煤层气田产出水地球化学及特征元素迁移机理研究——以沁水盆地南部为例

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沁水盆地是我国第一个煤层气开发示范基地,尽管前人对沁水盆地南部区域构造演化、水文地质条件、煤储层物性、煤层含气性以及煤层气的成因、富集过程、资源量和开采潜力评价等方面有较多的研究,但由于煤层气商业化开发近些年刚刚兴起,仅有少数学者对煤层气田产出水的水质水量、水化学特征及水动力场对煤层气富集的控制机理、煤层气井产能与产出水的化学特征关系进行探讨,而采出水的水质特征、变化规律、形成机理、产出水净化与资源化利用技术以及环境保护技术等问题还没有得到解决。随着煤层气开发商业化、产业化规模的扩大,煤层气产出水处理及环境保护将会作为煤层气开发的一个重要环节,产出水的达标处理与资源化利用,环境保护等问题将逐渐成为研究的重点和热点。  论文对沁水盆地南部煤层气田产出水样品进行水质全分析、微量元素及氢氧环境同位素的测定及相关煤岩样品常量、微量元素的测试分析,全面、系统地研究了沁水盆地南部3煤层和15煤层产出水地球化学及特征元素的迁移机理。  论文取得的主要认识和成果如下:  1、煤层气田产出水地球化学及时空动态变化规律煤层气田产出水中的特征离子主要为K++Na+、Ca2+、HCO3-;煤层气生产井的不同产水阶段及其典型水质类型主要表现为:产水初期(产水时间小于1年)水质类型以Na-HCO3型、Na-Cl型、Na-HCO3-Cl型为主;产水中期(产水时间大于1年且小于2年)水质类型以Na-HCO3型和Na-HCO3-SO4型为主;产水末期(产水时间大于2年)水质类型以Na-HCO3型为主。  2、微量元素在各研究区内受pH值影响的富集速率大小顺序有差异潘河区块和寺河区块3煤层:Fe(Mn)>Br(V)>Ba(B);枣园区块和檀山区块3煤层:Br>Mn(Fe)>As;檀山区块15煤层:Ba(Sr)>Pb(Li,B)>As;同种元素在不同区块煤层产出水中迁移、富集速率大小存在差异是煤层水所处的地质环境不同造成的。  3、产出水的成因类型和主要来源潘河区块3煤层、寺河区块3煤层、檀山区块15煤层的产出水主要是溶滤水和大气降水渗入水,枣园区块和檀山区块的3煤层产出水主要是溶滤水。3煤层与15煤层产出水主要来源于大气降水,其中3煤层产出水的年龄范围为:(1)年龄大于60年的水;(2)1953年以前补给的与近代补给的混合水;(3)年龄小于5年-10年的现代水。  4、煤层气田产出水中特征元素主要来源及迁移机理产出水中的Ca2+主要来源于方解石的溶解,SO42-主要来源于硫酸盐矿物中黄铁矿的溶解,K+Na+、Al3+的主要来源为长石和岩盐,HCO3-主要来源于煤中有机质的还原。腐植酸、pH、Eh、络合作用等因素对特征微量元素的迁移均有不同程度的影响:pH值处于8.44-9.14之间,Eh值整体较低、局部较高,络合作用较强、腐殖酸对金属元素的吸附性强等综合因素影响,使得产出水中Br、Ba溶解度增大,利于其在地下水中的迁移,Fe、Mn容易被吸附,不利于其在水中迁移。  5、水-岩相互作用及其地球化学模拟应用平衡指数法和饱和指数法,计算了研究区典型剖面上下游地下水中矿物的赋存状态及矿物饱和指数。计算结果表明典型剖面上游补给区文石、方解石、白云石、石膏、岩盐、CO2(g)、O2(g)等的饱和指数SI均小于0;典型剖面下游缓慢流动区或滞流区,文石、方解石、白云石的饱和指数SI均大于2,而石膏、岩盐、CO2(g)、O2(g)的饱和指数SI均小于0,说明这些物质的溶解没有达到平衡状态,溶解作用较强。地下水径流过程中水化学类型从Na-HCO3型向Na-HCO3-Cl型转变。  6、煤层气田产出水水文地球化学特征与煤层气富集具有很好的耦合关系研究区产出水的主要水化学类型为Na-HCO3型、Na-HCO3-Cl型、Na-HCO3-SO4型,煤层埋深处于300m-900m之间,矿化度平均值范围在806.15mg/L-1456.46mg/L之间,产出水中含有一定量的H2S气体,且HCO3-和K++Na+含量高,表明煤层水整体上处于缓慢流动区或停滞区,非常利于煤层气的保存。
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