煤層氣開采對地下水的影響分析及防治措施——以山西晉城為例

劉愛萍

（山西省晉城市水利局，048000，晉城）

一、研究區(qū)地質構造、含煤地層及水文地質條件

1.構造特征

山西省晉城地區(qū)煤層氣開采區(qū)位于沁水盆地南部，盆地周緣地殼抬升，煤層出露，構造明顯比盆地內復雜，其主體構造為一軸向NNE的沁水復式向斜，南北翹起端呈箕狀斜坡，東西兩翼基本對稱。研究區(qū)地處沁水復式向斜的翹起端，東部和西部邊緣構造復雜，晉獲斷裂等邊界斷裂規(guī)模較大，對沁水盆地的演化具有控制作用（見圖1）。其地層總趨勢是由東南向西北傾斜，地層傾角一般在10°以內，局部地區(qū)受構造影響可達到20°以上。

2.含煤地層及煤層

晉城地區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。共含煤21層，厚度6.75～16.50 m，平均12.21 m，含煤系數(shù)9.53%。其中，3號和15號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，也是煤層氣勘探開發(fā)的主要目標煤層。

（1）太原組

太原組厚度64～133 m，平均厚度在90 m左右。由深灰色-灰色灰?guī)r、泥巖、粉砂巖、砂巖和煤層組成，以K2、K3、K5及 K6四層灰?guī)r較穩(wěn)定。 含煤7～16層，含煤系數(shù)7.52%，其中15號煤層為全區(qū)可采煤層，9號煤層為大部可采煤層。

（2）山西組

山西組厚度33～72m，一般在48m左右。主要由灰-深灰色粉砂巖、中細粒砂巖、砂質泥巖和灰黑色泥巖及煤層組成。含煤1～5層，煤層總厚度5.12～7.73 m，平均6.30 m，含煤系數(shù)13.81%。其中3號煤層厚度穩(wěn)定，且埋藏較淺，為全區(qū)主采煤層。

3.水文地質條件

晉城地區(qū)主要的含水層有：第四系松散巖類孔隙水含水層；二疊系碎屑巖類裂隙水含水層；石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖層間裂隙巖溶水含水層；奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水層。

（1）奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層

本含水層為區(qū)域性含水層，厚度大，埋藏深，承壓水位較高。其富水性受巖溶裂隙發(fā)育程度的控制，中下部的馬家溝組巖溶裂隙發(fā)育，富水性好；上部的峰峰組巖溶裂隙不發(fā)育，富水性差。區(qū)域資料表明，鉆孔單位涌水量為 0.0036～14.22 L/（s·m），水質類型一般為 HCO3·SO4-Ca·Mg 型， 隨著含水層埋藏深度的增大，向SO4-Ca·Mg型轉化。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層

K2、K3、K4、K5為太原組主要含水層，屬層間裂隙巖溶水。其富水性的強弱取決于含水層巖溶與裂隙的發(fā)育程度，一般在接近地表露頭處巖溶裂隙發(fā)育，富水性好；隨著灰?guī)r埋藏深度的增加巖溶裂隙發(fā)育程度減弱，富水性變差?？傮w屬于富水性弱的含水層。

（3）二疊系砂巖裂隙含水層

包括3號煤層頂板的上、下石盒子組砂巖裂隙含水層和山西組K7砂巖裂隙水，富水性一般較弱，單位涌水量為 0.0276 L/（s·m）， 水質類型為HCO3-K·Na型。

（4）第四系全新統(tǒng)砂礫含水層

本含水層主要指發(fā)育在溝谷底部的砂、礫、卵石層中的孔隙水。含水層厚度因地而異，差別較大，水位埋深一般較淺，富水性差異也較大，單位涌水量一般為 0.2～5.0 L/（s·m），水質類型屬HCO3-Ca型。

二、煤層氣賦存及產出機理

1.煤層氣賦存機理

煤層氣的主要成分是甲烷，晉城地區(qū)煤層中甲烷含量高，多在90%以上。煤層中的甲烷以三種相態(tài)存在，即吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)。以吸附態(tài)為主，約占70%～95%；其次為游離態(tài)，約占10%～20%；溶解態(tài)極小，通常忽略不計。吸附態(tài)煤層氣主要以物理吸附的形式儲集于煤基質孔隙的內表面上；游離態(tài)煤層氣儲集于煤的裂隙中，可以自由運移，運移的動力主要為地下水壓力；溶解態(tài)煤層氣溶解在煤層裂隙水中。煤層氣受溫度、壓力等外界條件變化，相態(tài)會發(fā)生變化，最終達到平衡狀態(tài)。

2.煤層氣產出機理

煤層氣藏是一種壓力圈閉氣藏，在壓力作用下煤層氣得以吸附保存。煤層氣開發(fā)工程的各個環(huán)節(jié)，旨在解決孔隙基質中流體的開采問題。煤儲層中流體為水、氣兩相，其水存在煤的裂隙中，產出只是一個滲流的過程。煤層氣的運移產出包括解吸、擴散和滲流三個過程（見圖2）。

煤層氣的吸附和解吸是兩個可逆的過程，煤儲層壓力增大時，煤層氣吸附儲集；煤儲層壓力降低時，煤層甲烷分子從基質內表面解吸（見圖3），繼而從基質向裂隙擴散。裂隙煤層氣的產出可概括為：首先通過地面排采設備排水，目的是降低煤儲層壓力，使吸附在煤層孔隙內表面的甲烷解吸，解吸后的甲烷在濃度壓差的作用下通過擴散進入裂隙系統(tǒng)，在裂隙系統(tǒng)中甲烷以滲流方式進入井筒，最終產出地面，進入管道系統(tǒng)。

3.煤層氣開發(fā)方式和目標煤層

晉城地區(qū)煤層氣開發(fā)主要采用目前國內外普遍使用的地面垂直井方式和叢式井方式。

地面垂直井和叢式井煤層氣開發(fā)目標煤層在不同地區(qū)有所差別，在寺河西區(qū)、潘莊、鄭莊、樊莊地區(qū)主要為3號煤層，在成莊、寺河東區(qū)多為3號、9號、15號煤層。不同氣井目標煤層的確定主要考慮氣井布置區(qū)的煤層發(fā)育程度、氣含量情況以及構造和水文地質條件等。煤層氣開發(fā)要求氣井控制區(qū)域內的目標煤層厚度大、氣含量高、水文地質條件簡單，且遠離斷層、陷落柱等構造。

4.煤層氣開發(fā)工程

煤層氣開發(fā)工程包括：鉆井、固井、完井、壓裂、排采等工程。鉆井采用二開方式，一開作業(yè)采用D311.5 mm(?12 1/4″)鉆進，鉆穿地表黃土及松散巖石層，至基巖下10 m終孔；二開作業(yè)采用 D215.9 mm(?8 1/2″)鉆至最下部目標煤層底板以下40～50 m終孔。壓裂工程是地面垂直井和叢式井煤層氣井開采的必要環(huán)節(jié)，主要是在近井地帶形成一條高導流能力的裂縫，為煤層中的水和煤層氣提供一條順暢的通道，加速排水降壓及煤層氣的產出；壓裂方式有活性水加砂壓裂、氮氣泡沫加砂壓裂兩種。煤層氣開發(fā)鉆井終孔層位位于石炭系太原組或奧陶系峰峰組。鉆井及壓裂實施作業(yè)見圖4。

三、煤層氣開采現(xiàn)狀

晉城地區(qū)煤層氣開采主要集中在沁水縣境內。目前沁水縣境內共布置了5個煤層氣開采區(qū)塊，即鄭莊區(qū)塊、樊莊區(qū)塊、潘莊區(qū)塊、棗園區(qū)塊、柿莊南區(qū)塊，總面積2 323 km2，這些區(qū)塊分屬5家企業(yè)，分別是中石油公司、中聯(lián)公司、亞美公司、格瑞克公司和藍焰公司。自1994年以來，上述5個公司相繼在沁水縣境內施工煤層氣采氣井共2 786口，投入運行井2 099 口，日產氣量 1 751 425 m3；規(guī)劃在“十二五”期間，沁水縣境內煤層氣開采井要達到10000口。

四、煤層氣開采對地下水的影響分析

1.壓裂工程對地下含水層的影響

煤層氣井增產強化工程主要包括射孔和水力壓裂兩部分，壓裂作業(yè)是最有可能對地下水造成影響的環(huán)節(jié)。由煤層氣產出機理和開發(fā)工程分析可知，壓裂在近井地帶形成一條高導流能力的裂縫，為煤層水和煤層氣提供一條順暢的通道，加速排水降壓及煤層氣的產出。

煤層氣壓裂主要是使裂縫沿煤層延伸，以保證最大泄流面積及最大產氣效果。垂向上，煤層氣井壓裂縫在目標煤層附近的區(qū)域產生一定的高度，從而造成煤層頂板含水層的破壞；橫向上，由于煤層氣井的服務年限一般較長，長期排采會導致目標煤層中的水大量產出。在構造或水文地質條件較復雜的地區(qū)，壓裂作業(yè)可能會以各種方式影響目標煤層附近的地層，導致煤層氣井排采時對鄰近地層的含水性造成一定程度的影響。

經實地調查，1994年以來，由于煤層氣開采，晉城地區(qū)煤層氣開采區(qū)內的絕大部分村莊村民多年賴以生存的吃水井和灌溉水井（孔隙水井和裂隙水井）都出現(xiàn)水位下降乃至干枯現(xiàn)象。

2.排采工程對地下水量的影響

煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤基質的孔隙內表面上，煤層氣的產出是通過排水降壓使煤層氣得以解吸并通過井筒產出。排采是煤層氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，也是有可能對地下水造成影響的直接環(huán)節(jié)。

對于垂直井和叢式井煤層氣抽采，受氣井開采目標煤層層數(shù)、厚度、所處構造部位，以及采取的壓裂作業(yè)規(guī)模等影響，初期產水量差別較大，部分氣井產水量可超過20 m3/d，但多數(shù)在10m3/d左右，也有部分氣井穩(wěn)定產水量小于5m3/d。

晉城地區(qū)煤層氣抽采井平均布井密度300～400m/口。按目前投入運行的2 099口井計算,日排水總量在2.0萬m3以上，如果按照“十二五”期間規(guī)劃10 000口井計算，日排水總量在10萬m3以上，約相當于100眼淺中層地下水井日出水量（按當?shù)貑尉畲蟪鏊?0 m3/h考慮）。由于煤層氣井布設點密集，煤層氣井排采作業(yè)又是一個長期而緩慢的過程，地面垂直井和叢式井的服務年限通常在15～20年左右，晉城地區(qū)部分煤層氣井的生產時間已經超過15年。煤層氣井的長期運行，對煤系地層含水層水量造成了極大的破壞。

3.煤層氣開采水污染途徑分析

煤層氣開采造成水污染的途徑有：一是鑿井時泥漿和廢水直接排入河道，對地表水造成污染。二是采氣過程中使用的煤、氣分離的壓裂液（壓裂液含有羥丙基瓜爾膠、過硫酸銨、氫氧化鈉和鹽酸等化學成分。其中羥丙基瓜爾膠富含的環(huán)氧丙烷是有毒物質，對黏膜和皮膚有刺激性，可損傷眼角膜和結膜，引起呼吸系統(tǒng)疼痛、皮膚灼傷和腫脹，甚至組織壞死；過硫酸銨對人體皮膚黏膜有刺激性和腐蝕性，吸入后引起鼻炎、喉炎、氣短和咳嗽等；氫氧化鈉和鹽酸具有強腐蝕性）對地下含水層水質造成直接污染，同時采氣排出的水直接流入沒有采取防滲措施的滲坑，使水環(huán)境遭受污染。三是采氣井洗井時產生的含有有害物質的廢液排放到地表，對當?shù)厮h(huán)境造成污染。

4.煤層氣開采的水環(huán)境污染現(xiàn)狀

煤層氣每個抽采井旁均有一個滲水坑，用于收集氣井內的排水，滲水坑長寬3～5 m不等，深2 m。據(jù)調查，絕大部分滲水坑沒有采取任何防滲措施。煤層氣抽采井排出的地下水，直接排入滲水坑滲入地下，排水量大時還會出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，并沿坡面、溝谷排放，同時排水伴有泛白沫、水面上有浮油等現(xiàn)象。據(jù)當?shù)卮迕穹从?，自煤層氣抽采井開采以來，村民飲用水水質明顯變差；開采煤層氣井排出來的水流入莊稼地后，造成莊稼不長，土壤出現(xiàn)板結現(xiàn)象；由于長期飲用采氣井排水，部分地區(qū)散養(yǎng)的母羊出現(xiàn)早產、死胎現(xiàn)象。

對采氣井排出的水質進行分析，采氣排水中氟化物、鐵、錳和pH值出現(xiàn)不同程度的超標。氟化物超標4.85～8.4 倍， 鐵超標 13.8～17.8 倍，錳超標0.08～0.18倍，各項污染物指標均超過采氣前當?shù)亓严逗畬釉瓲钏|。

5.潛在影響分析

晉城地區(qū)區(qū)域構造較復雜，斷層附近的煤層氣井受工程施工影響，目標煤層附近的含水層可能會通過斷層對氣井進行補給，使被溝通含水層的儲水量減少。特別是寺頭斷層和后城腰斷層附近，構造相對復雜，伴生斷層或牽引小斷層可能比較發(fā)育，這兩條斷層附近應是今后當?shù)孛簩託忾_采對地下水影響較大的重點關注區(qū)域。

五、煤層氣開采的水環(huán)境影響防治措施

晉城地區(qū)水資源相對匱乏，在煤層氣開發(fā)獲取經濟利益的同時，應最大限度減少煤層氣開采對水環(huán)境的影響，為此，提出以下防治措施：

①煤層氣開發(fā)是一個新興產業(yè)，相關的監(jiān)督和管理機制還不健全，政府相關部門應盡快建立相關管理機制，出臺相關的規(guī)范和標準，規(guī)范監(jiān)督煤層氣產業(yè)，確保煤層氣開發(fā)及水資源保護協(xié)調發(fā)展。

②嚴格規(guī)范采氣井審批程序，新規(guī)劃建設的采氣井必須經水行政主管部門審查同意后，方可施工。同時對煤層氣開發(fā)工程特別是鉆井、壓裂環(huán)節(jié)，應采用先進有效的技術和工程措施，減少對水環(huán)境的破壞。

③煤層氣開發(fā)是通過排水降壓采氣，不可避免地需要抽排煤層地下水。因此，對這部分排水要進行分散收集，集中處理并充分合理利用。

④對新建、已建煤層氣開采項目，建設單位應按照有關規(guī)定進行煤層氣開采的水環(huán)境影響評價工作，并采取必要的水環(huán)境防治措施。

⑤對于煤層氣開采已造成的水環(huán)境問題，本著誰破壞、誰治理的原則，煤層氣開采單位應按采氣量向水行政主管部門繳納一定比例的水資源補償費，作為水環(huán)境治理的費用；同時對采氣區(qū)域造成水源工程破壞的，采氣單位應負責建設新的飲用水水源工程，解決當?shù)卮迕竦娘嬎畣栴}。

⑥煤層氣開采單位應定期進行水環(huán)境的監(jiān)測，及時了解地下水水位、水質等變化情況，并將監(jiān)測結果定期上報當?shù)厮姓鞴懿块T。

六、結 論

煤層氣作為一種新興能源產業(yè)，在帶動晉城地區(qū)經濟發(fā)展方面作出了重要貢獻，但對當?shù)氐叵滤h(huán)境也造成了一定的影響。因此當?shù)卣跋嚓P部門應該加強管理、規(guī)范監(jiān)督煤層氣產業(yè)；煤層氣行業(yè)也應積極尋求國內外先進的開發(fā)工藝，同時定期進行煤層氣開發(fā)區(qū)域的水質水量監(jiān)測并承擔一定的社會責任，最大限度減少煤層氣開采對水環(huán)境的影響，保證經濟發(fā)展與水生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

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