煤层气井出水特征
煤层气井产出水化学特征及水化学场动态演化规律
Vol．46No．2Mar．，2019水文地质工程地质HYDＲOGEOLOGY ＆ENGINEEＲING GEOLOGY 第46卷第2期2019年3月DOI ：10.16030/ki．issn．1000-3665．2019.02.13煤层气井产出水化学特征及水化学场动态演化规律刘贺，罗勇，雷坤超，孔祥如，赵龙，王新惠，齐鸣欢（北京市水文地质工程地质大队，北京100195）摘要：为查明煤层气井产出水的化学特征及水化学场动态演化规律，对沁水盆地南部多口煤层气井产出水进行连续长期的水化学场检测，通过对比3号和15号煤层产出水离子浓度的变化以及各离子之间、同位素的相关关系，发现3号和15号煤层产出水阳离子主要为Na ++K +，阴离子以HCO －3和Cl －为主，水化学类型均多为HCO 3·Cl —Na 型。
pH 范围为7.5 8.6。
溶解性总固体最小为1149.6mg /L ，最大达到3617.4mg /L 。
3号煤层产出水δD 平均为－80.7ɢ，δ18O 平均为－10.4ɢ，15号煤层气井产出水中δD 值平均为－83.6ɢ，而δ18O 值平均为－11.2ɢ。
由δD 和δ18O 之间的关系可以判断出两个煤层均受大气降水补给。
且随着埋深的变浅，δD 和δ18O 值显示出递增的趋势。
由煤层水和临近含水层水的离子成分以及δD 与δ18O 值对比，可以推测煤层的补给水源。
通过产气量与产水量分析，得出溶解性总固体与产气量有明显的正相关关系，这对于产能预测有重要意义。
关键词：煤层气井；产出水；水化学场；动态演化中图分类号：P641.4+2文献标识码：A 文章编号：1000-3665（2019）02-0092-08收稿日期：2018-04-10；修订日期：2018-07-14第一作者：刘贺（1989-），男，工程师，主要从事地面沉降和地裂缝调查、监测和防治研究，水文地质工程地质研究。
E-mail ：liurher@Hydrochemical characteristics and dynamic evolution of hydrochemicalfield for the produced water of CBM wellsLIU He ，LUO Yong ，LEI Kunchao ，KONG Xiangru ，ZHAO Long ，WANG Xinhui ，QI Minghuan（Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing ，Beijing 100195，China ）Abstract ：Continuous long-term hydrochemical field detection is carried out to the produced water from coal bed methane （CBM ）wells in the southern Qinshui Basin.The chemical characteristics and dynamic evolution of hydrochemical field for produced water of CBM wells are summarized.For the produced water from the 3#and 15#coalbeds ，Na ++K +are the main cations and HCO －3and Cl －are the main anions.The hydrochemical type is mainly of HCO 3－Cl －Na type.The pH value ranges from 7.5to 8.6and the salinity ，from 1149.6mg /L to 3617.4mg /L.For the 3#coalbed produced water ，the average δD is about －80.7ɢ，and δ18O ，－10.4ɢ.For the 15#coal bed produced water ，the average δD is about －83.6ɢ，and δ18O ，－11.2ɢ.The relation between δD and δ18O indicate that the groundwater from the two coalbeds is of meteoric origin.The values of δD and δ18O decrease with the increasing buried depth.We can determine the supplying aquifer of the coalbed through comparing the ion compositions and the values of δD and δ18O between the coalbed water and its adjacent groundwater.There is a positive correlation between the salinity and gas production via analysising the gas production and water yield.The results are of great significance in the prediction of gas production.Keywords ：coalbed methane well ；produced water ；hydrochemical field ；dynamic evolution第2期水文地质工程地质·93·煤层气是一种非常规天然气，气体一般呈吸附态赋存在煤孔隙表面。
煤层气扩散与渗流特性
第四章煤层是多孔介质，煤层气穿过煤层孔隙介质的流动机制可以描述为三个过程，即：由于压力降低使气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸；穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由于在基质与裂隙间存在的浓度差引起的；在压力差作用下以达西流的方式在裂隙中渗流。
这三种作用是一个互为前提并且连续进行的统一过程，不能割裂开来单独进行。
第一节主要内容：一、煤层气扩散特征：气体穿过煤基质和微孔的扩散流动时由于体积扩散（分子与分子间的相互作用）、克努森扩散（分子与孔壁间的相互作用）和表面扩散（吸附的类液体状甲烷薄膜沿微孔隙壁的转移）共同作用的结果。
当孔隙直径大于气体分子的平均自由运动路程时，以体积扩散为主；当孔隙相对于气体分子的平均自由运动路程较小时，以克努森扩散为主。
各种类型的扩散流动都是气体随机运动的结果。
二、煤层扩散性影响因素从气体的流动特征来考察煤层扩散性的影响因素。
煤是一种双孔隙介质，气体在裂隙（割理）系统中为达西流，在煤基质块中为扩散流。
扩散系数是物质的一种传递性质，其值受温度、压力、混合物中组分浓度的影响，同一组分在不同的混合物中其扩散系数也不一样。
扩散系数的值越大，扩散性越好。
扩散系数和形状因子的测定是相当困难的，从实用的角度，一般可用吸附时间来近似的表示扩散作用进行的快慢。
吸附时间是一个特征时间。
其确切的物理意义为：总吸附气量（包括残留气）的63.2%被解吸出来所需的时间。
吸附时间是表征气体从煤基质中解吸出来快慢的定量指标，可作为表征气体从储层中扩散出来快慢的近似指标。
第二节主要内容：一、煤层气渗流特征：一般认为，在中孔（直径大于100nm）以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗流，并且可能存在两种方式，即层流和紊流。
二、煤层渗透性影响因素煤层是一种典型的双重孔隙介质，包括基质孔隙和割理两个系统。
由于基质孔隙平均直径通常很小，渗透率很低，为10-9~10-12m2，可视为零；而割理的渗透率一般在0.1×10-3~50×10-3m2之间。
煤层气井产出水化学特征及水化学场动态演化规律
煤层气井产出水化学特征及水化学场动态演化规律刘贺;罗勇;雷坤超;孔祥如;赵龙;王新惠;齐鸣欢【摘要】为查明煤层气井产出水的化学特征及水化学场动态演化规律,对沁水盆地南部多口煤层气井产出水进行连续长期的水化学场检测,通过对比3号和15号煤层产出水离子浓度的变化以及各离子之间、同位素的相关关系,发现3号和15号煤层产出水阳离子主要为Na++K+,阴离子以HcO;和C1-为主,水化学类型均多为HCO3·C1—Na型.pH范围为7.5 ～8.6.溶解性总固体最小为1 149.6 mg/L,最大达到3 617.4 mg/L.3号煤层产出水δD平均为-80.7％,δ18O平均为-10.4％,15号煤层气井产出水中δD值平均为-83.6％,而δ18O值平均为-11.2％.由δD和δ18O之间的关系可以判断出两个煤层均受大气降水补给.且随着埋深的变浅,δD和δ18O值显示出递增的趋势.由煤层水和临近含水层水的离子成分以及δD与δ18O 值对比,可以推测煤层的补给水源.通过产气量与产水量分析,得出溶解性总固体与产气量有明显的正相关关系,这对于产能预测有重要意义.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2019(046)002【总页数】8页(P92-99)【关键词】煤层气井;产出水;水化学场;动态演化【作者】刘贺;罗勇;雷坤超;孔祥如;赵龙;王新惠;齐鸣欢【作者单位】北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;北京市水文地质工程地质大队,北京 100195【正文语种】中文【中图分类】P641.4+2煤层气是一种非常规天然气，气体一般呈吸附态赋存在煤孔隙表面。
煤层气井产出水来源判别方法概述
３ ． １多元统 计 法
受周 围环 境 的影 响 ， 不 同含 水 层 的水 位 、 水温 都会出现一定程度的差别 ， 发生突水时 ， 相应含水 层的水位也会发生明显变化。将突水水源处与各
含水层长期监测孔的水质、 水位、 水温数据对比分 析， 可以初步对矿井涌水水源做出判别。水温 、 水 位判别法虽然操作简单 ， 但受 自身原理的限制 ， 只 适合于水文地质条件比较简单的单层突水 Ｊ 。
２水化 学 分析
受 含水 层 的 沉积 期 、 地层 岩 性 、 地质 历 史 发展 过程和地球化学环境等 因素的影 响， 地下水在形 成和赋存过程 中， 不断 与周围介质发生相互作用 ， 因此储存在不 同含水层中地下水化学成分有明显
的差异 。
水 化学 分析 法就是 将 出水 点 的水 学 分 特征 与 各含水层水化学特征进行对 比研究 ， 从而来判断 突水来源位置的一种方法 ， 其主 要包括常规水化 学分析法和同位素分析法。 常规水化学法在矿井突水及煤层气井产出水 来源判别中的应用较多 ， 它主 要以地下水的特征 离子 、 水化学类型 、 离子组合及其比值等作为判别 依据 ， 这种方法适合判别含水层水质差异较大 ， 水
题 。
基于模糊数学的分析方法主要有 了模糊相似 比、 最大贴近度法 、 模糊综合评判法 。 （ １ ） 模糊相似比法和最大 贴近 度法。模糊相 似比法的基本步骤为 ： ① 分别选择待测样 品和各 含水层水样品中的离子值作为固定因子和影响因
作者简介 ： 王效邦（ １ ９ ９ ｏ 一 ） ， 男， 河南新 乡市人 ， 河南理 工大 学在读 研究 生 ， 研 究方 向为水 文地 质 、 工程 地质 及灾 害地
３基于 数学 理论 分析
煤层气采出水处理技术分析汇报
对水质要求较高 全盐量≤2000 ppm，接纳水体有足够的 稀释能力，排放时需连续监测 占地面积大、对地形要求高、存在渗漏 等环保问题 寻找合适的地层较为困难，对目标地层 的构造稳定性、隔水性、空隙结构、渗 透性、容纳能力、回注压力、回注水质 均有要求，条件较为苛刻且且会扰乱自 然状态下的地下水分布，费用较高
后清亮透明，与煤矿抽排水无本质不同。在煤层气勘探开发的钻探、钻完 井储层改造和生产三个阶段，采出水质的影响因素有所不同，具体水质特
点如下：
影响采出水水质因素 钻探 钻完井 储层改造 生产 钻井液（膨润土、氢氧化钠等） 压裂液（稠化剂、交联剂、PH调节剂、杀菌剂、粘土稳 定剂、破乳剂、助排剂、破胶剂、降滤剂等11大类20余 种化学物质） 地层水（钙、镁、钠、氯化物、硫酸盐、 碳酸氢盐等） 超标因子 悬浮物、COD、石油类
15 200 100 6 4 0.5 2 0.5 70 100 30
7.3-20 22-85 10-28 17-52.86 0.21-1.74 0-0.02
六价铬
总铬 阴离子表面活性剂 石油类 氟化物
0.1
0.5
1.5
0.5
1.5 5
0-0.027
0-0.17
8 10 2 10 10
10 10 0-1.14
二、山西某煤层气田采出水现状
6. 保德区块水质分析结论
（3）氯化物超《农田》标准最多，通过连续跟踪分析，采样前期Cl-浓度 值较高，原因可能是前期作业时压裂液等中氯化钾含量较高造成。随后氯离子 浓度值随时间呈现出下降趋势，其原因可能是由于地层水中残留的钻井液、泥 浆、压裂液等诸多污染物随着排采过程而逐渐排除造成的。2012年中国地质大 学和吐哈油田对沁水盆地中联煤枣园区块8口井进行分析也得出类似结论。 另外，该区块全盐量（矿化度）组分中的阳离子以钾离子和钠离子为主 （与晋城煤层气采出水较为类似），且全盐量（矿化度）分布呈现北部高、南 部低的趋势，一方面北部矿化度高说明本地区地下水交替弱，具有深层循环、 封盖良好的承压水特征，有利于煤层气的保存，与该区块目前的产气情况相符。
煤层气钻井液特点探析
术的研究不够重视 。基 于煤层气地质特点和钻井技 术，探 讨适宜于煤层气钻井的钻 井液性能要求和体 系以避 免
可 能遇到的复杂情 况；简述煤层气钻井液技术 的应 用前景 ，展望 了几类新 型煤层 气储层钻井液发展趋势。 关键 词 ：煤 层 气 ；钻 井液 ；特 点探 讨
中图分类号 ：ＴＳ３２
第 ４７ＥＬＬ ＡＮＤ ＲＯＣＫ ＳＡＬＴ
煤层气钻井液特点探析
尹邦 勇 ．董 正 亮 ．刘加 杰
（四川盐业地质钻井大队 ，四川 自贡 ６４３ｏｏｏ）
摘 要：煤层 气钻 井具有气层 埋藏较 浅、井身结构相对 简单、作 业周期短 的特 点．施工单位 普遍 对钻 井液技
工 艺 技 术 并 保 证 安 全 钻 井 ：钻 井 液 技 术 及 其 储 层 保 护技术 必须 考虑 到后期 完井 开发 ２．１ 煤 层 气 地 质 特 点
钻 遇地 层 的地 质 特 征 是 钻 井 液 的 主 要 作 用 对 象 ，也 是 优 选 合 理 的 钻 井 液 技 术 措 施 的 重 要 依 据 。 与 常规 天然 气 矿藏 相 比 ，煤层 气 地质 有 以下 特 点 ： （１）埋 藏 较 浅 。 煤 层 气 埋 深 一 般 在 ２０００ ｉｎ以 内 ，我 国 中 高 煤 阶 煤 层 气 主 要 赋 存 于 斜 坡 带 中 部 构 造 的 饱 和 吸 附带 ，一 般 埋 深 在 １００～１２００ ＩＴＩ。埋 藏 越 深 ，受 上 层 岩 石 的 压 实 作 用 ，煤 层 渗 透 率 急 剧 降 低 ，钻 井 和 开采 难度增 大 。我 国晋城 、吉 县地 区开发 效果 较好 ， 大 多 在 １１００ ＩＴＩ以 内 的 浅 层 区 域 【２１。 由 于煤 层 埋 深 较 浅 。钻 井 液 密 度 不 会 太 高 ，一 般 在 １．１ ｇ／ｃｍ 左 右 ；井 温一 般不会 太高 ，不需要 抗温 性处 理 ；液柱 压力较 小 ．对 滤 饼 的 压 实 能 力 不 足 ，难 以形 成 致 密 滤 饼 而 造 成 失水较 大 ，易导致 井壁 失稳 和滤液 伤害 产层 ；（２） 上 部 地 层 岩 性 不 均 质 性 。产 层 上 部 结 构 疏 松 、不 成 岩 或 成 岩 性 差 、倾 角 大 、岩 性 不 均 、软 硬 地 层 交 错 频 繁 ， 主 要 岩 ｌ生为 泥 岩 、砂 岩 、泥 质 砂 岩 、砂 质 泥 岩 、偶 有 沙 砾 岩 和 玄 武 岩 等 。钻 井 上 需 注 意 稳 斜 纠 斜 ，泥 浆 上要 注意预 防漏失 和井壁失 稳 ，以及抑 制造 浆等 。此 外 ，
煤层气井水和瓦斯突出的机理研究
煤层气井水和瓦斯突出的机理研究煤层气是一种重要的能源资源，其开采对于满足能源需求具有重要意义。
然而，在煤层气开采中，常常会遇到水和瓦斯突出等安全问题，严重威胁到矿工的生命财产安全。
因此，煤层气井水和瓦斯突出的机理研究具有重大的理论和实际意义。
煤层气井水和瓦斯突出的机理主要与煤层的水文地质条件、矿井压力变化和煤层气释放特性有关。
首先，水文地质条件对煤层气井水和瓦斯突出起着决定性作用。
煤层中的水主要来源于天然降水和地下水。
在煤层气开采过程中，矿井中的水压力会发生变化，当水压力超过煤层孔隙水的温度和压力条件时，煤层中的水将释放出来，并通过煤层气井流入井筒。
这种现象被称为煤层气井水突出。
水突出不仅会导致井筒堵塞，还会带来巨大的水力压力，对矿工的生命安全造成威胁。
其次，煤层气井瓦斯突出是煤层中高压瓦斯释放的过程。
随着煤层气开采的进行，煤层中的瓦斯压力逐渐增大。
当开采压力超过煤层瓦斯压力时，瓦斯将快速释放，导致瓦斯井水突出现象，极易引发瓦斯爆炸事故。
因此，瓦斯突出的机理研究对于预防和控制瓦斯事故、保障矿工安全具有重要意义。
为了深入了解煤层气井水和瓦斯突出的机理，研究人员采取了多种手段和方法。
首先，通过区域地质调查和矿井勘探，获取煤层气和水的分布情况，对煤层水文地质条件进行分析。
煤层的孔隙结构、孔隙度、渗透率等参数会对井水突出的发生起着重要影响。
通过对不同煤层的水文地质条件进行比较研究，可以揭示煤层中水的运移和分布规律。
其次，通过现场实验和数值模拟，模拟煤层气开采过程中的井水和瓦斯突出现象。
实验可以在控制条件下对井水和瓦斯突出进行模拟，研究其发生的机理和规律。
数值模拟则可以基于煤层气开采的相关理论，通过建立数学模型，模拟井水和瓦斯在煤层中的运移过程，预测突出的发生概率和规模。
这些研究方法可以为煤层气开采过程的安全控制提供有力的理论依据。
此外，研究人员还采取了现场监测和数据分析的方法，通过对实际矿井的监测与分析，获取井水和瓦斯突出的相关数据。
沁水盆地潘庄区煤层气井产出水水质分析
沁水盆地潘庄区煤层气井产出水水质分析【摘要】本文以沁水盆地的潘庄地区煤层气井产出水的测试数据为依据，利用统计对比方法，以排采时间为主线，对多口井的水质及水型的动态变化规律加以研究分析，得出煤层气井排采112天以后至排采383天之间的产出水水质变化规律：矿化度及各离子浓度大体上呈现下降或者基本稳定的规律，水型在Na-HCO3-Cl型之后并有逐渐向稳定的Na-HCO3型变化的趋势，稳定的产出水的水质水型基本接近该区的地层水水质情况。
【关键词】沁水盆地；潘庄；产出水；矿化度；离子浓度；动态变化规律Quality Ａnalysis of Ｗater Ｐroduced Ｆrom CBM Ｗells of Panzhuang Ｄistrict in Qinshui ＢasinJIAN Xiao-fei TANG Shu-heng SHAN Shuai-qiang WU Ming-hao LIU Bo-qing TANG Hao（School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing，100083，China）【Abstract】Based on the analysis of water produced from the coalbed methane (CBM) wells of Panzhuang district in Qinshui basin, the variation of chemical composition of the water, which was produced from 112 days to 382 days ,was studied by the statistical and antithesis method. It is argued that TDS and different ions concentration presented slowly drop or stable ,and that the water type changed from Na-HCO3-Cl to Na-HCO3 then kept stable, which was similar to the chemical composition of water in that district.【Key words】Qinshui basin；Panzhuang；Ｐroduced water；TDS；Ｉon concentration；Ｄynamic change law０引言我国拥有丰富的煤层气资源，根据国际能源机构（IEA）统计，我国煤层气资源量居世界第三。
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煤层气井出水
截至2010年底，全国累计完成煤层气（煤矿瓦斯）抽采量为88亿立方米，但利用量仅为36亿立方米（地面14.5亿立方米和井下73.5亿立方米），抽采和利用率均较"十一五"规划目标差距较大。
而按照规划，到2010年底，全国煤层气抽采量应达100亿立方米，利用量达80亿立方米。
2011年，煤层气（煤矿瓦斯）抽采量115亿立方米，利用量53亿立方米，同比分别增加36.7%和51.4%。
其中，井下瓦斯抽采量92亿立方米，利用量35亿立方米，同比增加22.7%和52.2%；地面煤层气产量23亿立方米，利用量18亿立方米，同比增加54.7%和47.5%。
2012年全国煤层气产量125亿立方米，利用总量52亿立方米，不足国内天然气利用量的4%，且未完成产量155亿、利用量80亿的年度目标.
1根据国外煤层气长期开发的成功经验，煤层气的排采生产过程一般分为3 个阶段a. 排水降压阶段生产初期阶段，需进行大量排水，使煤储层压力下降。
当储层压力下降到临界解吸压力以下，气体才能开始产出。
这一阶段所需的时间，取决于煤层气地质条件和储层特征等因，当地质储层条件相同时，则取决于排水速度。
b. 稳产阶段随着排水的继续，气产量逐渐上升并趋于稳定，出现产气高峰，水产量则逐渐下降。
该阶段持续时间长短取决于煤层气资源丰度和储层的渗透性特征。
c. 产量递减阶段当大量气体已经产出，煤基质中解吸的气体开始逐渐减少，尽管排水作业仍在继续，气产量和水产量都在不断下降，该阶段延长的时间较长，可达10 a 之久。
2.压裂工程对地下含水层的影响
煤层气井增产强化工程主要包括射孔和水力压裂两部分，压裂作业是最有可能对地下水造成影响的环节。
由煤层气产出机理和开发工程分析可知，压裂在近井地带形成一条高导流能力的裂缝，为煤层水和煤层气提供一条顺畅的通道，加速排水降压及煤层气的产出。
煤层气压裂主要是使裂缝沿煤层延伸，以保证最大泄流面积及最大产气效果。
垂向上，煤层气井压裂缝在目标煤层附近的区域产生一定的高度，从而造成煤层顶板含水层的破坏；横向上，由于煤层气井的服务年限一般较长，长期排采会导致目标煤层中的水大量产出。
在构造或水文地质条件较复杂的地区，压裂作业可能会以各种方式影响目标煤层附近的地层，导致煤层气井排采时对邻近地层的含水性造成一定程度的影响。
3 山西沁水盆地南部太原组煤储层产出水氢氧同位素特征
所采集的地表水15号煤层顶板灰岩水、煤层气井排出水和15号煤层水的氢氧同位素数据均分布在我国大气降水线附近, 氢氧同位素组成也均在我国大气降水的氢氧同位素组成范围内。
说明地表水、煤层顶板灰岩水、煤层气井排出水和15号煤层水的原始来源均为大气降水, 受大气降水补给。
排采15号煤的煤层气井排出水是煤层水和煤层顶板灰岩水的混合水。
15号煤储层和顶板灰岩之间存在较强的水力联系,煤层在排水过程中接受灰岩水的大量补给。