王文升，張亞飛，杜豐豐，韓 冬，倪小明

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300450；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100010；3.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作，454000）

煤層氣井是通過排水降壓使氣體解吸產(chǎn)出的，地下水動(dòng)力條件對煤層氣的富集及煤層氣井的開發(fā)具有重要影響。關(guān)于地下水動(dòng)力條件及其與煤層氣富集成藏關(guān)系的研究，國內(nèi)外研究者通過對煤層氣井排采水進(jìn)行常規(guī)水離子、微量元素、氫氧同位素等測試，得出水地球化學(xué)和水化學(xué)參數(shù)特征[1-4]，或者采用地下水模擬軟件Feflow、Modflow、GMS 研究地下水動(dòng)力條件[5-7]，或通過地下水勢劃分補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和滯留區(qū)。根據(jù)研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)資料，得出研究區(qū)煤層氣富集程度，在此基礎(chǔ)上，研究地下水動(dòng)力條件與煤層氣富集的關(guān)系。這些研究方法對某一區(qū)塊煤層氣進(jìn)一步勘探開發(fā)起到了很好的指導(dǎo)作用。

壽陽地區(qū)經(jīng)過20 余年的煤層氣勘探開發(fā)，在南燕竹地區(qū)積累了較豐富的煤層氣資料，研究開發(fā)程度較高；松塔地區(qū)煤層氣井資料相對較少，前期煤層氣開發(fā)井的產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量差別較大，水文地質(zhì)條件及與煤層氣富集的關(guān)系不明。鑒于此，對該區(qū)煤層氣排采井產(chǎn)出水的礦化度、水動(dòng)力場進(jìn)行分析，并探討其對煤層氣富集的影響，以期為該區(qū)進(jìn)一步勘探開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

壽陽地區(qū)位于山西省中部，西距省會(huì)太原市約50 km，松塔區(qū)塊位于壽陽的南部，地處太行山脈西麓，太原東山背斜之東南翼。整體上，研究區(qū)為NW 傾向的單斜構(gòu)造。根據(jù)二維地震解釋結(jié)果可知：該區(qū)斷層以NNE 向和NE 向正斷層為主，斷距介于0～240 m，差異較大。研究的目標(biāo)煤層為15 號煤層。研究區(qū)內(nèi)15 號煤層埋深介于769.2～970.7 m，平均為859 m；含氣量介于3.85～16.09 m3/t，平均為10.89 m3/t。15 號煤層頂部巖性一般為灰?guī)r和砂巖；灰?guī)r含水性弱，K2′S 為主要含水層。研究區(qū)含煤地層柱狀圖和斷層特征如圖1所示。

圖1 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊含煤地層柱狀圖和斷層特征Fig.1 Histogram and fault-block characteristics of coal bearing strata in Songta Block of Shouyang area

2 基于地下水礦化度和水勢的水動(dòng)力場分區(qū)

2.1 排采井產(chǎn)出水礦化度分布特征

對研究區(qū)11 口煤層氣生產(chǎn)井采集樣品，水樣采集井位如圖1b 所示。水樣測試遵照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油田水分析方法：SY/T 5523—2016》在中海油能源發(fā)展股份有限公司非常規(guī)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。部分測試結(jié)果見表1。

表1 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊煤層氣井排采水常規(guī)離子分析結(jié)果Table 1 Conventional ion analysis results of drainage water of CBM wells in Songta Block of Shouyang area

由表1 可知：研究區(qū)15 號煤層排采水中陽離子以Na+、K+為主；陰離子以Cl-和HC為主。參考蘇林分類方法進(jìn)行排采水類型劃分[8-9]，方法如下：

根據(jù)該判識方法可知：研究區(qū)排采水主要為CaCl2與NaHCO3型（表1）。表明研究區(qū)地下水活動(dòng)較弱，屬于封閉環(huán)境，如SY03、SY15、SY11、SY12 井附近；較小部分為開放區(qū)域，如SY10井附近。

礦化度的大小可以反映地下水的封閉性，即礦化度越高封閉性越好，地下水動(dòng)力越弱，反之，地下水動(dòng)力越強(qiáng)[10]。根據(jù)水質(zhì)分析測試結(jié)果，做出礦化度等值線（圖2）。

圖2 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊煤層氣井排采水的礦化度等值線Fig.2 Mineralization isoline of production water in CBM wells of Songta Block in Shouyang area

從圖2 可看出，松塔區(qū)塊排采水礦化度介于2 199～15 387 mg/L，北部地下水勢較低，南部及中部部分區(qū)域較高。其中SY03、SY18、SY11 井附近的礦化度最高，說明與外界水聯(lián)系少且遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)；SY01、SY16、SY07、SY08 井附近的礦化度較低，說明其與外界水聯(lián)系較緊密。

2.2 產(chǎn)出水動(dòng)力場分布特征

等折算水位常用來代替地層水頭的大小，可根據(jù)地層水水頭的大小確定地下水的流動(dòng)方向。根據(jù)排采的初始動(dòng)液面，可得出儲層壓力，結(jié)合底板等高線，求取各排采井的等折算水位[11]。計(jì)算公式為：

式中：S為等折算水位，m；H1為煤層底板的絕對標(biāo)高，m；ρ為水的密度，103kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為煤層氣井排采時(shí)初始動(dòng)液面高度，m。

根據(jù)式（1）進(jìn)行等折算水位計(jì)算，等折算水位等值線如圖3所示。

圖3 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊15號煤層等折算水位等值線Fig.3 Equivalent line of converted water level in No.15 coal seam of Songta Block in Shouyang area

從圖3可看出：研究區(qū)地下水由西北向中西和中東流，另外從中部向東南流。

2.3 水動(dòng)力強(qiáng)弱分區(qū)

地下水徑流強(qiáng)弱與等折算水位梯度大小密切相關(guān)，其中等折算水位梯度為單位高程差距下等折算水位的變化量。等折算水位梯度越大，地下水徑流強(qiáng)度越強(qiáng)。利用井位與等折算水位大小可計(jì)算等折算水位梯度大小。根據(jù)礦化度、等折算水位及等折算水位梯度大小，可劃分為弱徑流區(qū)、徑流區(qū)、滯流區(qū)。劃分依據(jù)見表2，劃分結(jié)果如圖4所示。

表2 水動(dòng)力分區(qū)劃分依據(jù)Table 2 Division basis of hydrodynamic zoning

圖4 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊15號煤層水動(dòng)力強(qiáng)弱分區(qū)Fig.4 Hydrodynamic field zoning map of No.15 coal seam in Songta Block of Shouyang area

研究區(qū)水動(dòng)力由北向南逐漸降低，部分區(qū)域由于等折算水位梯度較高，水動(dòng)力增強(qiáng)。研究區(qū)北部SY16 井附近等折算水位大于700 m，礦化度小于4 000 mg/L，為徑流區(qū)；中部SY02、SY18 井附近等折算水位小于600 m，礦化度大于6 000 mg/L，為滯留區(qū)，其他區(qū)域等折算水位介于600～700 m，礦化度介于4 000～6 000 mg/L，為弱徑流區(qū)；南部等折算水位普遍小于600 m，但SY17井附近礦化度小于4 000 mg/L，等折算水位梯度大于0.2 m/m，為地下水徑流區(qū)；西南部地下水勢最低，劃分為地下水滯留區(qū)。

3 含氣量分布特征及水文地質(zhì)條件的控氣作用

3.1 含氣量分布特征

采用朗繆爾（Langmuir）等溫吸附方程，計(jì)算出各排采井的實(shí)際含氣量[12]，公式為：

式中：V為實(shí)際含氣量，m3/t；VL為各煤層氣井的蘭氏體積，m3/t；pL為各煤層氣井的蘭氏壓力，MPa；p為對應(yīng)煤層氣井的臨界解吸壓力，MPa。

參數(shù)井采用實(shí)測含氣量數(shù)據(jù)；生產(chǎn)井采用相鄰參數(shù)井的蘭氏壓力、蘭氏體積，通過排采數(shù)據(jù)獲取各排采井的臨界解吸壓力，計(jì)算得出含氣量，分布特征如圖5所示。

圖5 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊15號煤層含氣量等值線Fig.5 Gas content contour of No.15 coal seams in Songta Block of Shouyang area

從圖5 可看出：研究區(qū)中部、東北部與西南部含氣量較高，在12 m3/t以上；其他區(qū)域含氣量較低。

3.2 水文地質(zhì)條件的控氣作用

3.2.1 水化學(xué)參數(shù)的控氣作用

研究表明一定程度上水化學(xué)參數(shù)可以表征地下水運(yùn)移規(guī)律。其中鈉氯系數(shù)[r（Na+）/r（Cl-）]、脫硫 系 數(shù)[100×r（）/r(Cl-)]、碳酸鹽平衡系數(shù)[r]可以反映地層封閉性[13-16]。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，求取各井的3 個(gè)參數(shù)值，并做出等值線，見圖6。

圖6 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊水化學(xué)參數(shù)等值線Fig. 6 Isoline of hydrochemical characteristic parameters in Songta Block of Shouyang area

從圖6可看出：鈉氯系數(shù)整體上呈現(xiàn)北高南低的特征，中部小部分區(qū)域最大，北部與南部小部分區(qū)域較大。SY04 井附近達(dá)到最大值1.90，SY03、SY15 井附近較??；脫硫系數(shù)整體上呈現(xiàn)高低值交替特征。SY04井、SY03井、SY10井附近較大，SY05、SY17井附近值為0；碳酸鹽平衡系數(shù)整體上呈現(xiàn)中部及東部小部分區(qū)域值最大，西北、東北、西南部小部分區(qū)域出現(xiàn)較大值。

剔除一些異常點(diǎn)后，將15 號煤層含氣量與這3個(gè)參數(shù)做散點(diǎn)圖，如圖7所示。

圖7 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊水化學(xué)參數(shù)與含氣量關(guān)系Fig.7 Relationship between hydrogeological parameters and gas content of Songta Block in Shouyang area

從圖7 可看出：含氣量與3 個(gè)參數(shù)擬合關(guān)系較好，均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)鈉氯系數(shù)介于1.04～1.38，脫硫系數(shù)介于0.12～0.28，碳酸鹽平衡系數(shù)介于10.39～13.64 時(shí)，含氣量介于8～12 m3/t。當(dāng)鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)分別小于1.04，0.12，10.39時(shí)，煤層含氣量大于12 m3/t。

3.2.2 水動(dòng)力場控氣作用

研究表明：水動(dòng)力對煤層氣藏的控制作用大體分為3 種：水動(dòng)力封閉、水動(dòng)力封堵、水動(dòng)力逸散[17-20]。將水動(dòng)力場劃分結(jié)果與煤層含氣量等值線進(jìn)行對比，分析水動(dòng)力對研究區(qū)煤層氣富集成藏的控制作用（圖8）。

圖8 壽陽地區(qū)松塔區(qū)塊水動(dòng)力控氣作用類型Fig.8 Types of hydrodynamics controlling gas content of Songta Block in Shouyang area

1）水動(dòng)力封閉型

中西部(SY02 井、SY05 井)與中東部(SY03 井、SY12 井、SY13 井、SY18 井)地下水滯留區(qū)受中部（SY04 井）高等折算水位影響，煤層氣較為富集。形態(tài)上，兩處分別為中部水動(dòng)力弱，四周水動(dòng)力強(qiáng)，形成水動(dòng)力封閉，有利區(qū)煤層氣富集。

2）水動(dòng)力封堵型

西南部（SY17井）地下水滯留區(qū)為等折算水位最低區(qū)，水動(dòng)力強(qiáng)度較小，為向斜的單斜核部，受到水力封堵作用煤層氣相對富集。

3）水動(dòng)力逸散型

北部（SY16 井）與南部（SY07 井、SY10 井）為地下水徑流區(qū)，前者等折算水位較大、后者等折算水位梯度較大，水動(dòng)力較強(qiáng)。因此，含氣量較低，為煤層非富集區(qū)；中部區(qū)域（SY04井）為東西分水嶺中部，等折算水位較高，不利于區(qū)煤層氣保存。

4 結(jié)論

1）進(jìn)行了排采水常規(guī)離子測試，結(jié)果表明：排采水類型以NaHCO3和CaCl2為主；繪制了等折算水位與礦化度等值線，研究區(qū)自北向南大體可分為徑流區(qū)、弱徑流區(qū)和滯流區(qū)；中西部、中東部、西南部低洼處以及東南部等折算水位梯度較小為滯留區(qū)。

2）水化學(xué)參數(shù)與含氣量呈現(xiàn)較好的負(fù)關(guān)系，即當(dāng)鈉氯系數(shù)小于1.04，脫硫系數(shù)小于0.12，碳酸鹽平衡系數(shù)小于10.39 時(shí)，煤層氣含氣量大于12 m3/t；研究區(qū)中西部與中東部地下水滯留區(qū)受水動(dòng)力封閉作用富集成藏，西南部地下水滯留區(qū)受水動(dòng)力封堵作用富集成藏，北部與南部地下水徑流區(qū)受水動(dòng)力逸散作用，煤層氣含量較低。