2007)。
2 产出水离子变化规律
河东煤田柳林区块煤层气井产出水具有高盐度、高矿化度的特点,直接排放可能会对生态环境造成破坏,开展煤层气井产出水特征及动态变化规律研究,将为建立合理有效的产出水处理技术提供依据。本文以柳林区块MC试验区井组为基础,选取了MC-01V,MC-02V两口水平井和MC-03,MC-04,MC-05三口直井共五口井为对象,进行连续跟踪取样,进行了包括矿化度、钾钠离子、钙离子、镁离子、氯离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子等在内的25项物理化学参数的系统测试,分析了其变化规律。
2.1 矿化度变化规律
根据化验所得到的矿化度数据,MC试验区矿化度值整体较高,5口井排采初期最高值接近7000mg/L,最小值也接近2900mg/L,平均值约为4980mg/L(见表1)。
MC试验区所取的5口煤层气井中,其中3口直井(MC-03,MC-04,MC-05)采集数据时处于压裂后排采初期,2口水平井(MC-01V,MC-02V)是排采2~3个月后开始取样。水样分析结果表明:MC试验区产出水矿化度在排采初期较高,在较短的时间内矿化度值下降明显。MC-01V排采到第70天时矿化度值超过3500mg/L,在排采到约90天时,其值下降到2400mg/L,在之后长达160天的时间段内基本趋于稳定。MC-02V井从取样开始,矿化度值始终保持相对平稳(图1)。
2.2 氯离子变化规律
由MC试验区煤层气井产出水氯离子变化趋势图(图2)可以看出,MC试验区由于排采时间长短不同,测定的氯离子浓度变化趋势亦不同,MC-03,MC-04,MC-05三口直井排采初期即开始取样,初期氯离子浓度较高,之后呈现迅速降低的变化趋势。两口水平井MC-01V,MC-02V分别从排采70天和118天才开始取样,取样时间段内氯离子变化较平稳,且浓度值较直井显著偏低,大部分数值处于300~400mg/L的范围内。
表1 MC实验区煤层气井产出水矿化度统计



图1 MC试验区煤层气井产出水矿化度变化趋势


图2 MC试验区煤层气井产出水氯离子变化趋势

2.3 变化规律
从MC试验区煤层气井产出水 变化趋势图(图3)可以发现,MC-03,MC-04,MC-05三口直井在排采初期, 离子浓度较高,基本位于1400~1900mg/L之间,之后处于缓慢上升的过程;而MC-01V,MC-02V两口水平井 离子浓度较3口直井要低,在排采100天后, 离子浓度缓慢上升,但数值变化较平稳,均处于1000~1500mg/L范围之内。

图3 MC试验区煤层气井产出水 变化趋势

2.4 Na+变化规律
从MC试验区煤层气井产出水Na+变化趋势图(图4)可以看出,MC-03、MC-04,MC-05三口直井在排采初期Na+离子浓度较高,在2000~2500mg/L之间,之后呈现缓慢下降的趋势。MC-04井下降幅度最为明显,而MC-01V,MC-02V两口水平井在排采100天后,Na+离子在数值上变化较平稳,处于700~800mg/L范围之内。

图4 MC试验区煤层气井产出水钠离子变化趋势

2.5 其他离子变化规律
其他离子主要是钙、镁离子和硫酸根离子。5口井化验得出的钙镁离子浓度均较低,一般小于12mg/L;硫酸根离子浓度一般小于40mg/L。
3 水型动态变化规律
MC试验区2口水平井MC-01V,MC-02V水型表现为Na-HCO3-Cl水型;3口直井中,MC-03,MC-05前期呈现为Na-Cl水型,后期呈现为Na-Cl-HCO3水型;MC-04井前期呈现为Na-Cl水型,后期呈现为Na-HCO3-Cl水型。MC试验区产出水中阳离子以K++Na+离子为主,阴离子 和Cl-值较为接近,不存在明显占绝对优势的离子(图5)。

图5 MC试验区派珀三线图解

可以用Stif图表示MC试验区的水型随排采时间的整体变化情况(图6)。在排采初期,MC试验区水型表现为Na-Cl水型,Stiff图呈上宽下窄的漏斗状,如图6(a)所示,这一阶段的持续时间一般为4~6个月;在排采的中期,MC试验区水型表现为Na-Cl-HCO3水型或者Na-HCO3-Cl水型,Stif图形如图6(b、c)所示,这一阶段的持续时间大约为6~8个月;在排采的中后期,水型以Na-HCO3水型或Na-Cl-HCO3水型为主,Stif图形呈图6(d)所示形状。

图6 MC试验区煤层气井产出水平均化学成分Stif图形

4 氯离子浓度排采动态变化模型
经水质化验显示,由于钻井液的影响(李忠城等,2011),柳林区块煤层气井产出水在开采初期具有较高的矿化度和盐度,但不含国家Ⅱ类饮用水标准(地表水环境质量标准,2002)(表2)中所严格限制的铁、锰、铜、锌、砷等阳离子,硝酸盐(以N计)、硫酸盐(以 计)阴离子也远低于国家Ⅱ类饮用水标准的限定值。唯有氯化物(以Cl-计)浓度在排采前期远高于国家Ⅱ类饮用水标准,并随着排采时间的增加而降低,柳林区块煤层气井产出水中氯化物的变化趋势见图2。
表2 国家Ⅱ类饮用水标准主要离子限定要求



图7 MC-04井氯离子浓度与时间的关系

可以发现,随着排采时间的增加,煤层气井产出水中氯离子浓度,由初期远高于国家Ⅱ类饮用水标准,逐渐降低并向Ⅱ类饮用水标准接近,最后完全达到Ⅱ类饮用水标准。建立产出水中氯离子浓度与排采时间的关系模型,对于煤层气井产出水的处理具有重要意义。本文利用回归分析方法对氯离子浓度进行分析。
在应用回归分析法时,一般用Newton迭代法求解此正规方程组。也可以直接极小化残差平方和,求出未知参数的非线性最小二乘估计值。在实际应用中,可以采用SPSS软件直接求算(潘国营等,2002)。
以MC-04井为例,采用SPSS软件进行函数的计算和模型建立。初步判定氯离子浓度变化的模型为 ，随机给定初值b0=1240,b1=0.95,经过13次迭代后收敛。从计算结果来看(图7),模型的相关系数R2=0.958,说明非线性回归拟合效果较好。因而可以得到该井氯化物(以Cl计)浓度的变化模型为:

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

同理可计算其余两口井模拟计算数据,模型相关参数见表3。
表3 柳林区块氯离子浓度排采动态模型参数


根据上述数学模型可以预测煤层气井产出水水质达到国家标准所要求的时间(表3),在这个时间点之前,产出水必须进行处理才能进行排放,否则会对周围环境和地表水源产生污染。
5 结论
通过对河东煤田柳林区块煤层气井产出水进行系统的跟踪采样分析,对产出水的水质变化规律进行研究,取得了以下主要的认识和成果:
1)各煤层气井产出水的矿化度和氯离子、钠离子浓度,均随着排采时间的增长呈现由高到低的变化趋势,而碳酸氢根离子的变化规律相反,呈现先低后高的特点。
2)煤层气井产出水的水型呈现由Na-Cl水型向Na-Cl-HCO3水型、Na-HCO3-Cl水型或Na-HCO3水型变化的规律。
3)建立了氯离子浓度变化与排采时间的非线性回归分析模型。采用该模型可以较好地预测氯离子浓度达到国家Ⅱ类饮用水标准所需的时间,为煤层气井产出水的技术处理提供了参考依据。
参考文献
地表水环境质量标准.2002.GB/3838
傅雪海,秦勇,韦重韬.2007.煤层气地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社,143~144
接铭训.2010.鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发前景[J].天然气工业,30:1~6+121
李忠城,唐书恒,王晓锋等.2011.沁水盆地煤层气井产出水化学特征与产能关系研究[J].中国矿业大学学报,40(3):434~439
刘新社,席胜利,周焕顺.2007.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气储层特征[J].煤田地质与勘探,35(1).37~40
潘国营,韩怀彦,王永安等.2002.应用SPSS统计软件和污染指数评价地下水污染——以濮阳市地下水污染评价为例[J].焦作工学院学报(自然科学版),21(3):172~174
赵庆波等著.2006.煤层气地质与勘探开发[M].北京:石油工业出版社
周宝艳,傅雪海,秦勇等.2007.河东煤田水文地质条件与煤层气的关系[A].煤层气勘探开发理论与实践[C].北京:石油工业出版社,70~77

张文忠 周尚忠 孟尚志 赵军 莫日和
基金项目:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目62(2011ZX05062)
作者简介:张文忠,男,工程师,1979年出生,博士,2009年毕业于中国地质大学(北京),现在中联煤层气有限责任公司工作,电话:01064297957,邮箱:[email protected]。
(中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘要:柳林区块位于山西省西部,西邻黄河,前期勘探和试生产显示该区块煤层气勘探开发具有广阔的前景。为尽快在该地区实现煤层气商业化生产,最大限度地满足当地对煤层气资源的需求,寻找煤层气富集高产区显得至关重要。本文根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场、动力场的耦合关系,探讨了水文地质条件与煤层气富集成藏的关系,结果显示柳林区块地下水顺地层向西部深处流动,越往西部深处水动力越弱,越有利于煤层气的富集成藏。
关键词:柳林区块 煤层气 水文地质条件 富集成藏
Hydrogeologic Conditions and Its Influence on Coalbed Methane Accumulation in Liulin Block, Shanxi Province
ZHANG Wenzhong ZHOU Shangzhong MENG Shangzhi ZHAO Jun MO Rihe
(China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011, China)
Abstract: Liulin Block lies in the west of Shanxi Province, previous exploration and trial production indi- cates that this block has vast potential for future development.For the purpose of realizing CBM commercial produc- tion, it's vital to find CBM-rich areas and high-yield areas.According to the spatial coupling relation of CBM ac- cumulation with groundwater geochemical field and dynamic field, this paper discusses the relationship between hydrogeologic conditions and CBM accumulation.The result shows the ground water of Liulin Block flows from northeast to southwest. the hydrodynamic condition is weak in the west and it is more suitable for CBM accumula- tion.
Keywords: Liulin Block; coalbed methane; hydrogeologic condition; accumulation
煤层气是煤在煤化作用过程中生成,主要以吸附状态赋存于煤层内的以CH4为主要成分的非常规天然气。煤层气是优质的能源和基础化工原料,具有热值高、污染少、安全性高的特点,是石油和天然气等常规地质能源的重要补充。煤层气同时又是一种有害的危险气体,煤层气中CH4的温室效应约是CO2的21倍,对大气臭氧层造成的破坏是CO2的7倍(赵庆波等,1998),对生态环境破坏性极强;煤层气的易燃易爆性也严重危及着煤矿的安全生产,因此,对煤层气有效利用,对于缓解我国能源供应的紧张局面、减少温室气体排放、提高煤矿的安全生产及拉动其他相关产业的发展具有重要的意义。
柳林区块位于山西省西部,河东煤田中部,西邻黄河,面积约183km2。柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘中部的离石鼻状构造上,主体构造为一个弧顶向西突出的弧状褶皱。区块内断层较少,仅在区块北部发育由聚财塔南北正断层组成的地堑及其派生的小型断层。柳林地区发育煤层14层,其中山西组5层,自上而下编号为1、2、3、4(3+4)、5号煤层;太原组9层,自上而下编号为6上、6、7、7下、8+9、9下、10、10下、11号煤层。其中山西组的2、3、4(3+4)、5号煤层,太原组的8+9、10号煤层为煤层气勘探开发的主力煤层(任光军等,2008)。
1 柳林区块水文地质条件概述
1.1 含水层类型及分布
柳林地区有六套主要含水层组,分别是:奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组、二叠系上、下石盒子组和石千峰组砂岩裂隙含水层组、三叠系砂岩裂隙含水层组与新近系、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层组(图1)。其中石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组和二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组是与煤层气开采直接相关的两套含水层组。
奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组由上、下马家沟组和峰峰组组成,为一套以石灰岩、泥灰岩、白云岩等碳酸盐岩为主的浅海相沉积,在柳林区块以东外围大面积出露,该套含水层组呈单斜构造,自东向西埋深逐渐增大,含有丰富的岩溶水,是区域的主要含水层系。
石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层组主要由石炭系上统太原组间夹于碎屑岩中的5层石灰岩(L1-L5)组成,在区块东部的大沟谷中零星出露,由东向西,埋深逐渐增大(图2)。储水空间主要是构造、溶蚀裂隙以及溶蚀孔洞,富水性在不同地点差别较大。柳林区块东缘岩溶发育,连通性好,接受补给容易,富水性较强。向西随着地层埋深的逐渐增大,灰岩的岩溶、裂隙逐渐变得不是很发育,富水性也逐渐变差,总体来说,该套含水层组的富水性是较强的。
二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组由K3砂岩组成,在柳林区块东界外围有零星出露,含水层砂岩裂隙大部分充填方解石脉或钙质薄膜,开启性、连通性较差,储水空间小,富水性较弱。
二叠系上、下石盒子组和石千峰组砂岩裂隙含水层由下石盒子组K4砂岩及上石盒子组和石千峰组的砂岩组成。K4砂岩节理、裂隙较发育,由于开启性差,且多充填方解石脉或钙质薄膜,再加上补给条件的限制,富水性差。上石盒子组和石千峰组砂岩富水性也较弱。
三叠系砂岩裂隙含水层组以砂岩裂隙含水层为主,在柳林区块西南部与聚财塔地堑中出露,其富水性较差。

图1 柳林区块含水层系划分图

新近系、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层组中孔隙发育,接受大气降水补给,形成孔隙潜水,受地形、补给条件及其分布面积的限制,富水性一般不强,经短途径流即排向河道或沟底补给地表水或渗入下伏岩层裂隙中,集中排泄时形成下降泉。
1.2 流体场特征
1.2.1 地下水补、径、排条件
柳林区块地层总体向西倾伏,区域水文地质条件简单,为一西倾宽缓单斜蓄水构造,大气降水和东部灰岩的侧向补给是区块内所有地下水的主要补给源,有时大气降水成为各主要含水层唯一的补给源。地表河流多为季节性河流,不利于地下水补给或者补给量很小。受单斜构造的控制,柳林区块各主要含水层基本上都是在东部地层出露区接受大气降水的补给,然后由浅部流向深部。

图2 柳林区块水文地质简易剖面图

柳林区块地下水水位高程呈北高南低、东高西低的总体背景。地下水主要表现为顺层向深部流动,随侧向距离的延长,径流强度逐渐减弱。在山西组埋深大于500m处,地下水径流速度已经很缓慢,地下水径流基本处于滞流状。煤层底部奥陶系地层也表现出东、北部较高,逐渐向西、南部降低的一致趋势。
根据围岩含水层对煤层供水强弱,将柳林区块煤层水分为三种类型。(1)煤层顶板为灰岩溶蚀孔型含水层,对煤层供水较为充足,煤层产水量大,石炭系太原组8号煤层属于此种类型;(2)煤层顶板或底板为砂岩孔隙、裂隙型含水层,对煤层供水有限,煤层产水量一般不大,二叠系山西组4号煤层属于此种类型;(3)煤层顶、底板皆为泥质岩,供水性差,渗透到煤层中的水极少,只有在断层或裂隙发育的部位才能提供给煤层,山西组5号煤层属于该种类型。
1.2.2 地下水化学特征
水化学成分是地下水运动的真实记录。煤层水化学研究是为了阐明地下水循环特征。柳林区块煤层水化学成分阴离子以 为主,含量一般2100~2400mg/L,8号煤层水的 含量略高于4、5号煤层水;其次是Cl-,另外含有少量 。阳离子以Na+占主导,含量1300~1800mg/L,还含有少量K+、Ca2+、Mg2+和 ；pH值6.7~8.2。
柳林区块4、5号煤层水矿化度高于8、9号煤层水,反映8、9号煤层水的活跃程度较高,4、5号煤层气富集的水文地质条件要好于8、9号煤层。
2 水文地质条件与煤层气富集的关系
2.1 水文地质控气作用
煤系地层的水文地质条件是影响煤层气富集、保存、成藏及开采的重要地质因素之一。不同水文地质条件下,煤层瓦斯的富存条件不同,含气饱和度不同,造成煤层瓦斯含量的差别很大。某些水文地质条件对煤层瓦斯保存有利,而有些水文地质条件对煤层瓦斯保存却十分不利。水文地质控气作用可概括为三种特征:(1)水力运移逸散控气作用;(2)水力封闭控气作用;(3)水力封堵控气作用(叶建平等,2001)。水力封闭作用和水力封堵作用有利于煤层气的保存,而水力运移逸散作用则造成煤层气的散失。一般而言,地下水压力大,煤层气含量高,反之则低。地下水的强径流带煤层气含量低,而滞流带煤层气含量高。
2.1.1 水力运移逸散控气作用
水力运移逸散控气作用常见于导水性强的断层构造发育区,通过导水断层或裂隙,沟通煤层与含水层,水文地质单元的补、径、排系统完善,含水层富水性与水动力强,含水层与煤层水力联系较好,在地下水的运动过程中,地下水携带煤层中气体运移而逸散。
2.1.2 水力封闭控气作用
水力封闭控气作用发生于断裂不甚发育的宽缓向斜或单斜中,而且断裂构造主要为不导水性断裂,特别是一些边界断层,具有挤压、逆掩性质,成为隔水边界。水力封闭控气作用一般发生在深部,地下水通过压力传递作用,使煤层气吸附于煤中,煤层气相对富集而不发生运移,煤层含气量较高。
2.1.3 水力封堵控气作用
水力封堵控气作用常见于不对称向斜或单斜中。在一定压力差条件下,煤层气从高压力区向低压力区渗流,或者说由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解吸,因此在煤层露头及浅部是煤层气逸散带。如果含水层或煤层从露头接受补给,地下水顺层由浅部向深部运动,则煤层中向上扩散的气体将被封堵,致使煤层气聚集。
2.2 地下水化学特征对煤层气成藏的影响
对于含煤地层来说,不同类型的地下水反映不同的矿化度、盐度,而不同的矿化度、盐度对煤层气藏的影响不尽相同。因此,不同类型的地下水对煤层气成藏起着不同的作用。按地层水的化学性质,可将地层水分为CaCl2型、NaHCO3型和Na2SO4型三类。一般CaCl2型水是深层成因水,往往位于承压区,具有较高的矿化度。承压水封闭区煤层封闭条件较好,煤层气成藏条件有利,但承压水区煤层埋深往往大于1000m,孔渗条件较差,虽利于成藏,但不利于煤层气的开发。低矿化度的Na2SO4型地下水是地表补给水的标志,处于补给区或泄水区附近,煤层埋深较浅或侧向煤层已出露地表,是地表水沿露头区渗入煤层后产生水力交替的产物,常常与甲烷风化带相对应,煤层气成藏条件差。NaHCO3型地下水的矿化度介于前两者之间,煤层埋深主要在250~1000m之间,煤层埋藏适中,水力交替滞缓,在渗入水与地层水的接触面水流相反,产生局部滞流带,地层水流动不畅而形成超压,从而形成封堵型煤层气藏。
2.3 柳林区块煤层气富集特点
柳林区块地层水以NaHCO3型为主,局部地区有CaCl2或Na2SO4型(图3),总矿化度东低西高,纵向上,总矿化度由浅到深有逐渐增大的趋势,山西组地层水的Cl-含量明显高于太原组,反映了山西组地层水的封闭性要好于太原组。柳林区块上古生界煤系地层水化学特征显示出该区块的地层水与地表连通,但属较稳定承压水动力系统,相对较高矿化度的NaHCO3水型显示其对烃类的较好保存条件,并且在400m左右的埋深,Cl-含量能达到1000mg/L左右,为很有利于煤层气富集的水化学条件(王明明等,1998)。

图3 柳林区块山西组地下水化学类型分布图

综合来讲,可根据柳林地区煤层气赋存特征与地下水化学场、动力场的耦合关系,来探讨水文地质条件与煤层气富集的关系。水文地质参数、水位标高、矿化度、影响半径,都将对煤层气的生产能力产生显著影响。高含气带分布规律与地下水系统划分、水动力条件、矿化度分布规律具有对应关系。就柳林地区的水动力条件和水文地球化学特征来说,地下水顺地层向西部深处流动,且越往西部深处矿化度越大、水动力越弱,对煤层气富集越有利。
3 柳林区块煤层气成藏模式
柳林区块太原组与山西组煤层以焦煤、瘦煤为主,煤层气的富集表现为高含气量与厚煤带的叠合区域。埋深与水动力条件在很大程度上控制了煤层气的富集程度。
3.1 太原组煤层气成藏模式
太原组8+9、10号煤层为单斜水动力封闭成藏(图4)。由于补给区与径流区均在柳林区块外,柳林区块多为弱径流与滞流环境,有利于煤层气的保存。由北东向南西方向,随埋深加大,地层压力增加,煤层含气量相应增高。区块西南方向地下水径流作用弱,理论上有利于煤层气富集保存,虽然吨煤含气量可观,但由于富水性强,储层压力大,排水降压困难。加之煤层在此分岔变薄的趋势,不利于煤层气开发。

图4 柳林区块太原组单斜水压封闭成藏模式图

3.2 山西组煤层气成藏模式
山西组3+4、5号煤层顶板主要为泥岩封盖,局部为粉砂岩,顶底板含水性较弱,虽然存在顶板砂岩裂隙含水层,但整体上不存在水动力运移逸散作用,含气饱和度达90%以上,为区域有效盖层气压封闭成藏(图5)。煤层厚度与埋深是煤层气富集的主控因素,柳林区块煤层含气量整体上随埋深增加逐渐增大,厚煤带发育区为煤层气富集的有利地区。

图5 柳林区块山西组盖层气压封闭成藏模式图

4 结论
水动力条件直接影响着地层压力分布及流体的运移,由此改变吸附气与溶解气和游离气间原有的平衡,从而影响到煤层气的富集与保存。
柳林区块太原组8号煤层与顶板灰岩为同一水动力系统,由于煤岩基质和地层水中存在较大的浓度梯度,煤岩中甲烷气体不断向上逸散,继而被交替地层水带走而难以保存在煤层中。因此,柳林区块太原组煤层整体含气饱和度偏低,含水饱和度较高,对后期排水降压不利。
柳林区块山西组3+4、5号煤层顶板主要为泥岩封盖,局部为粉砂岩,顶底板含水性较弱,虽然存在顶板砂岩裂隙含水层,但整体上不存在水动力运移逸散作用,含气饱和度达90%以上,煤层气开采条件较好。
参考文献
任光军,王莉,娄剑青.2008.柳林地区水文地质特征及其对煤层气生产井的影响,2008年煤层气学术研讨会论文集[M].北京:地质出版社,378~389
王明明,卢晓霞,金惠等.1998.华北地区石炭-二叠系煤层气富集区水文地质特征[J].石油实验地质,20(4):385~393
叶建平,武强,王子和.2001.水文地质条件对煤层气赋存的控制作用[J].煤炭学报,26(5):459~462
赵庆波,刘兵,姚超等.1998.世界煤层气工业发展现状[M].北京:地质出版社,1~2

唐书恒¹ 朱卫平² 李忠城¹ 吕建伟¹ 陈江¹ 郭东鑫¹

(1.中国地质大学能源学院北京100083 2.中国石油吐哈油田公司新疆哈密839009)

摘要:河东煤田柳林区块煤层气井产出水具有高盐度、高矿化度的特点，直接排放可能会造成对生态环境的破坏，开展煤层气井产出水特征及动态变化规律研究，将为建立合理有效的产出水处理技术提供依据。通过连续跟踪采集柳林区块煤层气井产出水样品，并进行了25项物理化学参数的系统测试，发现矿化度及氯离子、钠离子浓度均呈现先高后低的变化趋势，而碳酸氢根离子的变化规律相反，呈现先低后高的特点。水型呈现由NaCl水型向NaClHCO₃水型和NaHCO₃Cl水型变化的规律。产出水中阳离子以K⁺+Na⁺离子为主，阴离子HCO^－₃和Cl^－值较为接近，不存在明显占绝对优势的离子。依据产出水中各离子的变化特点。采用回归分析方法，建立了氯离子浓度排采动态变化模型。

关键词: 煤层气井 产出水 水质 动态变化 柳林区块

基金项目: 国家科技重大专项课题 ( 2011ZX05034 003) ; 国家自然科学基金项目 ( 40972108) ; 国家 973 计划课题 ( 2009CB219604)

作者简介: 唐书恒，1965 年生，河北正定人，博士，教授，博士生导师，从事煤层气地质与开发工程研究。电话: 010 82320601，E mail: tangsh@ cugb. edu. cn

The Characteristics and Dynamic Changes of Producing Water from Coalbed Methane Wells in Liulin Block

TANG Shuheng¹，ZHU Weiping²，LI Zhongcheng¹，LV Jianwei¹， CHEN Jiang¹，GUO Dongxin¹

( 1. School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing，100083 2. Tuha Oilfield Company，CNPC，Hami，Xinjiang，839009，China)

Abstract: The groundwater produced from the coalbed methane ( CBM) wells in Liulin block，Hedong coal field is characterized by high salinity，so the direct discharge of the water will cause environment degradation. The research on the characteristics and dynamic changes of the water produced from the CBM wells will provide basis for establishing the reasonable and effective produced water treatment technology. Based on the continuous tracking collection of the CBM wells produced water samples and the systematically testing 25 physical and chemical param- eters，the dynamic changes of the Salinity and various anions and cations were analyzed. The results show that the concentration of salinity，chloride ion and sodium ion change from high to low，but the concentration of bicarbon- ate ion changes conversely with the trend from low to high. The water changes from Na Cl type to Na Cl HCO3 type and Na HCO3Cl type. The cations are mainly K+and Na+ions，and there is no obvious dominant anions with the close HCO3－and Cl－values in the produced water. According to the changes of the ions，the model of Chloride ion concentration in the water was established using nonlinear regression analysis.

Keywords: CBM wells; produced water; water quality; dynamic changes; Liulin block

1 地质背景

河东煤田柳林区块面积183.824km²，位于山西省西部，河东煤田中部，距太原市220km，隶属于吕梁市柳林县。该区属于西北黄土高原地带，总体地形形态南北高，西部与中部低，区内属黄河流域。从构造位置上看，该区块处于鄂尔多斯盆地东缘吕梁山西坡的南北向构造带上，总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造，属于吕梁复背斜西翼的一部分。该区断层稀少，次级褶曲一般幅度也不大，以单斜为主导构造。

区块内及周边赋存的地层有奥陶系中统峰峰组(O₂f);石炭系中统本溪组(C₂b)和上统太原组(C₃t);二叠系下统山西组(P₁s)和下石盒子组(P₁x);二叠系上统上石盒子组(P₂s)和石千峰组(P₂sh);三叠系下统刘家沟组(T₁l)和和尚沟组(T₁h);新生界新近系上新统(N₂);第四系中更新统(Q₂)、上更新统(Q₃)和全新统(Q₄)。

该区目前主要开采二叠系下统山西组(P₁s)3+4号和5号煤层中的煤层气(周宝艳等，2007;接铭训，2010;赵庆波等，2006;刘新社等，2007;傅雪海等，2007)。

2 产出水离子变化规律

河东煤田柳林区块煤层气井产出水具有高盐度、高矿化度的特点，直接排放可能会对生态环境造成破坏，开展煤层气井产出水特征及动态变化规律研究，将为建立合理有效的产出水处理技术提供依据。本文以柳林区块MC试验区井组为基础，选取了MC01V，MC0-2V两口水平井和MC03，MC04，MC05三口直井共五口井为对象，进行连续跟踪取样，进行了包括矿化度、钾钠离子、钙离子、镁离子、氯离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子等在内的25项物理化学参数的系统测试，分析了其变化规律。

2.1 矿化度变化规律

根据化验所得到的矿化度数据，MC试验区矿化度值整体较高，5口井排采初期最高值接近7000mg/L，最小值也接近2900mg/L，平均值约为4980mg/L(见表1)。

MC试验区所取的5口煤层气井中，其中3口直井(MC03，MC04，MC05)采集数据时处于压裂后排采初期，2口水平井(MC01V，MC02V)是排采2～3个月后开始取样。水样分析结果表明:MC试验区产出水矿化度在排采初期较高，在较短的时间内矿化度值下降明显。MC01V排采到第70天时矿化度值超过3500mg/L，在排采到约90天时，其值下降到2400mg/L，在之后长达160天的时间段内基本趋于稳定。MC02V井从取样开始，矿化度值始终保持相对平稳(图1)。

2.2 氯离子变化规律

由MC试验区煤层气井产出水氯离子变化趋势图(图2)可以看出，MC试验区由于排采时间长短不同，测定的氯离子浓度变化趋势亦不同，MC03，MC04，MC05三口直井排采初期即开始取样，初期氯离子浓度较高，之后呈现迅速降低的变化趋势。两口水平井MC01V，MC02V分别从排采70天和118天才开始取样，取样时间段内氯离子变化较平稳，且浓度值较直井显著偏低，大部分数值处于300～400mg/L的范围内。

表1 MC实验区煤层气井产出水矿化度统计

图1 MC试验区煤层气井产出水矿化度变化趋势

图2 MC试验区煤层气井产出水氯离子变化趋势

2.3 HCO^―₃变化规律

从MC试验区煤层气井产出水HCO^－₃变化趋势图(图3)可以发现，MC-03，MC-04，MC-05三口直井在排采初期，HCO^－₃离子浓度较高，基本位于1400～1900mg/L之间，之后处于缓慢上升的过程;而MC-01V，MC-02V两口水平井HCO^－₃离子浓度较3口直井要低，在排采100天后，HCO^－₃离子浓度缓慢上升，但数值变化较平稳，均处于1000～1500mg/L范围之内。

图3 MC试验区煤层气井产出水HCO^－₃变化趋势

2.4 Na⁺变化规律

从MC试验区煤层气井产出水Na⁺变化趋势图(图4)可以看出，MC-03、MC-04，MC-05三口直井在排采初期Na⁺离子浓度较高，在2000～2500mg/L之间，之后呈现缓慢下降的趋势。MC04井下降幅度最为明显，而MC-01V，MC-02V两口水平井在排采100天后，Na⁺离子在数值上变化较平稳，处于700～800mg/L范围之内。

图4 MC试验区煤层气井产出水钠离子变化趋势

2.5 其他离子变化规律

其他离子主要是钙、镁离子和硫酸根离子。5口井化验得出的钙镁离子浓度均较低，一般小于12mg/L;硫酸根离子浓度一般小于40mg/L。

3 水型动态变化规律

MC试验区2口水平井MC-01V，MC-02V水型表现为NaHCO₃Cl水型;3口直井中，MC-03，MC-05前期呈现为Na-Cl水型，后期呈现为Na-Cl-HCO₃水型;MC-04井前期呈现为Na-Cl水型，后期呈现为Na-HCO₃-Cl水型。MC试验区产出水中阳离子以K⁺+Na⁺离子为主，阴离子HCO^－₃和Cl^－值较为接近，不存在明显占绝对优势的离子(图5)。

图5 MC试验区派珀三线图解

可以用Stiff图表示MC试验区的水型随排采时间的整体变化情况(图6)。在排采初期，MC试验区水型表现为NaCl水型，Stiff图呈上宽下窄的漏斗状，如图6(a)所示，这一阶段的持续时间一般为4～6个月;在排采的中期，MC试验区水型表现为NaClHCO₃水型或者NaHCO₃-Cl水型，Stiff图形如图6(b、c)所示，这一阶段的持续时间大约为6～8个月;在排采的中后期，水型以NaHCO₃水型或Na-Cl-HCO₃水型为主，Stiff图形呈图6(d)所示形状。

图6 MC试验区煤层气井产出水平均化学成分Stiff图形

4 氯离子浓度排采动态变化模型

经水质化验显示，由于钻井液的影响(李忠城等，2011)，柳林区块煤层气井产出水在开采初期具有较高的矿化度和盐度，但不含国家Ⅱ类饮用水标准(地表水环境质量标准，2002)(表2)中所严格限制的铁、锰、铜、锌、砷等阳离子，硝酸盐(以N计)、硫酸盐(以SO^2－₄计)阴离子也远低于国家Ⅱ类饮用水标准的限定值。唯有氯化物(以Cl^－计)浓度在排采前期远高于国家Ⅱ类饮用水标准，并随着排采时间的增加而降低，柳林区块煤层气井产出水中氯化物的变化趋势见图2。

表2 国家Ⅱ类饮用水标准主要离子限定要求

可以发现，随着排采时间的增加，煤层气井产出水中氯离子浓度，由初期远高于国家Ⅱ类饮用水标准，逐渐降低并向Ⅱ类饮用水标准接近，最后完全达到Ⅱ类饮用水标准。建立产出水中氯离子浓度与排采时间的关系模型，对于煤层气井产出水的处理具有重要意义。本文利用回归分析方法对氯离子浓度进行分析。

在应用回归分析法时，一般用Newton迭代法求解此正规方程组。也可以直接极小化残差平方和，求出未知参数的非线性最小二乘估计值。在实际应用中，可以采用SPSS软件直接求算(潘国营等，2002)。

图7 MC-04井氯离子浓度与时间的关系

以MC-04井为例，采用SPSS软件进行函数的计算和模型建立。初步判定氯离子浓度变化的模型为f(x)=b₀b^x₁，随机给定初值b₀=1240，b₁=0.95，经过13次迭代后收敛。从计算结果来看(图7)，模型的相关系数R²=0.958，说明非线性回归拟合效果较好。因而可以得到该井氯化物(以Cl计)浓度的变化模型为:f(x)=b₀b^x₁=1774.6^*0.991^x。

同理可计算其余两口井模拟计算数据，模型相关参数见表3。

表3 柳林区块氯离子浓度排采动态模型参数

根据上述数学模型可以预测煤层气井产出水水质达到国家标准所要求的时间(表3)，在这个时间点之前，产出水必须进行处理才能进行排放，否则会对周围环境和地表水源产生污染。

5 结论

通过对河东煤田柳林区块煤层气井产出水进行系统的跟踪采样分析，对产出水的水质变化规律进行研究，取得了以下主要的认识和成果:

1)各煤层气井产出水的矿化度和氯离子、钠离子浓度，均随着排采时间的增长呈现由高到低的变化趋势，而碳酸氢根离子的变化规律相反，呈现先低后高的特点。

2)煤层气井产出水的水型呈现由Na-Cl水型向Na-Cl-HCO₃水型、Na-HCO₃-Cl水型或NaH-CO₃水型变化的规律。

3)建立了氯离子浓度变化与排采时间的非线性回归分析模型。采用该模型可以较好地预测氯离子浓度达到国家Ⅱ类饮用水标准所需的时间，为煤层气井产出水的技术处理提供了参考依据。

参考文献

地表水环境质量标准.2002.GB/3838

傅雪海，秦勇，韦重韬.2007.煤层气地质学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，143～144

接铭训.2010.鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发前景［J］.天然气工业，30:1～6+121

李忠城，唐书恒，王晓锋等.2011.沁水盆地煤层气井产出水化学特征与产能关系研究［J］.中国矿业大学学报，40(3):434～439

刘新社，席胜利，周焕顺.2007.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气储层特征［J］.煤田地质与勘探，35(1).37～40

潘国营，韩怀彦，王永安等.2002.应用SPSS统计软件和污染指数评价地下水污染———以濮阳市地下水污染评价为例［J］.焦作工学院学报(自然科学版)，21(3):172～174

赵庆波等著.2006.煤层气地质与勘探开发［M］.北京:石油工业出版社

周宝艳，傅雪海，秦勇等.2007.河东煤田水文地质条件与煤层气的关系［A］.煤层气勘探开发理论与实践［C］.北京:石油工业出版社，70～77

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