煤層氣開(kāi)采對(duì)地下水流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究

帥官印，張永波，鄭秀清，陳軍鋒，張志祥，趙雪花

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.呂梁學(xué)院建筑系，山西 呂梁 033001)

0 引 言

我國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，截至2015年，全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明，我國(guó)煤層埋深1 500 m以內(nèi)的煤層氣可采資源量為10.9萬(wàn)億m3[1-3]。煤層氣作為一種熱值高、污染少、儲(chǔ)量極其豐富的清潔能源，對(duì)于彌補(bǔ)常規(guī)油氣資源不足缺口，減少煤礦瓦斯事故發(fā)生，減少空氣污染如霧霾等極端天氣產(chǎn)生等有著重要的意義。

煤層氣的開(kāi)采依賴于排水采氣技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)將疏排大量地下水，會(huì)直接導(dǎo)致儲(chǔ)氣段煤系地層中的含水層水位下降甚至被疏干。目前的研究主要集中在疏排水量與產(chǎn)氣量的關(guān)系，較少關(guān)注采氣對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。為此，筆者應(yīng)用Visual Modflow軟件，對(duì)鄂爾多斯東北部煤層氣田保德區(qū)塊煤系地層所含的碎屑巖類裂隙水含水層進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬研究，得出氣田開(kāi)采年限內(nèi)含水層水位下降與等水位線疏密變化情況，進(jìn)而采用迭代逼近法分析了煤層氣開(kāi)采對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。

1 研究區(qū)概況

保德區(qū)塊地處鄂爾多斯盆地東北部，河?xùn)|煤田北段，南部臨近興北區(qū)塊，東部緊鄰河曲區(qū)塊，采氣區(qū)塊主體位于黃河以東的保德縣西部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為12億m3/a，開(kāi)采4+5號(hào)煤層與8+9號(hào)煤層中的煤層氣，服務(wù)年限16 a。研究區(qū)屬于黃河水系，流域多年平均降水量為456.3 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 711 mm，地貌類型屬晉西黃土高原，微地貌屬梁、峁?fàn)铧S土丘陵區(qū)。地層從下到上依次為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)、峰峰組(O2f)；石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)；二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、上統(tǒng)石千峰組(P2sh)；三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)、下統(tǒng)和尚溝組(T1h)；新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)；第四系中、上更新統(tǒng)(Q2+3)；全新統(tǒng)(Q4)。研究區(qū)總體為一走向北西，傾向南西的單斜構(gòu)造，地層傾角為2°～10°，區(qū)內(nèi)僅在地表發(fā)現(xiàn)落差10 m的正斷層1條和軸向近東西的背斜1個(gè)。

區(qū)內(nèi)地下水共有4個(gè)含水巖組，分別是寒武系～奧陶系碳酸鹽巖類巖溶水含水巖組、石炭系碎屑巖類裂隙水含水巖組、二疊系～三疊系碎屑巖類裂隙水含水巖組和松散層孔隙水含水巖組。煤層氣開(kāi)采主要會(huì)影響石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水層和二疊系山西組碎屑巖類裂隙水含水層，這2個(gè)含水層總厚度為105.77～207.38 m，平均厚度為170.12 m，巖性由砂巖、粉細(xì)砂巖、泥巖等組成，地下水均沿地層傾向由東向西流動(dòng)。

2 模型建立

2.1 概念模型

本次模擬計(jì)算的目標(biāo)含水層是二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層與石炭系太原組砂巖裂隙含水層，由于1 415口煤層氣井都采用多煤層合采方式，而4+5號(hào)和8+9號(hào)煤層分別處于山西組和太原組之中，群井混合排水必然導(dǎo)致山西組和太原組含水層發(fā)生水力聯(lián)系，因此把2個(gè)含水層視為一個(gè)整體，統(tǒng)稱為煤系地層含水層。根據(jù)目標(biāo)含水層中砂巖裂隙水流場(chǎng)分布情況，研究區(qū)東部邊界是石炭系、二疊系砂巖與奧陶系灰?guī)r的分界線，可概化成二類流量邊界[4]，距氣田邊界最小距離約1.02 km；西部以砂巖裂隙含水層700 m埋深等值線為邊界，也可概化成二類流量邊界[5- 6]，距氣田邊界最小距離約10 km；研究區(qū)北部和南部邊界以垂直于等水位線的流線劃定，可概化成流量零通量邊界，其中北部邊界距氣田邊界最小距離約5.55 km，南部距氣田邊界最小距離約7.53 km。

研究區(qū)東部是目標(biāo)含水層地層裸露區(qū)，會(huì)有降水入滲補(bǔ)給；西部目標(biāo)含水層上方為二疊系與三疊系地層，巖性為泥巖、粉砂巖等，厚度介于64.60～331.55 m，平均厚約202.86 m，阻斷目標(biāo)含水層與上方含水層的水力聯(lián)系，可概化為隔水層。目標(biāo)含水層下方為石炭系本溪組，巖性為鋁土巖、粘土巖，粉砂巖及細(xì)砂巖等，厚度介于6.04～46.70 m，平均厚約26.08 m，具有良好的隔水性能，阻斷了其與下方含水層的水力聯(lián)系，構(gòu)成了穩(wěn)定的隔水底板。

考慮到煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，氣井抽水最先排出煤層水，水流主要為水平運(yùn)動(dòng)。隨著煤層水的排出，煤層上下部基巖裂隙水也會(huì)進(jìn)入煤層，該過(guò)程地下水水平與垂直運(yùn)動(dòng)同時(shí)存在，且地下水流隨時(shí)間空間不斷變化，因此概化為三維非穩(wěn)定滲流系統(tǒng)，水文地質(zhì)參數(shù)會(huì)隨空間變化。綜上，將目標(biāo)含水層概化成非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定滲流系統(tǒng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

不考慮水的密度變化，可用偏微分方程表示地下水的流動(dòng)，即[4]

(x、y、z)∈Ω，t>0

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z) (x、y、z)∈Ω

(1)

2.3 計(jì)算域剖分

將1∶10萬(wàn)的鄂東煤層氣田保德區(qū)塊圖導(dǎo)入模型作為計(jì)算模擬區(qū)的剖分底圖，對(duì)底圖進(jìn)行等間距剖分，并對(duì)群井所在區(qū)域及二疊系山西組和石炭系太原組出露區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密剖分。剖分之后，得到53 200個(gè)矩形單元。

2.4 二類流量邊界處理

以2016年6月1日實(shí)測(cè)水位為初始水位進(jìn)行計(jì)算，初始水位等值線見(jiàn)圖1。

根據(jù)上述邊界條件概化結(jié)果，模擬區(qū)北部、南部邊界為隔水邊界；上游邊界為東部邊界，流量為0；下游邊界為西部邊界，為二類流量邊界。采用迭代逼近方法計(jì)算通過(guò)邊界的流量，初始流量采用達(dá)西公式計(jì)算，即

Q=K×D×M×I

(2)

式中，Q為側(cè)向排泄量；K為滲透系數(shù)；D為剖面寬度；M為含水層厚度；I為垂直于剖面的水力坡度。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)資料，西部邊界滲透系數(shù)取0.001 4 m/d；邊界長(zhǎng)約55.4 km，含水層厚度取170.12 m；根據(jù)砂巖裂隙水水位等值線圖，邊界水力坡度約0.83%。計(jì)算后得到通過(guò)西部邊界排泄的流量為110 m3/d。

圖1 初始水位等值線(單位：m)

2.5 匯源項(xiàng)處理

模擬區(qū)目標(biāo)含水層的補(bǔ)給來(lái)源有：裸露區(qū)的大氣降水入滲補(bǔ)給、常年流河道在裸露區(qū)的滲漏補(bǔ)給；排泄主要通過(guò)采氣井抽水進(jìn)行排泄。

(1)大氣降水補(bǔ)給量。計(jì)算公式為：Q降=0.1∑α·P·A。式中，Q降為多年平均降水入滲補(bǔ)給；P為多年平均降雨量；α為降水入滲系數(shù)；A為計(jì)算區(qū)面積，為目標(biāo)含水層裸露區(qū)面積。根據(jù)資料，該區(qū)多年平均降水量為439 mm，降水入滲系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.242，在圖上量得裸露面積為69.6 km2，計(jì)算之后得到多年平均降水入滲補(bǔ)給量約73.9萬(wàn)m3/a。

(2)河道滲漏補(bǔ)給量。計(jì)算公式為：Q滲=Q徑·m河。式中，Q滲為河道滲漏補(bǔ)給量；Q徑為河道過(guò)水量；m河為河道滲漏補(bǔ)給系數(shù)。模擬區(qū)內(nèi)，嵐漪河與朱家川河為較大的河流，常年有水，在目標(biāo)含水層裸露區(qū)域，可滲漏補(bǔ)給目標(biāo)含水層。其他河流均為季節(jié)性河流，主要在雨季有洪水泄流，平常一般干涸，因而其滲漏補(bǔ)給量忽略不計(jì)。河道滲漏補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 河道滲漏補(bǔ)給量

(3)人工開(kāi)采量。采氣井分3a建成，計(jì)劃2014年排采150口井，2016年600口井，2017年665口井。根據(jù)先導(dǎo)開(kāi)發(fā)區(qū)塊的數(shù)據(jù)，區(qū)塊平均單井產(chǎn)水量7.5 m3/d，建成后共1 415口采氣井，總產(chǎn)水量10 612.5 m3/d。

(4)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)。對(duì)滲透系數(shù)K、貯水系數(shù)S進(jìn)行參數(shù)分區(qū)。據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查資料及地層巖性特征差異，將模擬區(qū)劃分成9個(gè)參數(shù)區(qū)并賦初值。

3 預(yù)測(cè)分析

3.1 模型識(shí)別

選擇2016年6月～9月為模型的識(shí)別時(shí)間，將水文地質(zhì)調(diào)查得到的水文地質(zhì)參數(shù)等作為模型的初始值運(yùn)行模型，并比較實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位，如果兩者相差較大，則進(jìn)行調(diào)參，并迭代計(jì)算，重復(fù)上述步驟直到兩者擬合較好為止。

3.2 預(yù)測(cè)方案設(shè)計(jì)

由于氣井分3 a建成，根據(jù)建設(shè)及排采進(jìn)度，氣井排水量按表2進(jìn)行輸入計(jì)算，軟件中將排水量平攤到氣井所處區(qū)域中，采用recharge方式進(jìn)行排泄。本次預(yù)測(cè)期選擇為2016年6月～2032年6月，預(yù)測(cè)模擬煤層氣田排水16 a對(duì)地下水流場(chǎng)的影響情況。

表2 煤層氣井排水量

圖2 開(kāi)采16a后等水位線(單位：m)

3.3 模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)模擬，得到鄂東煤層氣田保德區(qū)塊煤層氣井排水采氣16 a，煤系含水層水位等值線變化情況，見(jiàn)圖2。對(duì)比初始水位可以看出，在排水采氣過(guò)程中，研究區(qū)域地下水位呈整體下降趨勢(shì)，但整體流向沒(méi)有發(fā)生變化，仍是從東向西流，局部區(qū)域地下水流向發(fā)生改變，主要集中在模擬區(qū)東部。以煤層氣采區(qū)西部邊界為分界線，分界線以西區(qū)域地下水位降落不大，流場(chǎng)變化不明顯；分界線以東區(qū)域，隨著排水時(shí)間的延長(zhǎng)，水位下降明顯，模擬初期，模擬區(qū)東部邊界水位在1 000 m左右，排水16 a，水位下降至900 m左右，并且分界線以東區(qū)域等水位線不斷變疏，水力坡度逐漸變緩。排水16 a，粗略計(jì)算水力坡度數(shù)值大約從初期的平均1.28%下降至0.46%。

4 結(jié) 語(yǔ)

鄂東煤氣田保德區(qū)塊煤層氣開(kāi)采對(duì)地下水流場(chǎng)的影響研究表明，排水16 a，煤層氣采區(qū)及采區(qū)以東地下水位下降較大，水力坡度也從最初的平均1.28%下降至0.46%，流場(chǎng)發(fā)生改變。為減少采氣對(duì)地下水環(huán)境的影響，需加強(qiáng)采氣的同時(shí)降低對(duì)含水層影響等相關(guān)課題的研究，為地下水資源的保護(hù)作貢獻(xiàn)。