沁水县煤层气井排出水水质评价及预防措施

张慧芳 ，薄智军 ，程普云

（1.中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051；2.山西省水资源研究所，山西 太原 030001）

1 引言

煤层气俗称瓦斯，是赋存在煤层中、以甲烷（CH4）为主要成分，以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是一种新型洁净能源和优质化工原料。煤层气的开发主要采用排水降压原理，通过抽油管将煤储层中的水抽出来，从而降低煤储层的压力，使煤层气从煤层中解吸出来。为充分抽取附着在原煤表面的煤层气，需先对原煤裂隙中的水抽排，以释放原煤表面的煤层气。根据煤层气依存及煤层气抽气井抽气生产机理，煤系地层原煤裂隙地下水抽排后，将造成煤系地层上覆地下含水层不断下渗，煤系地层以上地下含水层富水性越强，抽气过程中的抽排水量越大。沁水煤层平均埋深在600m左右，属深埋藏煤层，个别煤层气开采井的抽排水量可达到20m3/h左右，抽排水时间最大达3年左右。据统计，全县1858眼生产运行的抽气井年抽排地下水量为2000万m3左右。

大量研究表明，煤层气开采的排出水具有高钠度和高矿化度的特征，直接排放将对植物、土壤、渔业和周边景观等存在不利影响。因此有必要对沁水县煤层气井的排出水质进行分析评价，并依据评价结果，提出处理措施，最大限度地减少煤层气开采对水环境的影响，保证经济发展与水生态环境和谐发展。

2 气井排出水构成

2.1 钻井工艺水

目前，煤层气抽气井钻井过程中工艺用水量一般在200m3/眼左右，钻井废水主要包括机械冷却废水、冲洗废水、钻井液流失废水以及其他废水，污染物主要有悬浮物、石油类、COD等。

2.2 压裂工艺水

根据煤层气抽气生产机理，抽气井在固井、测井完成后，为加大采气产能，将进行煤层的压裂处理工艺，压裂材料为砂与水，压裂水中添加有一定含量的氯化钾等化学添加剂，每眼抽气井的煤层压裂用水量约300m3。

2.3 深层劣质地下水

沁水煤田太原组煤层平均埋深在600m左右，属深埋藏煤层，煤系地层及上覆地下水含水层水质较差，尤其是硫化物等含量较高，属原生污染严重的地下水含水层。

井采气过程中气井排出水不进行回收处理，就地排放，将对区域地表水、地下水造成一定污染。

3 监测范围

沁水煤层气位于山西省东南部沁水盆地南部晋城斜坡带，包括樊庄区块、潘庄区块和郑庄区块。在收集沁水马必区块柿园西开采井、沁水潘庄 04水平井组5号井、沁水杨树庄村南煤层气井、沁水县李庄村煤层气井HD-009、沁水县王屹罗村煤层气井HX3-13等5个正常运行煤层气井排出水水质资料的基础上对其水质进行分析检测。

4 水质评价

4.1 评价标准

按照《地下水质量标准》，根据各项指标的含量特征，将地下水质量分为五类，其中：Ⅰ，Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然低背景和天然背景含量，适用于各种用途；Ⅲ类以人类健康基准值（生活饮用水水质标准）为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工农业生产用水；Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作为生活饮用水；Ⅴ类不宜作生活饮用水，其他用水可根据使用目的选用。

4.2 评价方法

4.2.1 单项指标评价

单项指标评价计算公式为：

式中：Ni——为单项指标；Ni≤1时该单项符合标准要求；Ni＞1时该单项指标超标；

Ci——为i组分的实测值；

CiO——为i组分的评价标准。

单项指标评价结果如下：沁水马必区块柿园西开采井超标指标及结果为溶解性总固体1.36，氯化物1.076，氨氮14.35，氟化物7.97；沁水潘庄04水平井组5号井超标指标及结果为溶解性总固体1.75，氨氮6，氟化物4.34；沁水杨树庄村南煤层气井超标指标及结果为溶解性总固体1.64，氯化物1.718，亚硝酸盐2.5，氨氮3.35，氟化物5.24；沁水县李庄村煤层气井HD-009超标指标及结果为溶解性总固体2.23，亚硝酸盐2，氨氮3.5，氟化物5.66；沁水县王屹罗村煤层气井HX3-13超标指标及结果为亚硝酸盐1.5，氨氮1.75，氟化物1.34。

4.2.2 综合评价

单项组分评价分值Fi：将单项指标数值与量级划分标准比较，划分其所属质量类别（不同类别标准值相同时，从优不从劣），分别确定各项指标的单项组分评价分值Fi。地下水各类别评价分值见表1。

表1 地下水各类别评价分值

综合评价因子F可以描述为：

Fimax——各单项组分评价分值Fi中的最大值；

n——项数。

完成5个煤层气井排出水水质的F值计算后，根据水质量级别划分标准进行综合评价，评价结果见表2。

5 评价结果分析

从单项指标评价结果可以看出，煤层气井排出水中氟化物、溶解性总固体、氯化物、亚硝酸盐、硫酸盐等指标存在不同程度的超标。其中：沁水马必区块柿园西开采井排水氨氮、氟化物超标量分别为15倍和8倍；沁水杨树庄村南煤层气排水亚硝酸盐超标量为3倍；沁水县李庄村煤层气井HD-009排水溶解性总固体超变量为3倍。由综合评价结果可以看出，所提取水样评价结果均不符合《地下水质量标准》Ⅲ类标准值，且水质为极差或较差。煤层气开采排出水中大量有害元素超标，肆意排放会造成土壤积盐、板结硬化，引起植物中毒，以及对家畜造成早产、死胎等危害。因此必须对煤层气井排出水进行妥善处理。

6 处理措施

第一，采排废水必须运至相应集气站进行深度处理，采排废水在满足其所在水功能区水质管理目标后方可排出，避免采排废水水质不达标对地下水质产生影响。

第二，应修建一定容量的事故水池，当污水处理系统发生故障时，将未处理的废污水排入事故水池，待处理系统维修好再进行处理后方可排放，避免事故状况下废污水直接排放对地下水质造成影响。

第三，在建设和运营期间，应选定周边环境敏感的井场制定监测计划，定期进行水环境监测，及时了解水质变化情况，并将监测结果定期上报当地水行政主管部门。