山西省煤层气开采对水资源影响分析及对策措施

毋晓琴

（1.太原理工大学 山西太原 030024；2.山西省水资源管理中心 山西太原 030001）

煤层气是与煤伴生、共生的能源资源。山西省拥有丰富的煤层气资源储量，煤层气的产业化开发水平已经居于全国领先地位。但也对山西当地水资源和水生态环境造成了不同程度的破坏和影响。

1 煤层气基本情况

山西煤炭资源丰富，开发条件优越，查明煤炭资源储量占全国总量的1/4以上。同时，作为全国最具潜力的煤层气开发利用基地的山西省，其勘探范围、程度以及探明储量均列全国首位。全省煤层气占全国资源量的1/3，其中2000m以浅的资源储量约为10.39万亿m3。山西省煤层气主要赋存于六大煤田，以沁水煤田和河东煤田居多，两大煤田的煤层气赋存资源量分别为6.85万亿m3和2.84万亿m3，占全省的93.26%。

2 煤层气开发利用

山西煤层气资源具有大规模开发优势，其分布具有埋藏浅、甲烷含量高以及集中、可采性好等特点。1990年以来，山西煤层气开发坚持“重点突破，以点带面”的方针，逐步加大勘探开发力度。截至2012年底，山西省已有煤层气钻井1.06万口，所开发钻井的煤层气已达到了25.2亿m3的产量，占全国煤层气总产量的96%。根据山西省政府大力实施“气化山西”的战略部署，山西已将煤层气列为战略性新兴产业，从煤层气资源的分布、开采条件和资源品质分析，山西的煤层气具备大规模开发的资源优势，开发前景广阔。

3 煤层气开采工艺及技术

煤层气作为与煤共存、伴生的能源资源。煤层气生产通过排水、降压、脱附实现，井口装配必要的排采设施使井筒液柱压力不断下降，使吸附于煤基质的煤层气解吸附，通过扩散作用进入到孔隙及裂隙系统中，然后渗流到井筒，再被采出到地面。煤层气开采工艺流程主要包括钻井、排采。一般煤层气开发工程包括井场、集气站、脱水增压站、集气管线、联络道路、弃渣场等组成部分。井场内一般主要布置阀组区、煤层气井、储水池、钢支架放空管、分气包，井口设有抽油机。一般煤层气施工流程为：井场选址—钻井（空气钻井或清水钻井）—套管—固井—直井压裂—进入排采阶段。

4 煤层气开采排水分析

4.1 煤层气开采排水影响因素

煤层气开采井排水影响有自然和人为因素的相互影响。

（1）水文地质条件。水文地质条件是煤层气赋存和生产的重要要素，其中包括含水层富水性、厚度和节理、裂隙、补给来源以及岩溶发育程度等因素。

（2）地质构造特征。采气井的地质构造特别是褶曲断层的补给来源丰富程度和断层两盘含水层、隔水层的对接情况决定了采气井排水量的大小，地质构造一方面对地下水起着重要的控制与导水作用，另一方面也起着阻溢作用。在地质构造愈复杂的位置，断裂愈多，开采煤层离断层愈近，补给充分，则排水量就愈大。

（3）开采井不同阶段与排水量的关系。煤层气开采不同时期，开采井排水量变化很大，煤层气井开采排水经历较大、稳定、衰减到停止排水逐步恢复的一般变化过程。煤层气单井开采运行年限一般为14年，运行期间开采排水量总体呈递减趋势。即初期，采气井排水量较大。其次为中期，排水量进入稳定状态。三是后期，含水层部分被疏干，则排水量进入衰减状态。四是当各井场相继进入闭井期，其储量逐渐下降，排水变小或不排水，各种机械设备将停止使用，煤层气开发工作人员将陆续撤离，煤层气开采对水环境的影响将会逐渐减小。

（4）开采层位与开采井排水量的关系。煤层气增产必须采用煤层压裂工艺，但压裂方向的不可控制性，将不可避免对目标煤层顶、底板造成破坏，从而导通目标煤层与顶、底板含水层。山西省煤层气开采目标煤层主要为3＃、9＃和15＃煤层，3＃煤层顶板上覆含水层为砂岩裂隙水，砂岩裂隙不太发育，属弱含水层，压裂导通含水层后排水量不会太大；9＃和15＃煤层顶、底板含水层为灰岩裂隙含水层，属弱富含水层，裂隙相对发育，并且在构造的作用下，可能会产生突水等情况，排水量比开采3＃煤层时要大。

4.2 煤层气开采排水量分析

煤层气开采排水量分析计算主要根据与含水层组的关系、排水量变化规律及影响因素等。

（1）煤层气开采井数法。目前煤层气开采排水井可分为微量排水井（排水量0.5～5m3/d·眼）、少量排水井（ 5～10m3/d·眼）、较大排水井（10～20m3/d·眼）、大型排水井（20～150m3/d·眼）等四种类型。根据排水记录，煤层气开采井在成井后初期1～3年内排水量为10～20m3/d，在2～3年后排水量为0.2～5m3/d。

（2）煤层气开采量法。由于各煤层气开采区块排采工艺、开采煤层、开采时间、地质条件的不同，单位产气排水量也存在较大差异。山西省沁水县单位产气排水量约为0.0036m3/m3；其余县、市由于开采较晚，现处于勘探与试采阶段，单位采气排水量相对较大。

5 煤层气开采对水资源的影响

煤层气开采对水资源的影响主要表现为钻井、固井及压裂环节对地下水含水层结构的破坏与钻井液漏失、泥浆池渗漏对地下水的污染，以及井场采排废水对地下水水质的影响。

5.1 钻井施工对地下水含水层结构造成破坏，产生大量排水

在开凿井筒过程中，钻孔贯穿了煤层及其上覆含水层，使得各含水层贯通，由于含水层水压力不同，不同含水层会出现涌水或漏水现象，将煤系地层以上含水层地下水疏干排出，形成以井筒为中心的降落漏斗，对地下水含水系统造成局部破坏。

5.2 压裂对地下水含水层结构造成破坏

我省大部分煤田主要产层有3#、9#、15#煤层。由于各层渗透率不太高，采用常规直井工艺则必须通过压裂改造实现采气生产。煤层中的节理裂隙由于在强大压力的作用下，张开、扩展、贯通，并被压裂液中所携带的支撑剂（金刚砂等）所充填。施工结束后，由于支撑剂的存在，使得节理、裂隙难以愈合，裂隙的含水或导水性会发生改变。虽然压裂层段原则上限制在目标煤层之内，实际对煤层顶、底板的破坏是不可避免的，对煤系地层的含水、隔水结构的破坏是不可逆转的。

5.3 采气大量排水，疏干地下水

采气将赋存在目标煤层中的地下水疏干排出，对地下水造成严重破坏。一般煤层气抽采井平均布井每平方千米9－10眼，部分以井组形式抽采，相距仅几米，井深超过目标煤层，一般为700～800m不等，整个采气区地层变成一个“蜂窝煤”。每个采气井排水量大小不一，日排水量在50～100m3不等。煤层气开采对煤田范围地下水影响和破坏是非常严重的。

5.4 对水环境造成严重影响

5.4.1 钻井施工井筒磨损、碰撞破裂，钻井液、钻井泥浆漏失，对地下水水质造成污染和破坏

（1）在钻井过程中，会发生钻井液漏失的现象，使含有添加剂的钻井液从破坏处越流进入地层或潜水含水层，对潜水含水层造成污染。若漏失地层与含水层之间存在较多的断裂或裂隙发育，则将对采气井周围地下水造成污染。

（2）在钻井施工中可能导致地层可细小断裂、破损，造成井塌、井漏等复杂情况发生，对地下水造成污染破坏。

（3）开采井在固井、测井完成后，为加大采气产能，将进行煤层压裂处理，压裂材料主要为砂与水，压裂水中添加一定含量的氯化钾等化学添加剂，每眼开采井煤层压裂用水量约300m3，采气过程中将压裂水抽排后如不进行回收处理，就地排放后将对区域地表水、地下水造成一定污染。

5.4.2 钻井施工泥浆废水渗漏以及废水直接外排对地表水环境影响

按照有关规范和规定，各采气井均应设有泥浆池（渗水坑），主要存放钻井施工废水、泥浆及岩屑，也用于收集采气过程的大量排水。煤层气开采井钻井过程中排水量一般在300m3/眼左右，排水主要污染物包括悬浮物、石油类、COD等。如就地排放后将对区域地表水、地下水造成一定污染。钻井废水应采用化学混凝法处理后循环使用，使废水回用率达到85%以上，泥浆经自然蒸发后固化填埋处理。如未对泥浆池严格防渗，废水下渗，极可能污染当地地下水。在排水量较大时，也可能溢流，废水进入河道或坡面，将造成大范围水环境污染。据调查，全省开采井排水收集池未采取任何防渗措施占全省煤层气开采井排水收集池总数一半。

5.4.3 煤层气开采排水直接排放，对周围水环境造成影响

山西省煤层气开采煤层平均埋深在600m以上，煤系含水层水质较差，属原生污染严重的地下水含水层。根据采样分析，煤层气井排出水水质中均有指标超标。其中，氟化物超标情况为最突出，其次为氨氮、亚硝酸盐、氯化物、溶解性总固体等。煤层气开采排水在不经过处理直接排放或收集池不作防渗直接入渗的情况下会对当地地表、地下水水质产生破坏。

6 煤层气开采对当地农村饮水和群众生活造成影响

煤层气产业对当地农村经济社会发展起到了一定阶段性的促进作用，但也对当地水资源造成了破坏。经实地调查和分析，煤层气开采影响主要表现为以下几种形式：

（1）采气区地下水疏干，取水井水位下降乃至干枯。地下水、截潜流地下水和泉水是我省城镇及农村居民的重要供水水源，也是水质极易污染的水源。在采气井施工中，将影响煤层气开采区内生活和灌溉水井（指浅中层井）的水位、水质。如晋城市沁水县柿庄乡的柿庄、丁家、应郭等村原有水源井干枯，发生饮水困难。

（2）小泉小水干枯，农村饮水工程报废。山区农村饮水水源一般为小泉小水。大量开凿采气井破坏了煤系地层以上含水层和山区小泉小水的原有产流条件，造成小泉小水水量急剧减少甚至断流，导致农村饮水工程报废，出现了人畜饮水困难。如晋城市沁水县胡底乡、固县乡多个村庄的饮水工程由于开采煤层气，水量大幅减少或干枯，造成人畜吃水困难现象。

（3）钻井废污水和采气排水直接外排，对当地水环境造成污染和破坏。从实地调查和对采气井排水水质化验情况看，采气排水对水环境造成污染，进而对当地村民生活造成影响。一是在煤层气的开采过程中，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。若未经处理直接进入河道，将对地表水造成污染；二是采气过程中使用的压裂液对含水层水质直接造成污染，若事故状况下废污水直接排放，也将对地下水水质造成影响；三是在采气井洗井的过程中，产生含有有害物质的废液也对当地水环境产生影响。

7 措施和对策

（1）应按照《中华人民共和国水法》、国务院《取水许可和水资源征收管理条例》、《山西省水资源管理条例》等法律法规规定，严格实行水资源论证和取水许可审批制度。所有新建煤层气开采项目应进行水资源论证，经水行政主管部门审查批复后，作为项目立项和施工建设的依据。

（2）所有新建、改建、扩建煤层气开发项目，应按照《山西省水资源管理条例》、《山西省泉域水资源保护条例》等有关法规和《山西省人民政府关于促进资源型城市可持续发展的实施意见》的规定，严格开展煤层气开采对水环境和水资源影响评价工作，查清煤层气开采对当地水环境和水资源的影响和破坏程度，提出相应的治理和水资源保护措施

（3）煤层气开采工程应按照有关法律法规规定，严格执行水资源有偿使用制度，取用水以及排水应按照有关规定和标准征缴水资源费。

（4）若在煤层气开采过程中，对水资源和水环境造成破坏，应遵循谁破坏、谁治理的原则，按采气量向煤层气开采单位征收水生态环境治理、水源及供水工程建设的基金。

（5）根据国家有关要求，当地政府应组织对农村饮用水源划定保护区，严禁在村民吃水工程和灌溉工程的水源周围布设采气井，对已严重造成农村饮用水源破坏或影响的采气井，限期予以封闭。

（6）应严格落实国家有关规定，“应选择一定数量的煤层气井，监测其在钻井、压裂、排采等作业过程对井场及周边生态环境、声学环境、地表水及地下水的影响。对煤层气开采井网分布范围内的地下水影响进行评价”的要求，做好煤层气开采对地下水环境影响监测、评价、治理和监督管理工作。建立煤层气开采区的水位和水质监测系统，加强煤层气开采区的水位、水质和水量监测工作，为当地水资源保护提供支撑。