基于GMS的頁巖氣鉆井地下水環(huán)境影響預(yù)測研究

孟勤憲，趙齊宣，鄒凱

（遂寧市環(huán)境保護局，四川 遂寧 629000）

基于GMS的頁巖氣鉆井地下水環(huán)境影響預(yù)測研究

孟勤憲，趙齊宣，鄒凱

（遂寧市環(huán)境保護局，四川 遂寧 629000）

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，常規(guī)能源不斷枯竭，頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，因其分布廣泛、資源量巨大而受到廣泛重視。頁巖氣在開采中由于鉆井過程產(chǎn)生井漏、洗井和壓裂過程中壓裂廢水以及井場污染物下滲等，將對地下水環(huán)境造成污染。文章應(yīng)用GMS軟件模擬了某頁巖氣鉆采過程污染物在地下水環(huán)境中的溶質(zhì)運移情況，據(jù)此提出防控措施，以期為我國頁巖氣鉆采過程中的地下水環(huán)境保護提供技術(shù)支持和借鑒。

頁巖氣；地下水環(huán)境；數(shù)值模擬；溶質(zhì)運移

頁巖氣具有清潔、儲量大、具備商業(yè)開采能力的特點，其開發(fā)利用能有效降低對石油和常規(guī)天然氣的依賴性及發(fā)揮銜接化石能源和新能源的作用[1]。中國陸域頁巖氣資源潛力為134.42×1012m3，可采資源潛力為25.08×1012m3（不含青藏地區(qū)）[2]，其儲量和產(chǎn)量主要來自四川盆地、渝東鄂西地區(qū)、湘黔地區(qū)、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等，廣泛分布于13個省份地區(qū)等[3]，具備頁巖氣產(chǎn)量快速增長的資源基礎(chǔ)，然而在頁巖氣大量開采的同時，帶來的環(huán)境問題也日益突出。頁巖氣的開發(fā)涉及鉆井、水力壓裂、壓裂液及廢水存貯或運輸?shù)榷喾N地表和地下活動。如果不能妥善管理，都會對地下水造成污染[4]。

本文對GMS基礎(chǔ)理論和軟件情況作簡單介紹，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用GMS軟件，模擬某頁巖氣鉆采過程的地下水流場和溶質(zhì)運移情況，為我國頁巖氣鉆采過程中的地下水環(huán)境保護提供依據(jù)。

1 GMS軟件及數(shù)學(xué)模型介紹

GMS是美國Brigham Young University的環(huán)境研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站聯(lián)合開發(fā)的通用標準地下水數(shù)值模擬軟件，可進行水流模擬、溶質(zhì)運移模擬、反應(yīng)運移模擬；建立三維地層實體，進行鉆孔數(shù)據(jù)管理、二維（三維）地質(zhì)統(tǒng)計；可視化和打印二維（三維）模擬結(jié)果。

MODFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局于20世紀80年代開發(fā)出的專門用于孔隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分數(shù)值模擬軟件[5]。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型和地下水運動的基本規(guī)律，在不考慮水密度變化條件下，一般情況下，地下水在非均質(zhì)、各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型可表示為[6]：

該次數(shù)值模擬是利用GMS中的MODFLOW、MT3DMS模塊對某頁巖氣鉆采過程中地下水污染物運移情況進行模擬預(yù)測。

2 GMS軟件的應(yīng)用

2.1 工程概況

該項目位于四川省某村，為一頁巖氣鉆井工程，井口方圓500m區(qū)域?qū)僦猩綅{谷地貌，周邊生態(tài)環(huán)境屬農(nóng)村環(huán)境。井場位于山與山之間的平壩臺地上，旁邊有條山間小溪溝，溪溝由東向西流動，距離井場邊界約7m。擬建井場四周為耕地和荒地。井口周圍500m范圍內(nèi)有散居農(nóng)戶分布使用地下水源作為生活用水。

項目的防滲措施完整，因防滲層對污廢水的阻隔效果，項目場地在正常運行工況下，對地下水環(huán)境影響小，預(yù)測重點為事故條件下地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘察試驗，可知項目場地及周邊的地層主要為三疊系下統(tǒng)雷口坡組（T2l）灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）灰?guī)r。地下水類型主要為碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙溶洞水，由于巖溶發(fā)育較好，總體富水性中等，為項目區(qū)的主要含水層。

項目場地主要接受大氣降水補給，其次為地表水補給，主要通過洼地、漏斗、巖溶及裂隙等滲入地下補給。徑流大部分呈平行軸向運動，部分呈垂直或稍斜交巖層走向運移。地下水動力條件以裂隙網(wǎng)絡(luò)狀運動，以巖溶泉、裂隙泉為主要排泄方式。

2.3 評價區(qū)水文地質(zhì)概念模型

該項目無重質(zhì)非水相污染物，污染物泄漏后會污染潛水含水層，因此該地下水模型主要模擬評價區(qū)域內(nèi)的潛水含水層。同時根據(jù)項目地下水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部結(jié)構(gòu)、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等進行分析研究，可概化為：非均質(zhì)各向同性的三維地下水流場。由于受觀測資料的限制及研究區(qū)地下水多年動態(tài)變化較穩(wěn)定（多年水位變化1～3m），模擬將研究區(qū)地下水含水系統(tǒng)概化為穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

研究區(qū)含水層系統(tǒng)側(cè)向邊界概化為：西部邊界和南部邊界為分水嶺，設(shè)定為零流量邊界；東部邊界和北部邊界設(shè)為流量邊界。模型的上邊界為第四系沉積層或地表出露基巖層，通過該邊界，潛水與系統(tǒng)外界發(fā)生垂向水量交換，主要為降水入滲補給、蒸發(fā)排泄以及人工開采等。潛水含水層下部相對隔水層作為系統(tǒng)下邊界為零流量邊界。

模擬區(qū)網(wǎng)格剖分有效單元格為35,800個，長約9.5m，寬約9.6m，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖1、圖2、圖3。

圖1 模型平面網(wǎng)格剖分

圖2 模擬區(qū)網(wǎng)格東西剖面A-A’

圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格南北剖面B-B’

根據(jù)項目現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗數(shù)據(jù)及區(qū)域水文地質(zhì)資料，對該模擬區(qū)滲透系數(shù)情況進行劃分（見圖4，表1）。

圖4 工作區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)圖

表1 潛水含水層滲透系數(shù)分區(qū)表

2.4 評價區(qū)地下水環(huán)境模擬與預(yù)測

GMS提供了顯示擬合程度的快捷工具，圖5中的每一個點對應(yīng)于一個水位觀測孔，觀測孔在圖上的縱、橫坐標分別是計算水位和觀測水位。當計算水位與實測水位相等時，點在對角線上；當計算水位大于實測水位時，點在線的上方，否則在線的下方。該次設(shè)定的計算值和觀測值誤差的極差為1.0m，圖中的點偏離對角線的距離越小，水位擬合程度越好。

圖5 觀測孔水位擬合情況統(tǒng)計

圖6是工作區(qū)鉆孔擬合情況圖，虛線表示水位擬合程度誤差小于1.0m。地下水位分布基本與地形變化一致，水力坡度從山區(qū)至谷地逐漸減少，流場基本合理。在平面上，模擬區(qū)潛水含水層觀測水位和計算水位擬合效果較好。經(jīng)計算，各監(jiān)測井模擬水位值和實測水位值標準誤差在0.918%，在允許誤差范圍內(nèi)。

圖6 評價區(qū)地下水滲流場

2.5 地下水溶質(zhì)運移預(yù)測模型

施工期事故工況下對地下水環(huán)境的影響較大，故主要進行事故工況下對地下水環(huán)境影響的預(yù)測與評價。

2.5.1 預(yù)測情景與源強

（1）壓裂返排池底破裂

該工程新建了一個壓裂返排池，假定其池底產(chǎn)生裂縫，返排液通過裂縫逐漸滲漏到地下水含水層中，對地下水水質(zhì)造成污染，排放形式可概化為點源，排放規(guī)律可簡化為連續(xù)恒定排放。模擬根據(jù)壓裂返排池對地下水的影響途徑來設(shè)定主要污染源的分布位置，選定優(yōu)先控制的污染物，預(yù)測事故工況下污染物在地下水中遷移過程。

該工程壓裂返排池的有效容積為1500m3，假定由于腐蝕、地基不均勻沉降或者其他外力作用，檢修時發(fā)現(xiàn)池底出現(xiàn)大面積的滲漏情況，面積約為池底面積的1%（8m2）。水池有水，池水進入地下屬于有壓滲透，假定包氣帶充滿水，按達西公式計算源強，公式如下：

式中：Q為滲入到地下水的污水量（m3/d）；K為地面垂向滲透系數(shù)（m/d），取0.03m/d；H為池內(nèi)水深（m），取2.5m；D為地下水埋深（m），取1.5m；A為壓裂返排池的泄漏面積（m2），取8m2。

根據(jù)該工作區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，滲漏至含水層的廢水量為0.64m3/d。壓裂返排池的檢修周期為1年，檢修時池底裂縫將被發(fā)現(xiàn)并修補，因此，污水持續(xù)泄漏時間為1年，則進入地下水中的污水量為0.64m3/d×365d=233.6m3。

（2）壓裂過程井管破裂

假定施工期壓裂過程中井管破裂，由于頁巖氣壓裂施工工藝復(fù)雜，施工規(guī)模較大，而施工場地較小，為保證施工安全，設(shè)計暫只考慮單套壓裂車組施工。工程頁巖氣氣井單井實行15次水平方向（平行地表）加砂壓裂，每次壓裂液注入量800m3，則單井注入總量約12,000m3/井。壓裂作業(yè)均在白天進行，每次壓裂液泵入時間為2～3小時。事故下，壓裂過程中導(dǎo)致井管破裂，排放形式可概化為點源，排放規(guī)律可簡化為非連續(xù)恒定排放。泄漏量為單段壓裂液用量的一半，泄漏時間假定為1小時，因此瞬時泄漏量為400m3。

工程中，污水泄漏后進入地下，首先在包氣帶中垂直向下遷移并進入到含水層中。污染物進入地下水后，以對流作用和彌散作用為主。另外，污染物在含水層中的遷移行為還包括吸附解析、揮發(fā)和生物降解。根據(jù)該項目污染物的理化特征，地下水污染模擬過程中未考慮污染物在含水層中的揮發(fā)、吸附解析和生物化學(xué)反應(yīng)。這種相對保守的預(yù)測情景可為項目防控體系提供更為可靠的依據(jù)，符合工程設(shè)計的思想。根據(jù)對鉆井廢水、壓裂液檢測結(jié)果，主要的超標污染物是COD、氯化物和石油類，各種污染因子泄漏時間和泄漏量見表2。

表2 施工期事故工況下污染物預(yù)測源強一覽表

2.5.2 地下水環(huán)境影響預(yù)測分析

綜合考慮地下水流向、周圍敏感的分布，有針對性地開展模擬計算。模擬結(jié)果以紅色范圍表示地下水污染物超標的濃度范圍，標準限值參照《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-93）Ⅲ類標準；COD標準限值參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）；藍色范圍表示存在污染但污染不超標的濃度范圍，限值為各檢測指標的檢出限，檢出下限參照《地下水環(huán)境檢測技術(shù)規(guī)范》（HGT164-2004）。當預(yù)測結(jié)果小于檢出限時則視同對地下水環(huán)境幾乎沒有影響。具體情況見表3。

表3 采用污染物檢出下限及其水質(zhì)標準限值

（1）壓裂返排池底破裂

假設(shè)壓裂返排池底破裂，1年檢修時發(fā)現(xiàn)泄漏，污染物泄漏了1年的時間，預(yù)測因子為COD、氯化物和石油類。

1） 在事故工況下，COD運移模擬情況如圖7。

從圖7的模擬結(jié)果可看出，壓裂返排池底破裂對潛水含水層造成了影響，并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積會逐漸縮小至零。在15,220天左右時，COD污染物超標現(xiàn)象會消失。不同時間段COD污染物影響范圍見表4。

圖7 COD運移模擬結(jié)果

表4 不同時間段COD污染物影響范圍

2）在事故工況下，氯化物運移模擬情況如圖8。

圖8 氯化物運移模擬結(jié)果

從圖8的模擬結(jié)果可看出，壓裂返排池底破裂對潛水含水層造成影響并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積會逐漸縮小至零。在1440天左右氯化物污染物超標現(xiàn)象會消失，13,220天左右污染物對潛水含水層的影響將消失。不同時間段氯化物污染物影響范圍見表5。

表5 不同時間段氯化物污染物影響范圍圖

從圖9石油類運移模擬結(jié)果可看出，壓裂返排池底破裂對潛水含水層會造成影響，并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。在10,440天左右石油類污染物超標現(xiàn)象會消失，15,160天左右污染物對潛水含水層的影響將消失。不同時間段石油類污染物影響范圍見表6。

圖9 石油類運移模擬情況

表6 不同時間段石油類污染物影響范圍

（2）壓裂過程井管破裂

假設(shè)在壓裂過程中井管破裂，當天發(fā)現(xiàn)后及時進行處理，特征污染物選取泄漏量大的COD、氯化物、石油類進行模擬，泄漏量分別為4.8×107g/d、1.65×108g/d、7.68×105g/d，持續(xù)泄漏1小時。

1）在事故工況下，COD運移模擬情況如圖10。

圖10 COD運移模擬情況

從圖10的COD運移模擬結(jié)果可看出，壓裂過程井管破裂對潛水含水層造成影響，并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。在7800天左右COD污染物超標現(xiàn)象會消失，12,260天左右污染物對潛水含水層的影響將消失。不同時間段COD污染物影響范圍見表7。

表7 不同時間段COD污染物影響范圍

2）在事故工況下，氯化物運移模擬情況如圖11。

從圖11氯化物運移模擬結(jié)果可看出，壓裂過程井管破裂對潛水含水層造成影響，并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。在2740天左右氯化物污染物超標現(xiàn)象會消失，16,320天左右污染物對潛水含水層的影響將消失。不同時間段氯化物污染物影響范圍見表8。

圖11 氯化物運移模擬情況

表8 不同時間段氯化物污染物影響范圍

3）在事故工況下，石油類運移模擬情況如圖12。

圖12 石油類運移模擬情況

從圖12石油類運移模擬結(jié)果可看出，壓裂過程井管破裂對潛水含水層造成影響，并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。在13,520天左右石油類污染物超標現(xiàn)象會消失，17,380天左右污染物對潛水含水層的影響將消失。不同時間段污染物影響范圍見表9。

表9 不同時間段石油類污染物影響范圍

2.5.3 地下水環(huán)境影響預(yù)測分析小結(jié)

事故工況下，壓裂返排池底破裂和壓裂過程井管破裂，產(chǎn)生的特征污染物會對潛水含水層造成影響，并存在超標現(xiàn)象，但隨著污染物的擴散，超標面積逐漸縮小至零。項目建設(shè)過程中不可避免地會產(chǎn)生一定量的廢水和固體廢物，因此應(yīng)加強環(huán)境管理，嚴格落實地下水環(huán)境污染防控措施。

3 結(jié)語

根據(jù)該工程建設(shè)對地下水的環(huán)境影響特點，建議地下水污染防治措施按照“源頭控制、分區(qū)防治、污染監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)”相結(jié)合的原則，從污染物的產(chǎn)生、入滲、擴散、應(yīng)急響應(yīng)進行控制。

1）參照《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》（GB/T50934－2013），根據(jù)項目區(qū)各生產(chǎn)、生活功能單元可能產(chǎn)生污染的地區(qū)，做好分區(qū)防滲工作。2）設(shè)置場地下游地下水環(huán)境監(jiān)測井設(shè)置，作好例行監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理工作，提交跟蹤監(jiān)測報告，并對建設(shè)項目特征因子的監(jiān)測值進行公開發(fā)布。3）作好風(fēng)險事故應(yīng)急響應(yīng)機制。

[1] 柯研，王亞運，周曉眠，等.頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境影響及建議[J].天然氣與石油，2012（3）：87-89.

[2] 肖鋼，白玉湖.基于環(huán)境保護角度的頁巖氣開發(fā)黃金準則[J].天然氣工業(yè)，2012，32（9）：98-101.

[3] 王道富，高世葵，董大忠，等.中國頁巖氣資源勘探開發(fā)挑戰(zhàn)初論[J].天然氣工業(yè)，2013，33（1）：8-17.

[4] 李亮國.頁巖氣開采致水污染的途徑及污染物特點[J].油氣田環(huán)境保護，2015，25（3）：1-3.

[5] 周念清，朱蓉，朱學(xué)愚.MODFLOW在宿遷市地下水資源評價中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000，27（6）：9-13.

[6] HJ610-2016 ，中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準：環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

Prediction Research on Groundwater Environmental Impact of Shale Gas Drilled Well Based on GMS

MENG Qin-xian, ZHAO Qi-xuan, ZOU Kai
(Suining Environmental Protection Bureau, Sichuan Suining 629000, China)

With the rapid development of economy and society, the conventional energy has been exhausted, the shale gas, as a kind of unconventional natural gas resources, has been widely recognized because of its wide distribution and huge resources. Based on the drilled well leakage, fracturing wastewater washing and fracturing process and well fields pollutant infiltration, the shale gas mining process will cause an impact on the groundwater environment. The paper applies GMS software to simulate the solute transport situation of pollutants of a certain shale gas drilling & exploiting process in the groundwater environment, puts forward prevention and control measures, in order to provide the technical support and reference for groundwater environmental protection in China's shale gas drilling and exploiting process.

shale gas; groundwater environment; numerical simulation; solute transport

X824 文獻標志碼：A 文章編號：1006-5377（2017）09-0066-07