鄂尔多斯盆地三叠系刘家沟组砂岩含水层可注性探讨

晏嘉

(中煤地生态环境科技有限公司, 北京 100070)

0 引言

鄂尔多斯盆地煤炭资源丰富,目前已建设一批现代化大型煤矿,是我国重要的煤炭生产基地。大规模、高强度的煤炭开采,形成大量矿井排水。据统计,仅榆神矿区矿井年总排水量近1.3亿m3,大量的高矿化度(大于2000 g/L)矿井排水,一方面造成水资源浪费和环境污染,另一方面严重制约和影响矿井生产[1]。

传统矿井水处理利用方法主要有3种:一是地面集中水处理技术,将矿井水由井下水仓预处理后提升至地表,使用地面上大型污水处理设施集中处置,达到复用水质要求后,部分在地面利用[2],部分返回至井下利用,该技术存在基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大等缺点;二是采空区处理矿井水技术,利用煤矿井下采空区空间及矸石等填充物的过滤和沉淀作用净化矿井水,并且复用于煤矿井下生产,但此技术对矿区地质构造有特殊要求,只适用于少部分矿井,且过滤池占地较大,不适用于较大水量的井下处理;三是高矿化度矿井水反渗透技术,该技术主要是利用反渗透膜两侧的压力差实现脱盐处理,应用已十分广泛,但因投资和运行成本都较高,设备需要做好防爆、防潮、防静电等工作,只适合于小水量的处理,在井下应用较少[2],同时残留的高浓度盐水也难以处理。

为满足鄂尔多斯地区矿井水“零排放”的环保要求,研究低成本、大水量的矿井水处理新技术迫在眉睫。在适合的地质及含水层条件下,将矿井水通过钻孔进行回灌,在地下水环境没有污染的前提下解决矿井排水问题,在峰峰集团梧桐庄矿已有先例[3-5]。曾繁富等[6]从储集空间及水质影响方面对高矿化度矿井水回灌目的层进行可行性分析,纳林河二号井实施的深水回灌能够证实该技术对环境无不良影响,矿井水回灌技术发展前景良好[7]。

本文以鄂尔多斯盆地某煤矿为例,通过施工试验井进行注水试验,分析深部砂岩含水层的水文地质条件,研究受注砂岩含水层水文地质参数,对鄂尔多斯盆地深部砂岩含水层可注性进行探索研究。

1 试验井概况

井水回灌研究的试验井选择鄂尔多斯盆地某煤矿,该矿位于伊盟隆起南、伊陕斜坡北部边缘,区域整体构造单一、断裂不发育,地层平缓,总体为北东向单斜构造,倾角为1°～3°,局部有低幅度和鼻状隆起。该矿主采煤层为侏罗系中统延安组(J1-2ya)3-1煤层。3-1煤层顶板两带高度所导通的含水层是矿井充水的直接水源,上覆侏罗系中统直罗组以隔水层为主,安定组(J2a)及其上覆志丹群(K1zh)含水层构成矿井间接充水水源,目前矿井涌水量为2300 m3/h,矿井水矿化度一般在2.0～2.6 g/L之间。试验井位于煤矿工厂边缘,所处位置无大型断层构造。该井深2299.50 m,揭露的地层有第四系(Q)、白垩系志丹群(K1zh)、侏罗系定安组(J2a)、直罗组(J2z)、延安组(J1-2ya),三叠系延长组(T3y)、二马营组(T2e)、和尚沟组(T2c)、刘家沟组(T1l)及二叠系石千峰组(P2sh)[9-11],具体见表1。为不影响煤炭开采及深部石油天然气开采,矿井水回灌试验注入的地层选择三叠系刘家沟组地层。

表1 试验井揭露地层

2 回灌地层水文地质特征

2.1 水文地质特征

注水层位三叠系刘家沟组埋深1839.70～2256.40 m,厚416.70 m,注水段孔径为Φ214 mm,地层倾角为0°～3°。刘家沟组砂岩孔隙、裂隙含水层共21层,累计厚度为309.00 m,主要由细、中粒砂岩组成,局部粗粒砂岩(见图1),分选较好,泥质、钙泥质胶结,平行层理及交错层理发育,偶见裂隙,方解石脉充填。

图1 刘家沟组粗粒砂岩岩心

测井解释成果如图2所示,砂岩侧向电阻率在150～300Ω·m 之间,泥岩及粉砂岩侧向电阻率在70～80Ω·m 之间;砂岩声速相对于泥岩较高,而自然伽马相对于泥岩、粉砂岩则较低,根据以上物性的明显差异,能够可靠区分各类岩性。

图2 刘家沟组地层测井解释成果

三叠系刘家沟组(T1l)砂岩孔隙裂隙含水层顶板上与侏罗系延安组最下一层可采煤层6-2煤层的最小间距为1149 m,具有良好的隔水性能,当地表注水压力达15 MPa 时,6-2 煤层的突水系数为0.029 MPa/m,对煤矿开采无安全隐患。下伏地层为二叠系石千峰组,本孔揭露深度为2256.40～2295.50 m,以紫色泥岩、粉砂岩为主,具有良好的隔水性能。因此,三叠系中统刘家沟组(T1l)孔隙裂隙含水层为相对封闭的含水层组。且根据区域资料,含水层组可视为均等厚无限边界,有利于注水。

2.2 回灌含水层水质

完成后分别对揭露的三叠系刘家沟组及侏罗系延安组3-1煤层井水进行取样化验,试验井回注的矿井水水质各项指标均优于深部刘家沟组含水层水质,总体呈现良水回灌。其不足之处仅为矿井水固体悬浮物含量偏高,经矿区水库沉淀后能满足孔内注水对固体悬浮物的要求,矿井水注入三叠系刘家沟组砂岩孔隙裂隙含水层对水质不会造成影响,两组水质资料对比见表2。

表2 刘家沟组、延安组3-1煤层顶板含水层部分离子含量对比

3 注水试验

3.1 试验过程

常用的现场注水试验方法主要有单孔注水试验及交叉孔注水试验,本次注水试验采用单井注水,采用专门的止水设备(止水塞)隔离出试验段,然后向钻孔中注水并测量压入的水量大小,根据压力和流量关系来确定岩体的渗透特征。注水试验观测结果见表3。

表3 注水试验观测结果

3.1.1 第1次注水试验

初期压力不稳定,在4.3～6.0 MPa浮动,当井口压力稳定在6.3 MPa时,压水量为53.8 m3/h,回灌层吸水指数为8.54 m3/(h·MPa),截至2020年3月12日,累计压水时间为74.5 h,累计压水量为4008 m3。

采用吸水指数来表示MC-1深水回灌井的压水能力大小。吸水指数为日压水量与压水压力和静水压力之差之比,其公式如下:

吸水指数多用来表示油气储层吸水能力的大小,同理,可将该概念和意义引入矿井水回灌领域。一般来说,储层的吸水能力越强,吸水指数越大,相应地,其地层的渗透率也越大。

3.1.2 第2次压水试验

井口压力稳定在6.7 MPa,压水量为71.8 m3/h,回灌层吸水指数为10.72 m3/(h·MPa),累计压水时间为72.5 h,累计压水量为5205 m3。

3.1.3 第3次压水试验

2020年3月16日,井口压力稳定在6.8 MPa,压水量为103.3 m3/h,回灌层吸水指数为15.20 m3/(h·MPa),截至3月20日,累计注水时间为75 h,累计压水量为7747.55 m3。

3.2 水文地质参数计算

在实际注水过程中,影响注水量的因素主要有含水层的渗透系数K、含水层厚度、注水压力、井径、水中固形物含量等,每一因素的变化都将影响注水井的注入量和服务年限。

根据达西(Darcy)定律和吉哈尔特公式,

式中,Q为注水量,m3/d;K为渗透系数,m/d;m为刘家沟组砂岩孔隙裂隙含水层厚度,m;s为注水压力,MPa;R为影响半径,m;r为注水孔半径,m。

试验井静止水位为-80 m,求出该含水层的水文地质参数,见表4。

表4 刘家沟组含水层水文地质参数

4 长期回灌预测

4.1 回灌方案拟定

考虑注水设备的能力,设计1600 m3/d、2000 m3/d、2400 m3/d、3000 m3/d和3600 m3/d一系列梯度回灌量,模拟长期(一年)回灌条件下刘家沟组的流场变化情况和累计回灌量的最大回灌值。回灌方案见表5。

表5 回灌方案设计

4.2 模型建立和模型检验

本文的数值模拟使用Visual Modflow 数值模拟软件,采用有限差分法对不同回灌量及其回灌效果进行模拟。

根据区域地质及水文地质条件,刘家沟组在鄂尔多斯盆地区域上地层稳定连续,构造不发育,因此,可近似地认为无限边界。在实际数值模拟过程中,取100R作为模拟边界(零流量边界)。对刘家沟组进行有限单元网格剖分,剖分结果为100 m×100 m,建立模型如图3所示。

图3 模型

4.3 数值模拟过程及结果分析

按照以上条件分别模拟在不同回灌方案下,一年后刘家沟组的流场变化情况,模拟结果如图4所示。

图4 不同回灌量下的流场模拟结果

由回灌模拟结果可知,不同的回灌方案下所产生的流场变化也不同,其中,回灌量为1600 m3/d回灌一年后,井口附近水位达到176 m;回灌量为3600 m3/d时,模拟结果显示井口附近水位达到497 m,各种回灌方案均可正常运行。各方案对应井口水位及压水压力模拟值见表6。回灌量与注水压力、井口水位的关系见图5、图6。

图5 回灌量与注水压力的关系

图6 回灌量与井口水位的关系

以上结果表明,不同回灌方案在回灌一年时间里,回灌量和注水压力、井口水位均呈线性增大关系,其中回灌量为3600 m3/d的设计回灌方案中,注水压力达到了20 MPa,基本达到现有设备的理论最大回灌水压。设计回灌方案为2400 m3/d和3000 m3/d所达到的回灌效果较好,设备负荷适中,能够有效延长回灌井的使用年限。

5 结论

(1) 试验井揭露了注水段刘家沟组砂岩孔隙、裂隙含水层共21层,主要由细、中粒砂岩组成,累计厚度为309.00 m,占整个刘家沟地层厚度的74%,为回灌提供了良好的储水条件。同时刘家沟组含水层水质较回灌的矿井水水质差,总体上为“良水回灌”,基本不会对原含水层水质造成影响,该层位可注性较高。

(2) 刘家沟组地层的渗透系数平均为0.0124 m/d,渗透性能差,通过设备进行高压注水试验,井口压力随着单位回灌量的增大而增大。通过数值模拟预测,长期注水条件下的单位回灌量与井口压力、井口水位成线性增长关系,可为下一步规模化回灌矿井水提供设计依据,这一成果可为鄂尔多斯盆地煤矿井水“零排放”和水资源保护提供新的工程方法。

(3) 后续应加强高压注水对回灌地层水力劈裂作用以及矿井水进入回灌目的层后的存储、运移、排泄研究,开展对上部含水层、煤层、天然气开发等环境影响评价,进一步夯实高矿化度矿井水深部回灌理论基础,完善回灌技术工艺,以提高该技术的社会效益和经济效益。