中国鄂尔多斯盆地高盐度形成水的起源及深部煤岩气储层的盐度敏感性

《Journal of Natural Gas Geoscience》：Genesis of high-salinity formation water and salinity sensitivity of deep coal-rock gas reservoirs in the Ordos Basin, China

鄂尔多斯盆地深层煤炭岩气储层具有高矿化度（约80000 mg/L）CaCl?型形成水特征，其盐敏性显著影响渗透率。实验表明，低矿化度（<20000 mg/L）流体可恢复渗透性，而高矿化度流体（>5000 mg/L）导致不可逆损害，其中Ca2?/Mg2?离子贡献最大（损害率72.15%-85.92%）。建议采用淡水压裂及返排液软化处理，以保护储层并提高产量。

　　
鄂尔多斯盆地深层煤炭岩气储层高矿化度地下水敏感性研究

一、储层特征与高矿化度地下水成因
鄂尔多斯盆地作为我国重要煤层气产区，其深层煤炭岩气储层（埋深超过2000米）具有显著的超低含水饱和度（普遍低于33%）与高气饱和度（可达95%以上）特征。该储层地下水以CaCl?型高矿化度流体为主（矿化度约8万mg/L），显著高于浅层储层（400-12700mg/L）。研究揭示这种高矿化度地下水形成具有双重机制：一方面源于烃类生成阶段排替出的原始海水（NaHCO?型），另一方面与邻近岩溶地下水层（如太原组灰岩）的持续补给密切相关。碳酸盐岩溶蚀作用形成的溶洞系统（直径可达5米）为Ca2?、Mg2?等成垢离子提供了补给通道，导致储层地下水矿化度在埋深超过2000米处达到峰值。

二、渗透率损害实验设计与实施
研究团队采用压力衰减法（Pressure Decay Method）系统评估不同矿化度流体对煤岩渗透性的影响。实验设计包含三个关键模块：
1. 储层水化学特征解析：通过离子比例分析（Ca2?+Mg2?占比16%-66%，Cl?占比91%-99%）确认储层水为典型的CaCl?型高矿化度流体。
2. 盐类溶解特性实验：在20℃恒温条件下，对425-850μm级煤岩颗粒进行浸泡实验，监测电导率（σ）和化学需氧量（COD）变化，建立矿化度与溶解度的对应关系。
3. 渗透率敏感性测试：选取No.8煤层（有机质含量>85%，镜质体反射率1.6%）制作Φ25×50mm岩心，在2.5MPa围压下进行阶梯式矿化度流体置换实验，涵盖2000-200000mg/L矿化度范围。

三、实验结果与敏感性分析
1. 矿化度敏感性梯度
- 降矿化度实验（8万→2万mg/L）：渗透率损害率36.88%，临界矿化度2万mg/L
- 升矿化度实验（2万→8万mg/L）：渗透率损害率61.93%，临界矿化度8万mg/L
- 双向实验显示损害不可逆性，高矿化度流体置换后即使降矿化度处理，仍存在15%-20%不可恢复损害

2. 离子类型敏感性差异
- 阴离子敏感性：Cl?（>91%）主导体系，对渗透率影响不显著（损害率<5%）
- 阳离子敏感性：
* 单价离子（Na?+K?）：损害率36.82%-45.40%
* 双价离子（Ca2?+Mg2?）：损害率72.15%-85.92%
- 溶解-沉淀效应：在矿化度>2万mg/L条件下，Ca2?、Mg2?与CO?2?形成纳米级沉淀（2-5μm晶体），导致岩心孔隙率下降8%-12%

四、储层水-岩相互作用机制
1. 水化学演化路径
- 成煤期（石炭纪）：海水渗入形成NaHCO?型原始地下水（矿化度<1万mg/L）
- 烃类生成期（二叠纪）：埋深增加导致流体压裂，海水被排出形成低矿化度（<4000mg/L）储层水
- 水力压裂期（现代）：岩溶地下水（>8万mg/L）通过裂缝系统注入储层

2. 渗透率损害机理
- 微米级盐结垢：CaCl?·2H?O（溶解度0.17g/100g）在煤岩微孔中形成晶桥
- 纳米级沉淀堵塞：MgSO?·7H?O（溶解度0.25g/100g）在pH>8时形成纳米级沉淀
- 双电层压缩效应：Ca2?+Mg2?在煤表面形成60nm厚吸附层，导致润湿性转变（从亲水变为亲油）

五、工程应用建议
1. 工作流体优化
- 建议矿化度控制在2万mg/L以下（NaCl等效）
- 离子配比需满足Ca2?/Mg2?<0.1（地质水特征）
- 采用离子交换技术处理返排水（Ca2?+Mg2?浓度<50mg/L）

2. 压裂工艺改进
- 液体矿化度梯度控制：压裂液需低于储层水矿化度（8万mg/L）3000mg/L
- 酸化协同作用：5%-10% HCl处理可使Ca2?沉淀减少60%
- 分段注入策略：采用"低矿化度前置液（2万mg/L）+中矿化度携砂液（4万mg/L）+高矿化度返排液（8万mg/L）"组合

3. 环保经济性平衡
- 浅层水源回用需满足：TDS<20000mg/L，Ca2?+Mg2?<2000mg/L
- 沙岭气田实践表明：处理后的返排水（矿化度1.8万mg/L）可循环使用12次以上
- 每立方米高矿化度水处理成本（0.5-0.8元）显著低于新制淡水（1.2-1.5元）

六、地质工程协同效应
研究建立"地质-工程"协同模型，提出关键参数控制体系：
1. 矿化度阈值控制
- 渗透率损害临界值：2万mg/L（NaCl等效）
- 溶蚀效应启动值：4万mg/L（CaCl?等效）

2. 动态平衡指标
- 流体-储层离子交换比（R_EX）应＞1.5
- pH值控制在6.5-7.8（避免CO?2?沉淀）

3. 损害 reversibility
- 压裂后72小时内返排处理可恢复85%以上渗透率
- 超过3个月未处理，渗透率恢复率降至50%以下

该研究为我国深层煤层气开发提供了关键理论支撑，实践数据显示采用优化流体方案后，单井产量提升42%-58%，水力压裂返排率从68%提高至92%，单井开发成本降低25%-35%。特别在山西沁水盆地试验区块，应用本研究提出的"梯度矿化度流体+离子交换预处理"技术后，煤层气采收率提高至78.3%，创造了单井年产量突破800万方的商业开发新模式。