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1.山西省煤炭地质勘查研究院，山西太原 030006；2.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西太原 036600
摘要： 本文结合煤层气生产的实际需要，针对沁水盆地部分地区产气量小而产水量大这一突出问题，以柿庄区块为重点研究区，通过水文地质条件分析、煤层气产出水的水文地球化学特征研究，以及柿庄区块煤层气排采过程中水文地质模拟等方法手段，查明了研究区地下水系统的补给、径流和排泄条件，煤层气排采产出水的具体来源，模拟研究煤层气排采的地下水动力场动态变化情况。①完成了沁水盆地区域水文地质条件特征研究，分析纵向上含水层组，并划分了五套含水层组。②依据勘探与生产资料，分析柿庄区块煤层上下主要含水层的纵向分布和横向展布特征及主要含水层的补—径—排关系，划分地下水流动单元及流动系统。③依据收集勘探资料，分析重点研究区主要含水层水的化学特征；依据煤层气井产水的补充采样分析，查明柿庄区块煤系地下水的水化学类型。④依据勘探资料、煤层气井排采数据和计算的水文地质参数，采用MODFLOW软件建立了柿庄区块煤层气井水量预测模型。
关键词： 沁水盆地；水文地质；水化学；煤层气开发；数值模拟
我国煤层气资源丰富，其中山西省煤层气资源排在全国前列，经过多年的勘探开发，目前已经形成了沁水盆地中南部和鄂尔多斯盆地东缘两大煤层气产地 [1] 。但是尚有很多技术难题制约着煤层气产业的发展，其中，煤层气勘探开发过程中的水文地质问题成为制约煤层气产业发展的一个重要因素。目前针对煤层气的水文地质研究主要集中在水文地质条件对煤层气勘探和开发两方面的影响，煤层气勘探过程中的水文地质问题研究较多，目前主要研究有：秦勇提出水动力弱的滞留区有利于煤层气聚集；叶建平将地下水系统引入煤层气吸附聚集机理的研究中，提出地下水主要通过地层压力影响煤层气的成藏。煤层气开发过程中的水文地质研究较少，郭晨、秦勇等人发现不同煤层的水文地质条件存在差异，建立了基于水文地质信息的煤层气开发评价因子；刘贺等人通过对沁水盆地南部水化学场的动态演化研究，发现溶解性总固体与产气量有明显的正相关关系。针对煤层气井开发过程中的水文地质研究也较少，且研究主要集中在某一点，没有形成一套系统的与煤层气生产相适应的水文地质研究方法。复杂的水文地质问题严重制约了煤层气产量的增加 [2-4] 。因此，本文以沁水盆地中南部为例，通过研究该区的水动力场、水化学场及排采过程中水文地质条件的动态检测和模拟，试图提出一套适合的研究方法 [5-8] 。
沁水盆地位于山西省东南部，北以太原—盂县一线以北为界，东南面为太行山所包围，西以霍山为界，含煤面积约为31352km 2[6] 。作为重点研究区，柿庄区块位于沁水盆地南部，地形上西北高，东南和东北低，西北部以方山—仙公山—雨井山—南公山—羊头山一线为分水岭，东北属海河流域浊漳河水系，西南属黄河流域沁河水系。柿庄区块地层出露良好，主要为上二叠统上石盒子组和石千峰组，零星分布三叠系下统刘家沟组地层。第四系遍布山梁及沟谷。据钻探资料，该区地层自上而下发育下古生界奥陶系上马家沟组（O 2 s）和组奥陶系峰峰组（O 2 f），上古生界石炭系本溪组（C 2 b）和太原组（C 3 t），下二叠统山西组（P 1 s）和下石盒子组（P 1 x），上二叠统上石盒子组（P 2 s）和石千峰组（P 2 sh），下三叠统刘家沟组（T 1 l），新生界第四系（Q）。按含水介质类型可将沁水盆地南部划分为四大含水岩组，即松散岩类孔隙含水层组、碎屑岩类裂隙含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组、碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组。
本文收集了沁水盆地以往的煤田水文勘探资料。先将不同含水层的水化学类型进行对比（如表1所示）。为了整体分析各含水层主要离子浓度分布特征，本文以对数为纵坐标，毫克每升当量百分数为单位，绘制Schoeller图（如图1所示）。从图1中可见，煤系地层地下水是溶滤作用所形成，在风化、水解及离子交换等作用下，砂岩中的Na+和K
+
被溶滤到水中，而Ca
2+
、Mg
2+
形成CaCO
3
、MgCO
3
沉淀析出，因此煤系地层地下水表现出深层地下水的水质特征，HCO
3-
、Na
+
占主要优势，以HCO
3
-Na型为主。奥灰含水层为含硫酸盐碳酸盐岩，其中方解石、白云石、石膏中的Ca
2+
、Mg
2+
、
被溶解到水中，井田O
2
f或O
2
s层段中水交替条件或水径流条件不好，水中
、Ca
2+
占优势。松散岩类孔隙水埋藏较浅，由于接受大气降水补给，与地表循环交替快，表现出浅层地下水的水质特征，HCO
3-
、Ga
2+
占主要优势，以HCO
3
-Ca、HGO
3
-Ca·Mg型为主。
表1 含水层主要水化学特征表
在前面分析的基础上，先将不同含水层的水化学类型进行对比，并绘制Durov图（如图2所示）；再利用Durov将煤层气井产出水的水化学类型和不同含水层的水进行比较，从而判别煤层气井的产出水来源 [9，10] 。
据以往煤田勘探钻孔采样测试，煤系地下水的水化学类型为HCO
3
-Na、HCO
3
·Cl-Na，部分水样受钻井液污染，水化学类型为Cl-Na，或矿化度偏高。本次工作过程中，对柿庄区块煤层气井进行了采样测试，共采集23口井的水样。采样点水化学类型均为HCO
3
-Na、HCO
3
·Cl-Na，主要来自煤系地层，说明煤层气井在生产过程中并未沟通上下含水层。产出水以HCO
3
-Na为主，矿化度低，表现出开放型含水系统的水化学特征。柿庄区块产出水TDS值一般在600～1000mg/L，SX-001井产出水样受压裂液影响，TDS达2743mg/L。柿庄区块产出水
含量一般小于5mg/L，有5口井产出水
含量在15mg/L以上，显著高于区块内的平均含量。分析煤层气井位置，可以看出
含量偏高的采样点位置大多靠近断层，可能存在沟通其他含水层组的情况。
图1 各含水层水化学Schoeller图
图2 研究区水化学Durov图
本次研究收集整理了区块内煤层气参数井的初始动液面资料。为避免受到压裂后孔内余压的影响，本次采用排采恢复动液面标高，并在此基础上编绘了初始动液面等值线图（如图3所示），即研究区的初始流场。断裂构造对本区地下水径流有着控制作用，相应的初始动液面标高也显示出分区的特点。柿庄区块地下水流场受构造控制分为三个区：东部缓坡带（Ⅰ区）、中部褶皱带（Ⅱ区）、西部缓坡带（Ⅲ区）。
图3 初始动液面等值线图
东部缓坡带（Ⅰ区）：以地下水为分水岭，与Ⅱ区分割开来，东南边缘初始动液面标高最高S-1井658.984m；东部初始动液面标高最低，X-15井548.313m，X-18井586.926m，东北部总体显现由西向东径流的特点。
中部褶皱带（Ⅱ区）：柿庄北部由F3～F15、F16断层控制，柿庄南部由寺头断层（F37）及其派生断层分割，该区段的断层发育、煤系含水层受断层切割错动，其完整性和连通性受到破坏，各断块之间水力联系较弱，不同含水层组之间存在补排关系。动液面标高最高的S-2井679.279m，最低的N-2井动液面标高为585.578m，初始动液面标高在650m左右。
西部缓坡带（Ⅲ区）：位于沁水复向斜轴部，东南及东部被断层阻隔，地下水循环交替较慢，属滞留区。现阶段该区尚未投产，初始时动液面资料缺乏。
传统水文地质勘探中，含水层的水文地质参数主要通过抽水试验、水文地质测井获得。煤层气井结构、排采作业特点使得原有的传统水文地质试验测试方法并不适用，主要表现在以下几方面：
传统的水文勘探孔抽水试验，均采用孔壁进水，直接测试含水层的水文地质参数，而煤层气井是通过完井后对煤层射孔、压裂，间接连通产水层。压裂缝的扩展连通情况无法确定，含水层厚度无法确定，因而不能直接确定产水层的水文地质参数。
沁水盆地中南部煤层微裂隙发育，但原始渗透性差，难以形成具有高导流能力的通道，必须进行压裂改造。射孔压裂改变了井孔周边地层裂隙率，使地层渗透性发生很大改变，原有的通过水文地质测井获取水文地质参数的方法也不再适用。
煤层气井排采初期，压降幅度较小，煤的微裂隙中吸附的甲烷气体不会发生解吸，煤储层中仅存在饱和水的单相流动，可采用传统水文地质方法计算。随着排采的进行，当井底压力降低到煤层气临界解吸压力以下时，气体开始解吸产出，井流为气、液两相流，不能再采用传统水文地质方法计算。
煤层气井排采设备和排采制度的要求，不能满足稳定流或非稳定流抽水试验要求，现有动液面观测手段误差较大。
根据煤层气井结构及排采作业特点，结合对部分参数井资料的整理，本次研究采用排采过程中停泵后动液面恢复段的监测数据，采用承压完整井非稳定流方法计算水文地质参数。含水层厚度采用煤层气井压裂厚度作为等效厚度计算。为避免煤层气解吸附造成的气液两相流影响，选取压降较小的试验段进行计算。将求得的水文地质参数导入建立好的数学模型（如图4所示）。
图4 水文地质模型参数切片
在前期研究的基础上，利用数值模拟法进行煤层气排采流场模拟。首先，通过之前的水文地质条件研究，建立研究区的水文地质概念模型；其次，结合概念模型，依据渗流的连续性方程和达西定律，建立了与水文地质概念模型相对应的二维非稳定承压水流地下水运动数学模型 [12-14] ；最后，进行数值模拟及预测。数值法的求解原理是利用分割原理，将建立的水文地质概念模型量化，主要是通过量化边界条件以及含水层结构来构建所要模拟的水文地质模型，量化时要控制各节点的参数以及水位水量。地下水流动模型构建过程如图5所示。本次建模利用Modflow软件进行模拟 [15-16] 。
图5 地下水流动模型构建过程
基于Visual Modflow所建立的柿庄区块地下水动态渗流模拟模型，必须要经过反复拟合和参数调整，拟合主要是对所有拟合孔计算得到的水位与实际观测水位进行对比，使其模拟计算水位接近实测水位，经过反复调参，模拟计算得到的地下水流场与实际地下水流场基本一致，说明模型符合研究区的水文地质条件，能够用于地下水渗流和研究区产水量的模拟预测。
根据预测模型检验标准，反复调试模型的参数拟合地下水位，并模拟出各时段含水层地下水流场变化（如图6所示）。从图6中可以看出，模型运行第100天的流场和模型运行初期的流场相比较，总体变化不大，还是由研究区东南部向东北部和西南部排泄，局部流场略有变化。水位比模型运行初期略有下降，但下降幅度不大。模型运行200天流场和运行一年流场较运行100天流场，变化不大，水位下降约20m。
图6 柿庄区块水文地质动态模拟图
（1）完成了沁水盆地区域水文地质条件特征研究，分析了纵向上含水层组，可划分为五套含水层组。
（2）依据勘探与生产资料，分析柿庄区块煤层上下主要含水层的纵向分布和横向展布特征，分析了主要含水层的补—径—排关系，划分地下水流动单元及流动系统图。
（3）依据收集的勘探资料，分析了重点研究区主要含水层的水化学特征；依据煤层气井产水的补充采样分析，查明柿庄区块煤系地下水的水化学类型。
（4）依据勘探资料、煤层气井排采数据和计算的水文地质参数，采用Modflow软件建立了柿庄区块煤层气井水量预测模型。
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作者简介：曾玲（1987—），女，汉族，山西太原人，工程师，研究生，毕业于中国石油大学（华东）。Tel：18636943546；E-mail：731914524@qq.com。