枣园区块煤层气井产出水化学特征及动态变化规律.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) Abstract: The produced water from CBM well in Zaoyuan block of Qinshui CBM field is characteriaed by high salinity and high mineralization. direct discharge may damage the ecologic environments. Based on the continuous tracking collection of the produced water samples of CBM wells and the systematically testing 25 physical and chemical parameters, 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 bicarbonate ion changes conversely with the trend from low to high. The water changes from ClNa type to Cl HCO3Na type and HCO3ClNa type. The cations are mainly K+ and Na+ ions, and there is no obvious domi- nant anions, 3 HCOand Cl values are close 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. Key words: CBM wells; produced water; water quality; dynamic change; Zaoyuan block 自 20 世纪 90 年代中国开始进行煤层气资源勘 探和地面开发试验以来，沁水盆地南部地区始终是 我国煤层气勘探工作的重中之重1-4。但沁水煤层气 田枣园区块煤层气井产出水具有高盐度、高矿化度 的特点，直接排放可能会造成生态环境的破坏。开 展煤层气井产出水特征及动态变化规律研究，将为 建立合理有效的产出水处理技术提供依据。 本文以沁水煤层气田枣园区块 MB 井组为基 础，选取了 MB-01、MB-02、MB-03、MB-04 共 4 口井为对象，进行连续跟踪取样，开展了包括矿化 度、钾钠离子、钙离子、镁离子、氯离子、碳酸氢 根离子、 硫酸根离子等在内的 25 项物理化学参数的 系统测试，分析了其变化规律。 1 地质背景 沁水煤层气田枣园区块，面积 51.46 km2，位于 第 1 期 朱卫平等: 枣园区块煤层气井产出水化学特征及动态变化规律 73 山西省东南部。枣园区块处于沁水盆地南部向西北 倾的斜坡带上，总体为一走向北北东、倾向北西西 的单斜构造，地层平缓，煤层分布稳定，伴生少量 隐伏的小断层，总体来讲地质构造较简单。 区块内主要含煤地层为石炭系上统太原组(C3t) 和二叠系下统山西组(P1s)，主要可采煤层气煤层为 山西组 3 号和太原组 15 号煤层5-9。 2 产出水离子变化规律 2.1 矿化度变化规律 根据化验所得到的矿化度数据， 其数值较高， 最 高值接近 5 700 mg/L，最小值也在 1 000 mg/L 以上。 MB 井组在排采初期即取样化验，除 MB-01 井之 外，其余 3 口井的变化趋势一致，排采前三个月矿化 度数值明显下降，随后处于缓慢下降的变化过程，变 化斜率基本相似。 MB 井组 4 口井在排采初期矿化度值 比较接近，介于 3 5004 500 mg/L；其中 MB-01 井排 采首月与其他 3 井一样，离子浓度下降，之后显著上 升并维持了 30 d 左右，排采到第 90 d 时，其矿化度值 迅速下降至其余 3 口井的水平且变化趋势相同(图 1)。 图 1 MB 井组煤层气井产出水矿化度变化趋势 Fig.1 The salinity variation tendency of produced water from MB well group 2.2 氯离子变化规律 由图 2 可以看出，除 MB-01 井外，其余 3 口井产 出的水氯离子浓度变化趋势相同，在前三个月浓度急 剧下降， 之后趋于平稳下降的过程。 在排采达到 100 d 左右时，有2 口井的氯离子浓度均值下降到500 mg/L 之 下。在排采到第 140 d 左右，MB-03 井氯离子浓度下 降到了 200 mg/L 之下。MB-01 井氯离子浓度与其矿 化度变化趋势一样，首月明显下降，之后迅速上升至 较高值，并维持了约1 月，之后突然下降至与其余3 口 井相近的数值区，但数值比其余 3 口井稍高。 2.3 3 HCO 变化规律 由图 3 可以看出， MB 井组 4 口井产出水 3 HCO 离子浓度变化趋势相同，在排采初期均较低，只有 图 2 MB 井组煤层气井产出水氯离子变化趋势 Fig.2 The variation tendency of chloridion of produced water from MB well group 图 3 MB 井组煤层气井产出水 3 HCO变化趋势 Fig.3 The variation tendency of 3 HCO of produced water from MB well group 240 mg/L 左右，最高值也只有 500 mg/L，而后趋于 逐步上升的过程，期间个别点出现小幅降低。在排 采达到 130 d 左右时，3 口井的 3 HCO离子浓度均值 在 450600 mg/L，最高值超过 800 mg/L。 2.4 Na+变化规律 剔除 MB-01 井第 3 和第 4 个数据点外，4 口井 产出水 Na+离子浓度变化趋势相同(图 4)，排采初期 均较高，在 1 0001 300 mg/L，之后逐步下降，排 采前三个月下降趋势比较明显，中期之后下降幅度 较小，处于一个比较平稳的状态。在排采达到 130 d 左右时， 4 口井的 Na+离子浓度均值在 300800 mg/L。 图 4 MB 井组煤层气井产出水钠离子变化趋势 Fig.4 The variation tendency of sodion of produced water from MB well group 74 煤田地质与勘探 第 43 卷 2.5 其他离子变化规律 其他离子主要是钙、镁离子和硫酸根离子。其 变化规律为：钙、镁离子，4 口井化验得出的钙镁 离子浓度均较低，一般小于 14 mg/L；硫酸根离子， 4 口井化验得出的硫酸根离子浓度均较低，一般小 于 35 mg/L。 3 水型动态变化规律 MB 井组中 MB-03、 MB-04 井前期呈现为 Na Cl 水型，中期为 ClHCO3Na 水型，后期呈现为 HCO3ClNa 水型；MB-01 井主要呈现为 ClNa 水型；MB-02 井排采初期呈现为 ClNa 水型，后 期为 ClHCO3Na 水型。柿庄南 4 口井阳离子主要 为 K+Na+离子，而阴离子主要是 Cl，只有 MB-03、 MB-04 井 3 HCO和 Cl值较为接近。 本文以时间为主线，MB 井组的水型整体变化 情况由 Aquachem 软件中的 Stiff 图形可以清晰地体现 出来。 在排采初期， MB 井组水型表现为 NaCl 水型， Aquachem 软件中的 Stiff 图呈上宽下窄的漏斗状，如 图 5a 所示， 这一阶段的持续时间一般为 46 个月； 在 排采的中期， MB 井组块水型表现为 ClHCO3Na 水 型或者 HCO3ClNa，Stiff 图形如图 5b、5c 所示， 这一阶段的持续时间大约为 68 个月；在排采的中后 期，水型以 NaHCO3或 ClHCO3Na 为主。 Aquachem 软件中的 Stiff 图形呈图 5d 所示形状。 图 5 MB 井组煤层气井产出水化学成分 Aquachem 软件 Stiff 图形 Fig.5 The stiff graph of chemical composition of produced water from MB wells 4 氯离子浓度排采动态变化模型 枣园区块煤层气产出水物理性质见表 1。但是， 由于钻井液的影响10，开采初期具有较高的矿化度 和盐度，为了保护环境，本文以国家类地表水标 准11为参照(表 2)， 进行煤层气井产出水的水质变化 分析。 表 1 2010 年 7 月枣园区块煤层气井产出水的物理性质 Table 1 Physical property of produced water of CBM wells in Zaoyuan block, July, 2010 井 号 指标 MB-01 MB-02 MB-03 MB-04 气 味 无 无 无 无 口 味微咸 无 无 无 色 度 无 无 无 无 透明度透明 透明 透明 透明 浑浊度 无 无 无 无 悬浮物 无 无 无 无 表 2 国家类地表水水标准主要离子限定要求 Table 2 The restriction for major ions under national drinking water standard 离子 标准值 /(mgL1) 离子 标准值 /(mgL1 ) 硫酸盐(以 2 4 SO 计) 250 锰 0.1 氯化物(以Cl-计) 250 铜 0.06 硝酸盐(以N计) 10 锌 0.05 铁 0.3 砷 0.03 枣园区块煤层气井产出水经水质化验显示，不 含国家类地表水标准中所严格要求的铁、锰、铜、 锌、砷等阳离子，标准中严格要求的阴离子硝酸盐 (以 N 计)、硫酸盐(以 2 4 SO 计)远低于国家类地表 水标准的限定值。唯有氯化物(以 Cl计)浓度在排采 前期远高于国家类地表水标准，并随着排采时间 的增加而降低，枣园区块煤层气井产出水中氯化物 的变化趋势见图 2。 可以发现，随着排采时间的增加，枣园区块 煤层气井产出水中氯离子浓度，由初期远高于国 家类地表水标准，逐渐降低并向类地表水标 准接近，最后完全达到类饮用水标准。因此， 建立起煤层气井产出水中氯离子浓度与排采时间 的关系模型，对于煤层气井产出水的处理具有重 要意义。 本文利用回归分析方法对氯离子浓度进行分 析。回归分析法是以统计回归概念为基础，采用多 种类型的回归方法建立预测方程。它不仅可以提供 变量之间相互关系的数学表达式，而且还可以利用 概率统计知识对此关系进行分析， 以判别其有效性； 还可以利用关系式，由一个或多个变量值，预测和 控制另一个因变量的取值，进一步可以知道这种预 测和控制达到了何种程度，并进行因素分析12。在 第 1 期 朱卫平等: 枣园区块煤层气井产出水化学特征及动态变化规律 75 应用回归分析法时，一般用 Newton 迭代法求解此 正规方程组。也可以直接极小化残差平方和，求出 未知参数的非线性最小二乘估计值。在实际应 用中， 可以采用 SPSS 软件直接求出未知参数的非 线性最小二乘估计值 13。 根据回归分析方法的原 理，以 MB-03 为例，采用 SPSS 软件来进行函数的 计算和模型建立。初步判定氯离子浓度变化的模型 为 f(x)=b0b1x，随机给定初值 b0=2 420，b1=0.99，经 过 14 次迭代后收敛。从计算结果来看(图 6)，模型 的相关系数 R2=0.94，说明非线性回归拟合效果较 好。因而可以得到该井氯化物(以 Cl计)浓度的变化 模型为： f(x)= b0b1x=32060.973x 同理，可计算其余 3 口井模拟计算数据，模型 相关参数见表 3。 根据上述数学模型可以预测煤层气井产出水水 质达到国家标准所要求的时间(表 3)， 在这个时间点 之前，产出水必须进行处理才能进行排放，否则会 对周围环境和地表水源产生污染。 图 6 MB-03 井氯离子浓度与时间的关系 Fig.6 The relation between concentration of chloridion and production time from well MB-03 表 3 枣园区块氯离子浓度排采动态模型参数 Table 3 The parameters in production dynamic model of chloridion concentration in Zaoyuan area b0 b1 R2 排采达标时间/d MB-01 2 429 0.993 0.939 325 MB-02 2 855 0.988 0.899 262 MB-03 3 206 0.973 0.940 94 MB-04 3 268 0.989 0.923 257 5 结 论 a. 各煤层气井产出水的矿化度和氯离子、钠离 子浓度，均随着排采时间的增长呈现由高到低的变 化趋势，而碳酸氢根离子的变化规律相反，呈现先 低后高的特点。 b. 水型呈现由 ClNa 水型向 ClHCO3Na 水 型、 HCO3ClNa水型或HCO3Na水型变化的规律。 c. 建立了氯离子浓度变化与排采时间的非线 性回归分析模型。采用该模型可以较好地预测氯离 子浓度达到国家类饮用水标准所需的时间，为煤 层气井产出水的技术处理提供了参考依据。 参考文献 1 赵庆波， 田文广. 中国煤层气勘探开发成果与认识J. 天然气 工业，2008，28(3)：1618. 2 高远文， 姚艳斌. 我国煤层气产业现状及开发模式探讨J. 资 源管理，2008，10(2)：9092. 3 赵生才中国天然气资源与发展战略J. 天然气地球科学， 2005，16(4)：144148. 4 巣李景明，海燕，李小军，等. 中国煤层气资源特点及开发对 策J. 天然气工业，2009，29(4)：914. 5 周宝艳，傅雪海，秦勇，等. 河东煤田水文地质条件与煤层气 的关系C/煤层气勘探开发理论与实践. 北京： 石油工业出版 社，2007：7077. 6 接铭训. 鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发前景J. 天然气 工业，2010，30(6)：16. 7 赵庆波. 煤层气地质与勘探开发M. 北京： 石油工业出版社， 2006. 8 刘新社， 席胜利， 周焕顺. 鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气 储层特征J. 煤田地质与勘探， 2007，35(1)：3740. 9 傅雪海，秦勇，韦重韬. 煤层气地质学M. 徐州：中国矿业 大学出版社，2007：143144. 10 李忠城，唐书恒，王晓锋，等. 沁水盆地煤层气井产出水化学 特征与产能关系研究J. 中国矿业大学学报，2011，40(3)： 434439. 11 国家环境保护总局. GB38382002地表水环境质量标准S. 北京：中国环境出版社，2003. 12 何晓群，刘文卿. 应用回归分析M. 北京：中国人民大学出 版社，2007. 13 朱卫平，唐书恒，王晓锋，煤层气井产出水中离子浓度变化 的预测模型研究J. 煤田地质与勘探，2012，40(5)：3436. (责任编辑 张宏)