唐書恒1 朱衛平2 李忠城1 呂建偉1 陳江1 郭東鑫1
(1.中國地質大學能源學院北京100083 2.中國石油吐哈油田公司新疆哈密839009)
摘要:河東煤田柳林區塊煤層氣井產出水具有高鹽度、高礦化度的特點，直接排放可能會造成對生態環境的破壞，開展煤層氣井產出水特征及動態變化規律研究，將為建立合理有效的產出水處理技術提供依據。通過連續跟蹤采集柳林區塊煤層氣井產出水樣品，並進行了25項物理化學參數的系統測試，發現礦化度及氯離子、鈉離子濃度均呈現先高後低的變化趨勢，而碳酸氫根離子的變化規律相反，呈現先低後高的特點。水型呈現由NaCl水型向NaClHCO3水型和NaHCO3Cl水型變化的規律。產出水中陽離子以K++Na+離子為主，陰離子HCO－3和Cl－值較為接近，不存在明顯占絕對優勢的離子。依據產出水中各離子的變化特點。采用回歸分析方法，建立了氯離子濃度排采動態變化模型。
關鍵詞: 煤層氣井 產出水 水質 動態變化 柳林區塊
基金項目: 國家科技重大專項課題 ( 2011ZX05034 003) ; 國家自然科學基金項目 ( 40972108) ; 國家 973 計劃課題 ( 2009CB219604)
作者簡介: 唐書恒，1965 年生，河北正定人，博士，教授，博士生導師，從事煤層氣地質與開發工程研究。電話: 010 82320601，E mail: tangsh@ cugb. edu. cn
The Characteristics and Dynamic Changes of Producing Water from Coalbed Methane Wells in Liulin Block
TANG Shuheng1，ZHU Weiping2，LI Zhongcheng1，LV Jianwei1， CHEN Jiang1，GUO Dongxin1
( 1. School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing，100083 2. Tuha Oilfield Company，CNPC，Hami，Xinjiang，839009，China)
Abstract: The groundwater produced from the coalbed methane ( CBM) wells in Liulin block，Hedong coal field is characterized by high salinity，so the direct discharge of the water will cause environment degradation. The research on the characteristics and dynamic changes of the water produced from the CBM wells will provide basis for establishing the reasonable and effective produced water treatment technology. Based on the continuous tracking collection of the CBM wells produced water samples and the systematically testing 25 physical and chemical param- eters，the dynamic changes of the Salinity and various anions and cations were analyzed. The results show that the concentration of salinity，chloride ion and sodium ion change from high to low，but the concentration of bicarbon- ate ion changes conversely with the trend from low to high. The water changes from Na Cl type to Na Cl HCO3 type and Na HCO3Cl type. The cations are mainly K+and Na+ions，and there is no obvious dominant anions with the close HCO3－and Cl－values in the produced water. According to the changes of the ions，the model of Chloride ion concentration in the water was established using nonlinear regression analysis.
Keywords: CBM wells; produced water; water quality; dynamic changes; Liulin block
1 地質背景
河東煤田柳林區塊面積183.824km2，位於山西省西部，河東煤田中部，距太原市220km，隸屬於呂梁市柳林縣。該區屬於西北黃土高原地帶，總體地形形態南北高，西部與中部低，區內屬黃河流域。從構造位置上看，該區塊處於鄂爾多斯盆地東緣呂梁山西坡的南北向構造帶上，總體上是壹個基本向西傾斜的單斜構造，屬於呂梁復背斜西翼的壹部分。該區斷層稀少，次級褶曲壹般幅度也不大，以單斜為主導構造。
區塊內及周邊賦存的地層有奧陶系中統峰峰組(O2f);石炭系中統本溪組(C2b)和上統太原組(C3t);二疊系下統山西組(P1s)和下石盒子組(P1x);二疊系上統上石盒子組(P2s)和石千峰組(P2sh);三疊系下統劉家溝組(T1l)和和尚溝組(T1h);新生界新近系上新統(N2);第四系中更新統(Q2)、上更新統(Q3)和全新統(Q4)。
該區目前主要開采二疊系下統山西組(P1s)3+4號和5號煤層中的煤層氣(周寶艷等，2007;接銘訓，2010;趙慶波等，2006;劉新社等，2007;傅雪海等，2007)。
2 產出水離子變化規律
河東煤田柳林區塊煤層氣井產出水具有高鹽度、高礦化度的特點，直接排放可能會對生態環境造成破壞，開展煤層氣井產出水特征及動態變化規律研究，將為建立合理有效的產出水處理技術提供依據。本文以柳林區塊MC試驗區井組為基礎，選取了MC01V，MC0-2V兩口水平井和MC03，MC04，MC05三口直井***五口井為對象，進行連續跟蹤取樣，進行了包括礦化度、鉀鈉離子、鈣離子、鎂離子、氯離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子等在內的25項物理化學參數的系統測試，分析了其變化規律。
2.1 礦化度變化規律
根據化驗所得到的礦化度數據，MC試驗區礦化度值整體較高，5口井排采初期最高值接近7000mg/L，最小值也接近2900mg/L，平均值約為4980mg/L(見表1)。
MC試驗區所取的5口煤層氣井中，其中3口直井(MC03，MC04，MC05)采集數據時處於壓裂後排采初期，2口水平井(MC01V，MC02V)是排采2～3個月後開始取樣。水樣分析結果表明:MC試驗區產出水礦化度在排采初期較高，在較短的時間內礦化度值下降明顯。MC01V排采到第70天時礦化度值超過3500mg/L，在排采到約90天時，其值下降到2400mg/L，在之後長達160天的時間段內基本趨於穩定。MC02V井從取樣開始，礦化度值始終保持相對平穩(圖1)。
2.2 氯離子變化規律
由MC試驗區煤層氣井產出水氯離子變化趨勢圖(圖2)可以看出，MC試驗區由於排采時間長短不同，測定的氯離子濃度變化趨勢亦不同，MC03，MC04，MC05三口直井排采初期即開始取樣，初期氯離子濃度較高，之後呈現迅速降低的變化趨勢。兩口水平井MC01V，MC02V分別從排采70天和118天才開始取樣，取樣時間段內氯離子變化較平穩，且濃度值較直井顯著偏低，大部分數值處於300～400mg/L的範圍內。
表1 MC實驗區煤層氣井產出水礦化度統計
圖1 MC試驗區煤層氣井產出水礦化度變化趨勢
圖2 MC試驗區煤層氣井產出水氯離子變化趨勢
2.3 HCO―3變化規律
從MC試驗區煤層氣井產出水HCO－3變化趨勢圖(圖3)可以發現，MC-03，MC-04，MC-05三口直井在排采初期，HCO－3離子濃度較高，基本位於1400～1900mg/L之間，之後處於緩慢上升的過程;而MC-01V，MC-02V兩口水平井HCO－3離子濃度較3口直井要低，在排采100天後，HCO－3離子濃度緩慢上升，但數值變化較平穩，均處於1000～1500mg/L範圍之內。
圖3 MC試驗區煤層氣井產出水HCO－3變化趨勢
2.4 Na+變化規律
從MC試驗區煤層氣井產出水Na+變化趨勢圖(圖4)可以看出，MC-03、MC-04，MC-05三口直井在排采初期Na+離子濃度較高，在2000～2500mg/L之間，之後呈現緩慢下降的趨勢。MC04井下降幅度最為明顯，而MC-01V，MC-02V兩口水平井在排采100天後，Na+離子在數值上變化較平穩，處於700～800mg/L範圍之內。
圖4 MC試驗區煤層氣井產出水鈉離子變化趨勢
2.5 其他離子變化規律
其他離子主要是鈣、鎂離子和硫酸根離子。5口井化驗得出的鈣鎂離子濃度均較低，壹般小於12mg/L;硫酸根離子濃度壹般小於40mg/L。
3 水型動態變化規律
MC試驗區2口水平井MC-01V，MC-02V水型表現為NaHCO3Cl水型;3口直井中，MC-03，MC-05前期呈現為Na-Cl水型，後期呈現為Na-Cl-HCO3水型;MC-04井前期呈現為Na-Cl水型，後期呈現為Na-HCO3-Cl水型。MC試驗區產出水中陽離子以K++Na+離子為主，陰離子HCO－3和Cl－值較為接近，不存在明顯占絕對優勢的離子(圖5)。
圖5 MC試驗區派珀三線圖解
可以用Stiff圖表示MC試驗區的水型隨排采時間的整體變化情況(圖6)。在排采初期，MC試驗區水型表現為NaCl水型，Stiff圖呈上寬下窄的漏鬥狀，如圖6(a)所示，這壹階段的持續時間壹般為4～6個月;在排采的中期，MC試驗區水型表現為NaClHCO3水型或者NaHCO3-Cl水型，Stiff圖形如圖6(b、c)所示，這壹階段的持續時間大約為6～8個月;在排采的中後期，水型以NaHCO3水型或Na-Cl-HCO3水型為主，Stiff圖形呈圖6(d)所示形狀。
圖6 MC試驗區煤層氣井產出水平均化學成分Stiff圖形
4 氯離子濃度排采動態變化模型
經水質化驗顯示，由於鉆井液的影響(李忠城等，2011)，柳林區塊煤層氣井產出水在開采初期具有較高的礦化度和鹽度，但不含國家Ⅱ類飲用水標準(地表水環境質量標準，2002)(表2)中所嚴格限制的鐵、錳、銅、鋅、砷等陽離子，硝酸鹽(以N計)、硫酸鹽(以SO2－4計)陰離子也遠低於國家Ⅱ類飲用水標準的限定值。唯有氯化物(以Cl－計)濃度在排采前期遠高於國家Ⅱ類飲用水標準，並隨著排采時間的增加而降低，柳林區塊煤層氣井產出水中氯化物的變化趨勢見圖2。
表2 國家Ⅱ類飲用水標準主要離子限定要求
可以發現，隨著排采時間的增加，煤層氣井產出水中氯離子濃度，由初期遠高於國家Ⅱ類飲用水標準，逐漸降低並向Ⅱ類飲用水標準接近，最後完全達到Ⅱ類飲用水標準。建立產出水中氯離子濃度與排采時間的關系模型，對於煤層氣井產出水的處理具有重要意義。本文利用回歸分析方法對氯離子濃度進行分析。
在應用回歸分析法時，壹般用Newton叠代法求解此正規方程組。也可以直接極小化殘差平方和，求出未知參數的非線性最小二乘估計值。在實際應用中，可以采用SPSS軟件直接求算(潘國營等，2002)。
圖7 MC-04井氯離子濃度與時間的關系
以MC-04井為例，采用SPSS軟件進行函數的計算和模型建立。初步判定氯離子濃度變化的模型為f(x)=b0bx1，隨機給定初值b0=1240，b1=0.95，經過13次叠代後收斂。從計算結果來看(圖7)，模型的相關系數R2=0.958，說明非線性回歸擬合效果較好。因而可以得到該井氯化物(以Cl計)濃度的變化模型為:f(x)=b0bx1=1774.6*0.991x。
同理可計算其余兩口井模擬計算數據，模型相關參數見表3。
表3 柳林區塊氯離子濃度排采動態模型參數
根據上述數學模型可以預測煤層氣井產出水水質達到國家標準所要求的時間(表3)，在這個時間點之前，產出水必須進行處理才能進行排放，否則會對周圍環境和地表水源產生汙染。
5 結論
通過對河東煤田柳林區塊煤層氣井產出水進行系統的跟蹤采樣分析，對產出水的水質變化規律進行研究，取得了以下主要的認識和成果:
1)各煤層氣井產出水的礦化度和氯離子、鈉離子濃度，均隨著排采時間的增長呈現由高到低的變化趨勢，而碳酸氫根離子的變化規律相反，呈現先低後高的特點。
2)煤層氣井產出水的水型呈現由Na-Cl水型向Na-Cl-HCO3水型、Na-HCO3-Cl水型或NaH-CO3水型變化的規律。
3)建立了氯離子濃度變化與排采時間的非線性回歸分析模型。采用該模型可以較好地預測氯離子濃度達到國家Ⅱ類飲用水標準所需的時間，為煤層氣井產出水的技術處理提供了參考依據。
參考文獻
地表水環境質量標準.2002.GB/3838
傅雪海，秦勇，韋重韜.2007.煤層氣地質學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，143～144
接銘訓.2010.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發前景［J］.天然氣工業，30:1～6+121
李忠城，唐書恒，王曉鋒等.2011.沁水盆地煤層氣井產出水化學特征與產能關系研究［J］.中國礦業大學學報，40(3):434～439
劉新社，席勝利，周煥順.2007.鄂爾多斯盆地東部上古生界煤層氣儲層特征［J］.煤田地質與勘探，35(1).37～40
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趙慶波等著.2006.煤層氣地質與勘探開發［M］.北京:石油工業出版社
周寶艷，傅雪海，秦勇等.2007.河東煤田水文地質條件與煤層氣的關系［A］.煤層氣勘探開發理論與實踐［C］.北京:石油工業出版社，70～77