張慧芳 ，薄智軍 ，程普云

（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西省水資源研究所，山西 太原 030001）

1 引言

煤層氣俗稱瓦斯，是賦存在煤層中、以甲烷（CH4）為主要成分，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是一種新型潔凈能源和優(yōu)質(zhì)化工原料。煤層氣的開發(fā)主要采用排水降壓原理，通過抽油管將煤儲層中的水抽出來，從而降低煤儲層的壓力，使煤層氣從煤層中解吸出來。為充分抽取附著在原煤表面的煤層氣，需先對原煤裂隙中的水抽排，以釋放原煤表面的煤層氣。根據(jù)煤層氣依存及煤層氣抽氣井抽氣生產(chǎn)機理，煤系地層原煤裂隙地下水抽排后，將造成煤系地層上覆地下含水層不斷下滲，煤系地層以上地下含水層富水性越強，抽氣過程中的抽排水量越大。沁水煤層平均埋深在600m左右，屬深埋藏煤層，個別煤層氣開采井的抽排水量可達(dá)到20m3/h左右，抽排水時間最大達(dá)3年左右。據(jù)統(tǒng)計，全縣1858眼生產(chǎn)運行的抽氣井年抽排地下水量為2000萬m3左右。

大量研究表明，煤層氣開采的排出水具有高鈉度和高礦化度的特征，直接排放將對植物、土壤、漁業(yè)和周邊景觀等存在不利影響。因此有必要對沁水縣煤層氣井的排出水質(zhì)進行分析評價，并依據(jù)評價結(jié)果，提出處理措施，最大限度地減少煤層氣開采對水環(huán)境的影響，保證經(jīng)濟發(fā)展與水生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

2 氣井排出水構(gòu)成

2.1 鉆井工藝水

目前，煤層氣抽氣井鉆井過程中工藝用水量一般在200m3/眼左右，鉆井廢水主要包括機械冷卻廢水、沖洗廢水、鉆井液流失廢水以及其他廢水，污染物主要有懸浮物、石油類、COD等。

2.2 壓裂工藝水

根據(jù)煤層氣抽氣生產(chǎn)機理，抽氣井在固井、測井完成后，為加大采氣產(chǎn)能，將進行煤層的壓裂處理工藝，壓裂材料為砂與水，壓裂水中添加有一定含量的氯化鉀等化學(xué)添加劑，每眼抽氣井的煤層壓裂用水量約300m3。

2.3 深層劣質(zhì)地下水

沁水煤田太原組煤層平均埋深在600m左右，屬深埋藏煤層，煤系地層及上覆地下水含水層水質(zhì)較差，尤其是硫化物等含量較高，屬原生污染嚴(yán)重的地下水含水層。

井采氣過程中氣井排出水不進行回收處理，就地排放，將對區(qū)域地表水、地下水造成一定污染。

3 監(jiān)測范圍

沁水煤層氣位于山西省東南部沁水盆地南部晉城斜坡帶，包括樊莊區(qū)塊、潘莊區(qū)塊和鄭莊區(qū)塊。在收集沁水馬必區(qū)塊柿園西開采井、沁水潘莊 04水平井組5號井、沁水楊樹莊村南煤層氣井、沁水縣李莊村煤層氣井HD-009、沁水縣王屹羅村煤層氣井HX3-13等5個正常運行煤層氣井排出水水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上對其水質(zhì)進行分析檢測。

4 水質(zhì)評價

4.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)各項指標(biāo)的含量特征，將地下水質(zhì)量分為五類，其中：Ⅰ，Ⅱ類主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景和天然背景含量，適用于各種用途；Ⅲ類以人類健康基準(zhǔn)值（生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水；Ⅳ類以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作為生活飲用水；Ⅴ類不宜作生活飲用水，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

4.2 評價方法

4.2.1 單項指標(biāo)評價

單項指標(biāo)評價計算公式為：

式中：Ni——為單項指標(biāo)；Ni≤1時該單項符合標(biāo)準(zhǔn)要求；Ni＞1時該單項指標(biāo)超標(biāo)；

Ci——為i組分的實測值；

CiO——為i組分的評價標(biāo)準(zhǔn)。

單項指標(biāo)評價結(jié)果如下：沁水馬必區(qū)塊柿園西開采井超標(biāo)指標(biāo)及結(jié)果為溶解性總固體1.36，氯化物1.076，氨氮14.35，氟化物7.97；沁水潘莊04水平井組5號井超標(biāo)指標(biāo)及結(jié)果為溶解性總固體1.75，氨氮6，氟化物4.34；沁水楊樹莊村南煤層氣井超標(biāo)指標(biāo)及結(jié)果為溶解性總固體1.64，氯化物1.718，亞硝酸鹽2.5，氨氮3.35，氟化物5.24；沁水縣李莊村煤層氣井HD-009超標(biāo)指標(biāo)及結(jié)果為溶解性總固體2.23，亞硝酸鹽2，氨氮3.5，氟化物5.66；沁水縣王屹羅村煤層氣井HX3-13超標(biāo)指標(biāo)及結(jié)果為亞硝酸鹽1.5，氨氮1.75，氟化物1.34。

4.2.2 綜合評價

單項組分評價分值Fi：將單項指標(biāo)數(shù)值與量級劃分標(biāo)準(zhǔn)比較，劃分其所屬質(zhì)量類別（不同類別標(biāo)準(zhǔn)值相同時，從優(yōu)不從劣），分別確定各項指標(biāo)的單項組分評價分值Fi。地下水各類別評價分值見表1。

表1 地下水各類別評價分值

綜合評價因子F可以描述為：

Fimax——各單項組分評價分值Fi中的最大值；

n——項數(shù)。

完成5個煤層氣井排出水水質(zhì)的F值計算后，根據(jù)水質(zhì)量級別劃分標(biāo)準(zhǔn)進行綜合評價，評價結(jié)果見表2。

5 評價結(jié)果分析

從單項指標(biāo)評價結(jié)果可以看出，煤層氣井排出水中氟化物、溶解性總固體、氯化物、亞硝酸鹽、硫酸鹽等指標(biāo)存在不同程度的超標(biāo)。其中：沁水馬必區(qū)塊柿園西開采井排水氨氮、氟化物超標(biāo)量分別為15倍和8倍；沁水楊樹莊村南煤層氣排水亞硝酸鹽超標(biāo)量為3倍；沁水縣李莊村煤層氣井HD-009排水溶解性總固體超變量為3倍。由綜合評價結(jié)果可以看出，所提取水樣評價結(jié)果均不符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值，且水質(zhì)為極差或較差。煤層氣開采排出水中大量有害元素超標(biāo)，肆意排放會造成土壤積鹽、板結(jié)硬化，引起植物中毒，以及對家畜造成早產(chǎn)、死胎等危害。因此必須對煤層氣井排出水進行妥善處理。

6 處理措施

第一，采排廢水必須運至相應(yīng)集氣站進行深度處理，采排廢水在滿足其所在水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)后方可排出，避免采排廢水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)對地下水質(zhì)產(chǎn)生影響。

第二，應(yīng)修建一定容量的事故水池，當(dāng)污水處理系統(tǒng)發(fā)生故障時，將未處理的廢污水排入事故水池，待處理系統(tǒng)維修好再進行處理后方可排放，避免事故狀況下廢污水直接排放對地下水質(zhì)造成影響。

第三，在建設(shè)和運營期間，應(yīng)選定周邊環(huán)境敏感的井場制定監(jiān)測計劃，定期進行水環(huán)境監(jiān)測，及時了解水質(zhì)變化情況，并將監(jiān)測結(jié)果定期上報當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T。