长宁页岩气开发区水文地质条件及地下水环境保护

莫裕科，孙东,3，杨海军,3，曹楠,3



长宁页岩气开发区水文地质条件及地下水环境保护

莫裕科1,2，孙东1,2,3，杨海军1,2,3，曹楠1,2,3

（1.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610081；2.四川省环境保护地下水污染防治工程技术中心，成都 610081；3.四川省华地新能源环保科技有限责任公司，成都 610081）

页岩气开发中地下水环境保护尤为重要。通过对长宁地区的水文地质条件调查，识别了区内地下水的含水岩组、地下水类型、岩溶地下水系统和敏感目标。通过重点井场周边的地下水监测，表明该地区目前地下水环境质量总体良好，并未发现与页岩气开发相关的地下水污染，该数据可作为页岩气开发区的地下水水质基线数据。结合开发区内的水文地质条件及页岩气开发工程特点，建议应从井场选址、施工工艺控制、地面物料管控、全过程监测等方面着手加强地下水环境的保护工作。

地下水；页岩气；地下水环境保护；长宁

页岩气是一种非常规天然气资源（刘兆彬，2015），其最早勘探和开发是始于1949年的美国。期间充满各种困难，到1996年，美国页岩气产量仅占全美天然气年总产量的1.6%。近十年来，随着水平井技术和水力压裂的突破，至2011年，其产量达到了1.8×1011m3，占全美天然气年总产量的34%（杨德敏等，2013），至2015年美国页岩气产量超过4 200×108m3，已占美国天然气总产量的50％左右（董大忠等，2016），因此页岩气是将来世界能源的重要组成部分。

我国的页岩气开发自2009年起步于四川盆地，2016年我国页岩气产量达到78.82亿m3，仅次于美国、加拿大，位于世界第三位。其中位于四川盆地的重庆涪陵区块和四川的长宁、威远区块是我国起步最早，已取得商业开发规模最大的地区。

页岩气的开发对环境产生的影响主要包括地下水、地表水、土壤、大气等。其中地下水是前述几种中最为隐蔽，且难以识别的影响目标，加之其又作为页岩气开发区居民饮用水的重要来源之一，因此深入研究页岩气开发区的水文地质特征，可以有效保护地下水资源，亦可以为后续的页岩气开发提供技术支撑。

图1 研究区位置图

1 研究区位置

据2012年国土资源部全国页岩气资源评价结果（张大伟等，2012），四川盆地页岩气地质资源量和技术可采资源量分别占全国页岩气资源总量的30％和26％，由此可见，四川盆地的页岩气资源十分丰富（董大忠等，2014）。四川盆地位于四川省和重庆市所属辖区，北界为米仓山、大巴山，南界为大凉山、大娄山，西界为龙门山、邛崃山，东界为七曜山（也称齐岳山），面积约19×104km2，该盆地是目前中国页岩气开发最成功的地区，其开发集中在重庆的涪陵地区和四川的长宁地区（图1），本文的研究主要集中在四川盆地南部的长宁开发区。

2 区域地质及水文地质条件

2.1 区域地质概况

位于四川盆地南部的长宁页岩气开发区，构造位置上属于上扬子地台大娄山断褶带。由于受东侧雪峰陆内造山带和西侧的川滇南北构造带的影响，该区域构造展现出多期次的特点，但主要表现为褶皱构造，发育E-W、NWW、NEE走向的褶皱构造。开发区内地表出露地层以二叠系、三叠系、侏罗系为主，开发区周边区域出露有古生界寒武系、奥陶系和志留系。

开发区分布最广的二叠系和中下三叠统主要表现为一套海相碳酸盐岩，上三叠统和侏罗系主要为一套陆相碎屑岩。分布较少的古生界寒武系、奥陶系为一套以碳酸盐岩为主夹碎屑岩地层，为页岩气开发的潜力层位；志留系为一套以泥页岩为主的碎屑岩夹少量碳酸盐岩，其下部的龙马溪组是目前的页岩气主力开发目标层。

2.2 区域水文地质概况

由于页岩气开发当前主要的目标层为志留系龙马溪组，考虑其开发过程中的钻探成本，基本上其开采深度在地下4 000m以内。因此，受制于地层厚度和钻井深度的控制，其现今的页岩气钻井工程多位于二叠系、三叠系地层出露区，极少数位于中生界侏罗系内。

长宁页岩气开发区在水文地质分区上跨盆东平行岭谷岩溶水裂隙水地质亚区和盆周中低山山地岩溶水裂隙水水文地质亚区。其地下水类型主要为碳酸盐岩溶洞裂隙水，其在开发区内的分布面积超过50%，含水岩组主要为二叠系栖霞组、茅口组和中下三叠统嘉陵江组、雷口坡组；其次在局部发育有少量的碎屑岩层间裂隙水和构造风化带裂隙水，主要含水岩组为上三叠统须家河组和侏罗系。

图2 长宁页岩气开发区水文地质简图

松散岩类孔隙水：1—透水不含水；碳酸盐岩类裂隙溶洞水:2—岩溶极发育，富水好，3-岩溶发育中等-富水中等，4—岩溶发育一般-富水略差；碎屑岩夹碳酸盐裂隙溶洞水：6—富水性中等，7—富水性较差；碎屑岩类孔隙裂隙水：7—层间裂隙水，富水性中等； 8—构造裂隙水，富水性较差，9—构造裂隙水，富水性极差；岩浆裂隙水：10-富水性较差；11—相对隔水层；12—岩溶暗河系统及编号；13—泉点；14—页岩气开采井；15—溶洞；16—干枯溶洞；17—备用地下水水源地；18—饮用地下水水源地；19-岩溶竖井；20—暗河出口；21—暗河入口；22—充水落水洞；23—无水落水洞，24—充水溶洞；25—地下水流向；26—断层；27—向斜；28—背斜

3 水文地质条件

3.1 含水岩组

长宁页岩气开发区内地层主要为古生界和中生界地层，包括了位于开发东北部区域的古生界奥陶系、志留系、二叠系，以及位于开发区内的中生界三叠系和侏罗系。开发区内的二叠系主要为一套碳酸盐岩地层，含岩溶水；三叠系下统飞仙关组为一套砂泥岩为主的地层，含少量构造裂隙水，为相对隔水层，三叠系下统嘉陵江组和中统雷口坡组，为一套海相碳酸盐岩地层，含岩溶水，三叠系上统须家河组为一套陆相砂岩夹泥页岩地层，含层间裂隙水；侏罗系下统的自流井组和中统沙溪庙组为一套陆相砂泥岩地层，含层间裂隙水和构造裂隙水。位于开发区东北部的中上志留统为一套泥岩为主地层，几乎不含水，为隔水层，下志留统龙马溪组为页岩为主，顶部有少量的碳酸盐岩，有少量地下水。

3.2 地下水类型及富水性

根据含水岩组的岩性差别及地下水富集运移的条件，区内主要分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、碎屑岩夹碳酸盐裂隙溶洞水、碎屑岩类孔隙裂隙水和岩浆裂隙水五大类（图2）。

1）松散岩类孔隙水：分布在开发区东部大坝一带，地层透水不含水。

2）碳酸盐岩类裂隙溶洞水：分布在开发区内的大面积地区，约占整个开发区面积的50%；位于北东一带的二叠系地层及位于东部大坝一带的下三叠统嘉陵江组地层岩溶暗河极为发育，富水较好，泉流量一般大于10L/s，暗河流量一般大于500L/s；位于开发区南部沿南广河分布的中三叠统雷口坡组地层岩溶发育中等，泉流量一般1～10 L/s，暗河流量一般100～500L/s；位于开发区中部的下三叠统嘉陵江组岩溶发育一般，泉流量一般小于1 L/s，暗河流量一般小于100L/s。

3）碎屑岩夹碳酸盐裂隙溶洞水：位于开发区之外的北东部，主要为下志留统和中上奥陶统地层分布区，富水性中等，泉流量一般1～10 L/s；下奥陶统和中上寒武统分布区富水性较差，泉流量一般小于1 L/s。

4）碎屑岩类孔隙裂隙水：又分为三个亚类，包括层间裂隙水、红层承压水和构造裂隙水。其中层间裂隙水主要是上三叠统须家河组分布区域，单井涌水量约100～1 000m3/d；构造裂隙水水量较差的分布在开发区的东南部和东北一带，为下三叠统飞仙关组分布区，泉流量一般0.1～1 L/s，构造裂隙水水量极差的分布在开发区的中部和西北一带，为下侏罗系分布区，泉流量一般小于0.1 L/s，

5）岩浆岩裂隙水：分布在开发区南部，主要为上三叠统峨眉山玄武岩分布区，水量小，泉流量一般0.1～1 L/s；

3.3 岩溶水系统及控制因素

开发区内广泛分布碳酸盐岩裂隙溶洞水，据本次调查，开发区二叠系和三叠系中下统中共计发育了八大岩溶地下水系统（表1）。位于周家—仙峰一带的二叠系灰岩中的岩溶规模较大，径流途径长，暗河流量大（图2、表1）；其次位于大坝一带的嘉陵江组受控于构造、特殊地貌的控制，岩溶地下水系统发育，暗河流量大（图1）。位于页岩气开发区内的嘉陵江组和雷口坡组中的岩溶地下水，岩溶途径较短，流量稍小，多数为地层岩性和地貌控制（如Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ），少数为构造控制（如Ⅷ）（图2、表）。

长宁开发区主要岩溶地下水系统特征表

地层岩溶地下水系统岩溶地下水子系统径流途径（km）伏流、暗河流量（L/s）主控因素 代号名 称 二叠系栖霞茅口组Ⅰ仙峰乡—新生村岩溶地下水系统 18.0600岩性、地貌 Ⅱ周家沟岩溶地下水系统 11.99400 三叠系嘉陵江组Ⅲ底洞岩溶地下水系统①火烧滩岩溶地下水子系统1.680岩性、地貌 ②景阳村岩溶地下水子系统4.950 Ⅳ大坝岩溶地下水系统①大鱼洞岩溶地下水子系统4.81200岩性、地貌、构造 ②小鱼洞岩溶地下水子系统5.91500 Ⅴ上罗岩溶地下水系统①大龙洞岩溶地下水子系统3.8185岩性、地貌 ②龙洞坎岩溶地下水子系统4.1450 Ⅵ风洞岩溶地下水系统 3.419岩性、地貌 三叠系雷口坡组Ⅶ毓秀河岩溶地下水系统 9.46150岩性、地貌 Ⅷ鱿鱼洞岩溶地下水系统 4.6110褶皱构造、岩性

3.4 地下水补径排特征

区内降雨充沛，为岩溶水提供了良好的补给，其次地表水也为地下水提供了重要补给，如毓秀河岩溶地下水系统则受毓秀河上游地表水的大量补给。区内的岩溶水主要受地貌和岩性的控制，多沿着沿层面方向的裂隙和溶洞径流，个别受构造控制，沿着向斜核部方向径流，如鱿鱼洞岩溶地下水系统。区内的岩溶地下水排泄多以大泉、暗河的形式排泄，暗河多排泄至最低基准面的河流中。

4 地下水化学类型及环境质量

4.1 地下水化学类型

在开发区内采集的31个井泉样品进行了统计，pH值在7.09~8.17之间；矿化度多为300～500mg/L，极个别在100～300 mg/L；地下水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg为主（n=20），占到了总数的64.5%（图3）。这与区内岩溶水广泛分布特征相吻合，其Ca、Mg离子与灰岩和白云岩密切相关。除此之外区内还有少量的HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型地下水（图3），推测其与区内分布的须家河组（T3xj）地层有关，须家河组地层中有煤层分布，其下部是雷口坡组（T2l）岩溶含水层，因此雷口坡组的岩溶水接受了上部须家河组（T3xj）裂隙水补给。尽管如此，其SO42-含量仍远低于其它地下水，仅20mg/L左右。

图3 长宁页岩气开发区岩溶水化学特征的PiPer三线图

低矿化度总体表明了该区地下水受降雨补给较好，由于岩溶管道和岩溶裂隙发育，其径流交替条件良好，径流途径较短，地下水循环交替强烈。

4.1 地下水环境质量

在开发区内的11个页岩气井场周边的井、泉、暗河等地点采集地下水水样45组，开展了pH、总硬度、挥发酚、耗氧量、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、氟化物、氰化物、硫酸盐、氯化物、Cr6+、铁、锰、镉、铅、砷、汞等18项常规指标监测。结果显示，达到或优于《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）规定的Ⅲ类为36处，占比80%，其中包括符合《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）中规定的Ⅱ类的6处。超过Ⅲ类的点数为9处，均为Ⅳ类。

超过Ⅲ类的地下水水点的超标指标主要为锰5处，监测结果分别是Ⅲ类限制的1.01～2.27倍；铁2处，监测结果分别是Ⅲ类限制的2.16和2.21倍，且与锰超标点重合；有1个监测点耗氧量超过Ⅲ类限值，为其1.1倍；1个点pH值超过Ⅲ类限值，值为8.59；2个监测点总硬度超过Ⅲ类限值，分别为Ⅲ类标准的1.015和1.033倍，其中1点的硝酸盐超过Ⅲ类限值，为Ⅲ类标准的1.02倍。

总体监测结果显示，区内当前的地下水环境质量较好，个别指标超标可能与特殊的地质背景有关，暂未监测到与页岩气开发相关的水质异常。该监测成果可为作为页岩气开发区的基线水质数据。

5 页岩气开发区地下水环境保护

在长宁页岩气开发区内的水文地质调查表明，区内岩溶地下水极为发育，也是本区内主要的地下水类型，其部分作为当地居民的饮用水水源地和备用水源地（图2）。由于岩溶水分布区虽包气带厚度较大（一般水位埋深大于50m），但由于其构造裂隙及岩溶裂隙发育，岩溶管道通畅，防污性能弱，地下水脆弱性高，如保护不当极易造成污染。

开发区内的页岩气钻井大多数位于岩溶地下水分布区，少部分位于碎屑岩裂隙水分布区（图2、图4）。页岩气开采井钻探过程中均会钻穿岩溶水含水层，在岩溶含水层中有大量的溶洞、暗河、落水洞等分布（图4），钻井施工中若预防措施不到位，极易造成钻井液污染地下水；钻井平台附近区域的废水、废液、压裂液、返排液、钻井液等的存储、运输、转移不当，也容易通过包气带下渗污染地下水，尤其是位于岩溶区的钻井平台其风险更高。

图4 开发区典型水文地质剖面示意图

结合长宁页岩气开发区水文地质特征和页岩气的开采特点，做好地下水环境保护建议从以下几个方面要引起高度重视：①页岩气钻井的选址前应进行详细的水文地质调查，必要时开展勘查工作，钻井应尽量避开岩溶暗河、规模较大的溶洞以及岩溶地下水的强径流带；②钻井平台区域应高度重视污染物的防漏失工作，避免污染物通过高渗透包气带进入地下水；③钻井施工工艺和方案应密切结合地下地质和水文地质条件，进行有针对性的布置，避免钻井液污染地下水；④压裂及后期采气运营过程中应加强地下水监测，及时识别和发现污染，保障居民饮水安全。

6 结论

1）长宁页岩气开发区内岩溶地下水发育，暗河众多，且岩溶地下水是当地居民的饮用水重要来源。

2）水质监测结果表明，当前区内地下水质量总体良好，仅个别点的极个别指标超过地下水质量Ⅲ类限值，超标较少，目前未识别到与页岩气开发相关的地下水污染。

3）开发区内岩溶地下水包气带防污性能弱，地下水脆弱性高，容易遭受由于突发事件引起的地下水污染。

4）针对区内岩溶地下水的特点，应从井场选址、施工工艺控制、地面物料管控、强化全过程监测等方面着手加强保护，确保地下水环境状况良好和保障饮水安全。

[1] T Kelly ， N Montcoudiol ， C Isherwood，et al. groundwater risks in shale gas operations[C]. Sep 18, 2017.Early Career Hydrogeologists' Conference 2017-University of Strathclyde-1st/2nd Sept 2017.

[2] Li Y, Huang T, Pang Z, et al. Geochemical Characteristics of Shallow Groundwater in Jiaoshiba Shale Gas Production Area: Implications for Environmental Concerns[J]. Water, 2016, 8（12）:552.

[3] Krogulec E, Sawicka K. Groundwater protection in shale gas exploration areas - A Polish perspective[J]. Episodes, 2015, 38（1）:9-20.

[4] 张大伟，李玉喜，张金川，等．全国页岩气资源潜力调查评价［M］．北京：地质出版社，2012.

[5] 杨德敏, 夏宏, 袁建梅, 等. 页岩气压裂返排废水处理方法探讨[J]. 环境工程, 2013,31（6）: 31-36.

[6] 刘兆彬. 岩溶区页岩气开采浅层地下水污染风险评价[D].中国地质大学（北京）,2015.

[7] 林奇，王丹，杨兴华, 等. 页岩气开采对水环境的影响及其治理技术研究[J]. 2017，42（1）:55-58.

[8] 邓地娟，谢强，刘小恺, 等. 页岩气开发过程中的环境影响——以四川盆地为例[J].四川环境，2017,36（增刊）：39-43.

[9] 王世谦. 页岩气资源开采现状、问题与前景[J].天然气工业，2017,37（6）：115-130.

Hydrogeological Condition and Groundwater Environment Protection in the Changning Shale Gas Development Zone

MO Yu-ke1,2SUN Dong1,2,3YANG Hai-jun1,2,3CAO Nan1,2,3

（1-Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, SBGEEMR, Chengdu 610081; 2-Sichuan Center of Environment Protection and Groundwater Pollution Control Engineering Technology, Chengdu 60081; 3-Sichuan Huadi New Energy and Environment Protection Technology Co., Ltd., Chengdu 610081）

Groundwater environmental protection is particularly important in shale gas development. This study identifies water-bearing formation, groundwater type, karst groundwater system and sensitive target in the Changning shale gas development zone by hydrogeological survey. The study indicates that generally, quality of groundwater environment is good without groundwater pollution in the same region. A suggestion on strengthening groundwater environment protection based on selection of well site, construction technology control, surface material control and monitoring work is made.

groundwater; shale gas; groundwater environment protection; Changning

2018-04-08

莫裕科（1963-），男，四川成都人，水工环高级工程师，长期从事水工环地质工作

孙东（1982-），男，四川南江人，水工环高级工程师，长期从事地下水污染防治工作

P641.4；P641.69

A

1006-0995（2018）04-0671-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.030