山西省煤層氣開采對水資源影響分析及對策措施

毋曉琴

（1.太原理工大學(xué) 山西太原 030024；2.山西省水資源管理中心 山西太原 030001）

煤層氣是與煤伴生、共生的能源資源。山西省擁有豐富的煤層氣資源儲量，煤層氣的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)水平已經(jīng)居于全國領(lǐng)先地位。但也對山西當(dāng)?shù)厮Y源和水生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的破壞和影響。

1 煤層氣基本情況

山西煤炭資源豐富，開發(fā)條件優(yōu)越，查明煤炭資源儲量占全國總量的1/4以上。同時，作為全國最具潛力的煤層氣開發(fā)利用基地的山西省，其勘探范圍、程度以及探明儲量均列全國首位。全省煤層氣占全國資源量的1/3，其中2000m以淺的資源儲量約為10.39萬億m3。山西省煤層氣主要賦存于六大煤田，以沁水煤田和河?xùn)|煤田居多，兩大煤田的煤層氣賦存資源量分別為6.85萬億m3和2.84萬億m3，占全省的93.26%。

2 煤層氣開發(fā)利用

山西煤層氣資源具有大規(guī)模開發(fā)優(yōu)勢，其分布具有埋藏淺、甲烷含量高以及集中、可采性好等特點。1990年以來，山西煤層氣開發(fā)堅持“重點突破，以點帶面”的方針，逐步加大勘探開發(fā)力度。截至2012年底，山西省已有煤層氣鉆井1.06萬口，所開發(fā)鉆井的煤層氣已達到了25.2億m3的產(chǎn)量，占全國煤層氣總產(chǎn)量的96%。根據(jù)山西省政府大力實施“氣化山西”的戰(zhàn)略部署，山西已將煤層氣列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從煤層氣資源的分布、開采條件和資源品質(zhì)分析，山西的煤層氣具備大規(guī)模開發(fā)的資源優(yōu)勢，開發(fā)前景廣闊。

3 煤層氣開采工藝及技術(shù)

煤層氣作為與煤共存、伴生的能源資源。煤層氣生產(chǎn)通過排水、降壓、脫附實現(xiàn)，井口裝配必要的排采設(shè)施使井筒液柱壓力不斷下降，使吸附于煤基質(zhì)的煤層氣解吸附，通過擴散作用進入到孔隙及裂隙系統(tǒng)中，然后滲流到井筒，再被采出到地面。煤層氣開采工藝流程主要包括鉆井、排采。一般煤層氣開發(fā)工程包括井場、集氣站、脫水增壓站、集氣管線、聯(lián)絡(luò)道路、棄渣場等組成部分。井場內(nèi)一般主要布置閥組區(qū)、煤層氣井、儲水池、鋼支架放空管、分氣包，井口設(shè)有抽油機。一般煤層氣施工流程為：井場選址—鉆井（空氣鉆井或清水鉆井）—套管—固井—直井壓裂—進入排采階段。

4 煤層氣開采排水分析

4.1 煤層氣開采排水影響因素

煤層氣開采井排水影響有自然和人為因素的相互影響。

（1）水文地質(zhì)條件。水文地質(zhì)條件是煤層氣賦存和生產(chǎn)的重要要素，其中包括含水層富水性、厚度和節(jié)理、裂隙、補給來源以及巖溶發(fā)育程度等因素。

（2）地質(zhì)構(gòu)造特征。采氣井的地質(zhì)構(gòu)造特別是褶曲斷層的補給來源豐富程度和斷層兩盤含水層、隔水層的對接情況決定了采氣井排水量的大小，地質(zhì)構(gòu)造一方面對地下水起著重要的控制與導(dǎo)水作用，另一方面也起著阻溢作用。在地質(zhì)構(gòu)造愈復(fù)雜的位置，斷裂愈多，開采煤層離斷層愈近，補給充分，則排水量就愈大。

（3）開采井不同階段與排水量的關(guān)系。煤層氣開采不同時期，開采井排水量變化很大，煤層氣井開采排水經(jīng)歷較大、穩(wěn)定、衰減到停止排水逐步恢復(fù)的一般變化過程。煤層氣單井開采運行年限一般為14年，運行期間開采排水量總體呈遞減趨勢。即初期，采氣井排水量較大。其次為中期，排水量進入穩(wěn)定狀態(tài)。三是后期，含水層部分被疏干，則排水量進入衰減狀態(tài)。四是當(dāng)各井場相繼進入閉井期，其儲量逐漸下降，排水變小或不排水，各種機械設(shè)備將停止使用，煤層氣開發(fā)工作人員將陸續(xù)撤離，煤層氣開采對水環(huán)境的影響將會逐漸減小。

（4）開采層位與開采井排水量的關(guān)系。煤層氣增產(chǎn)必須采用煤層壓裂工藝，但壓裂方向的不可控制性，將不可避免對目標(biāo)煤層頂、底板造成破壞，從而導(dǎo)通目標(biāo)煤層與頂、底板含水層。山西省煤層氣開采目標(biāo)煤層主要為3＃、9＃和15＃煤層，3＃煤層頂板上覆含水層為砂巖裂隙水，砂巖裂隙不太發(fā)育，屬弱含水層，壓裂導(dǎo)通含水層后排水量不會太大；9＃和15＃煤層頂、底板含水層為灰?guī)r裂隙含水層，屬弱富含水層，裂隙相對發(fā)育，并且在構(gòu)造的作用下，可能會產(chǎn)生突水等情況，排水量比開采3＃煤層時要大。

4.2 煤層氣開采排水量分析

煤層氣開采排水量分析計算主要根據(jù)與含水層組的關(guān)系、排水量變化規(guī)律及影響因素等。

（1）煤層氣開采井?dāng)?shù)法。目前煤層氣開采排水井可分為微量排水井（排水量0.5～5m3/d·眼）、少量排水井（ 5～10m3/d·眼）、較大排水井（10～20m3/d·眼）、大型排水井（20～150m3/d·眼）等四種類型。根據(jù)排水記錄，煤層氣開采井在成井后初期1～3年內(nèi)排水量為10～20m3/d，在2～3年后排水量為0.2～5m3/d。

（2）煤層氣開采量法。由于各煤層氣開采區(qū)塊排采工藝、開采煤層、開采時間、地質(zhì)條件的不同，單位產(chǎn)氣排水量也存在較大差異。山西省沁水縣單位產(chǎn)氣排水量約為0.0036m3/m3；其余縣、市由于開采較晚，現(xiàn)處于勘探與試采階段，單位采氣排水量相對較大。

5 煤層氣開采對水資源的影響

煤層氣開采對水資源的影響主要表現(xiàn)為鉆井、固井及壓裂環(huán)節(jié)對地下水含水層結(jié)構(gòu)的破壞與鉆井液漏失、泥漿池滲漏對地下水的污染，以及井場采排廢水對地下水水質(zhì)的影響。

5.1 鉆井施工對地下水含水層結(jié)構(gòu)造成破壞，產(chǎn)生大量排水

在開鑿井筒過程中，鉆孔貫穿了煤層及其上覆含水層，使得各含水層貫通，由于含水層水壓力不同，不同含水層會出現(xiàn)涌水或漏水現(xiàn)象，將煤系地層以上含水層地下水疏干排出，形成以井筒為中心的降落漏斗，對地下水含水系統(tǒng)造成局部破壞。

5.2 壓裂對地下水含水層結(jié)構(gòu)造成破壞

我省大部分煤田主要產(chǎn)層有3#、9#、15#煤層。由于各層滲透率不太高，采用常規(guī)直井工藝則必須通過壓裂改造實現(xiàn)采氣生產(chǎn)。煤層中的節(jié)理裂隙由于在強大壓力的作用下，張開、擴展、貫通，并被壓裂液中所攜帶的支撐劑（金剛砂等）所充填。施工結(jié)束后，由于支撐劑的存在，使得節(jié)理、裂隙難以愈合，裂隙的含水或?qū)詴l(fā)生改變。雖然壓裂層段原則上限制在目標(biāo)煤層之內(nèi)，實際對煤層頂、底板的破壞是不可避免的，對煤系地層的含水、隔水結(jié)構(gòu)的破壞是不可逆轉(zhuǎn)的。

5.3 采氣大量排水，疏干地下水

采氣將賦存在目標(biāo)煤層中的地下水疏干排出，對地下水造成嚴重破壞。一般煤層氣抽采井平均布井每平方千米9－10眼，部分以井組形式抽采，相距僅幾米，井深超過目標(biāo)煤層，一般為700～800m不等，整個采氣區(qū)地層變成一個“蜂窩煤”。每個采氣井排水量大小不一，日排水量在50～100m3不等。煤層氣開采對煤田范圍地下水影響和破壞是非常嚴重的。

5.4 對水環(huán)境造成嚴重影響

5.4.1 鉆井施工井筒磨損、碰撞破裂，鉆井液、鉆井泥漿漏失，對地下水水質(zhì)造成污染和破壞

（1）在鉆井過程中，會發(fā)生鉆井液漏失的現(xiàn)象，使含有添加劑的鉆井液從破壞處越流進入地層或潛水含水層，對潛水含水層造成污染。若漏失地層與含水層之間存在較多的斷裂或裂隙發(fā)育，則將對采氣井周圍地下水造成污染。

（2）在鉆井施工中可能導(dǎo)致地層可細小斷裂、破損，造成井塌、井漏等復(fù)雜情況發(fā)生，對地下水造成污染破壞。

（3）開采井在固井、測井完成后，為加大采氣產(chǎn)能，將進行煤層壓裂處理，壓裂材料主要為砂與水，壓裂水中添加一定含量的氯化鉀等化學(xué)添加劑，每眼開采井煤層壓裂用水量約300m3，采氣過程中將壓裂水抽排后如不進行回收處理，就地排放后將對區(qū)域地表水、地下水造成一定污染。

5.4.2 鉆井施工泥漿廢水滲漏以及廢水直接外排對地表水環(huán)境影響

按照有關(guān)規(guī)范和規(guī)定，各采氣井均應(yīng)設(shè)有泥漿池（滲水坑），主要存放鉆井施工廢水、泥漿及巖屑，也用于收集采氣過程的大量排水。煤層氣開采井鉆井過程中排水量一般在300m3/眼左右，排水主要污染物包括懸浮物、石油類、COD等。如就地排放后將對區(qū)域地表水、地下水造成一定污染。鉆井廢水應(yīng)采用化學(xué)混凝法處理后循環(huán)使用，使廢水回用率達到85%以上，泥漿經(jīng)自然蒸發(fā)后固化填埋處理。如未對泥漿池嚴格防滲，廢水下滲，極可能污染當(dāng)?shù)氐叵滤?。在排水量較大時，也可能溢流，廢水進入河道或坡面，將造成大范圍水環(huán)境污染。據(jù)調(diào)查，全省開采井排水收集池未采取任何防滲措施占全省煤層氣開采井排水收集池總數(shù)一半。

5.4.3 煤層氣開采排水直接排放，對周圍水環(huán)境造成影響

山西省煤層氣開采煤層平均埋深在600m以上，煤系含水層水質(zhì)較差，屬原生污染嚴重的地下水含水層。根據(jù)采樣分析，煤層氣井排出水水質(zhì)中均有指標(biāo)超標(biāo)。其中，氟化物超標(biāo)情況為最突出，其次為氨氮、亞硝酸鹽、氯化物、溶解性總固體等。煤層氣開采排水在不經(jīng)過處理直接排放或收集池不作防滲直接入滲的情況下會對當(dāng)?shù)氐乇?、地下水水質(zhì)產(chǎn)生破壞。

6 煤層氣開采對當(dāng)?shù)剞r(nóng)村飲水和群眾生活造成影響

煤層氣產(chǎn)業(yè)對當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展起到了一定階段性的促進作用，但也對當(dāng)?shù)厮Y源造成了破壞。經(jīng)實地調(diào)查和分析，煤層氣開采影響主要表現(xiàn)為以下幾種形式：

（1）采氣區(qū)地下水疏干，取水井水位下降乃至干枯。地下水、截潛流地下水和泉水是我省城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民的重要供水水源，也是水質(zhì)極易污染的水源。在采氣井施工中，將影響煤層氣開采區(qū)內(nèi)生活和灌溉水井（指淺中層井）的水位、水質(zhì)。如晉城市沁水縣柿莊鄉(xiāng)的柿莊、丁家、應(yīng)郭等村原有水源井干枯，發(fā)生飲水困難。

（2）小泉小水干枯，農(nóng)村飲水工程報廢。山區(qū)農(nóng)村飲水水源一般為小泉小水。大量開鑿采氣井破壞了煤系地層以上含水層和山區(qū)小泉小水的原有產(chǎn)流條件，造成小泉小水水量急劇減少甚至斷流，導(dǎo)致農(nóng)村飲水工程報廢，出現(xiàn)了人畜飲水困難。如晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)、固縣鄉(xiāng)多個村莊的飲水工程由于開采煤層氣，水量大幅減少或干枯，造成人畜吃水困難現(xiàn)象。

（3）鉆井廢污水和采氣排水直接外排，對當(dāng)?shù)厮h(huán)境造成污染和破壞。從實地調(diào)查和對采氣井排水水質(zhì)化驗情況看，采氣排水對水環(huán)境造成污染，進而對當(dāng)?shù)卮迕裆钤斐捎绊?。一是在煤層氣的開采過程中，采排廢水如不經(jīng)深度處理排放，會直接下滲對砂巖裂隙水及第四系孔隙地下水水質(zhì)造成污染，并且會沿導(dǎo)水構(gòu)造入滲到石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，也將對巖溶地下水造成污染。若未經(jīng)處理直接進入河道，將對地表水造成污染；二是采氣過程中使用的壓裂液對含水層水質(zhì)直接造成污染，若事故狀況下廢污水直接排放，也將對地下水水質(zhì)造成影響；三是在采氣井洗井的過程中，產(chǎn)生含有有害物質(zhì)的廢液也對當(dāng)?shù)厮h(huán)境產(chǎn)生影響。

7 措施和對策

（1）應(yīng)按照《中華人民共和國水法》、國務(wù)院《取水許可和水資源征收管理條例》、《山西省水資源管理條例》等法律法規(guī)規(guī)定，嚴格實行水資源論證和取水許可審批制度。所有新建煤層氣開采項目應(yīng)進行水資源論證，經(jīng)水行政主管部門審查批復(fù)后，作為項目立項和施工建設(shè)的依據(jù)。

（2）所有新建、改建、擴建煤層氣開發(fā)項目，應(yīng)按照《山西省水資源管理條例》、《山西省泉域水資源保護條例》等有關(guān)法規(guī)和《山西省人民政府關(guān)于促進資源型城市可持續(xù)發(fā)展的實施意見》的規(guī)定，嚴格開展煤層氣開采對水環(huán)境和水資源影響評價工作，查清煤層氣開采對當(dāng)?shù)厮h(huán)境和水資源的影響和破壞程度，提出相應(yīng)的治理和水資源保護措施

（3）煤層氣開采工程應(yīng)按照有關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，嚴格執(zhí)行水資源有償使用制度，取用水以及排水應(yīng)按照有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)征繳水資源費。

（4）若在煤層氣開采過程中，對水資源和水環(huán)境造成破壞，應(yīng)遵循誰破壞、誰治理的原則，按采氣量向煤層氣開采單位征收水生態(tài)環(huán)境治理、水源及供水工程建設(shè)的基金。

（5）根據(jù)國家有關(guān)要求，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)組織對農(nóng)村飲用水源劃定保護區(qū)，嚴禁在村民吃水工程和灌溉工程的水源周圍布設(shè)采氣井，對已嚴重造成農(nóng)村飲用水源破壞或影響的采氣井，限期予以封閉。

（6）應(yīng)嚴格落實國家有關(guān)規(guī)定，“應(yīng)選擇一定數(shù)量的煤層氣井，監(jiān)測其在鉆井、壓裂、排采等作業(yè)過程對井場及周邊生態(tài)環(huán)境、聲學(xué)環(huán)境、地表水及地下水的影響。對煤層氣開采井網(wǎng)分布范圍內(nèi)的地下水影響進行評價”的要求，做好煤層氣開采對地下水環(huán)境影響監(jiān)測、評價、治理和監(jiān)督管理工作。建立煤層氣開采區(qū)的水位和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，加強煤層氣開采區(qū)的水位、水質(zhì)和水量監(jiān)測工作，為當(dāng)?shù)厮Y源保護提供支撐。