沁水盆地煤層氣開發過程中地下水流場動態模擬研究

曾玲1 孫曉光2

1.山西省煤炭地質勘查研究院，山西太原 030006；2.中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西太原 036600

摘要：本文結合煤層氣生產的實際需要，針對沁水盆地部分地區產氣量小而產水量大這一突出問題，以柿莊區塊為重點研究區，通過水文地質條件分析、煤層氣產出水的水文地球化學特征研究，以及柿莊區塊煤層氣排采過程中水文地質模擬等方法手段，查明了研究區地下水系統的補給、徑流和排泄條件，煤層氣排采產出水的具體來源，模擬研究煤層氣排采的地下水動力場動態變化情況。①完成了沁水盆地區域水文地質條件特征研究，分析縱向上含水層組，并劃分了五套含水層組。②依據勘探與生產資料，分析柿莊區塊煤層上下主要含水層的縱向分布和橫向展布特征及主要含水層的補—徑—排關系，劃分地下水流動單元及流動系統。③依據收集勘探資料，分析重點研究區主要含水層水的化學特征；依據煤層氣井產水的補充采樣分析，查明柿莊區塊煤系地下水的水化學類型。④依據勘探資料、煤層氣井排采數據和計算的水文地質參數，采用MODFLOW軟件建立了柿莊區塊煤層氣井水量預測模型。

關鍵詞：沁水盆地；水文地質；水化學；煤層氣開發；數值模擬

我國煤層氣資源豐富，其中山西省煤層氣資源排在全國前列，經過多年的勘探開發，目前已經形成了沁水盆地中南部和鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產地[1]。但是尚有很多技術難題制約著煤層氣產業的發展，其中，煤層氣勘探開發過程中的水文地質問題成為制約煤層氣產業發展的一個重要因素。目前針對煤層氣的水文地質研究主要集中在水文地質條件對煤層氣勘探和開發兩方面的影響，煤層氣勘探過程中的水文地質問題研究較多，目前主要研究有：秦勇提出水動力弱的滯留區有利于煤層氣聚集；葉建平將地下水系統引入煤層氣吸附聚集機理的研究中，提出地下水主要通過地層壓力影響煤層氣的成藏。煤層氣開發過程中的水文地質研究較少，郭晨、秦勇等人發現不同煤層的水文地質條件存在差異，建立了基于水文地質信息的煤層氣開發評價因子；劉賀等人通過對沁水盆地南部水化學場的動態演化研究，發現溶解性總固體與產氣量有明顯的正相關關系。針對煤層氣井開發過程中的水文地質研究也較少，且研究主要集中在某一點，沒有形成一套系統的與煤層氣生產相適應的水文地質研究方法。復雜的水文地質問題嚴重制約了煤層氣產量的增加[2-4]。因此，本文以沁水盆地中南部為例，通過研究該區的水動力場、水化學場及排采過程中水文地質條件的動態檢測和模擬，試圖提出一套適合的研究方法[5-8]。

一、地質概況

沁水盆地位于山西省東南部，北以太原—盂縣一線以北為界，東南面為太行山所包圍，西以霍山為界，含煤面積約為31352km2[6]。作為重點研究區，柿莊區塊位于沁水盆地南部，地形上西北高，東南和東北低，西北部以方山—仙公山—雨井山—南公山—羊頭山一線為分水嶺，東北屬海河流域濁漳河水系，西南屬黃河流域沁河水系。柿莊區塊地層出露良好，主要為上二疊統上石盒子組和石千峰組，零星分布三疊系下統劉家溝組地層。第四系遍布山梁及溝谷。據鉆探資料，該區地層自上而下發育下古生界奧陶系上馬家溝組（O₂s）和組奧陶系峰峰組（O₂f），上古生界石炭系本溪組（C₂b）和太原組（C₃t），下二疊統山西組（P₁s）和下石盒子組（P₁x），上二疊統上石盒子組（P₂s）和石千峰組（P₂sh），下三疊統劉家溝組（T₁l），新生界第四系（Q）。按含水介質類型可將沁水盆地南部劃分為四大含水巖組，即松散巖類孔隙含水層組、碎屑巖類裂隙含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組。

二、煤層氣井產出水地球化學特征

本文收集了沁水盆地以往的煤田水文勘探資料。先將不同含水層的水化學類型進行對比（如表1所示）。為了整體分析各含水層主要離子濃度分布特征，本文以對數為縱坐標，毫克每升當量百分數為單位，繪制Schoeller圖（如圖1所示）。從圖1中可見，煤系地層地下水是溶濾作用所形成，在風化、水解及離子交換等作用下，砂巖中的Na+和K+被溶濾到水中，而Ca2+、Mg2+形成CaCO₃、MgCO₃沉淀析出，因此煤系地層地下水表現出深層地下水的水質特征，HCO3-、Na+占主要優勢，以HCO₃-Na型為主。奧灰含水層為含硫酸鹽碳酸鹽巖，其中方解石、白云石、石膏中的Ca2+、Mg2+、被溶解到水中，井田O₂f或O₂s層段中水交替條件或水徑流條件不好，水中、Ca2+占優勢。松散巖類孔隙水埋藏較淺，由于接受大氣降水補給，與地表循環交替快，表現出淺層地下水的水質特征，HCO3-、Ga2+占主要優勢，以HCO₃-Ca、HGO₃-Ca·Mg型為主。

表1 含水層主要水化學特征表

在前面分析的基礎上，先將不同含水層的水化學類型進行對比，并繪制Durov圖（如圖2所示）；再利用Durov將煤層氣井產出水的水化學類型和不同含水層的水進行比較，從而判別煤層氣井的產出水來源[9，10]。

據以往煤田勘探鉆孔采樣測試，煤系地下水的水化學類型為HCO₃-Na、HCO₃·Cl-Na，部分水樣受鉆井液污染，水化學類型為Cl-Na，或礦化度偏高。本次工作過程中，對柿莊區塊煤層氣井進行了采樣測試，共采集23口井的水樣。采樣點水化學類型均為HCO₃-Na、HCO₃·Cl-Na，主要來自煤系地層，說明煤層氣井在生產過程中并未溝通上下含水層。產出水以HCO₃-Na為主，礦化度低，表現出開放型含水系統的水化學特征。柿莊區塊產出水TDS值一般在600～1000mg/L，SX-001井產出水樣受壓裂液影響，TDS達2743mg/L。柿莊區塊產出水含量一般小于5mg/L，有5口井產出水含量在15mg/L以上，顯著高于區塊內的平均含量。分析煤層氣井位置，可以看出含量偏高的采樣點位置大多靠近斷層，可能存在溝通其他含水層組的情況。

圖1 各含水層水化學Schoeller圖

圖2 研究區水化學Durov圖

三、煤層氣排采流場數值模擬及產水量預測

（一）初始流場特征

本次研究收集整理了區塊內煤層氣參數井的初始動液面資料。為避免受到壓裂后孔內余壓的影響，本次采用排采恢復動液面標高，并在此基礎上編繪了初始動液面等值線圖（如圖3所示），即研究區的初始流場。斷裂構造對本區地下水徑流有著控制作用，相應的初始動液面標高也顯示出分區的特點。柿莊區塊地下水流場受構造控制分為三個區：東部緩坡帶（Ⅰ區）、中部褶皺帶（Ⅱ區）、西部緩坡帶（Ⅲ區）。

圖3 初始動液面等值線圖

東部緩坡帶（Ⅰ區）：以地下水為分水嶺，與Ⅱ區分割開來，東南邊緣初始動液面標高最高S-1井658.984m；東部初始動液面標高最低，X-15井548.313m，X-18井586.926m，東北部總體顯現由西向東徑流的特點。

中部褶皺帶（Ⅱ區）：柿莊北部由F3～F15、F16斷層控制，柿莊南部由寺頭斷層（F37）及其派生斷層分割，該區段的斷層發育、煤系含水層受斷層切割錯動，其完整性和連通性受到破壞，各斷塊之間水力聯系較弱，不同含水層組之間存在補排關系。動液面標高最高的S-2井679.279m，最低的N-2井動液面標高為585.578m，初始動液面標高在650m左右。

西部緩坡帶（Ⅲ區）：位于沁水復向斜軸部，東南及東部被斷層阻隔，地下水循環交替較慢，屬滯留區。現階段該區尚未投產，初始時動液面資料缺乏。

（二）柿莊區塊水文地質參數獲取

傳統水文地質勘探中，含水層的水文地質參數主要通過抽水試驗、水文地質測井獲得。煤層氣井結構、排采作業特點使得原有的傳統水文地質試驗測試方法并不適用，主要表現在以下幾方面：

1.抽水試驗測試段孔（井）身結構不同

傳統的水文勘探孔抽水試驗，均采用孔壁進水，直接測試含水層的水文地質參數，而煤層氣井是通過完井后對煤層射孔、壓裂，間接連通產水層。壓裂縫的擴展連通情況無法確定，含水層厚度無法確定，因而不能直接確定產水層的水文地質參數。

2.煤層氣產水層經過壓裂改造

沁水盆地中南部煤層微裂隙發育，但原始滲透性差，難以形成具有高導流能力的通道，必須進行壓裂改造。射孔壓裂改變了井孔周邊地層裂隙率，使地層滲透性發生很大改變，原有的通過水文地質測井獲取水文地質參數的方法也不再適用。

3.煤層氣井排采產水不完全符合傳統水文地質學中達西流態的要求

煤層氣井排采初期，壓降幅度較小，煤的微裂隙中吸附的甲烷氣體不會發生解吸，煤儲層中僅存在飽和水的單相流動，可采用傳統水文地質方法計算。隨著排采的進行，當井底壓力降低到煤層氣臨界解吸壓力以下時，氣體開始解吸產出，井流為氣、液兩相流，不能再采用傳統水文地質方法計算。

4.煤層氣井排采作業制度和動液面監測手段不能滿足抽水試驗的要求

煤層氣井排采設備和排采制度的要求，不能滿足穩定流或非穩定流抽水試驗要求，現有動液面觀測手段誤差較大。

根據煤層氣井結構及排采作業特點，結合對部分參數井資料的整理，本次研究采用排采過程中停泵后動液面恢復段的監測數據，采用承壓完整井非穩定流方法計算水文地質參數。含水層厚度采用煤層氣井壓裂厚度作為等效厚度計算。為避免煤層氣解吸附造成的氣液兩相流影響，選取壓降較小的試驗段進行計算。將求得的水文地質參數導入建立好的數學模型（如圖4所示）。

圖4 水文地質模型參數切片

（三）地下水流動模型構建過程及應用

在前期研究的基礎上，利用數值模擬法進行煤層氣排采流場模擬。首先，通過之前的水文地質條件研究，建立研究區的水文地質概念模型；其次，結合概念模型，依據滲流的連續性方程和達西定律，建立了與水文地質概念模型相對應的二維非穩定承壓水流地下水運動數學模型[12-14]；最后，進行數值模擬及預測。數值法的求解原理是利用分割原理，將建立的水文地質概念模型量化，主要是通過量化邊界條件以及含水層結構來構建所要模擬的水文地質模型，量化時要控制各節點的參數以及水位水量。地下水流動模型構建過程如圖5所示。本次建模利用Modflow軟件進行模擬[15-16]。

圖5 地下水流動模型構建過程

基于Visual Modflow所建立的柿莊區塊地下水動態滲流模擬模型，必須要經過反復擬合和參數調整，擬合主要是對所有擬合孔計算得到的水位與實際觀測水位進行對比，使其模擬計算水位接近實測水位，經過反復調參，模擬計算得到的地下水流場與實際地下水流場基本一致，說明模型符合研究區的水文地質條件，能夠用于地下水滲流和研究區產水量的模擬預測。

根據預測模型檢驗標準，反復調試模型的參數擬合地下水位，并模擬出各時段含水層地下水流場變化（如圖6所示）。從圖6中可以看出，模型運行第100天的流場和模型運行初期的流場相比較，總體變化不大，還是由研究區東南部向東北部和西南部排泄，局部流場略有變化。水位比模型運行初期略有下降，但下降幅度不大。模型運行200天流場和運行一年流場較運行100天流場，變化不大，水位下降約20m。

圖6 柿莊區塊水文地質動態模擬圖

四、結論

（1）完成了沁水盆地區域水文地質條件特征研究，分析了縱向上含水層組，可劃分為五套含水層組。

（2）依據勘探與生產資料，分析柿莊區塊煤層上下主要含水層的縱向分布和橫向展布特征，分析了主要含水層的補—徑—排關系，劃分地下水流動單元及流動系統圖。

（3）依據收集的勘探資料，分析了重點研究區主要含水層的水化學特征；依據煤層氣井產水的補充采樣分析，查明柿莊區塊煤系地下水的水化學類型。

（4）依據勘探資料、煤層氣井排采數據和計算的水文地質參數，采用Modflow軟件建立了柿莊區塊煤層氣井水量預測模型。

參考文獻

[1]劉思彤，鄭志紅，庚勐，焦建，高煖，吳家萍.沁水盆地煤層氣資源潛力及開發利用前景[J].中國礦業，2019，28（7）：37-43.

[2]郭晨，秦勇，盧玲玲.黔西紅梅井田煤層氣有序開發的水文地質條件[J].地球科學進展，2015，30（4）：456-464.

[3]郭晨，秦勇，易同生，高弟，洪愿進，雷波.黔西肥田區塊地下水動力條件與煤層氣有序開發[J].煤炭學報，2014，39（1）：115-123.

[4]夏鵬.西山煤田古交礦區煤層氣富集規律及產能主控因素研究[D].太原理工大學，2017.

[5]朱慶忠，王寧，張學英，姚華，楊延輝，鄒學學，王晶，孫曉波.煤層氣井單相水流擬穩態排采模型與應用效果分析[J].煤炭學報，2020，45（3）：1116-1124.

[6]廣山，柳迎紅，張苗，呂玉民.沁水盆地柿莊南區塊排采水特征及其對煤層氣富集的控制作用[J].天然氣地球科學，2017，28（7）：1115-1125.

[7]唐書恒，馬彩霞，袁煥章.華北地區石炭二疊系煤儲層水文地質條件[J].天然氣工業，2003，23（1）：32-35.

[8]陳躍，湯達禎，田霖，許浩，陶樹，李勇，郭樂樂.三交區塊水文地質條件對煤層氣富集高產控制作用[J].煤炭科學技術，2017，45（2）：162-167.

[9]劉賀，羅勇，雷坤超，孔祥如，趙龍，王新惠，齊鳴歡.煤層氣井產出水化學特征及水化學場動態演化規律[J].水文地質工程地質，2019，46（2）：92-99.

[10]衛明明，琚宜文.沁水盆地南部煤層氣田產出水地球化學特征及其來源[J].煤炭學報，2015，40（3）：629-635.

[11]毛得雷，康永尚，韓軍，等.韓城煤層氣田水文地質旋回對煤層氣的影響[J].煤炭學報，2012，37（S2）：390-394.

[12]傅雪海，秦勇，韋重韜.煤層氣地質學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007：107-108.

[13]孫紅福，趙峰華，張璐，等.重慶西部干旱區煤礦礦井水水質綜合評價[J].煤炭學報，2014，39（4）：736-743.

[14]曾玲，孫曉光，楊展，等.山西柿莊區塊煤層氣井產水量數值法預測[J].中國煤層氣，2016，13（5）：30-34.

[15]武強，董東林，武鋼，等.水資源評價的可視化專業軟件（Visusal Moldflow）與應用潛力[J].水文地質工程地質，1999（5）：21-23.

[16]李平，盧文喜，馬洪云，等.Visual MODFLOW在地下水數值模擬中的應用——以公主嶺市黃龍工業園水源地為例[J].工程勘察，2006（3）：24-27.

作者簡介：曾玲（1987—），女，漢族，山西太原人，工程師，研究生，畢業于中國石油大學（華東）。Tel：18636943546；E-mail：731914524@qq.com。