摘　要：地层水的化学组成反映地下水交替和径流特征，对煤层气的富集条件具有一定的指示作用。以山西省保德地区煤层气井产出水测试数据为依据，系统研究了该区煤层气井产出水的离子组成、pH值、矿化度分布及氘氧同位素组成等特征。结果表明：①该区煤层气井产出水呈弱碱性，北部产出水以K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量较低，SO4^2-含量极少，而东南部产出水Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-则相对富集；②产出水的dDH2O和d¹⁸OH2O值均分布在鄂尔多斯盆地大气降水线之下，表明存在地表水的渗入；③地层水矿化度由东向西、由南向北逐渐增加。在此基础上，分析了该区地下水的动力环境及其控气作用。结论认为：东南部靠近补给区，水动力条件活跃，不利于煤层气的保存，其煤层含气量一般小于2m³／t，甲烷含量通常低于70％；而北部处于弱径流一滞留区水动力条件，煤层气藏保存条件较好，煤层含气量一般大于4m³／t，甲烷含量通常高于80％。此外，北部地区煤层气井的产气效果明显好于东南部地区，也说明北部地区煤层气的富集条件更优。

关键词：鄂尔多斯盆地东北缘  保德地区  煤层气  产出水  化学特征  控气作用  同位素组成  动力环境  矿化度

Chemical behaviors of produced water from CBM wells in the Baode area，Shanxi，China，and their control on gas accumulation

Abstract：Chemical components of groundwater can reflect the characteristics of groundwater replacement and runoff and also reveal，to some extent，the enrichment conditions of CBM．The test results of the produced water from CBM wells in the Baode area，Shanxi，China，were used to systematically study the ion components，pH value，mineralization and isotopic compositions of deuteron and oxygen．The following results were obtained．(1)The produced water of this area is slightly alkaline．In the northern part of the study area，ions are mainly K⁺,Na⁺,Cl^-and HCO3^-，followed by Ca²⁺and Mg²⁺，and very few SO4^2-．In contrast，in the southeastern part，the Ca²⁺,Mg²⁺and SO4^2- are relatively enriched．(2)ThedDH2O and d¹⁸OH2O values of the produced water are both below the meteoric water line in the Ordos Basin，which indicates the infiltration of surface water．(3)The salinity of formation water increases from south to north and from east to west．Based on these results，the hydrodynamic conditions and their control on the CBM enrichment were analyzed．In the southeastern part of the study area close to the recharge area with relatively active hydrodynamic conditions unfavorable for the CBM preservation，the gas content is<2m³／t and the methane content is generally<70％，whereas in the northern part with weak runoff or retention conditions favorable for the CBM preservation,the gas content is >4m³／t and the methane content is generally>80％．In addition，the performance of CBM gas wells in the northern part is significantly better than that in the southeastern part，also indicating that the CBM enrichment conditions in the north is better than thatin the south．

Keywords：northeastern margin of the Ordos Basin，Baode area，Shanxi，combed methane，produced water，chemical behavior，control on gas accumulation，hydrodynamic environment，salinity

鄂尔多斯盆地东北缘保德地区是我国第一个投入开发的中低煤阶煤层气区。该区发育厚煤层，含气量低  中等，具有解吸压力高、含气饱和度高的特点^[1]，对其水动力分布规律及其控气作用还需要进一步认识。为此，笔者采集了大量煤层气井产出水样品，对其化学特征及变化规律进行分析，以揭示地下水的动力环境及其控气作用，为该区的煤层气勘探开发提供依据。

1　地质概况

保德地区行政区划位于山西省西北部，构造上位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠曲带北段，总体上表现为向西倾的单斜构造，地层倾角介于5°～l0°，断裂构造不甚发育^[1]，含煤地层为上石炭统一下二叠统太原组和下二叠统山西组(图1)。区内发育煤层15～16层，山西组4+5号煤层和太原组8+9号煤层为主要煤层。其中，4+5号煤层单层厚度介于5～14.6m，平均为7.6m；8+9号煤层单层厚度介于5～14.2m，平均为l0.2m。

区内层域上存在奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭系一二叠系砂岩含水层组和第四系松散的孔隙含水层，隔水层则主要为本溪组铝土质泥岩隔水层、二叠系、三叠系泥岩隔水层和古近系一新近系保德组红土隔水层^[1]。地下水主要来源于大气降水和东部奥陶系石灰岩的侧向补给，流向与区内岩层倾斜方向基本一致，总体由东向西径流(图2)。

2　煤层气井产出水化学特征

采集地表水样2件，煤层气井产出水共计51件，排采水均采自排采时间超过6个月的煤层气井，累计产出水量大于压裂液总量5倍以上，基本排除压裂液的影响(图2)。开展了离子全分析、pH值、矿化度和水分子氘氧同位素分析，分析测试由核工业部北京地质研究院分析测试研究中心完成。

2．1　煤层气井产出水离子组成特征

该区煤层气井主要采用4+5号煤层和8+9号煤层分压合排，少量井为单层排采，不同产层煤层气井产出水水化学及同位素测试结果见表1。总体而言，无论是单采4+5号煤层，还是单采8+9号煤层，或者两套煤层同时开采，处于同一区域的煤层气井产出水离子组成差异都较小，但不同地区煤层气井产出水阴、阳离子组成差异则较大。

如图3所示，不同地区煤层气井产出水阴、阳离子在Piper三线图上的分布较离散。北部地区煤层气井产出水以K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量较低，SO4^2-含量极少，与地表水离子组成差异较大，说明该区远离补给区；而东南部地区煤层气井产出水K⁺、Na⁺、Cl^-含量较北部低，Ca²⁺、Mg²⁺含量略高于北部地区、SO4²⁺含量较北部地区高，与地表水相似程度较高，说明该区靠近补给区。另外，该区产出水呈弱碱性，pH值介于7.1～8.3，平均值为7.8，不同地区差异较小。

2．2　煤层气井产出水矿化度分布特征

煤层产出水矿化度是表征水动力活跃程度的重要指标之一，矿化度越高，地下水活跃程度越差，封闭条件越好，越有利于煤层气的保存^[2-4]，补给区地下水矿化度一般较低，主要由于在这些地区地下水滞留时间相对较短，水动力较活跃，随着地下水径流离开补给源以及滞留时间的增加，矿化度也随之增加，水动力活跃程度减弱^[5]。

该区煤层气井产出水矿化度总体较低，介于842～5072mg／L，平均为1750mg／L，总体变化趋势由东向西、由南向北矿化度增加(图2)。由于该区构造为西倾单斜，地下水总体流向为由东向西，随着距离露头区距离的增加，地层水矿化度增高(图4)。北部开发区距离补给区较远，而南部距离补给区较近，因此，南部地层水矿化度小于北部，水动力条件南部较北部活跃。

2．3　煤层气井产出水氘(dDH2O)和氧(d¹⁸OH2O)同位素组成特征

地层水同位素组成可用来研究地层水的成因和演化过程^[5-6]。地表水氘和氧同位素值一般位于大气降水线以下，主要由于水中较轻的d¹⁶O比d¹⁸O更易被蒸发^[5]，使得地表水一般具有氧同位素值偏重的特征。

鄂尔多斯盆地雨水线方程为dD=6.88d¹⁸O+0.23(r=0.9485)^[7]。保德地区煤层气井产出水dDH2O值为-77.1‰～-95.8‰，d¹⁸DH2O值为-8.0‰～-11.9‰，不同产层产出水dDH2O和d¹⁸DH2O值均分布在鄂尔多斯盆地大气降水线之下，总体上具有d¹⁸DH2O值偏重的特征，与地表水的dDH2O和d¹⁸DH2O值相似，说明该区煤层气井产出水存在地表水的渗入(图5)。

3　水文地质控气作用

补给地下水主要是含氧水，富含Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-、HCO3^-，而K⁺、Na⁺的含量则较少。地下水自富氧补给源流走时，水、含水层矿物和细菌之间的相互作用最终结果是Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-减少，而K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-相应增加，地层水也由氧化环境转变为还原环境^[8-11]。因此，Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-富集意味着靠近富氧水源补给区，而K⁺、Na⁺、Cl^-富集，Ca²⁺、Mg²⁺、SO4^2-含量低，说明地下水处于还原环境，远离水源补给区。

该区由东向西、由南向北，随矿化度增高，煤层气井产出水具有K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-含量显著增加，Ca²⁺、Mg²⁺含量减少，SO4^2-含量急剧减小的特征，当矿化度高于1700mg／L，SO4^2-含量几乎为0。说明地下水由东向西、由南向北远离补给区，矿化度逐渐增高，水动力活跃程度减弱，有利于煤层气的保存。

该区含气量与矿化度呈正相关关系(图2)，东南部地层水矿化度小于1200mg／L的区域煤层含气量一般小于2m³／t，而北部地层水矿化度大于1700mg／L的区域煤层含气量一般大于4m³／t。同时，煤层气井产出水矿化度与煤层甲烷含量之间相关性较好(图6)，煤层甲烷含量随矿化度增加而增加，东南部煤层气井产出水矿化度低于1200mg／L的地区，煤层甲烷含量一般低于70％，而北部煤层气井产出水矿化度高于1700mg／L，煤层甲烷含量一般大于80％。说明东南部距离补给区较近，地下水活跃，不利于煤层气的保存，而北部远离水源补给区，水动力处于弱径流区一滞留区，保存条件好。另外，总体上北部煤层气井产气效果也明显好于东南部，也说明北部煤层气富集条件优于东南部。

需要指出的是，煤层含气性一般受煤层顶底板封盖条件、构造条件、水动力条件等因素综合控制^[12-14]。研究区大部分地区煤层顶底板岩性为泥岩，构造条件简单，断层不发育，不同地区煤层顶底板封盖条件和构造条件差异较小，同时，煤层含气量变化与埋深关系不明显，而与该区地层水矿化度分布关系明显(图2)。因此，水动力条件是该区煤层含气性的主要控制因素。

另外，在中低煤阶地区，地下水动力较活跃，地表水易携带产甲烷菌和营养物质进入煤层，为次生生物气的生成创造了条件^[4]。保德地区煤层气井产出水具有d¹⁸DH2O值偏重的特征，说明该区存在地表水的渗入，同时该区水文地质条件有利于晚期生物气的生成，因此存在晚期生物气的补充，相关论述详见本文参考文献[1]，此不赘述。

4　结论

1)保德地区北部煤层气井产出水离子组成以K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO3^-为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量较低、SO4^2-含量极少，东南部K⁺、Na⁺、Cl^-含量较北部低，Ca²⁺、Mg²⁺含量略高于北部地区、SO4^2-含量较北部地区高；产出水呈弱碱性；dDH2O值和d¹⁸DH2O值均分布在鄂尔多斯盆地大气降水线之下，表明存在地表水的渗入；地层水矿化度由东向西、由南向北增加。

2)保德地区东南部靠近补给区，水动力条件活跃，不利于煤层气的保存，含气量一般小于2m³／t，甲烷含量一般低于70％；北部水动力条件处于弱径流一滞留区，煤层含气量一般大于4m³／t，甲烷含量一般高于80％，煤层气藏保存条件较好。此外，北部煤层气井产气效果明显好于东南部，也说明北部煤层气富集条件优于东南部。

参考文献

[1]田文广，汤达祯，王志丽，等．鄂尔多斯盆地东北缘保德地区煤层气成因[J]．高校地质学报，2012，18(3)：479-484．

TIAN Wenguang，TANG Dazhen，WANG Zhili．Origin of coalbed methane in Baode，northeastern Ordos Basinr[J]．Geological Journal of China Universities，2012，18(3)：479-484．

[2]叶建平，武强，王子和．水文地质条件对煤层气赋存的控制作用[J]．煤炭学报，2001，26(5)：459-462．

YE Jianping，WU Qiang，WANG Zihe．Controlled charac teristics of hydrogeological conditions on the coalbed methane migration and accumulation[J]．Journal of China Coal Society，2001，26(5)：459-462．

[3]傅雪海，秦勇，王文峰，等．沁水盆地中—南部水文地质控气特征[J]．中国煤田地质，2001，13(1)：31-34．

FU Xuehai，QIN Yong，WANG Wenfeng，et al．Hydrogeological controlled properties of coal bed gas in central southern Qinshui Basin[J]．Coal Geology of China，2001，13(1)：31-34．

[4]刘洪林，李景明，王红岩，等．水动力对煤层气成藏的差异性研究[J]．天然气工业，2006，26(3)：35-37．

LIU Honglin，LI Jingming，WANG Hongyan，et al．Different effects of hydrodynamic eonditions on coal bed gas accumulation[J]．Natural Gas Industry，2006，26(3)：35-37．

[5]RICE C A，FLORES R M，STRICKER G D，et al．Chemical and stable isotopic evidence for water／rock interaction and biogenic origin of coalbed methane，Fort Union Formation，Powder River Basin，Wyoming and Montana，U．S．A．[J]．International Journal of Coal Geology，2008，76(1／2)：76-85．

[6]RICE C A．Production waters associated with the ferrocoaled methane fields，central Utah：Chemical and isotopic composition and volumes[J]．International Journal of Coal Geology，2003，56：141-169．

[7]侯光才，张茂省．鄂尔多斯盆地地下水勘查研究[M]．北京：地质出版社，2008：317-427．

HOU Guangcai，ZHANG Maoshen9．Exploration of groud water in Ordos Basin[M]．Beijing：Geological Publishing House，2008：317-427．

[8]蔡春芳，李宏涛．沉积盆地热化学硫酸盐还原作用评述[J]．地球科学进展，2005，20(10)：110-113．

CAI Chunfang，LI Hongtao．Thermochemical sulfate reduotion in sedimentary basins：A reviewEJ]．Advances in Earth Science，2005，20(10)：110-113．

[9]VAN WAST W A．Geochemical signature of formation waters associated with combed methane[J]．AAPG Bulletin，2003，87(4)：667-676．

[10]张继东．水分析在煤层气生产实践中的应用[C]//叶建平，傅小康，李五忠．中国煤层气技术进展2011年煤层气学术研讨会论文集．北京：地质出版社，2011：371-375．

ZHANG Jidong．Formation water analysis and its application in coalbed methane production[C]//YE Jianping，Fu Xiaokang，LI Wuzhong．Advances in China coalbed gas technology-2011 CBM Symposium．Beijing：Geological Publishing House，2011：371-375．

[11]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EJ]．中国矿业大学学报，2011，40(3)：424-429．

LI Zhongcheng，TANG Shuheng，WANG Xiaofeng．et al．Relationship between water chemical composition and production of coalbed methane wells，Qinshui Basin[J]．Journal of China University of Mining＆Technology．2011，40(3)：424-429．

[12]刘燕红，李梦溪，杨鑫，等．沁水盆地樊庄区块煤层气高产富集规律及开发实践[J]．天然气工业，2012，32(4)：29-32．

LIU Yanhong，LI Mengxi，YANG Xin，et al．Laws of coalbed methane enrichment and high productivity in the Fanzhuang Block of the Qinshui Basin and development practices[J]．Natural Gas Industry，2012，32(4)：29-32．

[13]杨敏芳，孙斌，孙粉锦，等．潮水盆地煤层气储层特征及勘探潜力[J]．天然气工业，2013，33(2)：12-16．

YANG Minfang，SUN Bin，SUN Fenj in，et al．Characteristics of CBM gas reservoirs and their exploration potentim in the Chaoshui Basin，northern Hexi Corridor[J]．Natural Gas Industry，2013，33(2)：12-16．

[14]宋岩，赵孟军，柳少波，等．构造演化对煤层气富集程度的影响[J]．科学通报，2005，50(增刊l)：1-5．

SONG Yan，ZHAO Mengjun，LIU Shaobo，et al．Impact of tectonic evolution on combed methane enrichment[J]．Chinese Science Bulletin，2005，50(S1)：1-5．

本文作者：田文广  邵龙义  孙斌  赵素平  霍万国

作者单位：中国矿业大学(北京)

  中国石油勘探开发研究院廊坊分院

  中国石油渤海钻探井下作业公司第一试油工程作业部