沁水县樊庄区块煤层气开采对水环境影响分析

王利冰

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

沁水县樊庄区块煤层气开采对水环境影响分析

王利冰

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

含水介质广泛分布于煤层气区块，煤层气开采中采用丛式布井模式，加之布井密度较大，又采用减压排水方式开采，对水环境影响至关重要。以沁水县樊庄区块煤层气开采为例，分析了当地的水文地质条件，地下水的补给、径流、排泄条件，对煤层气开采井施工期及运营期对水环境的影响进行了分析，提出了防止影响的措施和建议。

煤层气开采；施工期影响；运营期影响；沁水县

煤层气俗称瓦斯，是储存在煤层中以甲烷为主要成分、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，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，热值与天然气相当。煤层气作为洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益，是国家战略资源。

沁水煤层气樊庄区块位于沁水县胡底乡、固县乡和端氏镇，主要开采山西组3号煤层和太原组15号煤层的煤层气，3号煤埋深一般在300～800m，厚度5～8m，15号煤埋深一般在400～900m，厚度1～5.5m，吨煤含气量高，最高32m3/t，最低14m3/t，一般大于15m3/t。

1 地质及水文地质情况

沁水煤层气樊庄区块地表大部分为第四系黄土覆盖，局域地段有三叠系砂岩出露，地层由老至新分别为：奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、石炭系上统山西组、二叠系下统下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、二叠系上统石千峰组、三叠系下统刘家沟组、三叠系下统和尚沟组、第四系中更新统、第四系上更新统、第四系全新统。

3号煤层以上的含水层有第四系松散层孔隙水、碎屑岩类裂隙水。15号煤层以上的含水层有碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水。15号煤层以下的含水层有碳酸盐岩类裂隙岩溶水。3号煤层以上有二叠系砂岩含水层之间的层间隔水层，15号煤层以下有太原组底部及本溪组泥岩、铝土质泥岩隔水层。

1.1 第四系松散层孔隙水

上更新统松散孔隙含水岩组主要分布于河谷一级阶地，含水层岩性为粗砂、细砂及砾石，厚0～13m，平均为7.75m。地下水水位埋深小于7m，单井涌水量0.8L/s，富水性中等。水质类型为HCO3-Ca·Mg型。全新统松散孔隙含水岩组主要分布河床、河漫滩中，含水层岩性主要为砂砾石及粗砂，厚度一般为0～8.0m，平均为6.0m，水位埋深小于5m，单位涌水量5～10L/s·m。

1.2 碎屑岩类裂隙水

含水介质为二叠系的碎屑岩，广泛分布于沁水煤层气樊庄区块。二叠系下统山西组含水岩组由中、细粒砂岩构成裂隙含水层，为3号煤层的主要充水水源。单位涌水量0.00166～0.00206L/s·m，水质属HCO3-Ca·Mg型。石盒子组砂岩裂隙含水岩组在评估区南部大面积出露，可直接接受大气降水的补给，在沟谷低洼地段多呈下降泉排泄，流量一般较小，为0.08～0.57L/s·m。埋藏较深处，由于各个含水层间由泥岩、砂质泥岩等塑性岩类相隔，使各个含水层独立呈层状，相互间水力联系微弱，富水性差。水质类型属HCO3-K·Na型。

1.3 碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水

含水介质为石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩。该含水岩组一般埋藏较深，由数层砂岩裂隙含水层与K2，K3，K4，K5石灰岩岩溶含水层组成，是太原组各煤层的主要充水水源。由于其间夹有数层煤层、砂质泥岩，将各个含水层分隔呈层状分布的近似独立的含水层，故相互间水力联系微弱。其中K2石灰岩含水层，富水性较其他含水层好，水位标高500～600m，单位涌水量0.0003～0.198L/s·m，水质类型属HCO3-K·Na型。

1.4 碳酸盐岩类裂隙岩溶水

该含水岩组岩性主要为奥陶系中统上、下马家沟组厚层灰岩、白云质灰岩，其富水性受岩溶、裂隙发育程度控制，富水性中等，补给源主要是灰岩裸露区的大气降水入渗，其次是地表水的渗漏补给，在覆盖、埋藏区还接受上覆地层的渗漏。区域内奥陶系中统灰岩含水层受埋藏深度、岩溶发育规律及构造的影响，含水性具明显的水平分区和垂直分带：在平面上，灰岩裸露区、薄层区与厚层覆盖区岩溶发育特征、含水性有较大差异，在剖面上有“上弱下强”的含水规律。含水层厚度大于400m，岩溶水水位标高559.26m，富水性不均匀，钻孔单位涌水量0.0015～41.85L/s·m，水质类型为SO4-Ca·Mg型，矿化度小于0.36g/L，水质优良。

沁水煤层气樊庄区块内水文地质条件简单。

此外，二叠系砂岩含水层之间的层间隔水层厚度稳定，一般厚度3～5m，最厚可达15m，该隔水层呈层状分布于各砂岩含水层之间，阻隔了各砂岩含水层之间的水力联系。太原组底部及本溪组泥岩、铝土质泥岩隔水层位于15号煤层之下，平均厚度6m。

2 地下水条件

2.1 碎屑岩裂隙地下水

碎屑岩砂岩裂隙地下水的主要来源是大气降水，降水以垂直入渗的方式补给地下水，地下水一般沿地层倾斜方向运动，在径流过程中，因沟谷切割常以泉的形式排出地表。

2.2 松散岩类地下水

松散岩类孔隙水含水层地下水的主要来源是大气降水和地表水的入渗补给，局部与基岩裂隙水有互补现象。一般情况下地下水的径流方向与地表水径流方向一致，主要排泄方式是人工开采，也有一部分排向地表河流。

3 施工期对地下水影响

3.1 钻井期对地下含水层的影响

在钻井过程中，钻孔贯穿了煤层及其上覆各含水层，在不同含水层段会出现涌水或漏水现象。河谷平川区首先造成浅层地下水的漏失，使得以开采浅层地下水为供水水源的农村人畜生活饮用水井水位下降，出水量减少。山丘区大量的小泉、小水大多为二叠系、三叠系砂岩风化裂隙水形成的下降泉，在补给区上游钻井开采煤层气，将造成区域二叠系、三叠系砂岩风化裂隙水沿井筒漏失，导致煤层气开采区多数浅层地下水位下降，小泉、小水流量减小。

3.2 固井期对地下含水层的影响

煤层气开采井固井一般是在下管后进行，采用的止水材料为普通水泥浆。根据丛式井井身结构设计，一开井段（第四系基岩）水泥浆返高至地面，固井期在井壁与井管之间将进行封堵，对第四系含水层仅造成短期影响；二开井段（基岩—本溪组）水泥浆返高至3号煤层以上200m，至二叠系上石盒子组，这就导致未封堵的石千峰组及上石盒子组K14，K13，K12砂岩含水层相互连通，造成上部含水层砂岩裂水向下部含水层漏失，尤其是以三叠系砂岩裂隙水作为供水水源的用水户，供水量将减少甚至断流，这种影响不仅出现在固井期，而且将贯穿于整个运营期。

3.3 压裂期对地下含水层的影响

煤层气井压裂是在射孔之后，在地面采用高压大排量泵，将压裂液以大于储层吸收能力的速度向煤储层注入，使煤层中的节理裂隙张开、扩展、贯通，并被压裂液中所携带的支撑剂所充填，使得裂隙的含水或导水性能发生改变。如对压裂的压力控制不当，将会导通煤层顶、底板含水层，致使其含水层中的水在煤层气开采过程中逐渐被排干。

4 运营期对地下水影响

4.1 煤层气开采对区域水资源量的影响

采气排水贯穿于煤层气开采的全过程，开采井排水量不是固定值，不仅受水文地质条件的控制，还受到开采井排采时期的制约。一般来说单井煤层抽排水量随时间呈递减趋势，单井产水初期较高，随着开采逐渐降低。

根据煤层气开采规律，煤层气开采区块布设的排采井将实行滚动开发，即进入退役期的开采井不断由新的开采井替换，以维持煤层气总的产能不变。煤层气单井开采运行年限一般为14年，运行期间采排水量总体呈递减趋势。类比原有工程已建气井的排水量统计情况，项目产生井下排水量为：直井、丛式井2.41m3/d，U型井2.12m3/d，开采井排水量年均递减率36%进行预测，樊庄区块共设计排采井直井25座、丛式井335座、U型井3座，布井密度10眼/km2，运营期内所有排采井排水总量将会达到88.44万m3。

4.2 煤层气开采对上覆含水层的影响

樊庄区块固井期在井壁与井管之间设计对第四系含水层（第四系基岩）采用水泥浆封堵，而基岩—本溪组段水泥浆返高仅至3号煤层以上200m，将导致未封堵井段含水层相互连通，造成上部含水层砂岩裂隙水通过下部含水层漏失。

煤层气开采对上覆含水层产生的不利影响还体现在煤层压裂过程中，部分开采井不可避免地会对目标煤层直接顶、底板造成破坏，致使上覆含水层中的水在煤层气开采过程中逐渐被排干，从而对上覆含水层中的水量造成影响。 4.3 煤层气开采对岩溶地下水的影响

樊庄区块15号煤层底板标高0～500m，奥灰岩溶水水位标高559.26m左右，15号煤层底板标高低于奥灰岩溶水水位，岩溶水存在承压性，但由于15号煤层至奥陶系灰岩顶板隔水岩层平均厚度为48m左右，岩性主要为砂质泥岩、泥岩、薄煤层、砂岩、铝质泥岩、山西式铁矿层及薄层石灰岩，煤层气开采过程中一般不会破坏15号煤层和奥陶系灰岩间的隔水层结构，不会直接导通到奥陶系含水层。樊庄区块煤层气的开采在不涉及导水构造的条件下，对岩溶地下水影响微弱，且影响是阶段性的，随着煤层气井的关闭，影响将基本消除。

4.4 采排水对地下水质的影响

从樊庄区块试运行的丛式井采排废水水质评价结果来看，丛式井采排废水虽经过滤、沉淀处理，但氨氮及氟化物均超过地下水质量Ⅴ类标准，属劣Ⅴ类水。樊庄区块采排废水如不经深度处理排放，会直接下渗，对砂岩裂隙水及第四系孔隙地下水水质造成污染，并且会沿导水构造入渗到石灰岩岩溶裂隙含水层，也将对岩溶地下水造成污染。

5 建议

二开井段（基岩—本溪组）水泥浆返高至3号煤层以上200m，至二叠系上石盒子组，会导致未封堵的石千峰组及上石盒子组K14，K13，K12砂岩含水层相互连通，造成上部含水层砂岩裂水向下部含水层漏失，因此，樊庄区块固井期必须对井壁与井管之间采用水泥浆进行全部封堵，避免对地下含水层造成影响。

樊庄区块在施工过程中，无论从钻井、固井及压裂环节均对地下含水层造成一定的影响，在压裂施工中尽可能将压裂层段控制在目标煤层之内，最大限度地减小对煤层顶、底板的破坏，确保对水环境的影响程度降到最低。

樊庄区块施工场地必须进行深度处理，泥浆池及采排废水储水池池底与四壁必须采取防渗措施，防渗系数应小于1.0×10-7cm/s；对采排废水必须进行处理，满足所在水功能区水质管理目标，同时要建设事故水池，待污水处理设施修复并正常运行后，再将事故水池收集的废污水处理后达标排放；应选定井场及站场周边的水环境敏感区域制定监测计划，定期进行水环境监测，并将监测结果定期上报当地水行政主管部门。

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］1004-7042（2016）06-0011-02

王利冰（1969-），女，2015年毕业于河北工程大学水文与水资源工程专业，工程师。

2016-04-18；

2016-05-25