帅官印，张永波，郑秀清，陈军锋，张志祥，赵雪花

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024；2.吕梁学院建筑系，山西 吕梁 033001)

0 引 言

我国煤层气资源储量丰富，截至2015年，全国煤层气资源评价结果表明，我国煤层埋深1 500 m以内的煤层气可采资源量为10.9万亿m3[1-3]。煤层气作为一种热值高、污染少、储量极其丰富的清洁能源，对于弥补常规油气资源不足缺口，减少煤矿瓦斯事故发生，减少空气污染如雾霾等极端天气产生等有着重要的意义。

煤层气的开采依赖于排水采气技术，该项技术将疏排大量地下水，会直接导致储气段煤系地层中的含水层水位下降甚至被疏干。目前的研究主要集中在疏排水量与产气量的关系，较少关注采气对地下水流场的影响。为此，笔者应用Visual Modflow软件，对鄂尔多斯东北部煤层气田保德区块煤系地层所含的碎屑岩类裂隙水含水层进行地下水流数值模拟研究，得出气田开采年限内含水层水位下降与等水位线疏密变化情况，进而采用迭代逼近法分析了煤层气开采对地下水流场的影响。

1 研究区概况

保德区块地处鄂尔多斯盆地东北部，河东煤田北段，南部临近兴北区块，东部紧邻河曲区块，采气区块主体位于黄河以东的保德县西部，设计生产能力为12亿m3/a，开采4+5号煤层与8+9号煤层中的煤层气，服务年限16 a。研究区属于黄河水系，流域多年平均降水量为456.3 mm，多年平均蒸发量为1 711 mm，地貌类型属晋西黄土高原，微地貌属梁、峁状黄土丘陵区。地层从下到上依次为：奥陶系中统上马家沟组(O2s)、峰峰组(O2f)；石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)；二叠系下统山西组(P1s)、下统下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)、上统石千峰组(P2sh)；三叠系下统刘家沟组(T1l)、下统和尚沟组(T1h)；新近系上新统保德组(N2b)；第四系中、上更新统(Q2+3)；全新统(Q4)。研究区总体为一走向北西，倾向南西的单斜构造，地层倾角为2°～10°，区内仅在地表发现落差10 m的正断层1条和轴向近东西的背斜1个。

区内地下水共有4个含水岩组，分别是寒武系～奥陶系碳酸盐岩类岩溶水含水岩组、石炭系碎屑岩类裂隙水含水岩组、二叠系～三叠系碎屑岩类裂隙水含水岩组和松散层孔隙水含水岩组。煤层气开采主要会影响石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水层和二叠系山西组碎屑岩类裂隙水含水层，这2个含水层总厚度为105.77～207.38 m，平均厚度为170.12 m，岩性由砂岩、粉细砂岩、泥岩等组成，地下水均沿地层倾向由东向西流动。

2 模型建立

2.1 概念模型

本次模拟计算的目标含水层是二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层与石炭系太原组砂岩裂隙含水层，由于1 415口煤层气井都采用多煤层合采方式，而4+5号和8+9号煤层分别处于山西组和太原组之中，群井混合排水必然导致山西组和太原组含水层发生水力联系，因此把2个含水层视为一个整体，统称为煤系地层含水层。根据目标含水层中砂岩裂隙水流场分布情况，研究区东部边界是石炭系、二叠系砂岩与奥陶系灰岩的分界线，可概化成二类流量边界[4]，距气田边界最小距离约1.02 km；西部以砂岩裂隙含水层700 m埋深等值线为边界，也可概化成二类流量边界[5- 6]，距气田边界最小距离约10 km；研究区北部和南部边界以垂直于等水位线的流线划定，可概化成流量零通量边界，其中北部边界距气田边界最小距离约5.55 km，南部距气田边界最小距离约7.53 km。

研究区东部是目标含水层地层裸露区，会有降水入渗补给；西部目标含水层上方为二叠系与三叠系地层，岩性为泥岩、粉砂岩等，厚度介于64.60～331.55 m，平均厚约202.86 m，阻断目标含水层与上方含水层的水力联系，可概化为隔水层。目标含水层下方为石炭系本溪组，岩性为铝土岩、粘土岩，粉砂岩及细砂岩等，厚度介于6.04～46.70 m，平均厚约26.08 m，具有良好的隔水性能，阻断了其与下方含水层的水力联系，构成了稳定的隔水底板。

考虑到煤层气开采过程中，气井抽水最先排出煤层水，水流主要为水平运动。随着煤层水的排出，煤层上下部基岩裂隙水也会进入煤层，该过程地下水水平与垂直运动同时存在，且地下水流随时间空间不断变化，因此概化为三维非稳定渗流系统，水文地质参数会随空间变化。综上，将目标含水层概化成非均质各向异性三维非稳定渗流系统。

2.2 数学模型

不考虑水的密度变化，可用偏微分方程表示地下水的流动，即[4]

(x、y、z)∈Ω，t>0

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z) (x、y、z)∈Ω

(1)

2.3 计算域剖分

将1∶10万的鄂东煤层气田保德区块图导入模型作为计算模拟区的剖分底图，对底图进行等间距剖分，并对群井所在区域及二叠系山西组和石炭系太原组出露区域进行网格加密剖分。剖分之后，得到53 200个矩形单元。

2.4 二类流量边界处理

以2016年6月1日实测水位为初始水位进行计算，初始水位等值线见图1。

根据上述边界条件概化结果，模拟区北部、南部边界为隔水边界；上游边界为东部边界，流量为0；下游边界为西部边界，为二类流量边界。采用迭代逼近方法计算通过边界的流量，初始流量采用达西公式计算，即

Q=K×D×M×I

(2)

式中，Q为侧向排泄量；K为渗透系数；D为剖面宽度；M为含水层厚度；I为垂直于剖面的水力坡度。

根据研究区水文地质参数资料，西部边界渗透系数取0.001 4 m/d；边界长约55.4 km，含水层厚度取170.12 m；根据砂岩裂隙水水位等值线图，边界水力坡度约0.83%。计算后得到通过西部边界排泄的流量为110 m3/d。

图1 初始水位等值线(单位：m)

2.5 汇源项处理

模拟区目标含水层的补给来源有：裸露区的大气降水入渗补给、常年流河道在裸露区的渗漏补给；排泄主要通过采气井抽水进行排泄。

(1)大气降水补给量。计算公式为：Q降=0.1∑α·P·A。式中，Q降为多年平均降水入渗补给；P为多年平均降雨量；α为降水入渗系数；A为计算区面积，为目标含水层裸露区面积。根据资料，该区多年平均降水量为439 mm，降水入渗系数根据经验值取0.242，在图上量得裸露面积为69.6 km2，计算之后得到多年平均降水入渗补给量约73.9万m3/a。

(2)河道渗漏补给量。计算公式为：Q渗=Q径·m河。式中，Q渗为河道渗漏补给量；Q径为河道过水量；m河为河道渗漏补给系数。模拟区内，岚漪河与朱家川河为较大的河流，常年有水，在目标含水层裸露区域，可渗漏补给目标含水层。其他河流均为季节性河流，主要在雨季有洪水泄流，平常一般干涸，因而其渗漏补给量忽略不计。河道渗漏补给量计算结果见表1。

表1 河道渗漏补给量

(3)人工开采量。采气井分3a建成，计划2014年排采150口井，2016年600口井，2017年665口井。根据先导开发区块的数据，区块平均单井产水量7.5 m3/d，建成后共1 415口采气井，总产水量10 612.5 m3/d。

(4)水文地质参数分区。对渗透系数K、贮水系数S进行参数分区。据模拟区水文地质调查资料及地层岩性特征差异，将模拟区划分成9个参数区并赋初值。

3 预测分析

3.1 模型识别

选择2016年6月～9月为模型的识别时间，将水文地质调查得到的水文地质参数等作为模型的初始值运行模型，并比较实测水位和计算水位，如果两者相差较大，则进行调参，并迭代计算，重复上述步骤直到两者拟合较好为止。

3.2 预测方案设计

由于气井分3 a建成，根据建设及排采进度，气井排水量按表2进行输入计算，软件中将排水量平摊到气井所处区域中，采用recharge方式进行排泄。本次预测期选择为2016年6月～2032年6月，预测模拟煤层气田排水16 a对地下水流场的影响情况。

表2 煤层气井排水量

图2 开采16a后等水位线(单位：m)

3.3 模拟结果

经过模拟，得到鄂东煤层气田保德区块煤层气井排水采气16 a，煤系含水层水位等值线变化情况，见图2。对比初始水位可以看出，在排水采气过程中，研究区域地下水位呈整体下降趋势，但整体流向没有发生变化，仍是从东向西流，局部区域地下水流向发生改变，主要集中在模拟区东部。以煤层气采区西部边界为分界线，分界线以西区域地下水位降落不大，流场变化不明显；分界线以东区域，随着排水时间的延长，水位下降明显，模拟初期，模拟区东部边界水位在1 000 m左右，排水16 a，水位下降至900 m左右，并且分界线以东区域等水位线不断变疏，水力坡度逐渐变缓。排水16 a，粗略计算水力坡度数值大约从初期的平均1.28%下降至0.46%。

4 结 语

鄂东煤气田保德区块煤层气开采对地下水流场的影响研究表明，排水16 a，煤层气采区及采区以东地下水位下降较大，水力坡度也从最初的平均1.28%下降至0.46%，流场发生改变。为减少采气对地下水环境的影响，需加强采气的同时降低对含水层影响等相关课题的研究，为地下水资源的保护作贡献。