Natural Gas Geoscience >

2025 , Vol. 36 >Issue 9: 1741 - 1752

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.04.018

Genesis of high-salinity formation water and salinity sensitivity of deep coal-rock gas reservoirs in the Ordos Basin

  • Lijun YOU ,
  • Rui QIAN ,
  • Yili KANG ,
  • Yijie WU
Expand
  • State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Received date: 2025-02-19

  Revised date: 2025-04-29

  Online published: 2025-05-29

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(51674209)

The Sichuan Province Youth Science and Technology Innovation Team(2021JDTD0017)

Fold

Abstract

Deep coal-rock gas reservoirs in the Ordos Basin are characterized by high-salinity formation water， low water saturation and high gas saturation. During hydraulic fracturing， injected fluid is easy to invade coalbed， which restricts the development of coal-rock gas to further increase the production. The No.8 deep coal of Benxi Formation in Ordos Basin was selected， and the salinity sensitivity experiment by pressure decay method， soluble substance immersion experiment and thermal evolution-hydrogeological analysis were synthesized. We analyzed the genesis of high-salinity CaCl2 type formation water and quantitatively evaluated the permeability damage of different salt fractions on the coal rock. The study shows that： the high-salinity formation water in deep coal rock of the Ordos Basin mainly originates from the synergistic effect of the thermally evolved hydrocarbon drainage-driven primary water and the deep formation water extrusion from the karst layer. The proportion of Ca2+ and Mg2+ in the cationic fraction of formation water is as high as 16%-66%. The coal rock salinity sensitivity damage is significantly enhanced with the increase of salinity， up to 61.93%. The damage rate of divalent calcium and magnesium was much higher than that of monovalent sodium and potassium， which were 72.15%- 85.92% and 36.82%-45.40%，respectively. The brine with salinity lower than 20 000 mg/L can enhance the permeability， but the intrusion of high-salinity fluid is easy to trigger irreversible salinity sensitivity damage. Deionized water can dissolve a small amount of soluble salts and trace organic matter in coal rock. Based on the study， the countermeasures of using clear water fracturing fluid and flowback fluid softening are proposed to provide theoretical basis for reservoir protection and efficient development of deep coal rock gas reservoirs.

Key words： Coal rock gas; Reservoir protection; Formation water; Salt crystallization; Water saturation; Mineralization; Ordos Basin

Cite this article

Lijun YOU , Rui QIAN , Yili KANG , Yijie WU . Genesis of high-salinity formation water and salinity sensitivity of deep coal-rock gas reservoirs in the Ordos Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2025 , 36(9) : 1741 -1752 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.04.018

0 引言

我国深层煤岩气资源量约为40×1012 m3［1］，主要赋存于华中、华北、西北地区［2］，是天然气增储上产的重要领域［3］。目前开发的深层煤岩气资源大多为中高成熟度，最大埋深与现今埋深均大于2 000 m的深埋深藏型［4］。鄂尔多斯盆地晚古生代海陆过渡环境发育多套煤岩，多种类型储盖组合发育，太原组、山西组、本溪组含煤地层在全盆地稳定分布，其中上古生界石炭系本溪组8#煤层是煤岩气开发的主要层系之一。
研究区位于鄂尔多斯盆地东部，8#煤层埋深在2 000 m以上，顶板为太原组灰岩，底板为泥岩，天然气在煤层中源储一体，勘探显示含气饱和度高、游离气吸附气并存，采用压裂改造后取得了一定产量［5］。地质水文资料显示，除神府地区东北部断层发育、靠近地表水补给的地区，储层含水饱和度普遍低于浅层煤层，含气量与地层水矿化度呈正相关关系［6］，与含水饱和度呈负相关关系。储层初始含水饱和度低于束缚水饱和度的现象称为超低含水饱和度［7］，深层煤岩气藏具有“超低含水饱和度”［8］和“超饱和气藏”［9］的特征，开发过程中见气快、产液低。然而，深层煤岩气藏地层水矿化度高且成垢离子浓度高，入井流体易于侵入低含水饱和度的煤层，不完全返排并可诱发储层损害。压裂返排液或采出水循环利用是满足新质生产力的绿色发展途径，可缓解清水紧缺问题并满足大规模体积压裂用液量，减少重复配液的成本。
外来流体与高矿化度地层水之间的作用贯穿深层煤岩气井钻完井、压裂及压后排采过程，离子浓度改变而产生的无机盐溶蚀或结晶对煤岩微纳孔缝的疏通或堵塞作用，关系到气体能否高效产出。已有研究表明，页岩水力压裂过程中，低矿化度液体通过溶解可溶盐、扩展微裂缝、创生溶蚀孔而促进气体产出［10］；而矿化度地层水和返排液将会在储层中生成盐结晶而堵塞天然裂缝、造成渗透率损害［11］。
已有研究多聚焦于鄂尔多斯盆地深层煤层的地质构造与水动力条件，但矿化度动态变化引发的盐敏及损害特征不清。本文分析热演化史与煤系气成藏过程，探讨高矿化度地层水成因，通过压力衰减法定量评价深层煤岩的盐敏及钠钾/钙镁盐水敏感性，为制定合理的深层煤岩气井入井流体离子组分提供实验及理论支撑。

1 深层煤岩气藏高矿化度地层水成因

1.1　深层煤岩气藏高矿化度地层水现象

本文以鄂尔多斯盆地上古生界石炭系本溪组8#黑色—褐黑色煤岩为研究对象，煤体以原生结构为主。煤层厚度为1.6~10.9 m，岩石热解最高峰温T max值分布于558~560 ℃之间，处于过成熟生干气阶段［12］。本文实验样品选自内蒙古自治区鄂尔多斯市某井本溪组8#煤层，镜质体反射率为1.6%，样品显微组分以镜质组为主，固定碳含量高［图1（a）—图1（c）］，为低灰分中镜质组高阶烟煤。地层水水型为CaCl2型，矿化度约为80 000 mg/L［图1（d）］，远高于同地区的中浅煤层地层水矿化度的4 300~12 700 mg/L［13］。
图1 鄂尔多斯盆地本溪组8#煤工业分析、显微组分、元素组成及地层水矿化度

(a)煤工业分析；(b)显微组分分析；(c)元素分析；(d)地层水矿化度

Fig.1 Proximate analysis,maceral,elemental composition, and mineralization of formation water in the No.8 coal rock of the Benxi Formation, Ordos Basin

1.2　深层煤岩气藏地层水化学特性

深层煤岩气层CaCl2水型高矿化度地层水主要来源于深层水和成岩水，预示着良好的煤层气保存条件［14］。对鄂尔多斯盆地深层煤地层水阴离子、阳离子归一化（图2），矿化度较高的地层水中富含Ca2+和Mg2+，占阳离子总量的18%~66%，水型为CaCl2型，Cl－占阴离子总量的91%~99%。相比于鄂尔多斯盆地浅层碳酸钠型地层水，深层煤HCO3 －、CO3 2－浓度降低，表明随着深度增加，重力导致的地表水下渗强度降低，径向流动能力明显减弱，地层水转变为氯化物型［15］。高Ca2+、Mg2+含量说明深层煤层接近水源补给区，邻近存在岩溶层系。高矿化度和高Cl－含量表明层系为滞留水环境，封闭性较好。
图2 鄂尔多斯盆地深层煤层地层水离子Piper三线图

Fig.2 Ionized Piper trilinear map of stratum water in deep coal beds in the Ordos Basin

进一步分析地层水化学特性参数，镁钙系数 r M g 2 + / r C a 2 +=0.027~0.564，平均为0.168，指示水岩作用强度和离子交换程度较大，储层环境封闭条件较好，利于煤层气聚集保存［16］，钠氯系数 r N a 2 + / r C l -= 0.268~0.556，平均为0.333，较低的变质系数反映出储层水变质程度低，有利于煤岩气富集保存［17］。脱硫系数100 r S O 4 2 - / r C l -= 0~7.839，平均为1.813，反映储层硫酸盐在缺氧的还原环境下脱硫彻底。奥陶系马家沟组地层水，镁钙系数为0.01~0.12，钠氯系数平均为0.26，脱硫系数小于1［18］，地层水化学参数与本溪组深层煤岩相近。

1.3　深层煤岩超低含水饱和度特征

龙马溪组海相页岩束缚水饱和度为75.92% ~84.42%，超低含水饱和度的页岩气层的初始含水饱和度介于33%~46%之间［19］。埋藏于深层的中高阶煤比低阶煤具有更高的束缚水饱和度［20］。核磁共振通过测定1H的横向弛豫时间T 2得到水相在岩石孔隙中的分布，对于多峰型T 2谱，截止值分布在微孔峰和介孔宏孔峰交会处的凹点，T 2截止值以左代表不可动水空间，即束缚水［21］，采用核磁共振T 2截止值法测定鄂尔多斯盆地本溪组8#深层煤岩柱样束缚水饱和度范围为63.36%、72.69%、95.18%（图3）。鄂尔多斯盆地东缘太原组8/9#深层煤保压取心测试含水饱和度为60.0%~76.4%［22］，神府区块深层煤层保压取心含水饱和度为20.0%~73.3%［23］，大牛地气田煤层含水饱和度为6.5%~30%，平均值为16.3%［24］。鄂尔多斯盆地深层煤层具有超低含水饱和度的特征。
图3 深层煤岩核磁共振T 2谱

Fig.3 NMR T 2 spectra of deep coal rock

深层煤岩气藏含气饱和度高，基本处于超饱和状态，含气量超过甲烷吸附能力，游离气占比平均为24.48%［25］，榆林地区8#煤游离气含量平均为4.22 m3/t［13］，神府地区游离气含量为1.27~4.63 m3/t［23］；而中浅层煤层游离气含量平均为0.90 m3/t［26］，中浅部8#煤层普遍为欠饱和气藏，含气饱和度为49.6%~86.2%［27］。研究区煤层甲烷浓度高，从侧面指示出区域水动力弱于中浅层煤层，且以灰岩为主的顶板和泥灰岩底板封存良好，避免甲烷在水中氧化和扩散逸失［28］。弱水动力条件和良好封盖条件为煤层甲烷生成和富集提供重要的地质条件。同时，超低含水饱和度使得压裂液易于侵入煤岩，稠化剂在煤岩表面受官能团聚合、分子间作用力形成最大厚度达60 nm的吸附层，堵塞渗流通道并造成渗透率损害［29］。

1.4　深层煤岩可溶物测试

1.4.1　实验方法

煤岩中主要成分是难溶于水的有机质，但可能存在部分能溶于水的盐结晶，电导率法能够用于水溶液中可溶盐的测定，通过煤岩颗粒浸泡实验定量分析盐结晶溶解速率、溶解量和所占孔隙度，并测试化学需氧量COD，判断是否存在可溶于水的有机质，分析清水用于溶解增孔潜力。
低浓度水溶液中，矿化度TDS和电导率σ线性相关［30］，可以通过测量电导率评价水的总离子浓度，拟合线性回归方程为：
T D S = k 1 σ + c
实验测试在20 ℃恒温开展，不需要进行温度系数补偿，使用模拟地层水测试拟合得到k 1=0.70 mg·μs/（L·cm），c=-1.16 mg/L。
COD是水样中需要被氧化的还原性物质的量，可以根据COD近似计算出溶解性有机质DOM的质量浓度，计算方法：
D O M = C O D k 2
对于浸泡煤岩的水样，溶解性有机质通常含有羟基、羧基、醛基、羰基、氨基基团，氧化当量系数k 2为1.42。
实验步骤：①将煤岩粉碎，使用筛网筛选20~40目（425~850 μm）颗粒，60 ℃恒温烘干24 h备用；②称取5.0 g煤岩颗粒放入烧杯中，并加入200 mL去离子水，使用雷磁DDS-307测试电导率，使用雷磁COD-571测试化学需氧量；③恒温20 ℃去离子水浸泡，测试6 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、96 h、120 h时溶液的电导率和COD；④将岩样烘干称重，计算总溶解量，并计算可溶盐和DOM质量。

1.4.2　实验结果与讨论

使用去离子水浸泡煤岩后，电导率上升反映出溶液矿化度提高（图4），浸泡后煤岩颗粒质量降低0.047 g，约0.98%的物质被水溶解，部分可溶盐进入水体。可溶盐溶解速率在前12 h最高，12~72 h逐渐降低，72 h后溶解速度趋于平稳。去离子水浸泡120 h后，水溶液电导率由2.66 μs/cm上升至78.8 μs/cm，对应矿化度上升至54 mg/L。煤岩中可溶盐被去离子水溶解后，盐结晶原本所占据的空间将形成新的孔隙，增大储渗空间，改善气体流动能力。
图4 深层煤岩颗粒浸泡过程电导率及矿化度变化

Fig.4 Changes in conductivity and mineralization during immersion of deep coal rock

部分酚类、醚类、酯类、酮类等溶解性有机质（DOM）溶于水后不产生带电离子，不能通过电导率反映其浓度变化，测试化学需氧量COD并计算DOM的变化。浸泡后COD的上升反映出煤岩中存在微量可溶于水的有机质，其溶解速率在前48 h最高，后续逐渐降低，72 h后溶解速度趋于平稳。去离子水浸泡120 h后，COD由0上升至33.0 mg/L，DOM上升至23.2 mg/L（图5）。相较于可溶盐，煤岩中DOM含量低，仅有微量有机质可溶于水。
图5 深层煤岩颗粒浸泡过程COD及DOM变化

Fig.5 Changes of COD and DOM during leaching of deep coal rock particles

1.5　深层煤岩气藏热演化成藏

研究区煤岩气藏高矿化度地层水与煤岩气富集成藏过程具有紧密联系。鄂尔多斯盆地由克拉通坳陷到内陆坳陷转化过渡，断层较为发育，物源区成煤古植物繁盛，晚古生代历经海西旋回，区域性的海退和海侵间歇期出现了有利聚煤的泥沼环境，石炭系深层煤岩成藏可以分为3个阶段。
第一阶段，物源沉积。鄂尔多斯盆地泥盆系和志留系全面隆升遭受风化剥蚀，地表成准平原状态［31］，从晚古生界至早侏罗世（300~200 Ma），海陆过渡相、湖相煤系地层沉积在奥陶系马家沟组泥灰岩之上，煤层快速埋藏进入生烃门限；中、晚侏罗世（200~140 Ma）处于缓慢沉降期，东西向拉张作用形成正断层，烃源岩进入成熟阶段，煤层开始规模生气。海水间歇侵入使煤层中封存的原生水矿化度较高［32］，以钠氯离子为主，微孔空间被原生水占据［图6（a）］。
图6 研究区深层煤岩热演化生气成藏

（a） 物源沉积，海陆过渡相煤系地层快速沉降，海水环境下形成原生水，煤岩低成熟度，束缚水空间被海水占据；（b）热演化生气，升温增压煤岩成熟，向煤系地层排气排水，含水饱和度大幅降低，气体将束缚水空间海水挤出；（c）热演化消退，温度降低，煤层压力降低，岩溶层高钙镁地层水受超压挤入煤层，吸附气占据微孔空间

Fig.6 Thermal evolution of deep coal rock for gas formation in study area

第二阶段，热演化生气，增压排水。早白垩世（140~100 Ma）受燕山期构造热事件的影响，地层温度最高上升至165 ℃，煤迅速达到成熟—过成熟阶段，烃源岩达到最高热演化程度，生烃量明显增加，热事件和热异常是鄂尔多斯盆地油气富集的重要原因之一。研究区石炭系煤层生气量约为65 m3/t［33］，远高于当今的总含气量14.85~22.85 m3/t［13］，同位素及其他气体地球化学指标表明，鄂尔多斯盆地南部上古生界天然气主体以高过成熟煤型气为主，盆地北部烃源岩以石炭系—二叠系煤系为主［34］。甲烷生成后从孔隙向裂缝中运移，压力逐渐上升并突破压力封闭，游离气突破圈闭运移至砂岩、碳酸盐岩形成煤系气藏；煤层微孔中绝大部分水随气体排入裂缝，被携液至邻近层系，含水饱和度大幅降低［图6（b）］。高温高压条件下大量天然气以游离态赋存于煤岩孔隙裂缝空间中，煤系气藏均处于超压状态。
第三阶段，从早白垩世末（约 95 Ma）至今。地层遭受抬升剥蚀，研究区内地层剥蚀厚度达到950~1 350 m，温度、压力降低，燕山期构造热事件影响逐步消退，煤层生气作用明显降低并趋于停止。部分游离态天然气吸附至煤层以吸附态赋存，超过Langmuir体积的天然气继续以游离态存在于孔隙裂缝中，使得煤层从超压逐渐降低至常压［24］。压力降低导致邻近含水层系的地层水反流进入煤层，研究区主要含水层系太原组、马家沟组均发育有岩溶地貌，丰富的可溶盐溶解形成缝洞，高矿化度水源侵入煤层后，改变了石炭系沉积时以钠氯为主的水型，富含Ca2+和Mg2+，使煤层地层水矿化度升高。同时，甲烷竞争吸附占据微孔空间，减少了水侵入束缚空间，使挤入煤层的地层水体积小于热演化生气时的排水体积［图6（c）］，形成了现今研究区煤岩气藏高矿化度地层水伴生超低含水饱和度现象。

2 深层煤岩盐敏性评价

鄂尔多斯盆地深层煤岩气藏高矿化度CaCl2型地层水的形成，是热演化生烃排驱原生水、岩溶地层水回流协同作用的结果。此类地层水Ca2+、Mg2+等成垢离子浓度高，返排液重复利用时可能结垢并降低煤岩渗透率，直接影响压裂液与储层的配伍性及气体高效产出。本文开展实验评价矿化度梯度变化及一价（Na⁺、K⁺）与二价（Ca²⁺、Mg²⁺）盐类对深层煤岩的损害程度，揭示盐结晶赋存特征，为压裂液矿化度优化与储层保护提供理论依据。

2.1　实验样品

2.1.1　实验岩样

将鄂尔多斯盆地深层8#煤岩制备成Φ25 mm×50 mm柱状煤岩并测试初始孔隙度、渗透率，装入密封离心管中备用。

2.1.2　实验流体

研究区煤岩气藏地层水矿化度约为80 000 mg/L，根据离子组成［图1（d）］，按比例配制模拟地层水用于盐敏实验。NaCl和KCl按质量比例1∶1分别配制矿化度20 000 mg/L、50 000 mg/L、80 000 mg/L、120 000 mg/L、200 000 mg/L的钠钾盐水；CaCl2和MgCl2按质量比例9∶1分别配制矿化度2 000 mg/L、5 000 mg/L、10 000 mg/L、20 000 mg/L、30 000 mg/L的钙镁盐水。

2.2　实验方法

深层煤岩基块孔隙发育差、渗透率低，在覆压条件下泊松比较高的煤易于发生形变导致天然裂缝/割理闭合，以流量测试岩心渗透率的方法存在实验周期长、驱替压差大、读数误差大的难题。本文选择压力衰减法用于测试深层煤岩的液测渗透率（图7），通过监测岩心夹持器上游端压力衰减情况，既能够模拟流体自然衰竭产出过程，又可以反映储层岩石渗透能力，跨过流量测试的壁垒。
图7 压力衰减法装置流程图

Fig.7 Schematic diagram of pressure decay method device

压力衰减法测试岩心压力半衰期步骤：①检验装置气密性，将饱和测试流体的煤岩放入岩心夹持器，中间容器加入测试流体；②岩心夹持器施加2.5 MPa围压，入口端施加0.8 MPa入压；③加压饱和流体1 h后，关闭中间容器—微小容器之间的阀门，卸载中间容器内压力，使微小容器内压力从0.8 MPa开始衰减；④记录微小容器内压力从0.8 MPa衰减到0.4 MPa的压力半衰期。

2.2.1　深层煤岩盐敏实验方法

不同矿化度液体进入储层后可能会引起煤储层渗透率发生变化，入井液矿化度的选择应基于煤岩接触不同矿化度流体时渗透率变化的规律来合理选择。
实验步骤：①检测装置气密性，取1块煤岩岩心BX-1置于模拟地层水中，在真空箱中饱和24 h；②将待测岩样放入岩心夹持器，使用压力衰减法测试并记录岩心压力半衰期；③依次使用次地层水、1/4矿化度地层水、去离子水饱和并驱替煤样，重复步骤②，完成矿化度降低的盐敏实验；④依次使用1.5倍矿化度、2倍矿化度盐水饱和并驱替煤样，重复步骤②，完成矿化度升高的盐敏实验；⑤由半衰期计算渗透率损害率。

2.2.2　深层煤岩钠钾/钙镁盐损害评价方法

地层水中常见的钙、镁离子的二价盐通常在水中的溶解度很低（表1）。溶液pH升高、温度升高、阴离子浓度改变时可能会生成沉淀，相对而言，钠盐和钾盐的溶解能力普遍较好，且不易遇碱产生沉淀。分别设计并开展一价盐（KCl和NaCl）和二价盐（MgCl2和CaCl2）对深层煤岩渗透率的损害实验，揭示不同矿化度流体接触顺序、无机盐种类对煤岩渗透率损害规律。
表1 地层水中常见无机盐、碱溶解度（20 ℃，g/100 g）

Table 1 Solubility of common inorganic salts and bases in formation water (20 ℃，g/100 g)

化学价 金属离子 CO3 2－ HCO3 － SO4 2－ OH－
一价 Na+ 21.8 9.6 19.5 51.0
K+ 111.0 33.2 5.3 110.0
二价 Mg2+ 难溶 难溶 25.5 难溶
Ca2+ 难溶 16.6 0.25 0.17

注：“难溶”指溶解度小于0.01 g/100 g

实验步骤：①检测装置气密性，取1块煤岩岩心BX-2在真空箱中饱和初始测试流体24 h，②将待测岩心放入夹持器，围压2.5 MPa，入压0.8 MPa，依次使用80 000 mg/L、40 000 mg/L、20 000 mg/L、120 000 mg/L、200 000 mg/L的一价盐水饱和并驱替岩心，使用压力衰减法测试并记录压力半衰期，该组作为一价盐水损害实验；③另取1块岩心，流体依次更换为10 000 mg/L、5 000 mg/L、2 000 mg/L、20 000 mg/L、30 000 mg/L的二价盐水，重复步骤①②，完成二价盐水损害实验；④另取1块岩心，流体依次更换为20 000 mg/L、40 000 mg/L、80 000 mg/L、120 000 mg/L、200 000 mg/L的一价盐水，重复步骤①②，完成矿化度接触顺序损害实验；⑤由半衰期计算渗透率损害率，评价损害程度（表2）。
表2 基于压力衰减法的流体敏感程度评价指标

Table 2 Evaluation index of fluid sensitivity based on pressure decay method

D T/% D T≤5 5<D T≤30 30<D T≤50 50<D T≤70 D T>70
敏感程度 无 弱 中等偏弱 中等偏强 强

2.3　实验结果

2.3.1　深层煤岩盐敏评价

鄂尔多斯盆地本溪组8#煤岩在矿化度降低过程中，盐敏导致渗透率降低36.88%，损害程度中等偏弱，临界矿化度20 000 mg/L；矿化度升高过程中，盐敏导致渗透率降低61.93%，损害程度中等偏强，临界矿化度80 000 mg/L（表3，图8，图9）。矿化度降低过程，盐敏损害程度弱，仅为13.43%，高矿化度流体可能在岩心喉道析出结晶盐堵塞渗流通道，并压缩双电层厚度造成颗粒失稳、脱落和絮凝。
表3 深层煤岩盐敏实验结果

Table 3 Results of salinity sensitivity experiments on deep coal rocks

岩心BX-1 孔隙度/%

渗透率

/10-3 μm2

 渗透率损害率/% 损害程度
矿化度降低 2.55 0.049 36.88 中等偏弱
矿化度升高 2.55 0.049 61.93 中等偏强
图8 BX-1矿化度降低压力衰减曲线

Fig.8 Pressure decay curve for mineralization reduction of BX-1

图9 BX-1矿化度升高压力衰减曲线

Fig.9 Pressure decay curves for increasing mineralization of BX-1

2.3.2　深层煤岩钠钾/钙镁盐损害评价

（1）流体接触顺序
选用孔隙度2.09%，渗透率为0.068×10-3 μm2的BX-2岩心，先驱替与地层水矿化度相同的80 000 mg/L钠钾盐水，再按照矿化度降低和矿化度升高的顺序驱替钠钾盐水。煤岩接触80 000 mg/L钠钾盐水后，无论矿化度升高或降低，渗透率均无法恢复，下降36.82%~45.40%，损害程度中等偏弱（图10）。
图10 BX-2驱替钠钾盐水的煤岩压力半衰期

Fig.10 Pressure half-life of coal rock driven by sodium-potassium brines of BX-2

选用孔隙度3.26%，渗透率为0.095×10-3 μm2的BX-3岩心，按矿化度从低到高依次驱替20 000~200 000 mg/L的钠钾盐水，探究不同矿化度流体的接触顺序对煤岩渗透率的影响。在低矿化度下，压力半衰期降低，相较于80 000 mg/L矿化度测得的渗透率提高了53.80%~62.29%（图11），提高矿化度后，岩心渗透率逐渐降低，当矿化度提升到200 000 mg/L，损害率达41.73%，损害程度中等偏弱。2组不同矿化度接触顺序的岩心驱替实验表明：若使用较低矿化度流体驱替煤样，并不会出现类似盐敏的损害，其渗透率反而比地层水矿化度下测试的结果更高；若使用较高矿化度流体驱替后，即便后续降低矿化度，也难以恢复或提高煤样渗透率。
图11 BX-3递增流体矿化度的煤岩压力半衰期

Fig.11 Pressure half-life of coal rock for incremental fluid mineralization of BX-3

（2）无机盐种类
选用孔隙度2.38%，渗透率为0.035×10-3 μm2的BX-4岩心，按矿化度从低到高依次驱替2 000~30 000 mg/L的钙镁盐水，量化二价钙镁盐水对煤岩的损害程度。实验结果（图12）表明，煤样渗透率变化趋势与BX-3相似，在低矿化度下渗透率较高，提高流体矿化度后，渗透率损害率为72.15%~85.92%，高于钠钾盐水损害率，损害程度强。研究区煤岩气藏流体环境中含有CO3 2－、HCO3 －、SO4 2－、OH－、Ca2+和Mg2+能够与其结合生成盐结晶堵塞孔隙。
图12 BX-4驱替钙镁盐水的煤岩压力半衰期

Fig.12 Pressure half-life of coal rock driven calcium-magnesium brines of BX-4

2.4　盐结晶赋存分析讨论

鄂尔多斯盆地煤系地层主要含水层系为山西组砂岩、太原组灰岩/砂岩，阴离子组分表明地表降水难以下渗至深层，地下水主要来源于侧向补给［6］。以开发主力古生界石炭系本溪组深层煤层为例，其顶板发育2~3套灰岩，厚度在4~8 m之间，上覆太原组砂岩在成岩阶段CaCO3过饱和沉淀形成钙质胶结，并受到了石炭系煤层有机质热演化过程中弱酸性地下水的溶蚀作用［35］。底板泥灰岩厚度为4~14 m，下部奥陶系马家沟组发育灰岩，沉积环境为上层富氧、下层贫氧的潟湖环境，藻类在湖底平稳沉积，有机质得到保存。马家沟组井下取样为含泥含膏灰岩，夹有黏土、藻纹层［图13（a）］，石膏和可溶盐丰富并发育为夹层，可溶盐溶解形成缝洞［图13（b）］。
图13 榆林某气田DS-1井取样

（a）马家沟组井下取样断面(b)马家沟组石膏/方解石夹层，可溶盐溶解形成缝洞

Fig.13 Samples of Well DS-1 in a gas field in Yulin

地表水重力径流难以下渗至深部煤层，地下水流动将临近岩溶层位的Ca2+，Mg2+携带至煤层，顶底板良好的封盖能力使地层水滞留在煤层，形成了鄂尔多斯盆地深层煤岩气层CaCl2型高矿化度地层水。不同尺度下观察到深层煤岩发育有盐结晶，白色碳酸盐以点/线状充填煤岩裂缝［图14（a）］，煤样粉碎后在工业显微镜下观察到不规则的亚毫米级盐结晶［图14（b）］，扫描电镜观察到微米级盐结晶与煤粉伴生［图14（c）］。
图14 不同尺度下深层煤岩盐结晶发育情况

(a)岩心观察白色点/线状盐结晶充填煤岩裂缝；(b)工业显微镜下的透光盐结晶，长约200 μm，宽约100 μm；

(c)扫描电镜观察到亮白色盐结晶，粒径2~5 μm

Fig.14 Development of salt crystallization in deep coal rocks at different scales

3 讨论

基于矿化度损害评价结果，进一步探讨入井流体的组分调控策略，以实现储层保护与开发效益的平衡。煤层含水率对甲烷的吸附影响大于矿化度的影响，含水率的降低会导致甲烷吸附能力上升［36］。水分子占据煤基质微孔的吸附位从而降低Langmuir体积，饱和水煤样较干燥煤样的Langmuir体积降低了50%以上，矿化度增加会降低煤的气体吸附能力，但存在极限值，极限矿化度为10 000~20 000 mg/L后，继续增加矿化度对气体吸附影响微弱［37］。同时，煤层地层水的存在降低了67.0%~67.5%甲烷解吸速度［38］。中高阶煤层储气量高，易储难逸，疏导微孔吸附气是煤层气开采的关键［39］。
降低入井流体矿化度或能缓解裂缝内的煤粉运移。裂缝内煤粉运移存在临界矿化度，当矿化度低于临界矿化度时，双电层斥力大于Lifshitz-van der Waals引力和Lewis酸碱引力，产出煤粉急剧增多，可以将压裂液矿化度设计在支撑裂缝和裂隙煤粉运移临界矿化度之间，以KCl计约1 800~6 380 mg/L［40］。
次地层水作为储层配伍的流体具有一定参考价值。普遍认为地层水矿化度与储层配伍，而对于鄂尔多斯盆地本溪组深层煤岩，现存地层水主要来源于岩溶层的深成水，当高矿化度水侵入煤层，再加上超低含水饱和度煤层的吸水作用，可能会在裂缝、孔隙中形成矿物结晶、沉淀而损害储层［8］，这些损害难以通过低矿化度水驱替解除。目前深层煤岩压裂液通常使用清水配液，清水与煤岩的水岩作用和矿物溶解有利于煤岩气井高产。压裂液循环回注时，使用较低矿化度液体能够减小盐析损害，促进煤层气产出。
实验表明，高浓度钙镁盐溶液将使煤岩渗透率下降72.15%~85.92%，建议压裂液等入井流体中钙镁盐矿化度控制在5 000 mg/L以内。若水质不满足要求，可以采用化学沉淀或采用离子交换法实现水质软化。大宁—吉县地区11口深层煤层气酸压井采用1%~2% KCl活性水与酸液交替注入，增大了裂缝在煤层中的延伸长度，并起到降低成本、降低储层损害的效果［41］。压裂液返排液处理回用技术在鄂尔多斯盆地苏里格气田致密砂岩气藏得到推广，钙镁总质量浓度<50 mg/L、矿化度<20 000 mg/L的处理液压裂施工参数及效果与清水一致，取得良好应用效果［42］。

4 结论

（1）鄂尔多斯盆地晚古生代深层煤岩历经3个阶段演化：物源沉积期，原生水赋存于孔隙；热演化生烃期，气体生成驱动原生水排出；热演化消退期，岩溶层高矿化度地层水受压回流。最终形成CaCl2型高矿化度地层水与超低含水饱和度的储层特征。
（2）去离子水能够溶解少量煤岩中的可溶盐和溶解性有机质；较高矿化度的流体和富含钙镁离子的流体将对深层煤岩造成不可逆损害，渗透率难以通过后续注入低矿化度流体解除。
（3）基于盐敏损害不可逆性，优先使用清水配液，循环利用返排液或采出液时，推荐矿化度≤20 000 mg/L，兼顾储层保护与绿色开发。
符号说明：TDS为矿化度，mg/L；σ为电导率，μs/cm；k 1为矿化度与电导率的线性方程系数，mg·μs/（L·cm）；c为矿化度与电导率的线性方程常数，mg/L；COD为化学需氧量，mg/L；DOM为溶解性有机质，mg/L；k 2为氧化当量系数，无因次。

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