地面煤層氣開(kāi)發(fā)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響

李志有

(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長(zhǎng)治046011)

煤層氣(礦井瓦斯)是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，目前煤層氣已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、汽車(chē)燃料、發(fā)電等諸多領(lǐng)域。礦區(qū)內(nèi)地層水含量、地下水動(dòng)力條件、礦化度、PH值、地層水離子成分等條件均是煤層氣資源生成、富集、運(yùn)移的決定性因素之一[1]，但同時(shí)地面煤層氣資源開(kāi)發(fā)又會(huì)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件、水環(huán)境條件產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，值得引起廣泛關(guān)注。國(guó)外煤層氣開(kāi)發(fā)較早，20世紀(jì)80年代，美國(guó)率先成功實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)，隨后澳大利亞、加拿大等國(guó)也相繼探索出適合本國(guó)煤層氣地面開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也逐步探索出適合的煤層氣開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)[2]。截止目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤層氣開(kāi)采引起的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了大量的探討，而對(duì)煤層氣開(kāi)采引起的水文地質(zhì)問(wèn)題探討不夠深入，本文結(jié)合沁水煤田煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，探討分析地面煤層氣開(kāi)發(fā)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的主要負(fù)面影響和應(yīng)對(duì)措施，以引起煤層氣開(kāi)發(fā)企業(yè)對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)引起的水文地質(zhì)問(wèn)題的高度重視，促使其采取合理措施，減少對(duì)原生水文地質(zhì)條件的破壞。

1 沁水煤田地面煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

沁水煤田是中國(guó)重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范基地，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層發(fā)育、區(qū)域穩(wěn)定、煤層厚度大、結(jié)構(gòu)良好、頂?shù)装宸忾]性能好、煤層氣含量高、含氣飽和度高、煤層滲透性好，是一個(gè)得天獨(dú)厚的煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)。目前在沁水煤田進(jìn)行地面煤層氣開(kāi)發(fā)，主要采用直井和叢式井開(kāi)發(fā)，其主要工序?yàn)殂@井、射孔壓裂、排采集輸。

鉆井工藝以生產(chǎn)直井為例，直井鉆井一般采用二開(kāi)結(jié)構(gòu)、套管完井，一開(kāi)利用Φ 311.15 mm鉆頭鉆穿新生界地層至穩(wěn)定基巖下10 m，下入Φ 244.5 mm的石油套管護(hù)孔，固上部礫石、流沙層；二開(kāi)利用Φ 215.9 mm鉆頭，鉆至目標(biāo)煤層下40 m～60 m完鉆，下入 Φ 139.7 mm的無(wú)縫鋼管，用常規(guī)密度水泥固井，水泥砂漿返至煤層以上不少于200 m[2]。

當(dāng)前射孔壓裂一般采用套管射孔、水力壓裂，水力壓裂主要是利用地面高壓泵組，將壓裂液以大大超過(guò)地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋高壓，當(dāng)高壓大于井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，便在井底地層附近產(chǎn)生裂縫，繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關(guān)井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，從而使煤層氣井達(dá)到增產(chǎn)的目的。

排采貫穿于煤層氣資源開(kāi)采的全過(guò)程，是增加煤層氣產(chǎn)能的一個(gè)重要途徑。排采主要是施行人工方法把水從煤層氣井中排出，進(jìn)而使煤儲(chǔ)層壓力降低到煤層甲烷臨界解吸壓力值以下，形成煤層氣連續(xù)流動(dòng)的過(guò)程。排采的主要理論依據(jù)是井間干擾理論，即經(jīng)排水泄壓為基本前提，泄壓面積越大，供氣能力越強(qiáng)。

2 鉆井對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響

2.1 煤層氣鉆井對(duì)含水層的破壞

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭受軸向壓力和回轉(zhuǎn)力的作用，在鉆壓大于巖石壓入硬度時(shí)，才能使鉆進(jìn)效果更加明顯；隨著鉆壓逐漸增大，鉆頭震動(dòng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致地層細(xì)小斷裂、破損，尤其是遇到斷裂構(gòu)造時(shí)，會(huì)導(dǎo)致上下含水層水力聯(lián)系加強(qiáng)，但一般情況下這種影響破壞作用比較小。

2.2 鉆井液對(duì)含水層的污染

鉆井過(guò)程中使用的鉆井液主要采用低固相鉆井液和無(wú)固相鉆井液，煤層以上層段采用低固相鉆井液，確保鉆井安全、順利穿透相應(yīng)地層；在煤層段鉆進(jìn)時(shí)，為防止煤層污染，要求換漿為清水作為循環(huán)介質(zhì)，鉆進(jìn)至孔底。但在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中為避免井塌、井漏等現(xiàn)象發(fā)生，一般不進(jìn)行真正換漿[2]；所采用的低固相鉆井液具有粘度低、密度低、濾失量低、對(duì)煤層污染小的特點(diǎn)，在循環(huán)過(guò)程中，鉆井液通過(guò)斷層、溶洞、裂隙孔隙及地下水徑流會(huì)擴(kuò)散到鉆孔以外更遠(yuǎn)的地方，對(duì)巖層及含水層造成一定的污染，另外鉆井過(guò)程中鉆井液中的固相顆粒會(huì)堵塞地層孔隙和裂隙，發(fā)生水鎖效應(yīng)，使含水層水的流通性減弱。

同時(shí)廢棄鉆井液含有KCl、乳化劑、柴油、極壓潤(rùn)滑劑、防卡液、降濾失劑等，這些添加劑中有毒有害的KCl、堿、木質(zhì)素鐵鉻鹽、重晶石、柴油等以及微量的 Hg、Cd、Pb、Zn 、As等多種污染物質(zhì)，直接排入地表，造成土壤板結(jié)并腐蝕植物根部，一般情況下這種污染僅僅控制在井場(chǎng)范圍內(nèi)，但遇暴雨等自然災(zāi)害可以使廢棄鉆井液溢出井場(chǎng)，污染周?chē)r(nóng)田和地表水體，還有可能滲入并污染淺層地下水。同時(shí)煤層氣井內(nèi)殘留的廢棄鉆井液也會(huì)對(duì)地下含水層造成污染，并隨地下水流不斷擴(kuò)散，加大污染范圍[3-5]。

2.3 煤儲(chǔ)層下“口袋”對(duì)含水層隔水性的影響

表1 0712鉆孔3號(hào)煤層突水系數(shù)對(duì)比表

通過(guò)以上對(duì)比，盡管按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[6](MT/T1901-2008)的帶壓開(kāi)采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，該鉆孔附近仍屬相對(duì)安全區(qū)，但由于煤層氣開(kāi)采所留的60 m“口袋”一般不進(jìn)行封閉，使該鉆孔隔水層厚度明顯減小，突水系數(shù)明顯增大，增加了突水的可能性。尤其是對(duì)于開(kāi)采深部或下組煤儲(chǔ)層的區(qū)塊，水文地質(zhì)條件將可能變的非常復(fù)雜。

3 水力壓裂對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響

3.1 水力壓裂對(duì)煤層頂?shù)装宓钠茐?/h3>

煤層氣井壓裂過(guò)程中，地應(yīng)力場(chǎng)分布和煤儲(chǔ)層及其頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)很大程度上決定了壓裂裂縫開(kāi)啟、擴(kuò)展和閉合，彈性模量和泊松比是其中兩個(gè)重要的力學(xué)參數(shù)。在沁水煤田，煤儲(chǔ)層相對(duì)于頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)存在明顯差異，具有低彈性模量、高泊松比的特點(diǎn)，壓力裂縫主要被限制在煤層層段內(nèi)，裂縫展布呈現(xiàn)很大的隨機(jī)性[7]。但當(dāng)施工壓力大于頂?shù)装鍑鷰r破裂壓力或遇頂?shù)装鍑鷰r有天然微裂縫時(shí)，壓裂將對(duì)煤層頂?shù)装逶斐善茐模斐身數(shù)装鍒?jiān)固性下降，交叉裂縫橫生，導(dǎo)水裂隙高度增加，尤其是在含水構(gòu)造附近，使上下含水層溝通的可能性增加，很大程度上破壞了煤系地層的含水、隔水結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)下部含水層的封蓋能力[2，7-8]。在沁水煤田，壓裂煤層裂縫單翼長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到127 m，最短為8 m，一般也在50 m～90 m，甚至某區(qū)塊曾發(fā)生由于煤層氣生產(chǎn)井距離煤田地質(zhì)孔較近，壓裂液從已經(jīng)封閉的煤田孔中沖出事故，嚴(yán)重破壞了原生水文地質(zhì)條件[2，8]。對(duì)于本區(qū)3號(hào)煤層來(lái)講，壓裂施工對(duì)隔水層結(jié)構(gòu)的影響僅限于煤系地層內(nèi)，但對(duì)于深部15號(hào)煤層的影響將是非常嚴(yán)重的，甚至?xí)?dǎo)致突水發(fā)生。

3.2 壓裂液對(duì)水環(huán)境的污染

壓裂過(guò)程中，壓裂液根據(jù)需要添加不同化學(xué)藥劑，起到稠化劑、交聯(lián)劑、pH值調(diào)節(jié)劑、殺菌劑、粘土穩(wěn)定劑、破乳劑、助排劑、破膠劑、降濾劑、粘土穩(wěn)定劑、絡(luò)合劑等作用，化學(xué)成分非常復(fù)雜。壓入井下的壓裂液隨著壓裂裂縫展布方向，與地下水發(fā)生作用，并隨之遷移形成污染羽，甚至導(dǎo)致有水力聯(lián)系的煤層氣井污染相互疊加，形成大面積的污染，兼有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，會(huì)對(duì)含水層水質(zhì)結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，使壓裂液成為煤層氣開(kāi)采過(guò)程中的主要水污染源。同時(shí)壓裂返排液對(duì)地表水體或土壤也會(huì)形成一定的污染，影響地表水質(zhì)和土壤質(zhì)量。

4 排采對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響

4.1 排采活動(dòng)對(duì)地下水流場(chǎng)的影響

排采活動(dòng)一般貫穿于煤層氣開(kāi)采的全過(guò)程，其排水量受水文地質(zhì)條件和排采活動(dòng)控制，采氣排水將導(dǎo)致煤層氣井及周邊區(qū)域地下水位下降。由于煤層氣地面開(kāi)發(fā)井網(wǎng)密度大、井?dāng)?shù)量大，井間干擾很容易形成，隨著抽排水時(shí)間的延續(xù)，將會(huì)形成區(qū)域地下水降落漏斗，甚至導(dǎo)致地表河流水位的下降，最終打破地下水的動(dòng)態(tài)平衡，使地下水流場(chǎng)發(fā)生變化，改變局部含水層補(bǔ)排關(guān)系，尤其是對(duì)于富水煤系含水層將會(huì)造成非常大的影響。在沁水煤田，通過(guò)潘莊煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐，由于煤系地層一般為弱含水層，單孔排水量最大69.53 m3/d，出水量較小，它的疏干對(duì)區(qū)域地下水系統(tǒng)影響較小[9]。

4.2 采出水對(duì)水環(huán)境的影響

通過(guò)煤層氣排采工藝采出的地下水一般具有較高的礦化度和鹽度，并且含有大量煤粉，氯離子濃度也因礦區(qū)的不同而有所不同，遠(yuǎn)比表層原生環(huán)境水中含量高，目前這些水的處理方式一般為回注地下或排入地表，但這兩種方式都會(huì)對(duì)水環(huán)境造成一定的污染破壞。根據(jù)鄭莊區(qū)塊3號(hào)煤層水測(cè)試結(jié)果，陽(yáng)離子中的 K++Na+平均為1 797.8 mg/L，Ca2+、Mg2+離子平均含量分別為5.6 mg/L、26.3 mg/L；陰離子中 Cl-離子含量高，平均為 2 126.1 mg/L；HCO2-離子的含量次之，平均為1 200 mg/L；SO42-離子含量低，平均為4.375 mg/L；水礦化度2 908.6 mg/L～8 002.1 mg/L之間，平均為5 169.8 mg/L，水質(zhì)類(lèi)型為NaHCO3型[10]。如果將大量采排水直接排入地表水體或農(nóng)田，將會(huì)污染地表水體或改變土壤質(zhì)量，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟娃r(nóng)用耕地。如果將這些水直接回注地下，與淺層地下水發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)作用，使淺層地下水水質(zhì)類(lèi)型發(fā)生變化，污染淺層地下水資源。

5 結(jié)論與建議

地面煤層氣開(kāi)采盡管帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但由其引起的水文地質(zhì)條件變化不得不引起高度重視，否則大面積的煤層氣開(kāi)采將會(huì)惡化現(xiàn)有的水環(huán)境、水文地質(zhì)條件。因此今后在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中要注意水文地質(zhì)條件的研究保護(hù)，確保動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。為盡量減少地面煤層氣開(kāi)采對(duì)水文地質(zhì)條件的負(fù)面影響，主要有如下建議:

(1)在鉆井過(guò)程中，盡量減少化學(xué)泥漿材料的使用，在不影響工藝要求的前提下，盡量采用低堿、無(wú)害化泥漿，并對(duì)廢棄泥漿經(jīng)固化和無(wú)害化處理后就地掩埋，最大限度地減少鉆井液對(duì)地下水含水層的污染；同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周?chē)叵滤谋O(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施[5，9]。

(2)壓裂液、采出水必須按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值處理達(dá)標(biāo)后排放或利用，不得直接排放。

(3)充分了解當(dāng)?shù)孛簝?chǔ)層及頂?shù)装鍑鷰r的力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力場(chǎng)分布情況，合理確定壓裂施工壓力或改善壓裂施工工藝，盡量減少壓裂對(duì)煤層頂?shù)装宓钠茐摹?/p>

(4)充分了解目標(biāo)煤層含水層富水性，合理布置井網(wǎng)，盡量弱化井間干擾效應(yīng)，有效降低對(duì)地下水含水系統(tǒng)的破壞。

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