沁水盆地煤层气产出水对土壤盐度的影响

王静+李向东+冯启言+孙悦

摘要：煤层气产出水处理及资源化已经成为煤层气开发的一个重要环节。研究了沁水盆地柿庄南区块煤层气产出水对土壤钠吸附率（SAR值）和pH值的影响。结果表明，产出水排水口土壤饱和溶液SAR值和pH值明显高于周围农田，土壤不同程度地出现钠质化现象。但总体上看，受影响的土壤范围较小，主要集中于排水口周边区域。单口产水井的影响范围横向为排水口周边4 m左右区域，纵向为30 cm土层。

关键词：煤层气产出水；土壤；SAR值；pH值

中图分类号： S156.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0295-03

收稿日期：2013-10-09

基金项目：国家科技重大专项（编号：2011ZX05060-005）。

作者简介：王静（1988—），女，硕士研究生，研究方向为水处理与土壤修复。E-mail：1959469791@qq.com。

通信作者：李向东，副教授，硕士生导师。E-mail：xdli@163.com。煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主的烃类气体，属非常规天然气，储量约占世界天然气的30%以上[1]。我国浅埋于地下2 000 m煤层气储量在30万亿m3 以上，采用50%的折算系数，其可采资源量相当于153.9亿t原油[2-4]。作为一种清洁高效的新型能源，煤层气的开发和利用越来越受到重视。

为了实现煤层气的开采，需要采用排水降压的方式抽排出大量的煤层气产出水[5-6]。煤层气产出水经历渗流、气-水作用等多种过程，水质水量变化大，成分复杂。结合不同煤层气开采区的生产阶段和区域水质特点，我国煤层气产出水可分为以下3种：水质较好的产出水；含少量重金属或其他有害物质的产出水以及含氟的产出水；高盐、高矿化度的产出水[7]。煤层气产出水中往往含有高浓度的Na+和低浓度的Ca2+、Mg2+，从而导致高的钠吸附率（SAR值）。如沁水盆地南部枣园区块的开发井生产阶段产出水矿化度达到 58 000 mg/L，Na+浓度达3 700 mg/L，Ca2+、Mg2+低于 20 mg/L。

目前，我国煤层勘探开发主要位于山西沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘，煤层气产出水排出后多以地表自然蒸发的方式处置[8]。随着煤层气开发规模的扩大和产业化的发展，煤层气产出水处理及资源化已经成为煤层气开发的一个重要环节。本研究通过分析煤层气产出水对沁水盆地土壤盐碱化的影响，为我国煤层气产出水的资源化利用以及环境修复提供借鉴。

1材料与方法

1.1研究区概况

柿庄南区块隶属于陕西省晋城市沁水县，地势东高西低，海拔1 000 m左右，是我国最早的煤层气开发地之一，也是我国目前煤层气开发投入规模最大、研究程度最高的地区之一[9]。煤层气探明储量控制区域面积约为5 km2，煤层气主开采层为二叠纪山西组3#煤层，该煤层属于无烟煤早期阶段，厚度大，埋深浅且热力稳定，煤层气资源丰富[10]。

1.2样品采集与制备

共设11个采样点（图1）。煤层气产出水水样用2.5 L聚乙烯桶直接取于产出水排水口，密封保存，1周内送检。

平面土样在产出水排水口及周边采集，纵向土样沿 1.5 m 深刨面采集，每个样品取样1 kg，新鲜土样置于PVC密封袋中，低温保存，用于实验室测试。

1.3分析方法

样品离子含量应用IC离子质谱仪检测。土壤SAR通过式（1）计算，pH值采用电位法测定。

通过Piper 三线图、Excel和Sufer软件分析数据。通过对典型影响因子做空间分布等值线，分析污染物的分布趋势；通过对典型产井周边土壤SAR值和pH值变化情况分析产井对周围农田的影响。

2结果与分析

2.1产出水水质特点

根据水样离子成分，对水中主要离子的摩尔浓度百分数进行比较，将各水样阴阳离子摩尔浓度百分含量投影到菱形图上，绘制Piper 三线图（图2）。通过分析，发现TS-624井水型为Na+-HCO3-，ZH007-1为Na+-Cl--HCO3-型，HD-94为Na+-Cl--HCO3-型，HD-023为Na+-HCO3-Cl- 型，TS-633为Na+-Cl-。总体看来，研究区内煤层气产出水中含有多种无机离子，阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-和HCO3-为主。除以上离子外，产出水中还含有Ca2+、Mg2+、CO32-、SO42-等离子及少量NH4+、F-、NO3-、PO43-离子。

产出水阴离子中HCO3-含量过高而SO2-4浓度不高，造成这种现象的原因主要有2个：

阳离子以Na+为主而Ca2+、Mg2+含量低的原因：在较封闭的还原性环境下发生沉淀反应。HCO-3的大量存在，使Ca2+、Mg2+沉淀，从产出水中除去。Ca2+和Mg2+溶解度与HCO-3含量有关系，研究发现当HCO-3浓度高于600 mg/L时，Ca2+和Mg2+浓度基本稳定在12 mg/L 左右[11]，这和本研究离子含量检测结果一致。

2.2产出水对土壤SAR值的影响

2.3产出水对土壤pH值的影响

研究区土壤pH值分布趋势如图6所示，煤层气生产井排水口周边的pH值在8.8以上，周围农田土壤pH值低于855，表明产出水对土壤pH值有一定影响，但影响范围不大。

以井ZH007-1为例，研究单口产水井的影响（图7）。研究表明煤层气产出水排水口0～5 cm层土壤pH值为9.8，5～15 cm层为9.9，与周围农田中土壤pH值差异较大。土壤pH值受影响范围为排水口周围1 m的土壤。纵向上土壤pH值波动不大，0～30 cm土壤层pH值受产出水影响较大。

煤层气产出水排入土壤后，NaCl、CaCl2、Na2SO4、MgSO4等中性或近中性盐类会在表层及土体中积累，使土壤呈中性或碱性。Na2CO3和NaHCO3会使土壤溶液呈高碱度。碱化的土壤在雨季脱盐时，钠离子可以交换土壤胶体中的钙、镁离子，引起黏土颗粒散凝，使土壤物理性质下降；在旱季积盐时，硅酸钠会转化为游离碳酸钠，而增高土壤的碱性，因此适当的排水洗盐可以减缓煤层气产出水对土壤盐碱度的影响。endprint

3结论

研究了沁水盆地柿庄南煤层产区产出水对土壤盐碱性的影响。通过SAR值和pH值区域分布等势图可以看出排水口周边土壤SAR值和pH值有明显的增加趋势，排水口附近SAR值超过 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。个别区域土壤钠质化严重，SAR值达15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。单口产水井影响分析表明，产出水横向影响范围在排水口周围4 m左右的地区，纵向影响深度为30 cm。总体看来，受产出水影响区域不大，集中于排水口周边地区；但如果产水井在农田中，应配合适当的土壤修复措施，以防止土壤钠质化严重。

参考文献：

[1]Yang Z，Wu T，Li X H. Experimental studies and estimates of the explosion limit of some environment ally friendly refrigerants[J]. Combustion Science and Technology，2005，35（3）：613-626.

[2]唐晓东，孟英峰. 变压吸附技术在煤层气开发中的应用探讨[J]. 中国煤层气，1996（1）：46-49.

[3]黄盛初，刘文革，赵国泉. 中国煤层气开发利用现状及发展趋势[J]. 中国煤炭，2009，35（1）：5-10.

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[5]Chaudhari K S.Saturated hydraulic conductivity，dispersion，swelling and exchangeable sodium percentage of different textured soils as influenced by water quality[J]. Community of Soil Science and Plant Analysis，2001，32（15/16）：2439-2455.

[6]宋岩，张新民. 煤层气成藏机制及经济开采理论基础[M]. 北京：科学出版社，2005.

[7]李向东，冯启言，宋均轲，等. 电絮凝处理煤层气产出水[J]. 环境工程学报，2012，6（3）：744-748.

[8]梁雄兵，程胜高，宋立军.煤层气勘探开发中的水污染分析及防治对策[J]. 环境科学与技术，2006，29（1）：50-51.

[9]丰庆泰. 沁水盆地柿庄南区块煤层气藏地质特征[J]. 山西大同大学学报：自然科学版，2012，28（3）：72-74，78.

[10]傅雪海，秦勇，韦重韬. 煤层气地质学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2007：110.

[11]江绍静，余华贵，刘春燕. 高矿化度体系碳酸钙结垢动力学研究[J]. 应用化工，2011，40（9）：1623-1628.

[12]Oosterbaan J R. Paper discussing alkaline-sodic and acid-sulfate soils[R]. 2003.endprint

3结论

研究了沁水盆地柿庄南煤层产区产出水对土壤盐碱性的影响。通过SAR值和pH值区域分布等势图可以看出排水口周边土壤SAR值和pH值有明显的增加趋势，排水口附近SAR值超过 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。个别区域土壤钠质化严重，SAR值达15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。单口产水井影响分析表明，产出水横向影响范围在排水口周围4 m左右的地区，纵向影响深度为30 cm。总体看来，受产出水影响区域不大，集中于排水口周边地区；但如果产水井在农田中，应配合适当的土壤修复措施，以防止土壤钠质化严重。

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3结论

研究了沁水盆地柿庄南煤层产区产出水对土壤盐碱性的影响。通过SAR值和pH值区域分布等势图可以看出排水口周边土壤SAR值和pH值有明显的增加趋势，排水口附近SAR值超过 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。个别区域土壤钠质化严重，SAR值达15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。单口产水井影响分析表明，产出水横向影响范围在排水口周围4 m左右的地区，纵向影响深度为30 cm。总体看来，受产出水影响区域不大，集中于排水口周边地区；但如果产水井在农田中，应配合适当的土壤修复措施，以防止土壤钠质化严重。

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[12]Oosterbaan J R. Paper discussing alkaline-sodic and acid-sulfate soils[R]. 2003.endprint