地面煤层气开发对矿区水文地质条件的影响

李志有

(山西省煤炭地质114勘查院，山西长治046011)

煤层气(矿井瓦斯)是一种优质清洁能源，目前煤层气已经广泛应用于民用、汽车燃料、发电等诸多领域。矿区内地层水含量、地下水动力条件、矿化度、PH值、地层水离子成分等条件均是煤层气资源生成、富集、运移的决定性因素之一[1]，但同时地面煤层气资源开发又会对矿区水文地质条件、水环境条件产生一定的负面影响，值得引起广泛关注。国外煤层气开发较早，20世纪80年代，美国率先成功实现煤层气商业化开发，随后澳大利亚、加拿大等国也相继探索出适合本国煤层气地面开发的工艺技术，近年来国内也逐步探索出适合的煤层气开发工艺技术[2]。截止目前，国内外针对煤层气开采引起的环境问题进行了大量的探讨，而对煤层气开采引起的水文地质问题探讨不够深入，本文结合沁水煤田煤层气开发现状，探讨分析地面煤层气开发对矿区水文地质条件的主要负面影响和应对措施，以引起煤层气开发企业对煤层气开发引起的水文地质问题的高度重视，促使其采取合理措施，减少对原生水文地质条件的破坏。

1 沁水煤田地面煤层气开发现状

沁水煤田是中国重要的煤层气产业发展示范基地，其构造简单、煤层发育、区域稳定、煤层厚度大、结构良好、顶底板封闭性能好、煤层气含量高、含气饱和度高、煤层渗透性好，是一个得天独厚的煤层气开发有利区。目前在沁水煤田进行地面煤层气开发，主要采用直井和丛式井开发，其主要工序为钻井、射孔压裂、排采集输。

钻井工艺以生产直井为例，直井钻井一般采用二开结构、套管完井，一开利用Φ 311.15 mm钻头钻穿新生界地层至稳定基岩下10 m，下入Φ 244.5 mm的石油套管护孔，固上部砾石、流沙层；二开利用Φ 215.9 mm钻头，钻至目标煤层下40 m～60 m完钻，下入 Φ 139.7 mm的无缝钢管，用常规密度水泥固井，水泥砂浆返至煤层以上不少于200 m[2]。

当前射孔压裂一般采用套管射孔、水力压裂，水力压裂主要是利用地面高压泵组，将压裂液以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋高压，当高压大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，便在井底地层附近产生裂缝，继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，从而使煤层气井达到增产的目的。

排采贯穿于煤层气资源开采的全过程，是增加煤层气产能的一个重要途径。排采主要是施行人工方法把水从煤层气井中排出，进而使煤储层压力降低到煤层甲烷临界解吸压力值以下，形成煤层气连续流动的过程。排采的主要理论依据是井间干扰理论，即经排水泄压为基本前提，泄压面积越大，供气能力越强。

2 钻井对矿区水文地质条件的影响

2.1 煤层气钻井对含水层的破坏

在钻进过程中，钻头受轴向压力和回转力的作用，在钻压大于岩石压入硬度时，才能使钻进效果更加明显；随着钻压逐渐增大，钻头震动势必会导致地层细小断裂、破损，尤其是遇到断裂构造时，会导致上下含水层水力联系加强，但一般情况下这种影响破坏作用比较小。

2.2 钻井液对含水层的污染

钻井过程中使用的钻井液主要采用低固相钻井液和无固相钻井液，煤层以上层段采用低固相钻井液，确保钻井安全、顺利穿透相应地层；在煤层段钻进时，为防止煤层污染，要求换浆为清水作为循环介质，钻进至孔底。但在实际钻进过程中为避免井塌、井漏等现象发生，一般不进行真正换浆[2]；所采用的低固相钻井液具有粘度低、密度低、滤失量低、对煤层污染小的特点，在循环过程中，钻井液通过断层、溶洞、裂隙孔隙及地下水径流会扩散到钻孔以外更远的地方，对岩层及含水层造成一定的污染，另外钻井过程中钻井液中的固相颗粒会堵塞地层孔隙和裂隙，发生水锁效应，使含水层水的流通性减弱。

同时废弃钻井液含有KCl、乳化剂、柴油、极压润滑剂、防卡液、降滤失剂等，这些添加剂中有毒有害的KCl、碱、木质素铁铬盐、重晶石、柴油等以及微量的 Hg、Cd、Pb、Zn 、As等多种污染物质，直接排入地表，造成土壤板结并腐蚀植物根部，一般情况下这种污染仅仅控制在井场范围内，但遇暴雨等自然灾害可以使废弃钻井液溢出井场，污染周围农田和地表水体，还有可能渗入并污染浅层地下水。同时煤层气井内残留的废弃钻井液也会对地下含水层造成污染，并随地下水流不断扩散，加大污染范围[3-5]。

2.3 煤储层下“口袋”对含水层隔水性的影响

表1 0712钻孔3号煤层突水系数对比表

通过以上对比，尽管按《煤矿床水文地质、工程地质、环境地质勘查评价标准》[6](MT/T1901-2008)的带压开采分区标准，该钻孔附近仍属相对安全区，但由于煤层气开采所留的60 m“口袋”一般不进行封闭，使该钻孔隔水层厚度明显减小，突水系数明显增大，增加了突水的可能性。尤其是对于开采深部或下组煤储层的区块，水文地质条件将可能变的非常复杂。

3 水力压裂对矿区水文地质条件的影响

3.1 水力压裂对煤层顶底板的破坏

煤层气井压裂过程中，地应力场分布和煤储层及其顶底板的力学性质很大程度上决定了压裂裂缝开启、扩展和闭合，弹性模量和泊松比是其中两个重要的力学参数。在沁水煤田，煤储层相对于顶底板力学性质存在明显差异，具有低弹性模量、高泊松比的特点，压力裂缝主要被限制在煤层层段内，裂缝展布呈现很大的随机性[7]。但当施工压力大于顶底板围岩破裂压力或遇顶底板围岩有天然微裂缝时，压裂将对煤层顶底板造成破坏，造成顶底板坚固性下降，交叉裂缝横生，导水裂隙高度增加，尤其是在含水构造附近，使上下含水层沟通的可能性增加，很大程度上破坏了煤系地层的含水、隔水结构，降低了对下部含水层的封盖能力[2，7-8]。在沁水煤田，压裂煤层裂缝单翼长度最长达到127 m，最短为8 m，一般也在50 m～90 m，甚至某区块曾发生由于煤层气生产井距离煤田地质孔较近，压裂液从已经封闭的煤田孔中冲出事故，严重破坏了原生水文地质条件[2，8]。对于本区3号煤层来讲，压裂施工对隔水层结构的影响仅限于煤系地层内，但对于深部15号煤层的影响将是非常严重的，甚至会导致突水发生。

3.2 压裂液对水环境的污染

压裂过程中，压裂液根据需要添加不同化学药剂，起到稠化剂、交联剂、pH值调节剂、杀菌剂、粘土稳定剂、破乳剂、助排剂、破胶剂、降滤剂、粘土稳定剂、络合剂等作用，化学成分非常复杂。压入井下的压裂液随着压裂裂缝展布方向，与地下水发生作用，并随之迁移形成污染羽，甚至导致有水力联系的煤层气井污染相互叠加，形成大面积的污染，兼有不断扩大的趋势，会对含水层水质结构造成一定的破坏，使压裂液成为煤层气开采过程中的主要水污染源。同时压裂返排液对地表水体或土壤也会形成一定的污染，影响地表水质和土壤质量。

4 排采对矿区水文地质条件的影响

4.1 排采活动对地下水流场的影响

排采活动一般贯穿于煤层气开采的全过程，其排水量受水文地质条件和排采活动控制，采气排水将导致煤层气井及周边区域地下水位下降。由于煤层气地面开发井网密度大、井数量大，井间干扰很容易形成，随着抽排水时间的延续，将会形成区域地下水降落漏斗，甚至导致地表河流水位的下降，最终打破地下水的动态平衡，使地下水流场发生变化，改变局部含水层补排关系，尤其是对于富水煤系含水层将会造成非常大的影响。在沁水煤田，通过潘庄煤层气开发实践，由于煤系地层一般为弱含水层，单孔排水量最大69.53 m3/d，出水量较小，它的疏干对区域地下水系统影响较小[9]。

4.2 采出水对水环境的影响

通过煤层气排采工艺采出的地下水一般具有较高的矿化度和盐度，并且含有大量煤粉，氯离子浓度也因矿区的不同而有所不同，远比表层原生环境水中含量高，目前这些水的处理方式一般为回注地下或排入地表，但这两种方式都会对水环境造成一定的污染破坏。根据郑庄区块3号煤层水测试结果，阳离子中的 K++Na+平均为1 797.8 mg/L，Ca2+、Mg2+离子平均含量分别为5.6 mg/L、26.3 mg/L；阴离子中 Cl-离子含量高，平均为 2 126.1 mg/L；HCO2-离子的含量次之，平均为1 200 mg/L；SO42-离子含量低，平均为4.375 mg/L；水矿化度2 908.6 mg/L～8 002.1 mg/L之间，平均为5 169.8 mg/L，水质类型为NaHCO3型[10]。如果将大量采排水直接排入地表水体或农田，将会污染地表水体或改变土壤质量，严重影响当地居民的生活用水和农用耕地。如果将这些水直接回注地下，与浅层地下水发生复杂的化学作用，使浅层地下水水质类型发生变化，污染浅层地下水资源。

5 结论与建议

地面煤层气开采尽管带来了巨大的经济效益，但由其引起的水文地质条件变化不得不引起高度重视，否则大面积的煤层气开采将会恶化现有的水环境、水文地质条件。因此今后在煤层气开发过程中要注意水文地质条件的研究保护，确保动态平衡，实现人与自然协调可持续发展。为尽量减少地面煤层气开采对水文地质条件的负面影响，主要有如下建议:

(1)在钻井过程中，尽量减少化学泥浆材料的使用，在不影响工艺要求的前提下，尽量采用低碱、无害化泥浆，并对废弃泥浆经固化和无害化处理后就地掩埋，最大限度地减少钻井液对地下水含水层的污染；同时还应加强对周围地下水的监测，以便及时发现问题，采取相应的补救措施[5，9]。

(2)压裂液、采出水必须按照《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)Ⅲ类标准值处理达标后排放或利用，不得直接排放。

(3)充分了解当地煤储层及顶底板围岩的力学性质和地应力场分布情况，合理确定压裂施工压力或改善压裂施工工艺，尽量减少压裂对煤层顶底板的破坏。

(4)充分了解目标煤层含水层富水性，合理布置井网，尽量弱化井间干扰效应，有效降低对地下水含水系统的破坏。

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