煤层气开采对地下水的影响分析及防治措施——以山西晋城为例

刘爱萍

（山西省晋城市水利局，048000，晋城）

一、研究区地质构造、含煤地层及水文地质条件

1.构造特征

山西省晋城地区煤层气开采区位于沁水盆地南部，盆地周缘地壳抬升，煤层出露，构造明显比盆地内复杂，其主体构造为一轴向NNE的沁水复式向斜，南北翘起端呈箕状斜坡，东西两翼基本对称。研究区地处沁水复式向斜的翘起端，东部和西部边缘构造复杂，晋获断裂等边界断裂规模较大，对沁水盆地的演化具有控制作用（见图1）。其地层总趋势是由东南向西北倾斜，地层倾角一般在10°以内，局部地区受构造影响可达到20°以上。

2.含煤地层及煤层

晋城地区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。共含煤21层，厚度6.75～16.50 m，平均12.21 m，含煤系数9.53%。其中，3号和15号煤层为全区稳定可采煤层，也是煤层气勘探开发的主要目标煤层。

（1）太原组

太原组厚度64～133 m，平均厚度在90 m左右。由深灰色-灰色灰岩、泥岩、粉砂岩、砂岩和煤层组成，以K2、K3、K5及 K6四层灰岩较稳定。 含煤7～16层，含煤系数7.52%，其中15号煤层为全区可采煤层，9号煤层为大部可采煤层。

（2）山西组

山西组厚度33～72m，一般在48m左右。主要由灰-深灰色粉砂岩、中细粒砂岩、砂质泥岩和灰黑色泥岩及煤层组成。含煤1～5层，煤层总厚度5.12～7.73 m，平均6.30 m，含煤系数13.81%。其中3号煤层厚度稳定，且埋藏较浅，为全区主采煤层。

3.水文地质条件

晋城地区主要的含水层有：第四系松散岩类孔隙水含水层；二叠系碎屑岩类裂隙水含水层；石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩层间裂隙岩溶水含水层；奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水层。

（1）奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层

本含水层为区域性含水层，厚度大，埋藏深，承压水位较高。其富水性受岩溶裂隙发育程度的控制，中下部的马家沟组岩溶裂隙发育，富水性好；上部的峰峰组岩溶裂隙不发育，富水性差。区域资料表明，钻孔单位涌水量为 0.0036～14.22 L/（s·m），水质类型一般为 HCO3·SO4-Ca·Mg 型， 随着含水层埋藏深度的增大，向SO4-Ca·Mg型转化。

（2）石炭系上统太原组灰岩裂隙岩溶含水层

K2、K3、K4、K5为太原组主要含水层，属层间裂隙岩溶水。其富水性的强弱取决于含水层岩溶与裂隙的发育程度，一般在接近地表露头处岩溶裂隙发育，富水性好；随着灰岩埋藏深度的增加岩溶裂隙发育程度减弱，富水性变差。总体属于富水性弱的含水层。

（3）二叠系砂岩裂隙含水层

包括3号煤层顶板的上、下石盒子组砂岩裂隙含水层和山西组K7砂岩裂隙水，富水性一般较弱，单位涌水量为 0.0276 L/（s·m）， 水质类型为HCO3-K·Na型。

（4）第四系全新统砂砾含水层

本含水层主要指发育在沟谷底部的砂、砾、卵石层中的孔隙水。含水层厚度因地而异，差别较大，水位埋深一般较浅，富水性差异也较大，单位涌水量一般为 0.2～5.0 L/（s·m），水质类型属HCO3-Ca型。

二、煤层气赋存及产出机理

1.煤层气赋存机理

煤层气的主要成分是甲烷，晋城地区煤层中甲烷含量高，多在90%以上。煤层中的甲烷以三种相态存在，即吸附态、游离态和溶解态。以吸附态为主，约占70%～95%；其次为游离态，约占10%～20%；溶解态极小，通常忽略不计。吸附态煤层气主要以物理吸附的形式储集于煤基质孔隙的内表面上；游离态煤层气储集于煤的裂隙中，可以自由运移，运移的动力主要为地下水压力；溶解态煤层气溶解在煤层裂隙水中。煤层气受温度、压力等外界条件变化，相态会发生变化，最终达到平衡状态。

2.煤层气产出机理

煤层气藏是一种压力圈闭气藏，在压力作用下煤层气得以吸附保存。煤层气开发工程的各个环节，旨在解决孔隙基质中流体的开采问题。煤储层中流体为水、气两相，其水存在煤的裂隙中，产出只是一个渗流的过程。煤层气的运移产出包括解吸、扩散和渗流三个过程（见图2）。

煤层气的吸附和解吸是两个可逆的过程，煤储层压力增大时，煤层气吸附储集；煤储层压力降低时，煤层甲烷分子从基质内表面解吸（见图3），继而从基质向裂隙扩散。裂隙煤层气的产出可概括为：首先通过地面排采设备排水，目的是降低煤储层压力，使吸附在煤层孔隙内表面的甲烷解吸，解吸后的甲烷在浓度压差的作用下通过扩散进入裂隙系统，在裂隙系统中甲烷以渗流方式进入井筒，最终产出地面，进入管道系统。

3.煤层气开发方式和目标煤层

晋城地区煤层气开发主要采用目前国内外普遍使用的地面垂直井方式和丛式井方式。

地面垂直井和丛式井煤层气开发目标煤层在不同地区有所差别，在寺河西区、潘庄、郑庄、樊庄地区主要为3号煤层，在成庄、寺河东区多为3号、9号、15号煤层。不同气井目标煤层的确定主要考虑气井布置区的煤层发育程度、气含量情况以及构造和水文地质条件等。煤层气开发要求气井控制区域内的目标煤层厚度大、气含量高、水文地质条件简单，且远离断层、陷落柱等构造。

4.煤层气开发工程

煤层气开发工程包括：钻井、固井、完井、压裂、排采等工程。钻井采用二开方式，一开作业采用D311.5 mm(Ø12 1/4″)钻进，钻穿地表黄土及松散岩石层，至基岩下10 m终孔；二开作业采用 D215.9 mm(Ø8 1/2″)钻至最下部目标煤层底板以下40～50 m终孔。压裂工程是地面垂直井和丛式井煤层气井开采的必要环节，主要是在近井地带形成一条高导流能力的裂缝，为煤层中的水和煤层气提供一条顺畅的通道，加速排水降压及煤层气的产出；压裂方式有活性水加砂压裂、氮气泡沫加砂压裂两种。煤层气开发钻井终孔层位位于石炭系太原组或奥陶系峰峰组。钻井及压裂实施作业见图4。

三、煤层气开采现状

晋城地区煤层气开采主要集中在沁水县境内。目前沁水县境内共布置了5个煤层气开采区块，即郑庄区块、樊庄区块、潘庄区块、枣园区块、柿庄南区块，总面积2 323 km2，这些区块分属5家企业，分别是中石油公司、中联公司、亚美公司、格瑞克公司和蓝焰公司。自1994年以来，上述5个公司相继在沁水县境内施工煤层气采气井共2 786口，投入运行井2 099 口，日产气量 1 751 425 m3；规划在“十二五”期间，沁水县境内煤层气开采井要达到10000口。

四、煤层气开采对地下水的影响分析

1.压裂工程对地下含水层的影响

煤层气井增产强化工程主要包括射孔和水力压裂两部分，压裂作业是最有可能对地下水造成影响的环节。由煤层气产出机理和开发工程分析可知，压裂在近井地带形成一条高导流能力的裂缝，为煤层水和煤层气提供一条顺畅的通道，加速排水降压及煤层气的产出。

煤层气压裂主要是使裂缝沿煤层延伸，以保证最大泄流面积及最大产气效果。垂向上，煤层气井压裂缝在目标煤层附近的区域产生一定的高度，从而造成煤层顶板含水层的破坏；横向上，由于煤层气井的服务年限一般较长，长期排采会导致目标煤层中的水大量产出。在构造或水文地质条件较复杂的地区，压裂作业可能会以各种方式影响目标煤层附近的地层，导致煤层气井排采时对邻近地层的含水性造成一定程度的影响。

经实地调查，1994年以来，由于煤层气开采，晋城地区煤层气开采区内的绝大部分村庄村民多年赖以生存的吃水井和灌溉水井（孔隙水井和裂隙水井）都出现水位下降乃至干枯现象。

2.排采工程对地下水量的影响

煤层气主要以吸附状态赋存在煤基质的孔隙内表面上，煤层气的产出是通过排水降压使煤层气得以解吸并通过井筒产出。排采是煤层气开发的重要环节，也是有可能对地下水造成影响的直接环节。

对于垂直井和丛式井煤层气抽采，受气井开采目标煤层层数、厚度、所处构造部位，以及采取的压裂作业规模等影响，初期产水量差别较大，部分气井产水量可超过20 m3/d，但多数在10m3/d左右，也有部分气井稳定产水量小于5m3/d。

晋城地区煤层气抽采井平均布井密度300～400m/口。按目前投入运行的2 099口井计算,日排水总量在2.0万m3以上，如果按照“十二五”期间规划10 000口井计算，日排水总量在10万m3以上，约相当于100眼浅中层地下水井日出水量（按当地单井最大出水量40 m3/h考虑）。由于煤层气井布设点密集，煤层气井排采作业又是一个长期而缓慢的过程，地面垂直井和丛式井的服务年限通常在15～20年左右，晋城地区部分煤层气井的生产时间已经超过15年。煤层气井的长期运行，对煤系地层含水层水量造成了极大的破坏。

3.煤层气开采水污染途径分析

煤层气开采造成水污染的途径有：一是凿井时泥浆和废水直接排入河道，对地表水造成污染。二是采气过程中使用的煤、气分离的压裂液（压裂液含有羟丙基瓜尔胶、过硫酸铵、氢氧化钠和盐酸等化学成分。其中羟丙基瓜尔胶富含的环氧丙烷是有毒物质，对黏膜和皮肤有刺激性，可损伤眼角膜和结膜，引起呼吸系统疼痛、皮肤灼伤和肿胀，甚至组织坏死；过硫酸铵对人体皮肤黏膜有刺激性和腐蚀性，吸入后引起鼻炎、喉炎、气短和咳嗽等；氢氧化钠和盐酸具有强腐蚀性）对地下含水层水质造成直接污染，同时采气排出的水直接流入没有采取防渗措施的渗坑，使水环境遭受污染。三是采气井洗井时产生的含有有害物质的废液排放到地表，对当地水环境造成污染。

4.煤层气开采的水环境污染现状

煤层气每个抽采井旁均有一个渗水坑，用于收集气井内的排水，渗水坑长宽3～5 m不等，深2 m。据调查，绝大部分渗水坑没有采取任何防渗措施。煤层气抽采井排出的地下水，直接排入渗水坑渗入地下，排水量大时还会出现溢流现象，并沿坡面、沟谷排放，同时排水伴有泛白沫、水面上有浮油等现象。据当地村民反映，自煤层气抽采井开采以来，村民饮用水水质明显变差；开采煤层气井排出来的水流入庄稼地后，造成庄稼不长，土壤出现板结现象；由于长期饮用采气井排水，部分地区散养的母羊出现早产、死胎现象。

对采气井排出的水质进行分析，采气排水中氟化物、铁、锰和pH值出现不同程度的超标。氟化物超标4.85～8.4 倍， 铁超标 13.8～17.8 倍，锰超标0.08～0.18倍，各项污染物指标均超过采气前当地裂隙含水层原状水质。

5.潜在影响分析

晋城地区区域构造较复杂，断层附近的煤层气井受工程施工影响，目标煤层附近的含水层可能会通过断层对气井进行补给，使被沟通含水层的储水量减少。特别是寺头断层和后城腰断层附近，构造相对复杂，伴生断层或牵引小断层可能比较发育，这两条断层附近应是今后当地煤层气开采对地下水影响较大的重点关注区域。

五、煤层气开采的水环境影响防治措施

晋城地区水资源相对匮乏，在煤层气开发获取经济利益的同时，应最大限度减少煤层气开采对水环境的影响，为此，提出以下防治措施：

①煤层气开发是一个新兴产业，相关的监督和管理机制还不健全，政府相关部门应尽快建立相关管理机制，出台相关的规范和标准，规范监督煤层气产业，确保煤层气开发及水资源保护协调发展。

②严格规范采气井审批程序，新规划建设的采气井必须经水行政主管部门审查同意后，方可施工。同时对煤层气开发工程特别是钻井、压裂环节，应采用先进有效的技术和工程措施，减少对水环境的破坏。

③煤层气开发是通过排水降压采气，不可避免地需要抽排煤层地下水。因此，对这部分排水要进行分散收集，集中处理并充分合理利用。

④对新建、已建煤层气开采项目，建设单位应按照有关规定进行煤层气开采的水环境影响评价工作，并采取必要的水环境防治措施。

⑤对于煤层气开采已造成的水环境问题，本着谁破坏、谁治理的原则，煤层气开采单位应按采气量向水行政主管部门缴纳一定比例的水资源补偿费，作为水环境治理的费用；同时对采气区域造成水源工程破坏的，采气单位应负责建设新的饮用水水源工程，解决当地村民的饮水问题。

⑥煤层气开采单位应定期进行水环境的监测，及时了解地下水水位、水质等变化情况，并将监测结果定期上报当地水行政主管部门。

六、结 论

煤层气作为一种新兴能源产业，在带动晋城地区经济发展方面作出了重要贡献，但对当地地下水环境也造成了一定的影响。因此当地政府及相关部门应该加强管理、规范监督煤层气产业；煤层气行业也应积极寻求国内外先进的开发工艺，同时定期进行煤层气开发区域的水质水量监测并承担一定的社会责任，最大限度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。

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