晏嘉

(中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司, 北京 100070)

0 引言

鄂爾多斯盆地煤炭資源豐富,目前已建設(shè)一批現(xiàn)代化大型煤礦,是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地。大規(guī)模、高強(qiáng)度的煤炭開采,形成大量礦井排水。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅榆神礦區(qū)礦井年總排水量近1.3億m3,大量的高礦化度(大于2000 g/L)礦井排水,一方面造成水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,另一方面嚴(yán)重制約和影響礦井生產(chǎn)[1]。

傳統(tǒng)礦井水處理利用方法主要有3種:一是地面集中水處理技術(shù),將礦井水由井下水倉預(yù)處理后提升至地表,使用地面上大型污水處理設(shè)施集中處置,達(dá)到復(fù)用水質(zhì)要求后,部分在地面利用[2],部分返回至井下利用,該技術(shù)存在基建投資大、礦井水提升運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大等缺點(diǎn);二是采空區(qū)處理礦井水技術(shù),利用煤礦井下采空區(qū)空間及矸石等填充物的過濾和沉淀作用凈化礦井水,并且復(fù)用于煤礦井下生產(chǎn),但此技術(shù)對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造有特殊要求,只適用于少部分礦井,且過濾池占地較大,不適用于較大水量的井下處理;三是高礦化度礦井水反滲透技術(shù),該技術(shù)主要是利用反滲透膜兩側(cè)的壓力差實(shí)現(xiàn)脫鹽處理,應(yīng)用已十分廣泛,但因投資和運(yùn)行成本都較高,設(shè)備需要做好防爆、防潮、防靜電等工作,只適合于小水量的處理,在井下應(yīng)用較少[2],同時殘留的高濃度鹽水也難以處理。

為滿足鄂爾多斯地區(qū)礦井水“零排放”的環(huán)保要求,研究低成本、大水量的礦井水處理新技術(shù)迫在眉睫。在適合的地質(zhì)及含水層條件下,將礦井水通過鉆孔進(jìn)行回灌,在地下水環(huán)境沒有污染的前提下解決礦井排水問題,在峰峰集團(tuán)梧桐莊礦已有先例[3-5]。曾繁富等[6]從儲集空間及水質(zhì)影響方面對高礦化度礦井水回灌目的層進(jìn)行可行性分析,納林河二號井實(shí)施的深水回灌能夠證實(shí)該技術(shù)對環(huán)境無不良影響,礦井水回灌技術(shù)發(fā)展前景良好[7]。

本文以鄂爾多斯盆地某煤礦為例,通過施工試驗(yàn)井進(jìn)行注水試驗(yàn),分析深部砂巖含水層的水文地質(zhì)條件,研究受注砂巖含水層水文地質(zhì)參數(shù),對鄂爾多斯盆地深部砂巖含水層可注性進(jìn)行探索研究。

1 試驗(yàn)井概況

井水回灌研究的試驗(yàn)井選擇鄂爾多斯盆地某煤礦,該礦位于伊盟隆起南、伊陜斜坡北部邊緣,區(qū)域整體構(gòu)造單一、斷裂不發(fā)育,地層平緩,總體為北東向單斜構(gòu)造,傾角為1°～3°,局部有低幅度和鼻狀隆起。該礦主采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J1-2ya)3-1煤層。3-1煤層頂板兩帶高度所導(dǎo)通的含水層是礦井充水的直接水源,上覆侏羅系中統(tǒng)直羅組以隔水層為主,安定組(J2a)及其上覆志丹群(K1zh)含水層構(gòu)成礦井間接充水水源,目前礦井涌水量為2300 m3/h,礦井水礦化度一般在2.0～2.6 g/L之間。試驗(yàn)井位于煤礦工廠邊緣,所處位置無大型斷層構(gòu)造。該井深2299.50 m,揭露的地層有第四系(Q)、白堊系志丹群(K1zh)、侏羅系定安組(J2a)、直羅組(J2z)、延安組(J1-2ya),三疊系延長組(T3y)、二馬營組(T2e)、和尚溝組(T2c)、劉家溝組(T1l)及二疊系石千峰組(P2sh)[9-11],具體見表1。為不影響煤炭開采及深部石油天然氣開采,礦井水回灌試驗(yàn)注入的地層選擇三疊系劉家溝組地層。

表1 試驗(yàn)井揭露地層

2 回灌地層水文地質(zhì)特征

2.1 水文地質(zhì)特征

注水層位三疊系劉家溝組埋深1839.70～2256.40 m,厚416.70 m,注水段孔徑為Φ214 mm,地層傾角為0°～3°。劉家溝組砂巖孔隙、裂隙含水層共21層,累計(jì)厚度為309.00 m,主要由細(xì)、中粒砂巖組成,局部粗粒砂巖(見圖1),分選較好,泥質(zhì)、鈣泥質(zhì)膠結(jié),平行層理及交錯層理發(fā)育,偶見裂隙,方解石脈充填。

圖1 劉家溝組粗粒砂巖巖心

測井解釋成果如圖2所示,砂巖側(cè)向電阻率在150～300Ω·m 之間,泥巖及粉砂巖側(cè)向電阻率在70～80Ω·m 之間;砂巖聲速相對于泥巖較高,而自然伽馬相對于泥巖、粉砂巖則較低,根據(jù)以上物性的明顯差異,能夠可靠區(qū)分各類巖性。

圖2 劉家溝組地層測井解釋成果

三疊系劉家溝組(T1l)砂巖孔隙裂隙含水層頂板上與侏羅系延安組最下一層可采煤層6-2煤層的最小間距為1149 m,具有良好的隔水性能,當(dāng)?shù)乇碜⑺畨毫_(dá)15 MPa 時,6-2 煤層的突水系數(shù)為0.029 MPa/m,對煤礦開采無安全隱患。下伏地層為二疊系石千峰組,本孔揭露深度為2256.40～2295.50 m,以紫色泥巖、粉砂巖為主,具有良好的隔水性能。因此,三疊系中統(tǒng)劉家溝組(T1l)孔隙裂隙含水層為相對封閉的含水層組。且根據(jù)區(qū)域資料,含水層組可視為均等厚無限邊界,有利于注水。

2.2 回灌含水層水質(zhì)

完成后分別對揭露的三疊系劉家溝組及侏羅系延安組3-1煤層井水進(jìn)行取樣化驗(yàn),試驗(yàn)井回注的礦井水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于深部劉家溝組含水層水質(zhì),總體呈現(xiàn)良水回灌。其不足之處僅為礦井水固體懸浮物含量偏高,經(jīng)礦區(qū)水庫沉淀后能滿足孔內(nèi)注水對固體懸浮物的要求,礦井水注入三疊系劉家溝組砂巖孔隙裂隙含水層對水質(zhì)不會造成影響,兩組水質(zhì)資料對比見表2。

表2 劉家溝組、延安組3-1煤層頂板含水層部分離子含量對比

3 注水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

常用的現(xiàn)場注水試驗(yàn)方法主要有單孔注水試驗(yàn)及交叉孔注水試驗(yàn),本次注水試驗(yàn)采用單井注水,采用專門的止水設(shè)備(止水塞)隔離出試驗(yàn)段,然后向鉆孔中注水并測量壓入的水量大小,根據(jù)壓力和流量關(guān)系來確定巖體的滲透特征。注水試驗(yàn)觀測結(jié)果見表3。

表3 注水試驗(yàn)觀測結(jié)果

3.1.1 第1次注水試驗(yàn)

初期壓力不穩(wěn)定,在4.3～6.0 MPa浮動,當(dāng)井口壓力穩(wěn)定在6.3 MPa時,壓水量為53.8 m3/h,回灌層吸水指數(shù)為8.54 m3/(h·MPa),截至2020年3月12日,累計(jì)壓水時間為74.5 h,累計(jì)壓水量為4008 m3。

采用吸水指數(shù)來表示MC-1深水回灌井的壓水能力大小。吸水指數(shù)為日壓水量與壓水壓力和靜水壓力之差之比,其公式如下:

吸水指數(shù)多用來表示油氣儲層吸水能力的大小,同理,可將該概念和意義引入礦井水回灌領(lǐng)域。一般來說,儲層的吸水能力越強(qiáng),吸水指數(shù)越大,相應(yīng)地,其地層的滲透率也越大。

3.1.2 第2次壓水試驗(yàn)

井口壓力穩(wěn)定在6.7 MPa,壓水量為71.8 m3/h,回灌層吸水指數(shù)為10.72 m3/(h·MPa),累計(jì)壓水時間為72.5 h,累計(jì)壓水量為5205 m3。

3.1.3 第3次壓水試驗(yàn)

2020年3月16日,井口壓力穩(wěn)定在6.8 MPa,壓水量為103.3 m3/h,回灌層吸水指數(shù)為15.20 m3/(h·MPa),截至3月20日,累計(jì)注水時間為75 h,累計(jì)壓水量為7747.55 m3。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

在實(shí)際注水過程中,影響注水量的因素主要有含水層的滲透系數(shù)K、含水層厚度、注水壓力、井徑、水中固形物含量等,每一因素的變化都將影響注水井的注入量和服務(wù)年限。

根據(jù)達(dá)西(Darcy)定律和吉哈爾特公式,

式中,Q為注水量,m3/d;K為滲透系數(shù),m/d;m為劉家溝組砂巖孔隙裂隙含水層厚度,m;s為注水壓力,MPa;R為影響半徑,m;r為注水孔半徑,m。

試驗(yàn)井靜止水位為-80 m,求出該含水層的水文地質(zhì)參數(shù),見表4。

表4 劉家溝組含水層水文地質(zhì)參數(shù)

4 長期回灌預(yù)測

4.1 回灌方案擬定

考慮注水設(shè)備的能力,設(shè)計(jì)1600 m3/d、2000 m3/d、2400 m3/d、3000 m3/d和3600 m3/d一系列梯度回灌量,模擬長期(一年)回灌條件下劉家溝組的流場變化情況和累計(jì)回灌量的最大回灌值。回灌方案見表5。

表5 回灌方案設(shè)計(jì)

4.2 模型建立和模型檢驗(yàn)

本文的數(shù)值模擬使用Visual Modflow 數(shù)值模擬軟件,采用有限差分法對不同回灌量及其回灌效果進(jìn)行模擬。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,劉家溝組在鄂爾多斯盆地區(qū)域上地層穩(wěn)定連續(xù),構(gòu)造不發(fā)育,因此,可近似地認(rèn)為無限邊界。在實(shí)際數(shù)值模擬過程中,取100R作為模擬邊界(零流量邊界)。對劉家溝組進(jìn)行有限單元網(wǎng)格剖分,剖分結(jié)果為100 m×100 m,建立模型如圖3所示。

圖3 模型

4.3 數(shù)值模擬過程及結(jié)果分析

按照以上條件分別模擬在不同回灌方案下,一年后劉家溝組的流場變化情況,模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同回灌量下的流場模擬結(jié)果

由回灌模擬結(jié)果可知,不同的回灌方案下所產(chǎn)生的流場變化也不同,其中,回灌量為1600 m3/d回灌一年后,井口附近水位達(dá)到176 m;回灌量為3600 m3/d時,模擬結(jié)果顯示井口附近水位達(dá)到497 m,各種回灌方案均可正常運(yùn)行。各方案對應(yīng)井口水位及壓水壓力模擬值見表6?；毓嗔颗c注水壓力、井口水位的關(guān)系見圖5、圖6。

圖5 回灌量與注水壓力的關(guān)系

圖6 回灌量與井口水位的關(guān)系

以上結(jié)果表明,不同回灌方案在回灌一年時間里,回灌量和注水壓力、井口水位均呈線性增大關(guān)系,其中回灌量為3600 m3/d的設(shè)計(jì)回灌方案中,注水壓力達(dá)到了20 MPa,基本達(dá)到現(xiàn)有設(shè)備的理論最大回灌水壓。設(shè)計(jì)回灌方案為2400 m3/d和3000 m3/d所達(dá)到的回灌效果較好,設(shè)備負(fù)荷適中,能夠有效延長回灌井的使用年限。

5 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)井揭露了注水段劉家溝組砂巖孔隙、裂隙含水層共21層,主要由細(xì)、中粒砂巖組成,累計(jì)厚度為309.00 m,占整個劉家溝地層厚度的74%,為回灌提供了良好的儲水條件。同時劉家溝組含水層水質(zhì)較回灌的礦井水水質(zhì)差,總體上為“良水回灌”,基本不會對原含水層水質(zhì)造成影響,該層位可注性較高。

(2) 劉家溝組地層的滲透系數(shù)平均為0.0124 m/d,滲透性能差,通過設(shè)備進(jìn)行高壓注水試驗(yàn),井口壓力隨著單位回灌量的增大而增大。通過數(shù)值模擬預(yù)測,長期注水條件下的單位回灌量與井口壓力、井口水位成線性增長關(guān)系,可為下一步規(guī)模化回灌礦井水提供設(shè)計(jì)依據(jù),這一成果可為鄂爾多斯盆地煤礦井水“零排放”和水資源保護(hù)提供新的工程方法。

(3) 后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)高壓注水對回灌地層水力劈裂作用以及礦井水進(jìn)入回灌目的層后的存儲、運(yùn)移、排泄研究,開展對上部含水層、煤層、天然氣開發(fā)等環(huán)境影響評價,進(jìn)一步夯實(shí)高礦化度礦井水深部回灌理論基礎(chǔ),完善回灌技術(shù)工藝,以提高該技術(shù)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。