樊利沙

(1.河南理工大学，河南　焦作　454000； 2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西　晋城　048000)



·问题探讨·

陇东地区地下水对煤层气开发的影响

樊利沙

(1.河南理工大学，河南焦作454000； 2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000)

陇东地区主要含煤地层为延安组，可采煤层主要为5号、6号和8号煤层，煤层瓦斯含量高，煤层气资源丰富。在煤层气勘探的过程中发现，该区下白垩统志丹群洛河组、宜君组裂隙承压含水层为中等富水含水层，且地下水矿化度高，构成煤5和煤8层顶板间接充水含水层，导致煤层气井排采过程中产水量大，动液面下降困难，且油管、油杆等设备腐蚀严重，影响了煤层气井的连续排采。本文通过对该区煤层气井排出水进行测试化验，根据化验结果找出设备腐蚀的原因，并针对该水文地质条件提出煤层气井改进措施。

陇东地区；地下水；煤层气；排采

甘肃陇东地区整体为一倾向西南的低角度单斜构造，区内构造简单，褶曲、断裂构造不甚发育。陇东地区含煤岩系为延安组地层，在我国北方早中侏罗纪成煤时期内形成多套煤层，主力煤储层为5、6、8号煤(煤层厚度分别为3.55 m、3.16 m、 9.07 m).煤层在埋藏深度和发育厚度上具有显著地陆相成煤特点，煤储层普遍埋深在1 000 m左右，整体趋势是煤层埋藏深度自东向西逐渐增加，个别地区煤层埋深可以达到1 700 m(8号煤)。区内煤层气资源丰富，综合评价结果表明，陇东地区南部煤层埋藏浅于1 500 m的范围内，拥有5 166.2亿m3的煤层气资源量，在这些煤层气资源总量中，8号煤所占的份额较大，是陇东地区中生界煤层气勘探开发的主力煤层。在煤层气勘探的过程中发现，该区含水层富水性强，矿化度垂向上变化较大，煤层气井产水量大且抽采设备腐蚀严重，给该区煤层气勘探及开发造成严重影响。

1　地下水特征

1.1含水层

陇东地区主要含水层为裂隙承压含水层，地层水矿化度随着地层深度的增加而增大。主要含水层如下：

1) 下白垩统志丹群环河-华池组裂隙承压含水层。岩性主要为暗紫色泥岩、砂质泥岩及少量粉、细砂岩，上部发育有溶蚀孔洞。地层厚度为87.10～336.98 m，含水层厚度37.72～125.86 m.单孔推算最大涌水量为2.79～283.29 m3/日，矿化度为1.107～5.597 g/L.水化学类型主要为SO4·Cl-Na及SO4-Na·Ca型。 根据地层岩性结构及抽水试验资料，该层组应划为极弱富水含水层。

2) 下白垩统志丹群洛河组、宜君组裂隙承压含水层。岩性主要为紫红、棕红色中粗粒砂岩，上部夹薄层砂质泥岩，中下部夹砾岩及巨粒砂岩。胶结欠佳，较疏松。含水性较好，厚度较大，而且较稳定，在286.56～457.81 m，平均厚度为380.39 m，南北较薄，中间较厚，在庆阳市范围内为北部较薄，南部较厚。钻孔最大涌水量在46.49～482.41 m3/日，矿化度大多数在4 g/L以上，水化学类型主要为SO4·Cl-Na及SO4-Na型。该组地层地表没有出露，在低洼的河谷区揭露到该层组的钻孔往往形成自流水，应为中等富水含水层。

3) 中侏罗统安定、直罗组裂隙承压含水层。岩性为紫红、暗紫、灰绿色砂质泥岩，粉细砂岩互层，每组的下部均有灰白色含砾中粗砂岩，2组总厚在36 m左右。区内对本层没有进行抽水试验，根据岩性判断为极弱富水的含水层。

4) 上三叠统延长群裂隙承压含水层。本层地表没有出露。钻孔中揭露的厚度很小，岩性主要为灰绿、浅灰、灰黑色泥岩。砂质泥岩加薄层粉细砂岩。根据岩性判断，应为弱富水岩层。

1.2隔水层

本区的主要隔水层有2组：1) 白垩系地层上覆的新第三系上统甘肃群深橘色、橘红色砂质泥岩，全区分布，一般厚度70～90 m，最厚达123.39 m. 2) 中下侏罗统延安组及下侏罗统富县组地层，岩性主要为灰、浅灰及紫红和灰色泥岩，砂质泥岩、炭质泥岩夹薄煤层及薄层粉砂岩，根据岩性分析应为相对的涌水层。此外在下白垩统志丹群环河-华池组及上三叠统延长群地层中某些层段岩性较细，也起到相对隔水层的作用。

1.3地下水流动特征

延安组地层水补给主要来自盆地周缘地区地表和大气降水的补给。补给方式有两种：1) 通过断裂构造的垂向补给。2) 通过地层露头区的侧向补给。通过地层水矿化度分析，浅部地层矿化度低，地下水补给应该以垂向补给为主；深部地层矿化度较高，以侧向补给为主。地表淡水沿着地层渗透带向盆地内部流动，随着距离增大，地下水的交替、活动趋缓，地层水矿化度增高，水型由Na2SO4型过渡为CaCl2型。

根据该区施工的煤层气井来看，区内煤层气井排采时间2年左右，动液面依旧保持在8号煤层顶板以上50 m左右。分析认为区内地下水资源较丰富，地层含水性较好，上部地层在垂向和横向上水力交换活跃，下部地层水活动相对缓慢，区内马莲河为地层水泄水区。

2　地下水对煤层气开发的影响

2.1煤层气井排出水成分分析

对该区煤层气井排出水的水质进行化验，部分检测结果见表1.

表1化验结果显示，排出水的成分氯化物、钠含量、地层水矿化度高。

表1　煤层气井排出水水质化验部分检测结果表

2.2地下水对煤层气地面抽采的影响

地下水对煤层气地面抽采的影响主要体现在煤层气井沟通含水层的水，排液困难；地层水矿化度高，对设备腐蚀严重，影响煤层气井的连续排采。

1) 从区内煤层气井普遍排水情况看，动液面始终维持在一定的高位。说明该区地下水资源较丰富，地层含水性较好，上部地层在垂向和横向上水力交换活跃。单纯依靠加大功率、提高排水速度方法以达到降低动液面的目的存在一定难度。经分析，勘查区内地表水与顶板直接充水含水层间有环河华池组隔水层(少量为弱含水层)存在，地表水对矿床不构成直接充水威胁。洛河、宜君组属中等富水性含水层，构成煤5和煤8层顶板间接充水含水层。

2) 研究区水化学分带性明显，具体表现为上部地层水以NaHCO3和Na2SO4型水为主，下部地层水以CaCl2型水为主，随着地层深度的增加，地层水矿化度随之增大，对地层水中矿物溶解度要求更高，水型由NaHCO3和Na2SO4型向CaCl2型转化。根据测试化验结果，区内煤层气井产出地层水矿化度较高，水中富含有Cl-、Na+、S2-，地层水与泵挂设备之间的离子交换造成井下泵挂设备腐蚀损坏。煤层气井生产油杆、油管均有一定程度损坏，严重者甚至出现腐烂穿孔现象。地下水对设备的腐蚀实物图见图1.

图1　地下水对设备的腐蚀实物图

3　建　议

针对该区含水层富水性强，矿化度高，对设备造成腐蚀的现象，对于后期煤层气勘探提出以下建议：

1) 陇东地区煤的硬度小，且煤中小微构造裂隙非常发育，因此采取洞穴完井方式会对煤层的力学稳定性造成不利影响，煤层洞穴完井会造成井筒井壁失稳垮塌，因此，建议当前研究区煤层气井尽量避免采用该方式。

2) 由于本区地层水矿化度高，腐蚀性强，井下泵挂设备被腐蚀的同时会产生一定的腐蚀碎片，加之本区煤储层中煤粉产出较为严重，腐蚀碎片和煤粉联合作用造成本区卡泵现象频发。本区煤层气修井频繁，不利于煤层气井井底流压的稳定和储层压力的稳定下降，因此，建议尝试使用碳纤维抽油杆、防腐抽油杆、防砂泵、螺杆泵、电潜泵等新材料、新设备，实现抽采连续性与稳定性，突破该地区煤层气的抽采技术难题。

3) 为减少煤层气排水对周围生态环境的影响，应从研究区实际出发，加强煤层气排水的处理和综合利用，使排水达到《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2006)中的要求，出水回用作当地的农田灌溉等用途，实现煤层气排水的资源化利用。

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Influence of Groundwater in Longdong Region on CBM Development

FAN Lisha

Yan'an formation is the main coal bearing stratum in Longdong region. The main mineable coal seams are No.5, No.6, No.8 coal seam. The Coalbed gas content is high, and the resource is rich. It finds that in the process of coalbed methane exploration, the fracture confined aquifer of Zhidan and Yijun formation of lower cretaceous is medium water-rich, and the degree of mineralization of underground water is high. It forms the indirect water filling aquifers of No.5 and No.8 coal layer roof, leads to water rate of CBM well is big, working fluid level drawdown is difficult, and equipment such as tubing, rod is serious corrosion, affects the continuous drainage of CBM wells. The discharge water of coalbed methane well in this area is tested, according to the test results find out the cause of equipment corrosion, CBM well improvement measures are put forward based on the hydrogeological conditions in this region.

Longdong region; Groundwater; Coalbed methane; Drainage

2016-01-28

樊利沙(1986—)，女，山西晋城人，2012级河南理工大学在读硕士研究生，主要从事瓦斯地质与煤层气勘探开发的研究(E-mail)1206806724@qq.com

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1672-0652(2016)03-0050-03