基于GMS的页岩气钻井地下水环境影响预测研究

孟勤宪，赵齐宣，邹凯

（遂宁市环境保护局，四川 遂宁 629000）

基于GMS的页岩气钻井地下水环境影响预测研究

孟勤宪，赵齐宣，邹凯

（遂宁市环境保护局，四川 遂宁 629000）

随着经济社会的快速发展，常规能源不断枯竭，页岩气作为一种非常规天然气资源，因其分布广泛、资源量巨大而受到广泛重视。页岩气在开采中由于钻井过程产生井漏、洗井和压裂过程中压裂废水以及井场污染物下渗等，将对地下水环境造成污染。文章应用GMS软件模拟了某页岩气钻采过程污染物在地下水环境中的溶质运移情况，据此提出防控措施，以期为我国页岩气钻采过程中的地下水环境保护提供技术支持和借鉴。

页岩气；地下水环境；数值模拟；溶质运移

页岩气具有清洁、储量大、具备商业开采能力的特点，其开发利用能有效降低对石油和常规天然气的依赖性及发挥衔接化石能源和新能源的作用[1]。中国陆域页岩气资源潜力为134.42×1012m3，可采资源潜力为25.08×1012m3（不含青藏地区）[2]，其储量和产量主要来自四川盆地、渝东鄂西地区、湘黔地区、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地等，广泛分布于13个省份地区等[3]，具备页岩气产量快速增长的资源基础，然而在页岩气大量开采的同时，带来的环境问题也日益突出。页岩气的开发涉及钻井、水力压裂、压裂液及废水存贮或运输等多种地表和地下活动。如果不能妥善管理，都会对地下水造成污染[4]。

本文对GMS基础理论和软件情况作简单介绍，并在此基础上应用GMS软件，模拟某页岩气钻采过程的地下水流场和溶质运移情况，为我国页岩气钻采过程中的地下水环境保护提供依据。

1 GMS软件及数学模型介绍

GMS是美国Brigham Young University的环境研究实验室和美国军队排水工程试验工作站联合开发的通用标准地下水数值模拟软件，可进行水流模拟、溶质运移模拟、反应运移模拟；建立三维地层实体，进行钻孔数据管理、二维（三维）地质统计；可视化和打印二维（三维）模拟结果。

MODFLOW是美国地质调查局于20世纪80年代开发出的专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件[5]。根据水文地质概念模型和地下水运动的基本规律，在不考虑水密度变化条件下，一般情况下，地下水在非均质、各向同性、空间三维结构、非稳定流数学模型可表示为[6]：

该次数值模拟是利用GMS中的MODFLOW、MT3DMS模块对某页岩气钻采过程中地下水污染物运移情况进行模拟预测。

2 GMS软件的应用

2.1 工程概况

该项目位于四川省某村，为一页岩气钻井工程，井口方圆500m区域属中山峡谷地貌，周边生态环境属农村环境。井场位于山与山之间的平坝台地上，旁边有条山间小溪沟，溪沟由东向西流动，距离井场边界约7m。拟建井场四周为耕地和荒地。井口周围500m范围内有散居农户分布使用地下水源作为生活用水。

项目的防渗措施完整，因防渗层对污废水的阻隔效果，项目场地在正常运行工况下，对地下水环境影响小，预测重点为事故条件下地下水环境影响预测与评价。

2.2 水文地质条件

根据区域地质资料及现场勘察试验，可知项目场地及周边的地层主要为三叠系下统雷口坡组（T2l）灰岩、三叠系下统嘉陵江组（T1j）灰岩。地下水类型主要为碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙溶洞水，由于岩溶发育较好，总体富水性中等，为项目区的主要含水层。

项目场地主要接受大气降水补给，其次为地表水补给，主要通过洼地、漏斗、岩溶及裂隙等渗入地下补给。径流大部分呈平行轴向运动，部分呈垂直或稍斜交岩层走向运移。地下水动力条件以裂隙网络状运动，以岩溶泉、裂隙泉为主要排泄方式。

2.3 评价区水文地质概念模型

该项目无重质非水相污染物，污染物泄漏后会污染潜水含水层，因此该地下水模型主要模拟评价区域内的潜水含水层。同时根据项目地下水系统的内部结构、外部结构、边界条件、水文地质参数等进行分析研究，可概化为：非均质各向同性的三维地下水流场。由于受观测资料的限制及研究区地下水多年动态变化较稳定（多年水位变化1～3m），模拟将研究区地下水含水系统概化为稳定地下水流系统。

研究区含水层系统侧向边界概化为：西部边界和南部边界为分水岭，设定为零流量边界；东部边界和北部边界设为流量边界。模型的上边界为第四系沉积层或地表出露基岩层，通过该边界，潜水与系统外界发生垂向水量交换，主要为降水入渗补给、蒸发排泄以及人工开采等。潜水含水层下部相对隔水层作为系统下边界为零流量边界。

模拟区网格剖分有效单元格为35,800个，长约9.5m，宽约9.6m，网格剖分结果如图1、图2、图3。

图1 模型平面网格剖分

图2 模拟区网格东西剖面A-A’

图3 模拟区网格南北剖面B-B’

根据项目现场水文地质试验数据及区域水文地质资料，对该模拟区渗透系数情况进行划分（见图4，表1）。

图4 工作区渗透系数分区图

表1 潜水含水层渗透系数分区表

2.4 评价区地下水环境模拟与预测

GMS提供了显示拟合程度的快捷工具，图5中的每一个点对应于一个水位观测孔，观测孔在图上的纵、横坐标分别是计算水位和观测水位。当计算水位与实测水位相等时，点在对角线上；当计算水位大于实测水位时，点在线的上方，否则在线的下方。该次设定的计算值和观测值误差的极差为1.0m，图中的点偏离对角线的距离越小，水位拟合程度越好。

图5 观测孔水位拟合情况统计

图6是工作区钻孔拟合情况图，虚线表示水位拟合程度误差小于1.0m。地下水位分布基本与地形变化一致，水力坡度从山区至谷地逐渐减少，流场基本合理。在平面上，模拟区潜水含水层观测水位和计算水位拟合效果较好。经计算，各监测井模拟水位值和实测水位值标准误差在0.918%，在允许误差范围内。

图6 评价区地下水渗流场

2.5 地下水溶质运移预测模型

施工期事故工况下对地下水环境的影响较大，故主要进行事故工况下对地下水环境影响的预测与评价。

2.5.1 预测情景与源强

（1）压裂返排池底破裂

该工程新建了一个压裂返排池，假定其池底产生裂缝，返排液通过裂缝逐渐渗漏到地下水含水层中，对地下水水质造成污染，排放形式可概化为点源，排放规律可简化为连续恒定排放。模拟根据压裂返排池对地下水的影响途径来设定主要污染源的分布位置，选定优先控制的污染物，预测事故工况下污染物在地下水中迁移过程。

该工程压裂返排池的有效容积为1500m3，假定由于腐蚀、地基不均匀沉降或者其他外力作用，检修时发现池底出现大面积的渗漏情况，面积约为池底面积的1%（8m2）。水池有水，池水进入地下属于有压渗透，假定包气带充满水，按达西公式计算源强，公式如下：

式中：Q为渗入到地下水的污水量（m3/d）；K为地面垂向渗透系数（m/d），取0.03m/d；H为池内水深（m），取2.5m；D为地下水埋深（m），取1.5m；A为压裂返排池的泄漏面积（m2），取8m2。

根据该工作区的水文地质参数，渗漏至含水层的废水量为0.64m3/d。压裂返排池的检修周期为1年，检修时池底裂缝将被发现并修补，因此，污水持续泄漏时间为1年，则进入地下水中的污水量为0.64m3/d×365d=233.6m3。

（2）压裂过程井管破裂

假定施工期压裂过程中井管破裂，由于页岩气压裂施工工艺复杂，施工规模较大，而施工场地较小，为保证施工安全，设计暂只考虑单套压裂车组施工。工程页岩气气井单井实行15次水平方向（平行地表）加砂压裂，每次压裂液注入量800m3，则单井注入总量约12,000m3/井。压裂作业均在白天进行，每次压裂液泵入时间为2～3小时。事故下，压裂过程中导致井管破裂，排放形式可概化为点源，排放规律可简化为非连续恒定排放。泄漏量为单段压裂液用量的一半，泄漏时间假定为1小时，因此瞬时泄漏量为400m3。

工程中，污水泄漏后进入地下，首先在包气带中垂直向下迁移并进入到含水层中。污染物进入地下水后，以对流作用和弥散作用为主。另外，污染物在含水层中的迁移行为还包括吸附解析、挥发和生物降解。根据该项目污染物的理化特征，地下水污染模拟过程中未考虑污染物在含水层中的挥发、吸附解析和生物化学反应。这种相对保守的预测情景可为项目防控体系提供更为可靠的依据，符合工程设计的思想。根据对钻井废水、压裂液检测结果，主要的超标污染物是COD、氯化物和石油类，各种污染因子泄漏时间和泄漏量见表2。

表2 施工期事故工况下污染物预测源强一览表

2.5.2 地下水环境影响预测分析

综合考虑地下水流向、周围敏感的分布，有针对性地开展模拟计算。模拟结果以红色范围表示地下水污染物超标的浓度范围，标准限值参照《地下水质量标准》（GB/T14848-93）Ⅲ类标准；COD标准限值参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）；蓝色范围表示存在污染但污染不超标的浓度范围，限值为各检测指标的检出限，检出下限参照《地下水环境检测技术规范》（HGT164-2004）。当预测结果小于检出限时则视同对地下水环境几乎没有影响。具体情况见表3。

表3 采用污染物检出下限及其水质标准限值

（1）压裂返排池底破裂

假设压裂返排池底破裂，1年检修时发现泄漏，污染物泄漏了1年的时间，预测因子为COD、氯化物和石油类。

1） 在事故工况下，COD运移模拟情况如图7。

从图7的模拟结果可看出，压裂返排池底破裂对潜水含水层造成了影响，并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积会逐渐缩小至零。在15,220天左右时，COD污染物超标现象会消失。不同时间段COD污染物影响范围见表4。

图7 COD运移模拟结果

表4 不同时间段COD污染物影响范围

2）在事故工况下，氯化物运移模拟情况如图8。

图8 氯化物运移模拟结果

从图8的模拟结果可看出，压裂返排池底破裂对潜水含水层造成影响并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积会逐渐缩小至零。在1440天左右氯化物污染物超标现象会消失，13,220天左右污染物对潜水含水层的影响将消失。不同时间段氯化物污染物影响范围见表5。

表5 不同时间段氯化物污染物影响范围图

从图9石油类运移模拟结果可看出，压裂返排池底破裂对潜水含水层会造成影响，并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。在10,440天左右石油类污染物超标现象会消失，15,160天左右污染物对潜水含水层的影响将消失。不同时间段石油类污染物影响范围见表6。

图9 石油类运移模拟情况

表6 不同时间段石油类污染物影响范围

（2）压裂过程井管破裂

假设在压裂过程中井管破裂，当天发现后及时进行处理，特征污染物选取泄漏量大的COD、氯化物、石油类进行模拟，泄漏量分别为4.8×107g/d、1.65×108g/d、7.68×105g/d，持续泄漏1小时。

1）在事故工况下，COD运移模拟情况如图10。

图10 COD运移模拟情况

从图10的COD运移模拟结果可看出，压裂过程井管破裂对潜水含水层造成影响，并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。在7800天左右COD污染物超标现象会消失，12,260天左右污染物对潜水含水层的影响将消失。不同时间段COD污染物影响范围见表7。

表7 不同时间段COD污染物影响范围

2）在事故工况下，氯化物运移模拟情况如图11。

从图11氯化物运移模拟结果可看出，压裂过程井管破裂对潜水含水层造成影响，并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。在2740天左右氯化物污染物超标现象会消失，16,320天左右污染物对潜水含水层的影响将消失。不同时间段氯化物污染物影响范围见表8。

图11 氯化物运移模拟情况

表8 不同时间段氯化物污染物影响范围

3）在事故工况下，石油类运移模拟情况如图12。

图12 石油类运移模拟情况

从图12石油类运移模拟结果可看出，压裂过程井管破裂对潜水含水层造成影响，并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。在13,520天左右石油类污染物超标现象会消失，17,380天左右污染物对潜水含水层的影响将消失。不同时间段污染物影响范围见表9。

表9 不同时间段石油类污染物影响范围

2.5.3 地下水环境影响预测分析小结

事故工况下，压裂返排池底破裂和压裂过程井管破裂，产生的特征污染物会对潜水含水层造成影响，并存在超标现象，但随着污染物的扩散，超标面积逐渐缩小至零。项目建设过程中不可避免地会产生一定量的废水和固体废物，因此应加强环境管理，严格落实地下水环境污染防控措施。

3 结语

根据该工程建设对地下水的环境影响特点，建议地下水污染防治措施按照“源头控制、分区防治、污染监控、应急响应”相结合的原则，从污染物的产生、入渗、扩散、应急响应进行控制。

1）参照《石油化工工程防渗技术规范》（GB/T50934－2013），根据项目区各生产、生活功能单元可能产生污染的地区，做好分区防渗工作。2）设置场地下游地下水环境监测井设置，作好例行监测和数据管理工作，提交跟踪监测报告，并对建设项目特征因子的监测值进行公开发布。3）作好风险事故应急响应机制。

[1] 柯研，王亚运，周晓眠，等.页岩气开发过程中的环境影响及建议[J].天然气与石油，2012（3）：87-89.

[2] 肖钢，白玉湖.基于环境保护角度的页岩气开发黄金准则[J].天然气工业，2012，32（9）：98-101.

[3] 王道富，高世葵，董大忠，等.中国页岩气资源勘探开发挑战初论[J].天然气工业，2013，33（1）：8-17.

[4] 李亮国.页岩气开采致水污染的途径及污染物特点[J].油气田环境保护，2015，25（3）：1-3.

[5] 周念清，朱蓉，朱学愚.MODFLOW在宿迁市地下水资源评价中的应用[J].水文地质工程地质，2000，27（6）：9-13.

[6] HJ610-2016 ，中华人民共和国环境保护行业标准：环境影响评价技术导则[S].北京：中国环境科学出版社，2016.

Prediction Research on Groundwater Environmental Impact of Shale Gas Drilled Well Based on GMS

MENG Qin-xian, ZHAO Qi-xuan, ZOU Kai
(Suining Environmental Protection Bureau, Sichuan Suining 629000, China)

With the rapid development of economy and society, the conventional energy has been exhausted, the shale gas, as a kind of unconventional natural gas resources, has been widely recognized because of its wide distribution and huge resources. Based on the drilled well leakage, fracturing wastewater washing and fracturing process and well fields pollutant infiltration, the shale gas mining process will cause an impact on the groundwater environment. The paper applies GMS software to simulate the solute transport situation of pollutants of a certain shale gas drilling & exploiting process in the groundwater environment, puts forward prevention and control measures, in order to provide the technical support and reference for groundwater environmental protection in China's shale gas drilling and exploiting process.

shale gas; groundwater environment; numerical simulation; solute transport

X824 文献标志码：A 文章编号：1006-5377（2017）09-0066-07