寺家庄井田陷落柱对煤层气井产出水地球化学特征的影响_徐占杰.pdf

第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 煤层气；寺家庄井田 中图分类号P618 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2017.02.009 Effect of karstic collapse column on hydrogeochemistry of produced water from coalbed methane wells in Sijiazhuang mine field XU Zhanjie, LIU Qinfu, SONG Pu, JI Jingchao, WU Yingke School of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China Abstract In order to study the hydrogeochemistry characteristics of produced water from coalbed methane CBM wells in karstic collapse column KCC area, Sijiazhuang block, the salinity, type and ion concentration of Sijiazhuang coalbed methane produced water CMPW were tested and analyzed with hydrochemistry and one-way variance statistics . The analyses are useful for CBM exploration and development in KCC areas. The average salinity of CMPW samples is 1 484 mg/L, belonging to saline groundwater with HCO3-Na type. The CMPW in the north has higher salinity than that in the south either in April or in August. KCCs were and are developed in the north and may increase the evaporation of the groundwater. The salinity of CMPW in August is higher than that in April, slightly increasing with CBM production processing, indicating that the groundwater does not get recharged on time in the process. The Na concentrations of samples under different regional tectonic regimes are significantly different, of which sample No. 282 occur on a synclinal axis and near a KCC, which may result in the highest Na concentration, with a mean of 462 mg/L. Keywords coalbed methane produced water; karstic collapse column; hydrogeochemistry; CBM; Sijiazhuang mine 近年来，煤层产出水的研究逐渐受到重视，围 绕煤层产出水水源、 地球化学特征及动态变化规律、 水处理、控气作用和产能关系等多方面研究[1-9]。煤 层气开发过程中产出水主要由煤系裂隙、大孔隙中 的自由水组成。为了达到采气的目的，煤层气开发 采用排水降压使吸附在煤基质孔隙表面的甲烷解吸 运移到井筒抽到地面来，在此过程中，产出水的水 质等地球化学特征也会发生变化。通过对产出水的 ChaoXing 第 2 期 徐占杰等 寺家庄井田陷落柱对煤层气井产出水地球化学特征的影响 51 地球化学特征研究可以应用于煤层气勘探开发，例 如排水状况、补水来源、煤层气井产能等。 寺家庄井田位于山西省昔阳县境内，地质上位 于沁水盆地北部，构造特征如图 1。通过分析寺家 庄井田产出水化学和区域构造特征来研究煤层气井 产出水化学特征与地质构造陷落柱、褶皱等的关 系，利用单因子方差分析方法对煤层气井产出水地 球化学特征进行显著性分析，结合区域地下水动力 条件和构造特征，解释其成因。 图 1 寺家庄井田采样井口及陷落柱分布位置 Fig.1 The location of CBM sampling wells and karstic collapse columns in Sijiazhuang 1 水文地质背景 水文地质条件是煤层气富集和开发的最活跃因 素[10]。寺家庄井田属海河流域子牙河支流滹沱河 水系，属于娘子关水文地质单元。 娘子关水文地质单元出露碳酸盐岩，出露面积 占总面积的 25.6，碳酸盐岩埋藏面积占 58.2， 非岩溶面积占 15.7。寺家庄井田煤层气井排采产 出水以太原组地下水为主。太原组下部为奥陶系灰 岩岩溶裂隙含水层，灰岩岩溶极发育，富水性强， 据钻孔资料，主要含水段水位标高在 138425 m， 随深度的增加，富水性程度逐渐减弱。 灰岩裸露区主要接受大气降水的直接入渗补 给，其次为河流的渗漏及少量裂隙水，河流沿岸的 第四系松散层空隙水补给。奥陶系岩溶含水层透水 性较强，为一具有统一水位的综合含水体，具有完 整的水动力场。桃河以南为岩溶水系统的主要补给 径流区，岩溶水自南向北流动，东部灰岩裸露区大 气降水入渗后沿岩层倾向分散向西流动至低水位带 内，形成南部地区岩溶地下水主要汇水通道和强径 流带。寺家庄井田煤层气井分布于桃河以南，故属 于补给径流区。 寺家庄井田主要包括中奥陶统岩溶裂隙含水层、 上石炭统太原组灰岩岩溶含水层、 山西组砂岩裂隙含 水层组、 石盒子组砂岩裂隙含水组以及全新统砂砾含 水层。井田内岩溶发育不均一，连通性较差，且太原 组 15 号煤层大部分高于奥灰水位， 仅在井田西部最 低标高 340 m低于奥灰水位，15 号煤层与奥灰岩层 间距 23.4971.04 m，平均 49.66 m，突水系数 0.10 0.01 MPa，煤层底板岩体力学强度较差，抗水压能力 差， 加上陷落柱的存在， 太原组含水层可能会与奥陶 系灰岩含水层沟通，发生水力联系。15 号煤层上部 有 3 层灰岩K2、K3、K4，其中 K2为主要含水层， K3、K4基本不含水。山西组富水性弱，石盒子组渗 透性较强而富水弱，而全新统含有较丰富的潜水，与 地表水和下伏基岩风化带联系密切， 因受裂隙发育深 度的制约，与深部含水层关系不大。 所以，寺家庄井田 15 号煤层水主要受其下部奥陶 纪灰岩岩溶裂隙水和上部的太原组 K2灰岩岩溶水影 响，是寺家庄井田煤层气井产出水的主要来源。 2 样品采集及测试 2.1 样品采集 煤层产出水样品采自寺家庄井田，根据现场资 料，煤层气井产出水以太原组地层水为主。2014 年 4 月和 8 月在陷落柱较发育的井田北部采集 4 组水 样，在相对构造稳定的井田南部采集 5 组水样，共 9 组。采样井位及陷落柱位置见图 1。 产出水从煤层气井口采集，封装在 500 mL 聚 乙烯塑料瓶中，在采水前用新鲜产出水反复冲洗采 样瓶 3 次，并使水样充满采样瓶，有助于去除杂质 和减少空气中可溶气体对产出水的影响[2]。采集完 成后 48 h 内送至实验室做常量离子质量浓度与矿化 度等测试。寺家庄井田褶皱发育，断层较少，陷落 柱比较发育，但主要集中在北部，为加以区分，将 寺家庄井田分为陷落柱区井田北部和非陷落柱区 井田南部。陷落柱区的水样包含井号为 282、277、 364 和 241 的 4 个样品，非陷落柱区的水样包含井 号为 007、181、185、96、369 的 5 个样品。 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 45 卷 2.2 实验测试 采样煤层气井连续排采时间均达 3 a 以上，产 出水更接近原始煤层水，而不受钻进和完井过程中 钻井液、压裂液等注入煤层的污染影响[11]。产出水 的矿化度和常量离子质量浓度测试在核工业北京地 质研究所完成。产出水的矿化度测试依据 DZ/T 0064.91993地下水质检验方法溶解性固体总 量的测定 ，使用 785DMP 滴定仪测定。常量离 子质量浓度依据地下水质检验方法 DZ/T 0064.28 1993离子色谱法测定钾、纳、锂和铵 、DZ/T 0064.491993滴定法测定碳酸根、重碳酸根和氢 氧根 、DZ/T 0064.511993离子色谱法测定氯离 子、氟离子、溴离子、硝酸根和硫酸根行业标准， 使用 DIONEX-500 离子色谱仪和 METROHM 全自 动滴定仪测定。表 1 为水质测试结果及相关信息。 寺家庄井田煤层气井产出水中硫酸盐以 2 4 SO 计、 氯化物以 Cl–计等远低于国家Ⅱ类饮用水标准的限 定值，所以产出水无需处理可直接排出。 表 1 寺家庄井田产出水矿化度和离子质量浓度特征 Table 1 The salinity and ions concentration of CMPW from Sijiazhuang mine field 离子质量浓度/mgL-1 位置 井号 排采 时间/月 矿化度/ mgL-1 F- Cl- 2 4 SO  Na K Mg2 Ca2 3 HCO 2 3 CO  282 43/47 1 626/1 675 4.36/4.42 37.3/40.4 6.83/6.95 472/452 1.15/1.17 1.49/1.03 5.56/3.79 1 097/1 130 46.1/34.5 277 43/47 1 433/1 506 4.56/4.65 46.1/46.6 3.57/2,58 420/415 1.16/1.11 1.81/1.18 6.22/4.33 949/ 1 031 37.5/- 364 40/44 1 524/1 451 5.54/5.69 51.4/47.6 3.49/2.91 427/401 0.80/0.95 0.97/0.84 4.81/3.09 1 030/950 n.d./ 38.8 陷落 柱区 241 43/47 1 516/1 521 5.17/5.11 43.8/43.5 2.25/2.86 443/417 1.28/1.01 1.41/1.33 3.84/3.51 1 014/999 46.3/47.8 7 64/68 1 404/1 448 4.85/5.03 31.2/35.8 1.85/2.63 406/395 0.88/0.67 1.67/0.93 5.34/2.60 952/ 978 45.2/27.0 181 48/52 1 439/1 461 6.43/6.38 32.5/37.6 1.36/0.82 417/409 2.59/3.43 2.13/1.42 4.40/2.93 972/ 927 45.1/71.9 185 48/52 1 405/1 399 5.61/5.61 35.3/37.7 0.76/0.71 415/400 1.72/2.13 1.60/1.09 4.70/3.11 940/ 878 38.8/71.1 96 45/49 1 594/1 602 2.68/2.79 27.7/31.2 17.8/14.4 455/440 2.03/2.15 2.31/1.32 5.84/4.48 1 081/1 054 50.6/52.7 非陷 落柱 区 369 48/52 1 219/ 6.15/ 36.0/ 21.0/ 355/ 3.89/ 1.76/ 5.14/ 790/ 32.0/ 注表中数据 43/47 中 43 和 47 分别表示 4 月份和 8 月份数据，其他同；1219/表示 4 月份有数据，8 月份无数据，其他同。 3 结果与讨论 3.1 产出水矿化度特征 寺家庄井田产出水的矿化度为 12191675 mg/L， 平均 1 484 mg/L，与沁水盆地南部太原组储层产出 水的矿化度相当 [4]。 寺家庄井田煤层水处于弱径流 滞流区水动力条件，利于煤层气的保存 [11]。 陷落柱区的水样平均矿化度在 4 月和 8 月均比 非陷落柱区的高表 2。根据钻孔资料，陷落柱主要 分布在北部，确定陷落柱存在的依据有很多如不同 岩性混杂，岩石多呈角砾状，异常破碎带等，陷落 柱形成时临近岩层或煤层遭到破碎，使岩石或煤中 可溶矿物或离子进入临近含水层，是井田北部产出 水矿化度较高的原因之一。但陷落柱区和非陷落柱 区的矿化度差别不大，陷落柱中岩层时代最新为三 叠纪，形成时间已久，柱体较稳定，地下水是动态 的，化学特征已较稳定和趋同。 随着煤层气井排采的不断进行，无论有无陷 落柱，8 月产出水矿化度均比 4 月高表 2，因井 田太原组含水层受上部潜水影响小，可能是煤层 气井在排采过程中，排采层位地下水没有得到及 时补给，致使矿化度随着煤层气井开采时间增长 而增大。 表 2 寺家庄井田煤层气井产出水的矿化度 Table 2 The salinity of CMPW from Sijiazhuang mg/L 日期 陷落柱区 非陷落柱区 2014-04 1 525 1 412 2014-08 1 538 1 478 3.2 产出水水型 图 2a 中，Ⅰ区属于 HCO3-Mg、HCO3-Ca 型， 碳酸盐硬度超过 50，大多为浅层地下水或河水； Ⅱ区属于 HCO3-Na 型，为深层地下水的水质特征； Ⅲ区属于 Cl-Na 或 SO4-Na 型，为海水、盐水或热水 水质特征；Ⅳ区属于 Cl-Ca、SO4-Ca 型，为地下水 或海水混合水。 陷落柱区和非陷落柱区产出水水质均落在 Piper 图区域Ⅱ图 2，属于 HCO3-Na 型，反映寺家 庄井田煤层气井产出水为深部岩层或煤层水，受地 表水、潜水影响较小。4 月和 8 月产出水水质没有 发生很大变化，地下水环境没有改变。陷落柱区和 非陷落柱区产出水的水型和水质均没有明显的区 别，说明二者属同一水力系统。 3.3 陷落柱对地下水化学成分的影响 水化学成分的变化能直接反映水动力场变化， 显示 煤层和外界水动力的联系程度[7]。寺家庄井田北部陷落 ChaoXing 第 2 期 徐占杰等 寺家庄井田陷落柱对煤层气井产出水地球化学特征的影响 53 图 2 寺家庄井田不同月份产出水水型 Fig.2 The water types of coalbed methane produced water from Sijiazhuang in different month 柱较南部发育，虽然陷落柱对地下水的运移和补给 影响大，但陷落柱形成较早或者不导水，对产出水 的化学成分影响甚微。为了研究陷落柱是否对地下 水化学成分产生影响，运用单因子方差分析方法对 产出水的离子质量浓度进行显著性分析。 3.3.1 数学模型 单因子方差分析统计模型为[12]设因素 A 取 r 个不同水平 A1, A2,, Ar，此时相当于有 r 个总体 X1,X2,,Xr，且 XiNμi, σ2i1, 2, , r。在水平 Ai 下，进行 nini ≥ 2次独立实验，且假定这 r 个样本 相互独立，因此有 XijNμi, σ2j1,2,,ni；i1,2,,r 1 所有 Xij为实验结果， 且相互独立， 整理成表 3。 令 εijXij-μi j1,2,,ni；i1,2,,r。εij为随机误 差，是在水平 Ai下第 j 次重复实验的实验误差。即 表 3 单因子方差分析数据统计表 Table 3 One-way variance statistics 不同水平下的实验次数 水平 1 2 ni A1 X11 X12 X1n1 A2 X21 X22 X2n2 Ar Xr1 Xr2 Xrnr Xijμiεijj1,2, ,ni；i1,2, ,r 2 检验的假设为 H0μ1μ2μr。 表 4 为单因子方差分析表，其中，ST为总偏差 平方和，Se为实验误差平方和，SAST-Se为因素 A 的偏差平方和。 表 4 单因子方差分析表 Table 4 One-way variance statistics 方差来源 平方和 S 自由度 f 方差 s F 值 因素 A 误差 e SA Se r-1 n-r sASA/r-1 seSe/n-r FsA/se 总和 ST n-1 在给定显著性水平 α 下，检验假设 H0，由试验 数据计算统计量的观察值 F，若 F≥F1–αr–1,n–r， 则拒绝 H0，即认为因素 A 对实验结果的影响显著； 若 F F1,15 2.68，故接受假设 H0，认为陷落柱区和非陷落 柱区的产出水中 Na质量浓度无显著差异。显然陷落柱 区282 号井产出水中Na质量浓度最高，4月和8月的平 均值达462 mg/L。 282 号煤层气井处于龙眼向斜轴部， 太原组地层水处于汇流区，水动力条件差，且临近 陷落柱 Xs23，增强了局部的蒸发作用，致使产出水 中 Na质量浓度较高。 4 结 论 a. 寺家庄井田煤层产出水水型为 HCO3-Na， 属 于微咸水，平均矿化度为 1 484 mg/L。井田北部产 出水平均矿化度为 1 532 mg/L，南部为 1 445 mg/L。 陷落柱在井田北部较发育，蒸发作用强可能是北部 产出水矿化度较大的原因之一。 b. 煤层气井在排采过程中， 地下水的矿化度等 水化学特征可以判断地下水的补给排泄情况。寺家 庄 8 月产出水的矿化度比 4 月高，说明随着排水降 压，地下水未得到及时补给，使产出水矿化度随排 采时间增加略有增大。 c. 陷落柱区和非陷落柱区的产出水中 Na质量 浓度无显著差异。 282 号井产出水中 Na质量浓度最 大，平均值为 462 mg/L，因其位于次级向斜轴部， 且临近陷落柱 Xs23，排采水处于滞流环境，陷落柱 可能增强了局部地下水的蒸发作用，为产出水 Na 离子浓度较高的原因之一。 参考文献 [1] 秦勇，张政，白建平，等. 沁水盆地南部煤层气井产出水源解 析及合层排采可行性判识[J]. 煤炭学报，2014，399 1892–1898. 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