毋曉琴

（1.太原理工大學(xué) 山西太原 030024；2.山西省水資源管理中心 山西太原 030001）

煤層氣是與煤伴生、共生的能源資源。山西省擁有豐富的煤層氣資源儲(chǔ)量，煤層氣的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)水平已經(jīng)居于全國(guó)領(lǐng)先地位。但也對(duì)山西當(dāng)?shù)厮Y源和水生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的破壞和影響。

1 煤層氣基本情況

山西煤炭資源豐富，開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越，查明煤炭資源儲(chǔ)量占全國(guó)總量的1/4以上。同時(shí)，作為全國(guó)最具潛力的煤層氣開(kāi)發(fā)利用基地的山西省，其勘探范圍、程度以及探明儲(chǔ)量均列全國(guó)首位。全省煤層氣占全國(guó)資源量的1/3，其中2000m以淺的資源儲(chǔ)量約為10.39萬(wàn)億m3。山西省煤層氣主要賦存于六大煤田，以沁水煤田和河?xùn)|煤田居多，兩大煤田的煤層氣賦存資源量分別為6.85萬(wàn)億m3和2.84萬(wàn)億m3，占全省的93.26%。

2 煤層氣開(kāi)發(fā)利用

山西煤層氣資源具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，其分布具有埋藏淺、甲烷含量高以及集中、可采性好等特點(diǎn)。1990年以來(lái)，山西煤層氣開(kāi)發(fā)堅(jiān)持“重點(diǎn)突破，以點(diǎn)帶面”的方針，逐步加大勘探開(kāi)發(fā)力度。截至2012年底，山西省已有煤層氣鉆井1.06萬(wàn)口，所開(kāi)發(fā)鉆井的煤層氣已達(dá)到了25.2億m3的產(chǎn)量，占全國(guó)煤層氣總產(chǎn)量的96%。根據(jù)山西省政府大力實(shí)施“氣化山西”的戰(zhàn)略部署，山西已將煤層氣列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從煤層氣資源的分布、開(kāi)采條件和資源品質(zhì)分析，山西的煤層氣具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)的資源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)前景廣闊。

3 煤層氣開(kāi)采工藝及技術(shù)

煤層氣作為與煤共存、伴生的能源資源。煤層氣生產(chǎn)通過(guò)排水、降壓、脫附實(shí)現(xiàn)，井口裝配必要的排采設(shè)施使井筒液柱壓力不斷下降，使吸附于煤基質(zhì)的煤層氣解吸附，通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入到孔隙及裂隙系統(tǒng)中，然后滲流到井筒，再被采出到地面。煤層氣開(kāi)采工藝流程主要包括鉆井、排采。一般煤層氣開(kāi)發(fā)工程包括井場(chǎng)、集氣站、脫水增壓站、集氣管線、聯(lián)絡(luò)道路、棄渣場(chǎng)等組成部分。井場(chǎng)內(nèi)一般主要布置閥組區(qū)、煤層氣井、儲(chǔ)水池、鋼支架放空管、分氣包，井口設(shè)有抽油機(jī)。一般煤層氣施工流程為：井場(chǎng)選址—鉆井（空氣鉆井或清水鉆井）—套管—固井—直井壓裂—進(jìn)入排采階段。

4 煤層氣開(kāi)采排水分析

4.1 煤層氣開(kāi)采排水影響因素

煤層氣開(kāi)采井排水影響有自然和人為因素的相互影響。

（1）水文地質(zhì)條件。水文地質(zhì)條件是煤層氣賦存和生產(chǎn)的重要要素，其中包括含水層富水性、厚度和節(jié)理、裂隙、補(bǔ)給來(lái)源以及巖溶發(fā)育程度等因素。

（2）地質(zhì)構(gòu)造特征。采氣井的地質(zhì)構(gòu)造特別是褶曲斷層的補(bǔ)給來(lái)源豐富程度和斷層兩盤含水層、隔水層的對(duì)接情況決定了采氣井排水量的大小，地質(zhì)構(gòu)造一方面對(duì)地下水起著重要的控制與導(dǎo)水作用，另一方面也起著阻溢作用。在地質(zhì)構(gòu)造愈復(fù)雜的位置，斷裂愈多，開(kāi)采煤層離斷層愈近，補(bǔ)給充分，則排水量就愈大。

（3）開(kāi)采井不同階段與排水量的關(guān)系。煤層氣開(kāi)采不同時(shí)期，開(kāi)采井排水量變化很大，煤層氣井開(kāi)采排水經(jīng)歷較大、穩(wěn)定、衰減到停止排水逐步恢復(fù)的一般變化過(guò)程。煤層氣單井開(kāi)采運(yùn)行年限一般為14年，運(yùn)行期間開(kāi)采排水量總體呈遞減趨勢(shì)。即初期，采氣井排水量較大。其次為中期，排水量進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。三是后期，含水層部分被疏干，則排水量進(jìn)入衰減狀態(tài)。四是當(dāng)各井場(chǎng)相繼進(jìn)入閉井期，其儲(chǔ)量逐漸下降，排水變小或不排水，各種機(jī)械設(shè)備將停止使用，煤層氣開(kāi)發(fā)工作人員將陸續(xù)撤離，煤層氣開(kāi)采對(duì)水環(huán)境的影響將會(huì)逐漸減小。

（4）開(kāi)采層位與開(kāi)采井排水量的關(guān)系。煤層氣增產(chǎn)必須采用煤層壓裂工藝，但壓裂方向的不可控制性，將不可避免對(duì)目標(biāo)煤層頂、底板造成破壞，從而導(dǎo)通目標(biāo)煤層與頂、底板含水層。山西省煤層氣開(kāi)采目標(biāo)煤層主要為3＃、9＃和15＃煤層，3＃煤層頂板上覆含水層為砂巖裂隙水，砂巖裂隙不太發(fā)育，屬弱含水層，壓裂導(dǎo)通含水層后排水量不會(huì)太大；9＃和15＃煤層頂、底板含水層為灰?guī)r裂隙含水層，屬弱富含水層，裂隙相對(duì)發(fā)育，并且在構(gòu)造的作用下，可能會(huì)產(chǎn)生突水等情況，排水量比開(kāi)采3＃煤層時(shí)要大。

4.2 煤層氣開(kāi)采排水量分析

煤層氣開(kāi)采排水量分析計(jì)算主要根據(jù)與含水層組的關(guān)系、排水量變化規(guī)律及影響因素等。

（1）煤層氣開(kāi)采井?dāng)?shù)法。目前煤層氣開(kāi)采排水井可分為微量排水井（排水量0.5～5m3/d·眼）、少量排水井（ 5～10m3/d·眼）、較大排水井（10～20m3/d·眼）、大型排水井（20～150m3/d·眼）等四種類型。根據(jù)排水記錄，煤層氣開(kāi)采井在成井后初期1～3年內(nèi)排水量為10～20m3/d，在2～3年后排水量為0.2～5m3/d。

（2）煤層氣開(kāi)采量法。由于各煤層氣開(kāi)采區(qū)塊排采工藝、開(kāi)采煤層、開(kāi)采時(shí)間、地質(zhì)條件的不同，單位產(chǎn)氣排水量也存在較大差異。山西省沁水縣單位產(chǎn)氣排水量約為0.0036m3/m3；其余縣、市由于開(kāi)采較晚，現(xiàn)處于勘探與試采階段，單位采氣排水量相對(duì)較大。

5 煤層氣開(kāi)采對(duì)水資源的影響

煤層氣開(kāi)采對(duì)水資源的影響主要表現(xiàn)為鉆井、固井及壓裂環(huán)節(jié)對(duì)地下水含水層結(jié)構(gòu)的破壞與鉆井液漏失、泥漿池滲漏對(duì)地下水的污染，以及井場(chǎng)采排廢水對(duì)地下水水質(zhì)的影響。

5.1 鉆井施工對(duì)地下水含水層結(jié)構(gòu)造成破壞，產(chǎn)生大量排水

在開(kāi)鑿井筒過(guò)程中，鉆孔貫穿了煤層及其上覆含水層，使得各含水層貫通，由于含水層水壓力不同，不同含水層會(huì)出現(xiàn)涌水或漏水現(xiàn)象，將煤系地層以上含水層地下水疏干排出，形成以井筒為中心的降落漏斗，對(duì)地下水含水系統(tǒng)造成局部破壞。

5.2 壓裂對(duì)地下水含水層結(jié)構(gòu)造成破壞

我省大部分煤田主要產(chǎn)層有3#、9#、15#煤層。由于各層滲透率不太高，采用常規(guī)直井工藝則必須通過(guò)壓裂改造實(shí)現(xiàn)采氣生產(chǎn)。煤層中的節(jié)理裂隙由于在強(qiáng)大壓力的作用下，張開(kāi)、擴(kuò)展、貫通，并被壓裂液中所攜帶的支撐劑（金剛砂等）所充填。施工結(jié)束后，由于支撐劑的存在，使得節(jié)理、裂隙難以愈合，裂隙的含水或?qū)詴?huì)發(fā)生改變。雖然壓裂層段原則上限制在目標(biāo)煤層之內(nèi)，實(shí)際對(duì)煤層頂、底板的破壞是不可避免的，對(duì)煤系地層的含水、隔水結(jié)構(gòu)的破壞是不可逆轉(zhuǎn)的。

5.3 采氣大量排水，疏干地下水

采氣將賦存在目標(biāo)煤層中的地下水疏干排出，對(duì)地下水造成嚴(yán)重破壞。一般煤層氣抽采井平均布井每平方千米9－10眼，部分以井組形式抽采，相距僅幾米，井深超過(guò)目標(biāo)煤層，一般為700～800m不等，整個(gè)采氣區(qū)地層變成一個(gè)“蜂窩煤”。每個(gè)采氣井排水量大小不一，日排水量在50～100m3不等。煤層氣開(kāi)采對(duì)煤田范圍地下水影響和破壞是非常嚴(yán)重的。

5.4 對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重影響

5.4.1 鉆井施工井筒磨損、碰撞破裂，鉆井液、鉆井泥漿漏失，對(duì)地下水水質(zhì)造成污染和破壞

（1）在鉆井過(guò)程中，會(huì)發(fā)生鉆井液漏失的現(xiàn)象，使含有添加劑的鉆井液從破壞處越流進(jìn)入地層或潛水含水層，對(duì)潛水含水層造成污染。若漏失地層與含水層之間存在較多的斷裂或裂隙發(fā)育，則將對(duì)采氣井周圍地下水造成污染。

（2）在鉆井施工中可能導(dǎo)致地層可細(xì)小斷裂、破損，造成井塌、井漏等復(fù)雜情況發(fā)生，對(duì)地下水造成污染破壞。

（3）開(kāi)采井在固井、測(cè)井完成后，為加大采氣產(chǎn)能，將進(jìn)行煤層壓裂處理，壓裂材料主要為砂與水，壓裂水中添加一定含量的氯化鉀等化學(xué)添加劑，每眼開(kāi)采井煤層壓裂用水量約300m3，采氣過(guò)程中將壓裂水抽排后如不進(jìn)行回收處理，就地排放后將對(duì)區(qū)域地表水、地下水造成一定污染。

5.4.2 鉆井施工泥漿廢水滲漏以及廢水直接外排對(duì)地表水環(huán)境影響

按照有關(guān)規(guī)范和規(guī)定，各采氣井均應(yīng)設(shè)有泥漿池（滲水坑），主要存放鉆井施工廢水、泥漿及巖屑，也用于收集采氣過(guò)程的大量排水。煤層氣開(kāi)采井鉆井過(guò)程中排水量一般在300m3/眼左右，排水主要污染物包括懸浮物、石油類、COD等。如就地排放后將對(duì)區(qū)域地表水、地下水造成一定污染。鉆井廢水應(yīng)采用化學(xué)混凝法處理后循環(huán)使用，使廢水回用率達(dá)到85%以上，泥漿經(jīng)自然蒸發(fā)后固化填埋處理。如未對(duì)泥漿池嚴(yán)格防滲，廢水下滲，極可能污染當(dāng)?shù)氐叵滤?。在排水量較大時(shí)，也可能溢流，廢水進(jìn)入河道或坡面，將造成大范圍水環(huán)境污染。據(jù)調(diào)查，全省開(kāi)采井排水收集池未采取任何防滲措施占全省煤層氣開(kāi)采井排水收集池總數(shù)一半。

5.4.3 煤層氣開(kāi)采排水直接排放，對(duì)周圍水環(huán)境造成影響

山西省煤層氣開(kāi)采煤層平均埋深在600m以上，煤系含水層水質(zhì)較差，屬原生污染嚴(yán)重的地下水含水層。根據(jù)采樣分析，煤層氣井排出水水質(zhì)中均有指標(biāo)超標(biāo)。其中，氟化物超標(biāo)情況為最突出，其次為氨氮、亞硝酸鹽、氯化物、溶解性總固體等。煤層氣開(kāi)采排水在不經(jīng)過(guò)處理直接排放或收集池不作防滲直接入滲的情況下會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐乇怼⒌叵滤|(zhì)產(chǎn)生破壞。

6 煤層氣開(kāi)采對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村飲水和群眾生活造成影響

煤層氣產(chǎn)業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展起到了一定階段性的促進(jìn)作用，但也對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源造成了破壞。經(jīng)實(shí)地調(diào)查和分析，煤層氣開(kāi)采影響主要表現(xiàn)為以下幾種形式：

（1）采氣區(qū)地下水疏干，取水井水位下降乃至干枯。地下水、截潛流地下水和泉水是我省城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民的重要供水水源，也是水質(zhì)極易污染的水源。在采氣井施工中，將影響煤層氣開(kāi)采區(qū)內(nèi)生活和灌溉水井（指淺中層井）的水位、水質(zhì)。如晉城市沁水縣柿莊鄉(xiāng)的柿莊、丁家、應(yīng)郭等村原有水源井干枯，發(fā)生飲水困難。

（2）小泉小水干枯，農(nóng)村飲水工程報(bào)廢。山區(qū)農(nóng)村飲水水源一般為小泉小水。大量開(kāi)鑿采氣井破壞了煤系地層以上含水層和山區(qū)小泉小水的原有產(chǎn)流條件，造成小泉小水水量急劇減少甚至斷流，導(dǎo)致農(nóng)村飲水工程報(bào)廢，出現(xiàn)了人畜飲水困難。如晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)、固縣鄉(xiāng)多個(gè)村莊的飲水工程由于開(kāi)采煤層氣，水量大幅減少或干枯，造成人畜吃水困難現(xiàn)象。

（3）鉆井廢污水和采氣排水直接外排，對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境造成污染和破壞。從實(shí)地調(diào)查和對(duì)采氣井排水水質(zhì)化驗(yàn)情況看，采氣排水對(duì)水環(huán)境造成污染，進(jìn)而對(duì)當(dāng)?shù)卮迕裆钤斐捎绊憽Ｒ皇窃诿簩託獾拈_(kāi)采過(guò)程中，采排廢水如不經(jīng)深度處理排放，會(huì)直接下滲對(duì)砂巖裂隙水及第四系孔隙地下水水質(zhì)造成污染，并且會(huì)沿導(dǎo)水構(gòu)造入滲到石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，也將對(duì)巖溶地下水造成污染。若未經(jīng)處理直接進(jìn)入河道，將對(duì)地表水造成污染；二是采氣過(guò)程中使用的壓裂液對(duì)含水層水質(zhì)直接造成污染，若事故狀況下廢污水直接排放，也將對(duì)地下水水質(zhì)造成影響；三是在采氣井洗井的過(guò)程中，產(chǎn)生含有有害物質(zhì)的廢液也對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境產(chǎn)生影響。

7 措施和對(duì)策

（1）應(yīng)按照《中華人民共和國(guó)水法》、國(guó)務(wù)院《取水許可和水資源征收管理?xiàng)l例》、《山西省水資源管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)規(guī)定，嚴(yán)格實(shí)行水資源論證和取水許可審批制度。所有新建煤層氣開(kāi)采項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行水資源論證，經(jīng)水行政主管部門審查批復(fù)后，作為項(xiàng)目立項(xiàng)和施工建設(shè)的依據(jù)。

（2）所有新建、改建、擴(kuò)建煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，應(yīng)按照《山西省水資源管理?xiàng)l例》、《山西省泉域水資源保護(hù)條例》等有關(guān)法規(guī)和《山西省人民政府關(guān)于促進(jìn)資源型城市可持續(xù)發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》的規(guī)定，嚴(yán)格開(kāi)展煤層氣開(kāi)采對(duì)水環(huán)境和水資源影響評(píng)價(jià)工作，查清煤層氣開(kāi)采對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境和水資源的影響和破壞程度，提出相應(yīng)的治理和水資源保護(hù)措施

（3）煤層氣開(kāi)采工程應(yīng)按照有關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，嚴(yán)格執(zhí)行水資源有償使用制度，取用水以及排水應(yīng)按照有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)征繳水資源費(fèi)。

（4）若在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)水資源和水環(huán)境造成破壞，應(yīng)遵循誰(shuí)破壞、誰(shuí)治理的原則，按采氣量向煤層氣開(kāi)采單位征收水生態(tài)環(huán)境治理、水源及供水工程建設(shè)的基金。

（5）根據(jù)國(guó)家有關(guān)要求，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)組織對(duì)農(nóng)村飲用水源劃定保護(hù)區(qū)，嚴(yán)禁在村民吃水工程和灌溉工程的水源周圍布設(shè)采氣井，對(duì)已嚴(yán)重造成農(nóng)村飲用水源破壞或影響的采氣井，限期予以封閉。

（6）應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，“應(yīng)選擇一定數(shù)量的煤層氣井，監(jiān)測(cè)其在鉆井、壓裂、排采等作業(yè)過(guò)程對(duì)井場(chǎng)及周邊生態(tài)環(huán)境、聲學(xué)環(huán)境、地表水及地下水的影響。對(duì)煤層氣開(kāi)采井網(wǎng)分布范圍內(nèi)的地下水影響進(jìn)行評(píng)價(jià)”的要求，做好煤層氣開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境影響監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、治理和監(jiān)督管理工作。建立煤層氣開(kāi)采區(qū)的水位和水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)煤層氣開(kāi)采區(qū)的水位、水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)工作，為當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)提供支撐。