Question

水分析在煤层气生产实践中的应用

Answer 1

张继东

作者简介:作者简介:张继东,男,1968年生,1991年毕业于西南石油学院石油地质勘查专业,从事煤层气排采工程研究与实践。电话:01069213541

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)

摘要:煤层水交替与煤层气成藏历史有着密切的联系,水中所含元素可以提供给我们大量有用信息。本文概括了煤层水中总矿化度、 和微量元素I^-,B对判断煤层气藏保存条件的指示效果。认为大多数煤层水水型为NaHCO3型,煤层水总矿化度的高低表征了水交替的活跃程度,大量存在的 的地区接近水源补给区,Na⁺+K⁺富集是远离水源补给区的显示, 的富集意味者水体的弱交替条件,气藏保存条件较好。

关键词:煤层水煤层气藏矿化度保存条件水源

Formation Water Analiysis and It is Application in Coalbed Methane Production

ZHANG Jidong

(1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development PetroChina, Langfang 065007, China)

Abstract: Exchange of coalbed water have close relationship with history of becoming coalbed methane res- ervoir, elements in the water, such as total mineralization degree, I-and so on, can offer us plenty of useful information.After analyzing the effect of these elements on es- timating preservation condition of coalbed methane reservoir, it comes to conclude that most of coalbed water type is NaHCO₃, the total mineralization degree reflects the activities of the exchange of underground water, the water resources which contain lots of ions such as are usually the water feeding areas, and the ones with abundantions of Na⁺、K⁺ are usually away from the water feeding areas.The exchange between underground water is usually very weak and the gas reservoir preservation condition is quite good if the coal water has a low con- centration of

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

Keywords: coalbed water; coalbed methane reservoir; mineralization degree; preservation condition; wa- ter resource

煤层气是一种压力封闭性气藏,大多数煤层都含水,煤层气所承受的压力主要通过煤层水来施加,即承压水封闭。煤层水是地下水的一部分,赋存于煤层及其夹层的孔隙、裂缝系统中。水的来源极为复杂,一般认为是沉积水、渗入水、深成水及成岩水以不同比例的混合水,且经过一系列复杂的物理化学作用(溶解-沉淀)而成。

煤层水中所含物质复杂多样。水中所含元素可以提供给我们大量有用信息,用于指导生产。因此研究分析煤层水具有特别的意义。

分析项目主要是针对六项离子,即Na⁺+K⁺,Mg²⁺,Ca²⁺,Cl^-, 和微量元素I^-,B的分析,根据需要还可酌情增加一些项目,如有机质、悬浮物、Fe²⁺、H₂S等。

对煤层气勘探生产意义较大的分析项目有:水型及总矿化度、 Cl^-、PH等。

1 水分析及应用

1.1 水型和总矿化度

水型和总矿化度是判断气田封闭条件的重要标志之一。在气田纵向剖面上,水型是按Na₂SO₄型、NaHCO₃型和CaCl₂型逐渐变化的,裸露的地质构造中的地下水一般属于Na₂SO₄型,随着埋藏加深,过渡为NaHCO₃型,与地表大气降水隔绝的封闭水则多属于CaCl₂型。横向上CaCl₂型水一般位于承压区,煤层基岩封闭条件较好,但承压水区往往煤层埋深大(大于1000m),孔渗条件下降,虽有利于成藏,但不利于煤层气开发。Na2SO4型是地表水补给的标志,煤层埋深较浅或侧向出露,它是地表水沿露头区渗入煤层后无水交替的产物,常常与甲烷风化带相对应,煤层气成藏条件差。NaHCO₃型位于两者之间,位于泾流区,煤层埋深适中,水交替滞缓,地层水的接触面水流方向相反,产生局部阻滞带,地层水流动不畅而形成超压,易形成承压水封堵型煤层气藏。从现有资料看,国内多数煤层气有利目标区煤层产出水多数为NaHCO₃型(见表1)。

表1 部分重点勘探目标区地层水水型及矿化度

已发现的沁水煤层气田,山西组3^#煤层水中,以NaHCO₃型为主,不但与区域上碎屑岩裂隙含水层的主要水型一致,而且与南部潘庄井田的山西组3^#煤顶板砂岩、K₇、K₈砂岩裂隙含水层水型相吻合,从第四系至石炭系,随埋深增大,地层水总矿化度升高,至奥陶系又降低(见表2),说明从第四系至石炭系,盖层封闭性好,且侧向有封堵,致使本区具备了形成煤层气藏的条件。晋试l井煤层甲烷碳同位素分析结果证实了这一结论的正确性。晋试1井3^#煤煤层气CH₄碳同位素δ13C₁为-38.8‰、15^#煤为-28.7‰,煤层气中CO₂δ¹³C₁为-12.2‰~-15.0‰,CO₂δ¹⁸C₁为-4.8‰~4.4‰,与全国其他地区煤层气相比要重得多,表现出具较好的保存环境。

而在陕西吴堡地区,东缘的成家庄-聚财塔-刘家垣一带煤系地层出露地表,沿出露线附近形成供水区,总矿化度<100mg/L,地层水与地表水沟通,对煤层气保存不利;在苏家坡-车家塔一线,总矿化度为100~500mg/L,水型为Na₂SO₄型,水文地质条件为强交替区,水交替活跃,多为甲烷风化带,不利于煤层气保存;向盆地方向的横沟—柳林一带,总矿化度为1000~5000mg/L,水型从Na₂SO₄型向NaHCO₃型过渡,具弱交替区特征,在丁家湾-军渡一带,总矿化度为5000~20000mg/L,水型为NaHCO₃型,水交替滞缓,较有利于煤层气保存,多为饱和吸附带,向西总矿化度大于20000mg/L,水交替基本停滞,原生气藏特征更明显。

表2 沁水煤层气田及临近区域水型统计表

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含硫化氢而贫硫酸盐是煤层水的特点之一。其原因是沉积水埋藏后,早期经历的化学作用是以生物化学作用和氧化-还原作用为主,地层水中的硫酸盐常被还原成H₂S和S^2-, 含量明显减少,亦即硫酸盐降低。

当水中无或很少硫酸盐而又含有大量H₂S时被认为是煤层水的标志之一,但当水中无或很少H₂S而又有大量硫酸盐时,却不能断定其不是煤层水,还必需结合其他条件加以综合分析。

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是氧化环境的标志,若原始煤层水中大量存在,说明封闭条件不好。但实际生产煤层产出水中 含量高,原因可能是多方面的,可能有以下几种原因:

(1)压裂串层,与高含 水层沟通

如晋1-2井是晋试1井组中的一口,其产出水的 比井组内其他井高一倍以上,(见表3),说明煤层可能与高含 水层串通,且在其周边, 含量随至该井距离增大,含量减小,晋1-4、1-5井距该井最远,产出水中 含量最低,晋试1、晋1-1、1-3井距该井较近,水中含量 较高,这是由于压裂后,同层之间相互沟通,受晋1-2井串层影响所致。该井在压裂施工中,当压开煤层一段时间后,有4.3MPa的压力突降,推测是压串层的显示,且其综合滤失系数高达2.7×10^-3m/min^1/2,正是串层导致压裂液的大量滤失。同时,该井的日产水量远远大于周围的及口井,也说明了有外来水加入。

表3 晋试1井组 含量统计表

吉试4井压后井温曲线上显示裂缝向下延伸,但由于砂面的影响,无法确认高度,测压降,50min压力下降5.47MPa,压裂施工中有脱砂现象,推测裂缝向下延伸较长,沟通了奥陶系灰岩水层(Na₂SO₄),排采证实,该层产水量很大,且 含量达136mg/L,是有奥灰水混入的特征

(2)压裂液未排完

压裂液由于破胶剂中 含量高,将导致排采早期,产出水中 的出现,但随时间增长,这种影响将消失。

(3)有断层沟通上下水层

(4)目的煤层附近有硫酸盐地层

煤层附近若有膏盐地层存在,将会造成地层水中高含 ，但这并不意味封闭条件不好。

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煤层水中的 是在被埋藏后,在还原环境下,当有机质存在时,被还原而来,其反应式为:

Na₂SO₄+2C+2H₂O→2NaHCO₃+H₂S

这种反应在煤田范围内普遍进行,因为煤层本身就是有机质,故煤层产出水中均有难闻的硫化氢气味。正因为是还原环境的产物,NaHCO₃的存在意味气藏保存条件较好。

1.4 K⁺,Na⁺,Ca²⁺,Mg²⁺

Na⁺,K⁺离子的溶解性好于Ca²⁺,Mg²⁺离子的增加,容易进入溶解状态,因而其运移能力强于Ca²⁺,Mg²⁺,Ca²⁺,Mg²⁺富集意味着靠近水源补给区。Na⁺,Cl^-的富集,Ca²⁺,Mg²⁺减少为气藏封闭条件好的标志。

1.5 pH

煤层水多为NaHCO₃型,对于含 水中,理论上由于水解作用pH值应>7,事实上由于H₂S的存在,对其有一定中和作用,因此,煤层水的pH值也会出现小于7,如晋试1井pH=6。

1.6 I^-,B

I^-/B在油田水中常作为封闭环境良好的标志,特别是对于CaCl₂水型,但煤层气藏水型多为NaHCO₃型,一般I^-,B含量不高,且有时压裂液中含有硼砂,因此该项通常不作为判断气藏保存条件的依据。

1.7 综合分析

表4是沁水地区部分煤层气井产出水化验结果。可以看出,从樊字号井-蒲字号-固字号井,总矿化度增加、 及K⁺+Na⁺离子富集,有保存条件变好的趋势,实际生产中,这种趋势得到验证,从固-华固、蒲-蒲南、樊庄三个区块煤层气产气区块逐渐变好。

表4 沁水地区煤层气井水分析盆地煤层气保存条件实例

2 结论与建议

(1)煤层水的总矿化度是煤层保存环境的重要标志之一,较高的总矿化度意味着煤层位于承压或滞留区,低的总矿一般位于供水区;

(2) 是还原环境的产物,NaHCO₃的富集意味着水体的弱交替条件,气藏保存条件较好;大多数煤层水水型为NaHCO₃型;

(3) 是氧化环境的标志,若原始煤层水中大量存在,说明封闭条件不好;

(4)Ca²⁺,Mg²⁺富集意味着靠近水源补给区。Na⁺+K⁺,Cl^-的富集,Ca²⁺,Mg²⁺减少为气藏封闭条件好的标志。

上述分析方法是我们在沁水及鄂尔多斯盆地东缘的煤层气勘探生产实践中摸索出的一套方法,在其他地区可能趋势一样,但各项离子含量范围会相差很大。在使用时也应结合其他方法进行佐证。另外实际分析中对于含量低(小于10mg/L)的元素离子应慎用,因分析方法的原因,其含量的误差会很大。

参考文献

李惕川.1990.环境化学.中国环境科学出版社