沁水縣樊莊區(qū)塊煤層氣開采對水環(huán)境影響分析

王利冰

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

沁水縣樊莊區(qū)塊煤層氣開采對水環(huán)境影響分析

王利冰

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

含水介質(zhì)廣泛分布于煤層氣區(qū)塊，煤層氣開采中采用叢式布井模式，加之布井密度較大，又采用減壓排水方式開采，對水環(huán)境影響至關(guān)重要。以沁水縣樊莊區(qū)塊煤層氣開采為例，分析了當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，地下水的補給、徑流、排泄條件，對煤層氣開采井施工期及運營期對水環(huán)境的影響進(jìn)行了分析，提出了防止影響的措施和建議。

煤層氣開采；施工期影響；運營期影響；沁水縣

煤層氣俗稱瓦斯，是儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)天然氣，熱值與天然氣相當(dāng)。煤層氣作為潔凈能源，商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是國家戰(zhàn)略資源。

沁水煤層氣樊莊區(qū)塊位于沁水縣胡底鄉(xiāng)、固縣鄉(xiāng)和端氏鎮(zhèn)，主要開采山西組3號煤層和太原組15號煤層的煤層氣，3號煤埋深一般在300～800m，厚度5～8m，15號煤埋深一般在400～900m，厚度1～5.5m，噸煤含氣量高，最高32m3/t，最低14m3/t，一般大于15m3/t。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

沁水煤層氣樊莊區(qū)塊地表大部分為第四系黃土覆蓋，局域地段有三疊系砂巖出露，地層由老至新分別為：奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、石炭系上統(tǒng)山西組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系上統(tǒng)石千峰組、三疊系下統(tǒng)劉家溝組、三疊系下統(tǒng)和尚溝組、第四系中更新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)、第四系全新統(tǒng)。

3號煤層以上的含水層有第四系松散層孔隙水、碎屑巖類裂隙水。15號煤層以上的含水層有碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水。15號煤層以下的含水層有碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。3號煤層以上有二疊系砂巖含水層之間的層間隔水層，15號煤層以下有太原組底部及本溪組泥巖、鋁土質(zhì)泥巖隔水層。

1.1 第四系松散層孔隙水

上更新統(tǒng)松散孔隙含水巖組主要分布于河谷一級階地，含水層巖性為粗砂、細(xì)砂及礫石，厚0～13m，平均為7.75m。地下水水位埋深小于7m，單井涌水量0.8L/s，富水性中等。水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型。全新統(tǒng)松散孔隙含水巖組主要分布河床、河漫灘中，含水層巖性主要為砂礫石及粗砂，厚度一般為0～8.0m，平均為6.0m，水位埋深小于5m，單位涌水量5～10L/s·m。

1.2 碎屑巖類裂隙水

含水介質(zhì)為二疊系的碎屑巖，廣泛分布于沁水煤層氣樊莊區(qū)塊。二疊系下統(tǒng)山西組含水巖組由中、細(xì)粒砂巖構(gòu)成裂隙含水層，為3號煤層的主要充水水源。單位涌水量0.00166～0.00206L/s·m，水質(zhì)屬HCO3-Ca·Mg型。石盒子組砂巖裂隙含水巖組在評估區(qū)南部大面積出露，可直接接受大氣降水的補給，在溝谷低洼地段多呈下降泉排泄，流量一般較小，為0.08～0.57L/s·m。埋藏較深處，由于各個含水層間由泥巖、砂質(zhì)泥巖等塑性巖類相隔，使各個含水層獨立呈層狀，相互間水力聯(lián)系微弱，富水性差。水質(zhì)類型屬HCO3-K·Na型。

1.3 碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水

含水介質(zhì)為石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖。該含水巖組一般埋藏較深，由數(shù)層砂巖裂隙含水層與K2，K3，K4，K5石灰?guī)r巖溶含水層組成，是太原組各煤層的主要充水水源。由于其間夾有數(shù)層煤層、砂質(zhì)泥巖，將各個含水層分隔呈層狀分布的近似獨立的含水層，故相互間水力聯(lián)系微弱。其中K2石灰?guī)r含水層，富水性較其他含水層好，水位標(biāo)高500～600m，單位涌水量0.0003～0.198L/s·m，水質(zhì)類型屬HCO3-K·Na型。

1.4 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

該含水巖組巖性主要為奧陶系中統(tǒng)上、下馬家溝組厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，其富水性受巖溶、裂隙發(fā)育程度控制，富水性中等，補給源主要是灰?guī)r裸露區(qū)的大氣降水入滲，其次是地表水的滲漏補給，在覆蓋、埋藏區(qū)還接受上覆地層的滲漏。區(qū)域內(nèi)奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層受埋藏深度、巖溶發(fā)育規(guī)律及構(gòu)造的影響，含水性具明顯的水平分區(qū)和垂直分帶：在平面上，灰?guī)r裸露區(qū)、薄層區(qū)與厚層覆蓋區(qū)巖溶發(fā)育特征、含水性有較大差異，在剖面上有“上弱下強”的含水規(guī)律。含水層厚度大于400m，巖溶水水位標(biāo)高559.26m，富水性不均勻，鉆孔單位涌水量0.0015～41.85L/s·m，水質(zhì)類型為SO4-Ca·Mg型，礦化度小于0.36g/L，水質(zhì)優(yōu)良。

沁水煤層氣樊莊區(qū)塊內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單。

此外，二疊系砂巖含水層之間的層間隔水層厚度穩(wěn)定，一般厚度3～5m，最厚可達(dá)15m，該隔水層呈層狀分布于各砂巖含水層之間，阻隔了各砂巖含水層之間的水力聯(lián)系。太原組底部及本溪組泥巖、鋁土質(zhì)泥巖隔水層位于15號煤層之下，平均厚度6m。

2 地下水條件

2.1 碎屑巖裂隙地下水

碎屑巖砂巖裂隙地下水的主要來源是大氣降水，降水以垂直入滲的方式補給地下水，地下水一般沿地層傾斜方向運動，在徑流過程中，因溝谷切割常以泉的形式排出地表。

2.2 松散巖類地下水

松散巖類孔隙水含水層地下水的主要來源是大氣降水和地表水的入滲補給，局部與基巖裂隙水有互補現(xiàn)象。一般情況下地下水的徑流方向與地表水徑流方向一致，主要排泄方式是人工開采，也有一部分排向地表河流。

3 施工期對地下水影響

3.1 鉆井期對地下含水層的影響

在鉆井過程中，鉆孔貫穿了煤層及其上覆各含水層，在不同含水層段會出現(xiàn)涌水或漏水現(xiàn)象。河谷平川區(qū)首先造成淺層地下水的漏失，使得以開采淺層地下水為供水水源的農(nóng)村人畜生活飲用水井水位下降，出水量減少。山丘區(qū)大量的小泉、小水大多為二疊系、三疊系砂巖風(fēng)化裂隙水形成的下降泉，在補給區(qū)上游鉆井開采煤層氣，將造成區(qū)域二疊系、三疊系砂巖風(fēng)化裂隙水沿井筒漏失，導(dǎo)致煤層氣開采區(qū)多數(shù)淺層地下水位下降，小泉、小水流量減小。

3.2 固井期對地下含水層的影響

煤層氣開采井固井一般是在下管后進(jìn)行，采用的止水材料為普通水泥漿。根據(jù)叢式井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，一開井段（第四系基巖）水泥漿返高至地面，固井期在井壁與井管之間將進(jìn)行封堵，對第四系含水層僅造成短期影響；二開井段（基巖—本溪組）水泥漿返高至3號煤層以上200m，至二疊系上石盒子組，這就導(dǎo)致未封堵的石千峰組及上石盒子組K14，K13，K12砂巖含水層相互連通，造成上部含水層砂巖裂水向下部含水層漏失，尤其是以三疊系砂巖裂隙水作為供水水源的用水戶，供水量將減少甚至斷流，這種影響不僅出現(xiàn)在固井期，而且將貫穿于整個運營期。

3.3 壓裂期對地下含水層的影響

煤層氣井壓裂是在射孔之后，在地面采用高壓大排量泵，將壓裂液以大于儲層吸收能力的速度向煤儲層注入，使煤層中的節(jié)理裂隙張開、擴(kuò)展、貫通，并被壓裂液中所攜帶的支撐劑所充填，使得裂隙的含水或?qū)阅馨l(fā)生改變。如對壓裂的壓力控制不當(dāng)，將會導(dǎo)通煤層頂、底板含水層，致使其含水層中的水在煤層氣開采過程中逐漸被排干。

4 運營期對地下水影響

4.1 煤層氣開采對區(qū)域水資源量的影響

采氣排水貫穿于煤層氣開采的全過程，開采井排水量不是固定值，不僅受水文地質(zhì)條件的控制，還受到開采井排采時期的制約。一般來說單井煤層抽排水量隨時間呈遞減趨勢，單井產(chǎn)水初期較高，隨著開采逐漸降低。

根據(jù)煤層氣開采規(guī)律，煤層氣開采區(qū)塊布設(shè)的排采井將實行滾動開發(fā)，即進(jìn)入退役期的開采井不斷由新的開采井替換，以維持煤層氣總的產(chǎn)能不變。煤層氣單井開采運行年限一般為14年，運行期間采排水量總體呈遞減趨勢。類比原有工程已建氣井的排水量統(tǒng)計情況，項目產(chǎn)生井下排水量為：直井、叢式井2.41m3/d，U型井2.12m3/d，開采井排水量年均遞減率36%進(jìn)行預(yù)測，樊莊區(qū)塊共設(shè)計排采井直井25座、叢式井335座、U型井3座，布井密度10眼/km2，運營期內(nèi)所有排采井排水總量將會達(dá)到88.44萬m3。

4.2 煤層氣開采對上覆含水層的影響

樊莊區(qū)塊固井期在井壁與井管之間設(shè)計對第四系含水層（第四系基巖）采用水泥漿封堵，而基巖—本溪組段水泥漿返高僅至3號煤層以上200m，將導(dǎo)致未封堵井段含水層相互連通，造成上部含水層砂巖裂隙水通過下部含水層漏失。

煤層氣開采對上覆含水層產(chǎn)生的不利影響還體現(xiàn)在煤層壓裂過程中，部分開采井不可避免地會對目標(biāo)煤層直接頂、底板造成破壞，致使上覆含水層中的水在煤層氣開采過程中逐漸被排干，從而對上覆含水層中的水量造成影響。 4.3 煤層氣開采對巖溶地下水的影響

樊莊區(qū)塊15號煤層底板標(biāo)高0～500m，奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高559.26m左右，15號煤層底板標(biāo)高低于奧灰?guī)r溶水水位，巖溶水存在承壓性，但由于15號煤層至奧陶系灰?guī)r頂板隔水巖層平均厚度為48m左右，巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖、薄煤層、砂巖、鋁質(zhì)泥巖、山西式鐵礦層及薄層石灰?guī)r，煤層氣開采過程中一般不會破壞15號煤層和奧陶系灰?guī)r間的隔水層結(jié)構(gòu)，不會直接導(dǎo)通到奧陶系含水層。樊莊區(qū)塊煤層氣的開采在不涉及導(dǎo)水構(gòu)造的條件下，對巖溶地下水影響微弱，且影響是階段性的，隨著煤層氣井的關(guān)閉，影響將基本消除。

4.4 采排水對地下水質(zhì)的影響

從樊莊區(qū)塊試運行的叢式井采排廢水水質(zhì)評價結(jié)果來看，叢式井采排廢水雖經(jīng)過濾、沉淀處理，但氨氮及氟化物均超過地下水質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，屬劣Ⅴ類水。樊莊區(qū)塊采排廢水如不經(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。

5 建議

二開井段（基巖—本溪組）水泥漿返高至3號煤層以上200m，至二疊系上石盒子組，會導(dǎo)致未封堵的石千峰組及上石盒子組K14，K13，K12砂巖含水層相互連通，造成上部含水層砂巖裂水向下部含水層漏失，因此，樊莊區(qū)塊固井期必須對井壁與井管之間采用水泥漿進(jìn)行全部封堵，避免對地下含水層造成影響。

樊莊區(qū)塊在施工過程中，無論從鉆井、固井及壓裂環(huán)節(jié)均對地下含水層造成一定的影響，在壓裂施工中盡可能將壓裂層段控制在目標(biāo)煤層之內(nèi)，最大限度地減小對煤層頂、底板的破壞，確保對水環(huán)境的影響程度降到最低。

樊莊區(qū)塊施工場地必須進(jìn)行深度處理，泥漿池及采排廢水儲水池池底與四壁必須采取防滲措施，防滲系數(shù)應(yīng)小于1.0×10-7cm/s；對采排廢水必須進(jìn)行處理，滿足所在水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)，同時要建設(shè)事故水池，待污水處理設(shè)施修復(fù)并正常運行后，再將事故水池收集的廢污水處理后達(dá)標(biāo)排放；應(yīng)選定井場及站場周邊的水環(huán)境敏感區(qū)域制定監(jiān)測計劃，定期進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果定期上報當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T。

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］C ［

］1004-7042（2016）06-0011-02

王利冰（1969-），女，2015年畢業(yè)于河北工程大學(xué)水文與水資源工程專業(yè)，工程師。

2016-04-18；

2016-05-25