煤层气井产出水环境效应及其...以黔西松河区块GP井组为例_秦彬超.pdf

地球科学 Earth Sciencehttp:/第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.389煤层气井产出水环境效应及其成因:以黔西松河区块 GP井组为例秦彬超1，杨兆彪1*，高为2 1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州贵阳 550009摘要：随着煤层气产业的规模化发展，煤层气井产出水的环境效益备受重视.以贵州西部松河井组 8 口煤层气试验井为例，动态跟踪了 2018 年 5 批次产出水的地球化学数据，采用模糊综合评价法和单因素分析法进行了产出水环境效应评价并进行成因分析，得出以下结论：松河井组煤层气产出水地球化学特征主要表现为 Na+、HCO3、Cl浓度高，矿化度较高，产出水型为 Na-Cl 和 Na-HCO3-Cl.本文采用模糊综合评价法计算得出 8 口煤层气试验井产出水均属于级重度污染，并得出主要污染指标为 TDS、Na+以及 Cl，F 元素、Mn 元素轻微超标，在此基础上进行单因子分析，评价结果为重度污染.综合 2 种评价方法得出主要污染指标为 TDS、Na+、Cl以及 Ba2+.污染程度在一定范围内随时间变化表现出轻微波动且具有微弱的降低趋势，研究区煤层气井产出水污染等级高且随时间变化而波动变化，是地质因素、工程因素叠加影响的耦合结果.煤系地层中各种元素富集的高地质背景为根本影响因素，控制着微量元素的种类和含量，其次压裂液返排率的变化对其有显著影响作用，季节性降水则加强水岩作用，促进了元素的溶出.关键词：贵州西部；煤层气井产出水；环境效应；模糊综合评价；成因分析；地球化学.中图分类号：P595 文章编号：1000-2383(2023)03-1246-13 收稿日期：2022-05-17Environmental Effects and Causes of Produced Water in Coalbed Methane Wells：Taking GP Well Cluster in Songhe Block of Western Guizhou as an ExampleQin Binchao1，Yang Zhaobiao1*，Gao Wei2 1.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process，Ministry of Education，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China 2.Guizhou Coalbed Methane Shale Gas Engineering Technology Research Center，Guiyang 550009，ChinaAbstract:With the large-scale development of coalbed methane industry,the environmental effects of produced water from coalbed methane wells receive more attention.Taking 8 coalbed methane test wells in Songhejing Formation in western Guizhou as an example,the geochemical data of 5 batches of produced water in 2018 were tracked dynamically,and the environmental effects of produced water were evaluated by fuzzy comprehensive evaluation method and single factor analysis method,and the causes were analyzed.The following conclusions were drawn:The geochemical characteristics of coalbed methane produced water 基金项目：国家自然科学基金项目（Nos.42272195，42130802），贵州省科技计划项目（黔科合战略找矿2022ZD00101）.作者简介：秦彬超（1997-），男，硕士研究生，从事煤系气开发环境效应研究.ORCID：0000000289270351.Email：*通讯作者：杨兆彪，Email：引用格式：秦彬超，杨兆彪，高为，2023.煤层气井产出水环境效应及其成因：以黔西松河区块GP井组为例.地球科学，48（3）：1246-1258.Citation：Qin Binchao，Yang Zhaobiao，Gao Wei，2023.Environmental Effects and Causes of Produced Water in Coalbed Methane Wells：Taking GP Well Cluster in Songhe Block of Western Guizhou as an Example.Earth Science，48（3）：1246-1258.第 3 期秦彬超等：煤层气井产出水环境效应及其成因in Songhejing Formation are mainly characterized by high concentration of Na+,HCO3 and Cl and high salinity,and the produced water types are Na-Cl and Na-HCO3.In this paper,the fuzzy comprehensive evaluation method is used to calculate that the produced water of eight coalbed methane test wells belongs to grade V heavy pollution,and the main pollution indicators are TDS,Na+and Cl,and the elements F and Mn slightly exceed the standard.On this basis,the single factor analysis shows that the evaluation result is heavy pollution.Two comprehensive evaluation methods show that the main pollution indicators are TDS,Na+,Cl and Ba2+.In a certain range,the pollution degree fluctuates slightly with time and has a weak decreasing trend.The water pollution level of coalbed methane wells in the study area is high and fluctuates with time,which is the coupling result of the superposition of geological factors and engineering factors.The high geological background of various elements enrichment in coal measures strata is the fundamental influencing factor,which controls the types and contents of trace elements.Secondly,the change of fracturing fluid flowback rate has a significant effect.Seasonal precipitation strengthens the water-rock effect and promotes the dissolution of elements.Key words:western Guizhou;produced water from coalbed methane wells;environmental benefits;fuzzy comprehensive evaluation;grey correlation evaluation;geochemistry.0 引言 煤层气是非常规天然气的重要组成部分.埋深2 000 m 以浅煤层气地质资源量 30.5 万亿立方米（张道勇等，2018）.截至 2021年，我国煤层气累计探明储量约为 8 039 亿立方米，同时实现了年产量 67亿立方米的重大突破.然而煤层气井在排采过程中要抽排煤层及其围岩中的大量地下水，同时压裂过程中注入的压裂液也会一起返排，这些大量产出液不同于原始地层水，可能会对环境产生一定程度上的影响.页岩气开发工程研究现已涉及产出液环境影响评价（杨德敏等，2018；江丽等，2021；孙灵如等，2022）.前人对煤层气井产出水研究发现，未经处理的煤层气井产出水任意排放会对周边土壤电导率产生显著影响，进而抑制作物生长，部分煤层气井产出水中含有大量的重金属等污染物，对周边生态系统及人体健康存在着一定程度上的危害，并且煤层水及注入的压裂液本身就含有大量的有害化学元素，必须加强对水质评价的认识（Yang et al.，2013；刘会虎等，2014；温彩哨等，2014；Li et al.，2018；Majee et al.，2018）.水 质 评 价 工 作 是 解 决 水 体 污 染 和 保 护 水 资源水环境的基础工作，为此国外学者进行了大量研 究，相 继 提 出 了 水 质 指 数（QI）、质 量 指 数（WQI）、Nemerow 污 染 指 数 等 来 评 价 污 染 程 度（Brown et al.，1970；保 金 花 和 黄 勇，2008）.我 国在水质评价方面起步较晚（丁桑岚，2001），然而发展迅速，近年来已经积累了大量的研究成果，前人运用主成分分析法、聚类分析法、模糊评价法、灰色系统法等方法对不同的水域水型进行评价（邓聚龙，1984；刘琰等，2013；张耀辉等，2015；朱洁等，2018；彭小玉等，2021；），重点针对水环境的模糊不确定性问题进行了研究，认为不同的水环境条件需要运用与之适配的评价方法来进行评判，为 水 环 境 保 护 奠 定 了 坚 实 基 础（方 红 卫 等，2009；敖成欢等，2020；刘宇等，2020；唐贺，2020）.贵州西部煤层气资源丰富，煤层气资源量约占全国煤层气资源量的 10%，该地区煤储层压裂一般采用“大排量、大液量、大砂量”的改造方式（Yang et al.，2018，2019）.同时西南地区煤系地层经历了多期次的构造演化和水热事件，汞、氟、砷等多种有毒有害元素在煤层中显著富集（Dai et al.，2004；Feng and Qiu，2008；Qi and Gao，2008），随 着 储层改造及排水采气的进行，煤层气井产出水中不可 避 免 地 会 混 入 多 种 元 素.针 对 喀 斯 特 地 貌 发育，生态脆弱的贵州地区，煤层气产出水可能产生的一系列潜在环境影响，早期更应得到重视.为此，本文以贵州西部松河井组 8 口煤层气试