沁水盆地南部15号煤层和顶板K-sub-2-_sub-灰岩水文地球化学演化特征_李忠城.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY K2 limestone water in slow-flow area is generally Na-Ca-Cl-HCO3 type, while coalbed water is mainly Na-Cl-HCO3 or Na-HCO3 type; K2 limestone wa- ter is the same as the coal seam water in detention area, and it is Na-HCO3 or Na-Cl-HCO3 water type. The study aims to provide a reliable hydrogeological basis for the development of No.15 coalbed methane. Keywords K2 limestone water; water producing from the No.15 coal seam gas wells; water patern；water evolution model; southern Qinshui basin 由于地下水所处的补给区、径流区、滞流区控 气作用不同，导致不同水文地质单元煤层气富集程 度存在差异[1-4]。煤层气井排采效果不同[5-8]，直接 影响煤层气选区评价和后续开发[9]，煤层气开发为 排水降压采气，因此，煤层气勘探开发工作中水文 地质条件，尤其是地层水的水文地球化学特征，应 作为煤层气开发前一项重要工作。 前人针对煤矿井下或含煤岩系水文地质特征开 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 48 卷 展了大量研究。煤层水矿化度影响煤层气富集成藏 条件，高矿化度有利于高阶煤煤层气富集成藏，低 矿化度有利于低阶煤煤层气富集成藏[10]。对于陷落 柱发育井田，陷落柱临近区域水的矿化度增加[11]。 煤层水和地表水或煤层顶底板等其他含水层水文地 球化学特征存在显著差异，通过监测其之间的水质 差异，可快速判断突水水源，以预防矿井突水[12-13]； 刘超等[14]针对废弃矿井水地化特征开展了取样实验 研究，认为矿井水受地表水的强烈影响，且利于生 成次生生物气。 沁水盆地南部石炭–二叠系太原组 15 号煤层直 接顶板 K2灰岩为裂隙含水层， 水文地质条件复杂[15]， 15 号煤研究程度低， 煤层气井产水量大， 降压困难， 至今无法有效开发。基于前人研究认识，笔者开展 15 号煤煤层水和顶板含水层水为地球化学演化研 究，以期从机理上揭示其演化过程，总结不同水文 地质单元煤层水和顶板灰岩水特征，指导煤层气勘 探过程中富集区优选；同时结合开发过程中产出水 分析化验数据，依据不同水文单元水化学特征判断 井区地下水活跃程度，制定合适的排采方案，为实现 15 号煤煤层气有效开发提供可靠的水文地质依据。 1 矿区地质及水文地质情况 1.1 矿区地质概况 水样取自 3 个煤矿，其中 1、3 和 2 号矿分别位 于沁水煤田东南端和南端图 1， 煤矿基本构造形态 为一走向 NE、倾向 NW 的单斜构造。在此基础上 发育了一系列近 SNNNE 向的宽缓褶曲， 形成井田 内岩煤层的波状起伏，岩层倾角一般不超过 15。 3 个煤矿的煤系主要为二叠系下统山西组、石炭系上 统–二叠系下统太原组，平均总厚度 136.02 m，本次 研究对象为 15 号煤层及其顶板灰岩，全区稳定可 采，煤层厚度在 1.805.45 m，平均厚度 2.67 m， 图 1 样品采集煤矿地理位置 Fig.1 Geographical location of coal mine 含夹矸 04 层；直接顶板为石灰岩K2。 1.2 矿区水文地质概况 3 个矿区均是在地势较高的煤层浅埋露头处接 受大气降水补给，在沟谷低洼处向地表排泄，自上 而下主要含水层为第四系松散岩类孔隙含水层，基 岩风化带裂隙含水层，二叠系石盒子组碎屑岩类裂 隙含水层，二叠系下统山西组碎屑岩类裂隙含水层 组，石炭–二叠系太原组碎屑岩、碳酸盐岩类裂隙岩 溶含水层组， 奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层组。 其中，石炭–二叠系太原组 K2石灰岩裂隙岩溶含水 层为 15 号煤层的直接充水含水层， 据混合抽水试验 资料，单位涌水量为 0.000 670.048 L/sm。 2 15 号煤层顶板 K2灰岩水特征 2.1 K2灰岩水的水型 通过对沁水盆地南部 3 个煤矿的 15 号煤顶板 K2灰岩水水型分析发现， 3 个煤矿 K2灰岩水水型差 别较大图 2，1 号矿为 Na-Ca-HCO3型，2 号矿为 Na-HCO3型，3 号矿水型较复杂，有 Na-Cl-HCO3 型和 Na-Cl-SO4-HCO3型两种。1 号矿煤层埋深 230260 m，2 号矿煤层埋深 270280 m，3 号矿煤 层埋深 290350 m，取样深度依次增加，1 号3 号 水样矿化度总体上依次升高表 1， 反映了随埋深增 加水体封闭性变好，水力交换降低，水型由 Na-Ca- HCO3型向 Na-HCO3型和 Na-Cl-HCO3型过渡， 说明 封闭条件越好，钙离子消耗越大。由于 3 号矿的 3 号 煤层已开采几十年，资源基本枯竭，遗留的 3 号煤 层小煤矿采空区大量积水， 导致 15 号煤层开采时受 到影响，部分水样矿化度偏低。 图 2 沁水盆地南部 15 号煤层顶板 K2灰岩水型 Fig.2 K2 limestone water pattern of No.15 coal seam roof ChaoXing 第 3 期 李忠城等 沁水盆地南部 15 号煤层和顶板 K2灰岩水文地球化学演化特征 77 表 1 不同矿井 K2灰岩水矿化度 Table 1 Salinity of K2 limestone water in different mines 煤矿编号 矿化度/mgL–1 平均矿化度/mgL–1 1号 629731 662 2号 8731 116 1 019 3号 7011 346 1 024 2.2 K2灰岩水和 15 号煤层产出水比较 煤矿开采证实 15 号煤层为弱含水层， 采矿过程 中的水主要来自顶板 K2灰岩。顶板灰岩水和 15 号 煤层气井产出水两者从水型上分析基本相同， 主要 是 Na-HCO3型和 Na-Cl-HCO3型。两者水中离子组 成均呈现“W”形状图 3，碳酸氢根离子浓度高； 煤层气井产出水阴离子与 3 号矿顶板灰岩水相似， 氯离子和硫酸根离子浓度较高； 煤层气井产出水阳 离子主要和 2 号矿顶板灰岩水大致相同，钙、镁离 子均较低；1 号矿顶板灰岩水明显与其他矿灰岩水 以及煤层气井排出水不同，主要体现在钙离子较 高，钠离子和氯离子浓度明显较低。造成这种现象 的主要原因是，1 号矿埋深较浅，导致其水化学成 分不同。 注Qn004 为煤层气井产出水；13 号矿为顶板灰岩水 图 3 15 号煤层气井产出水和顶板 K2灰岩水的斯科勒图 Fig.3 Schoeller diagram of K2 limestone water and output water of No.15 coal seam 15 号煤层气井产出水脱硫系数大部分低于 0.1， 2 号矿和 3 号矿灰岩顶板水脱硫系数为 0.110.0， 而 1 号矿 K2灰岩水的脱硫系数均在 2.0 以上，明显高 于前两者图 4。 脱硫系数高反映封闭性差， 说明 1、 2、3 号矿的 K2灰岩水、15 号煤层气井产出水封闭 性依次增强，这与矿化度反映的规律一致。1 号矿 K2灰岩水体封闭性差，氧化作用较强，还原作用较 弱，地下水体中以氧化反应和溶解作用为主，二氧 化碳不断溶解，导致水体酸性增加，方解石不断被 溶蚀，钙离子浓度增高。 图 4 沁水盆地南部 15 号煤层气井产出水与 K2灰岩水脱 硫系数对比 Fig.4 Comparison of desulfurization coefficient between produced water of No.15 coalbed methane well and K2 lime- stone water of No.1No.3 coal mine 不仅埋深、水体所处环境不同能导致水中离子 组成的差异，同样灰岩水和煤层接触也会导致部分 离子浓度发生变化。将 2 号矿 15 号煤层样品和 K2 灰岩水放到一起一周时间，分析混合后水样化学 离子浓度发现，混合水中镁离子浓度明显减小，由 原来的 2.69 mol/L 降至 0.67 mol/L，混合后硫酸根 离子浓度高于 K2灰岩水，由 31.98 mol/L 升至 38.69 mol/L，其他离子浓度变化较小，这说明地下 灰岩水在与煤层接触过程中，会发生离子交换。 3 煤层水文地球化学特征形成机理 煤层水在地层流动过程中会发生溶滤作用、氧 化作用、脱硫酸作用、离子交换作用等。地下水在 补给、径流过程中会发生不同的地球化学反应。 3.1 补给区 大气降水会溶滤盐类和二氧化碳，二氧化碳溶 解后会产生氢离子，形成 3 HCO和 2 3 CO ，使得补给 水 pH 值降低。随着二氧化碳溶解量的增加，方解 石、白云石等碳酸盐岩类矿物开始溶解，释放钙、 镁离子，pH 值升高。反应式为 CaCO3H Ca2 3 HCO 1 CaMgCO322H Ca2Mg22 3 HCO 2 补给区水中氧含量较高，处于氧化环境，地下 水与煤层中的硫化物如黄铁矿发生氧化作用，使 得水中硫酸根离子含量增高，酸性增加，pH 值降 低，继续氧化可形成三价铁的硫酸盐，最终形成 FeOH3沉淀，变成 2 4 SO 浓度高的酸性水[16]。具体 的反应式为 2FeS27O22H2O 2Fe24 2 4 SO 4H 3 4FeSO42H2SO4O2 4Fe36 2 4 SO 2H 2O 4 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 48 卷 3Fe2SO4318H2O 6FeOH318H9 2 4 SO  5 因此，煤中硫化物被氧化会产生大量氢离子， 加速了碳酸盐岩的溶解过程，使得水体中硫酸根离 子增加。 硫化物氧化过程只发生在浅部水溶氧化带， 距气水交汇界面越近，氧化作用越强。大气降水不 断携氧补充含水层，氧化反应得以持续进行。 石膏类矿物的溶解度大于碳酸盐岩类矿物，其 溶解会发生在任意深度，水中钙离子的增加，会促 进方解石发生沉淀。具体的反应式为 CaMgCO32 Ca2 Mg22CaCO3 6 3.2 还原环境的径流区 当有机质存在时，在脱硫酸还原菌作用下，发 生脱硫化作用。其反应式为 2 4 SO 2C2H 2O 2 3 HCOH2S 7 脱硫酸还原菌可在–575℃、pH 值 59 的条 件下生存。 根据沁水盆地南部煤层温度资料可知， 15 号煤储层温度最高为 30.79℃；pH 值均在 9 以 下，完全满足硫酸还原菌的生存条件。因此，在 水径流较弱的还原环境煤层中，会发生式7反 应，导致碳酸氢根离子浓度增大，硫酸根离子浓 度减小。 当水溶甲烷较多时也会与 2 4 SO 发生反应[17]， 反 应式为 2 4 SO CH 4H   3 HCOH2SH2O 8 尽管目前沁水盆地水溶甲烷量较低，但在印支 期和燕山期区域岩浆热变质阶段，温度、压力高， 水溶甲烷量多[18]，很可能发生式8反应，消耗硫酸 根离子，增加碳酸氢根离子。 当煤层埋深较大时，会发生无机成分 2 4 SO 氧 化水中有机物的反应[16]，导致径流区水中硫酸根离 子大量减少，碳酸氢根离子增加。反应式为 2 4 SO 2CH 2O  3 HCOHS–H2OCO2 9 3.3 离子交换作用 矿物颗粒表面常带有电荷，具有吸附阳离子的 能力。在一定条件下，岩石颗粒将吸附地下水中某 些阳离子，将其原来吸附的部分阳离子转入地下水 中。通常离子价位越高，被岩石颗粒吸附的可能性 越大；原子半径越大，吸附能力越强。常见阳离子 按吸附能力自大而小顺序为H＞Fe3＞Al3＞ Ba2＞Ca2＞Mn2＞Mg2＞K＞Na＞Li，钙、镁 离子的吸附能力要大于钠离子的吸附能力。另外岩 石颗粒越细小，比表面积越大，颗粒的吸附能力越 强。在漫长的地质时期，大量钙、镁离子被煤颗粒 吸附，置换出的钠离子转移到水中，导致煤层水中 钙、镁离子损耗。 4 15 号煤层与顶板灰岩水文地球化学演化 大量数据显示， 沁水盆地南部无论是 3 号煤层 还是 15 号煤层，煤层气井产出水总体表现为富碳 酸氢根离子和钠离子，缺少硫酸根、钙和镁离子； 水型以 Na-HCO3或 Na-HCO3-Cl 为主[5,19]。美国 6 个 主要煤层气生产盆地产出水特征，也有类似结论[20]。 导致这种特征的主要原因有两个方面首先，煤层 富含有机质，在弱径流的还原环境下，发生了脱 硫酸作用，导致硫酸根离子减少，碳酸氢根离子 浓度增加；其次，离子交换吸附作用的发生，使 得吸附能力差的钠、钾离子增加，钙、镁离子被 吸附而减少。 尽管 15 号煤层与顶板 K2灰岩两含水层岩石成 分、结构、裂隙发育特点差别很大，地下水水文地 球化学演化过程不尽相同，由于两层相互接触，水 力联系密切，水中化学成分相互影响、作用，最终 形成相似的水型。地球化学演化模型如图 5 所示。 模型以单斜形态表示，地下水流动路径从地表依次 分为补给区、强径流区、缓径流区和滞流区。随深 度增加，水体环境发生变化，从浅到深依次分为氧 化环境、过渡环境和还原环境。一般补给区和强径 流区为氧化环境，部分缓径流区为过渡环境，大部 分缓径流区和滞流区为还原环境。不同的水体环境 发生的物理变化和化学反应不同。当地下水处于氧 化环境时，由于地表水携带 CO2进入，导致灰岩中 碳酸盐岩发生溶解，使得钙、镁、碳酸氢根离子浓 度增加，水型以 Ca-Mg-HCO3-SO4型为主；而煤层 中黄铁矿则发生氧化反应，使得水中硫酸根和铁离 子浓度增加，水型以 Na-HCO3-SO4型为主。随着深 度的增加，温度、压力增高，水体进入还原环境。 此时煤层中会发生脱硫酸作用和无机成分氧化有机 物的反应，如式7和式9不需要氧气参加，导致 硫酸根离子大量减少，碳酸氢根离子增加，同时生 成一定数量的 CO2，此时煤层水以 Na-Cl-HCO3或 Na-HCO3型为主。由于方解石和白云石随温度的升 高溶解度降低，同时氯化物被不断溶解，导致埋深 大、温度高的还原环境下灰岩水中钙、镁离子浓度 减 少 ， 钠 离 子 浓 度 增 加 ， 此 时 灰 岩 水 一 般 为 Na-Ca-Cl-HCO3型。 15 号煤层水和 K2灰岩水相互作用主要体现在 3 个方面。首先是离子吸附交换。煤层颗粒细小， 具有很强的吸附阳离子的能力， 在两者接触处会不断 ChaoXing 第 3 期 李忠城等 沁水盆地南部 15 号煤层和顶板 K2灰岩水文地球化学演化特征 79 图 5 沁水盆地南部 15 号煤层水和顶板 K2灰岩水演化过程模型 Fig.5 Evolution model of No.15 coal seam water and K2 limestone water 发生离子交换，钙、镁离子被吸收，钠、钾离子被 置换到水中。其二是混合作用，主要发生在两者接 触面和相沟通联系的裂隙中。两种水混合是否产生 明显的化学反应， 取决于两种水的成分及混合比例。 如氧化和过渡环境中煤层水以硫酸根和钠、钾离子 为主，而灰岩水以碳酸氢根和钙离子为主，两者混 合时会形成石膏沉淀和碳酸氢钠型水。还原环境下 两种水发生反应的可能性小，但是灰岩水中硫酸根 离子进入煤层时会发生脱硫酸作用，间接导致灰岩 水中离子浓度的降低。其三，由于煤层水中无机成 分氧化有机物产生的 CO2进入灰岩水中，使得方解 石和白云石发生溶解，水中钙、镁、碳酸氢根离子 浓度增加。 不管在灰岩还是煤层中的各个环境下，淋滤作 用始终发生，只是作用强度有差别。此外，灰岩水、 煤层水还与其接触的隔水层发生离子吸附交换，导 致钙、镁阳离子含量减少，钠、钾离子增加。在以 上各种作用的共同影响下，最终形成了 Na-HCO3或 Na-Cl-HCO3水型。 5 结 论 a. K2灰岩水水型相对复杂，主要有 Na-Ca- HCO3型、Na-Cl-SO4-HCO3型、Na-HCO3-Cl 型和 Na-HCO3型 4 种。结合矿化度、脱硫系数，可以判 断出前两种水型是在地层封闭条件差的氧化环境下 形成的，后两种则是在封闭条件好的还原环境下形 成的。 b. 建立了沁水盆地南部 15 号煤层和 K2灰岩水 演化模型，从机理上分析两者在原始地层条件下相 互作用、彼此影响，最终在还原环境下形成以 Na- HCO3为主的水型，但各离子的绝对含量不尽相同。 c. 补给区和强径流区 K2灰岩水水型以 Ca-Mg- HCO3-SO4型为主，煤层的水型以 Na-HCO3-SO4型 为主；缓径流区 K2灰岩水一般为 Na-Ca-Cl-HCO3 型，而煤层水以 Na-Cl-HCO3或 Na-HCO3型为主； 滞流区顶板灰岩水和煤层水水型相同，为 Na-HCO3 或 Na-Cl-HCO3水型。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王红岩，张建博，刘洪林，等. 沁水盆地南部煤层气藏水文地 质特征[J]. 煤田地质与勘探，2001，29533–36. WANG Hongyan，ZHANG Jianbo，LIU Honglin，et al. Hy- drogeologic feature of coalbed methane reservoir in the southern Qinshui basin[J]. Coal Geology Exploration，2001，295 33–36. [2] 秦胜飞， 宋岩， 唐修义， 等. 水动力条件对煤层气含量的影响 煤层气滞留水控气论[J]. 天然气地球科学，2005，162 149–152. QIN Shengfei， SONG Yan， TANG Xiuyi， et al. The influence on coalbed gas content by hydrodynamicsThe stagnant ground- water controlling[J]. Natural Gas Geoscience，2005，162 149–152. 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