摘　要：地層水的化學組成反映地下水交替和徑流特征，對煤層氣的富集條件具有一定的指示作用。以山西省保德地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，系統(tǒng)研究了該區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水的離子組成、pH值、礦化度分布及氘氧同位素組成等特征。結(jié)果表明：①該區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水呈弱堿性，北部產(chǎn)出水以K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-為主，Ca²⁺、Mg²⁺含量較低，SO4^2-含量極少，而東南部產(chǎn)出水Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-則相對富集；②產(chǎn)出水的dDH2O和d¹⁸OH2O值均分布在鄂爾多斯盆地大氣降水線之下，表明存在地表水的滲入；③地層水礦化度由東向西、由南向北逐漸增加。在此基礎上，分析了該區(qū)地下水的動力環(huán)境及其控氣作用。結(jié)論認為：東南部靠近補給區(qū)，水動力條件活躍，不利于煤層氣的保存，其煤層含氣量一般小于2m³／t，甲烷含量通常低于70％；而北部處于弱徑流一滯留區(qū)水動力條件，煤層氣藏保存條件較好，煤層含氣量一般大于4m³／t，甲烷含量通常高于80％。此外，北部地區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣效果明顯好于東南部地區(qū)，也說明北部地區(qū)煤層氣的富集條件更優(yōu)。

關鍵詞：鄂爾多斯盆地東北緣  保德地區(qū)  煤層氣  產(chǎn)出水  化學特征  控氣作用  同位素組成  動力環(huán)境  礦化度

Chemical behaviors of produced water from CBM wells in the Baode area，Shanxi，China，and their control on gas accumulation

Abstract：Chemical components of groundwater can reflect the characteristics of groundwater replacement and runoff and also reveal，to some extent，the enrichment conditions of CBM．The test results of the produced water from CBM wells in the Baode area，Shanxi，China，were used to systematically study the ion components，pH value，mineralization and isotopic compositions of deuteron and oxygen．The following results were obtained．(1)The produced water of this area is slightly alkaline．In the northern part of the study area，ions are mainly K⁺,Na⁺,Cl^-and HCO3^-，followed by Ca²⁺and Mg²⁺，and very few SO4^2-．In contrast，in the southeastern part，the Ca²⁺,Mg²⁺and SO4^2- are relatively enriched．(2)ThedDH2O and d¹⁸OH2O values of the produced water are both below the meteoric water line in the Ordos Basin，which indicates the infiltration of surface water．(3)The salinity of formation water increases from south to north and from east to west．Based on these results，the hydrodynamic conditions and their control on the CBM enrichment were analyzed．In the southeastern part of the study area close to the recharge area with relatively active hydrodynamic conditions unfavorable for the CBM preservation，the gas content is<2m³／t and the methane content is generally<70％，whereas in the northern part with weak runoff or retention conditions favorable for the CBM preservation,the gas content is >4m³／t and the methane content is generally>80％．In addition，the performance of CBM gas wells in the northern part is significantly better than that in the southeastern part，also indicating that the CBM enrichment conditions in the north is better than thatin the south．

Keywords：northeastern margin of the Ordos Basin，Baode area，Shanxi，combed methane，produced water，chemical behavior，control on gas accumulation，hydrodynamic environment，salinity

鄂爾多斯盆地東北緣保德地區(qū)是我國第一個投入開發(fā)的中低煤階煤層氣區(qū)。該區(qū)發(fā)育厚煤層，含氣量低  中等，具有解吸壓力高、含氣飽和度高的特點^[1]，對其水動力分布規(guī)律及其控氣作用還需要進一步認識。為此，筆者采集了大量煤層氣井產(chǎn)出水樣品，對其化學特征及變化規(guī)律進行分析，以揭示地下水的動力環(huán)境及其控氣作用，為該區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1　地質(zhì)概況

保德地區(qū)行政區(qū)劃位于山西省西北部，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓曲帶北段，總體上表現(xiàn)為向西傾的單斜構(gòu)造，地層傾角介于5°～l0°，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育^[1]，含煤地層為上石炭統(tǒng)一下二疊統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組(圖1)。區(qū)內(nèi)發(fā)育煤層15～16層，山西組4+5號煤層和太原組8+9號煤層為主要煤層。其中，4+5號煤層單層厚度介于5～14.6m，平均為7.6m；8+9號煤層單層厚度介于5～14.2m，平均為l0.2m。

區(qū)內(nèi)層域上存在奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組、石炭系一二疊系砂巖含水層組和第四系松散的孔隙含水層，隔水層則主要為本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層、二疊系、三疊系泥巖隔水層和古近系一新近系保德組紅土隔水層^[1]。地下水主要來源于大氣降水和東部奧陶系石灰?guī)r的側(cè)向補給，流向與區(qū)內(nèi)巖層傾斜方向基本一致，總體由東向西徑流(圖2)。

2　煤層氣井產(chǎn)出水化學特征

采集地表水樣2件，煤層氣井產(chǎn)出水共計51件，排采水均采自排采時間超過6個月的煤層氣井，累計產(chǎn)出水量大于壓裂液總量5倍以上，基本排除壓裂液的影響(圖2)。開展了離子全分析、pH值、礦化度和水分子氘氧同位素分析，分析測試由核工業(yè)部北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。

2．1　煤層氣井產(chǎn)出水離子組成特征

該區(qū)煤層氣井主要采用4+5號煤層和8+9號煤層分壓合排，少量井為單層排采，不同產(chǎn)層煤層氣井產(chǎn)出水水化學及同位素測試結(jié)果見表1?？傮w而言，無論是單采4+5號煤層，還是單采8+9號煤層，或者兩套煤層同時開采，處于同一區(qū)域的煤層氣井產(chǎn)出水離子組成差異都較小，但不同地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水陰、陽離子組成差異則較大。

如圖3所示，不同地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水陰、陽離子在Piper三線圖上的分布較離散。北部地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水以K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-為主，Ca²⁺、Mg²⁺含量較低，SO4^2-含量極少，與地表水離子組成差異較大，說明該區(qū)遠離補給區(qū)；而東南部地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水K⁺、Na⁺、Cl^-含量較北部低，Ca²⁺、Mg²⁺含量略高于北部地區(qū)、SO4²⁺含量較北部地區(qū)高，與地表水相似程度較高，說明該區(qū)靠近補給區(qū)。另外，該區(qū)產(chǎn)出水呈弱堿性，pH值介于7.1～8.3，平均值為7.8，不同地區(qū)差異較小。

2．2　煤層氣井產(chǎn)出水礦化度分布特征

煤層產(chǎn)出水礦化度是表征水動力活躍程度的重要指標之一，礦化度越高，地下水活躍程度越差，封閉條件越好，越有利于煤層氣的保存^[2-4]，補給區(qū)地下水礦化度一般較低，主要由于在這些地區(qū)地下水滯留時間相對較短，水動力較活躍，隨著地下水徑流離開補給源以及滯留時間的增加，礦化度也隨之增加，水動力活躍程度減弱^[5]。

該區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水礦化度總體較低，介于842～5072mg／L，平均為1750mg／L，總體變化趨勢由東向西、由南向北礦化度增加(圖2)。由于該區(qū)構(gòu)造為西傾單斜，地下水總體流向為由東向西，隨著距離露頭區(qū)距離的增加，地層水礦化度增高(圖4)。北部開發(fā)區(qū)距離補給區(qū)較遠，而南部距離補給區(qū)較近，因此，南部地層水礦化度小于北部，水動力條件南部較北部活躍。

2．3　煤層氣井產(chǎn)出水氘(dDH2O)和氧(d¹⁸OH2O)同位素組成特征

地層水同位素組成可用來研究地層水的成因和演化過程^[5-6]。地表水氘和氧同位素值一般位于大氣降水線以下，主要由于水中較輕的d¹⁶O比d¹⁸O更易被蒸發(fā)^[5]，使得地表水一般具有氧同位素值偏重的特征。

鄂爾多斯盆地雨水線方程為dD=6.88d¹⁸O+0.23(r=0.9485)^[7]。保德地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水dDH2O值為-77.1‰～-95.8‰，d¹⁸DH2O值為-8.0‰～-11.9‰，不同產(chǎn)層產(chǎn)出水dDH2O和d¹⁸DH2O值均分布在鄂爾多斯盆地大氣降水線之下，總體上具有d¹⁸DH2O值偏重的特征，與地表水的dDH2O和d¹⁸DH2O值相似，說明該區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水存在地表水的滲入(圖5)。

3　水文地質(zhì)控氣作用

補給地下水主要是含氧水，富含Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-、HCO3^-，而K⁺、Na⁺的含量則較少。地下水自富氧補給源流走時，水、含水層礦物和細菌之間的相互作用最終結(jié)果是Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-減少，而K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-相應增加，地層水也由氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境^[8-11]。因此，Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-富集意味著靠近富氧水源補給區(qū)，而K⁺、Na⁺、Cl^-富集，Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-含量低，說明地下水處于還原環(huán)境，遠離水源補給區(qū)。

該區(qū)由東向西、由南向北，隨礦化度增高，煤層氣井產(chǎn)出水具有K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-含量顯著增加，Ca²⁺、Mg²⁺含量減少，SO4^2-含量急劇減小的特征，當?shù)V化度高于1700mg／L，SO4^2-含量幾乎為0。說明地下水由東向西、由南向北遠離補給區(qū)，礦化度逐漸增高，水動力活躍程度減弱，有利于煤層氣的保存。

該區(qū)含氣量與礦化度呈正相關關系(圖2)，東南部地層水礦化度小于1200mg／L的區(qū)域煤層含氣量一般小于2m³／t，而北部地層水礦化度大于1700mg／L的區(qū)域煤層含氣量一般大于4m³／t。同時，煤層氣井產(chǎn)出水礦化度與煤層甲烷含量之間相關性較好(圖6)，煤層甲烷含量隨礦化度增加而增加，東南部煤層氣井產(chǎn)出水礦化度低于1200mg／L的地區(qū)，煤層甲烷含量一般低于70％，而北部煤層氣井產(chǎn)出水礦化度高于1700mg／L，煤層甲烷含量一般大于80％。說明東南部距離補給區(qū)較近，地下水活躍，不利于煤層氣的保存，而北部遠離水源補給區(qū)，水動力處于弱徑流區(qū)一滯留區(qū)，保存條件好。另外，總體上北部煤層氣井產(chǎn)氣效果也明顯好于東南部，也說明北部煤層氣富集條件優(yōu)于東南部。

需要指出的是，煤層含氣性一般受煤層頂?shù)装宸馍w條件、構(gòu)造條件、水動力條件等因素綜合控制^[12-14]。研究區(qū)大部分地區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性為泥巖，構(gòu)造條件簡單，斷層不發(fā)育，不同地區(qū)煤層頂?shù)装宸馍w條件和構(gòu)造條件差異較小，同時，煤層含氣量變化與埋深關系不明顯，而與該區(qū)地層水礦化度分布關系明顯(圖2)。因此，水動力條件是該區(qū)煤層含氣性的主要控制因素。

另外，在中低煤階地區(qū)，地下水動力較活躍，地表水易攜帶產(chǎn)甲烷菌和營養(yǎng)物質(zhì)進入煤層，為次生生物氣的生成創(chuàng)造了條件^[4]。保德地區(qū)煤層氣井產(chǎn)出水具有d¹⁸DH2O值偏重的特征，說明該區(qū)存在地表水的滲入，同時該區(qū)水文地質(zhì)條件有利于晚期生物氣的生成，因此存在晚期生物氣的補充，相關論述詳見本文參考文獻[1]，此不贅述。

4　結(jié)論

1)保德地區(qū)北部煤層氣井產(chǎn)出水離子組成以K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-為主，Ca²⁺、Mg²⁺含量較低、SO4^2-含量極少，東南部K⁺、Na⁺、Cl^-含量較北部低，Ca²⁺、Mg²⁺含量略高于北部地區(qū)、SO4^2-含量較北部地區(qū)高；產(chǎn)出水呈弱堿性；dDH2O值和d¹⁸DH2O值均分布在鄂爾多斯盆地大氣降水線之下，表明存在地表水的滲入；地層水礦化度由東向西、由南向北增加。

2)保德地區(qū)東南部靠近補給區(qū)，水動力條件活躍，不利于煤層氣的保存，含氣量一般小于2m³／t，甲烷含量一般低于70％；北部水動力條件處于弱徑流一滯留區(qū)，煤層含氣量一般大于4m³／t，甲烷含量一般高于80％，煤層氣藏保存條件較好。此外，北部煤層氣井產(chǎn)氣效果明顯好于東南部，也說明北部煤層氣富集條件優(yōu)于東南部。

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本文作者：田文廣  邵龍義  孫斌  趙素平  霍萬國

作者單位：中國礦業(yè)大學(北京)

  中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

  中國石油渤海鉆探井下作業(yè)公司第一試油工程作業(yè)部