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提要 在煤层气开采过程中，采出水的处理是一个非常重要的问题，也是影响开采进程、采气量以及整个项目投资的一个重要因素。山西晋城地区煤层气井采出水最明显的特征是高矿化度、高盐度，而PH、硬度一般不会超过国家标准。因此，对煤层气采出水的水质进行研究，不仅有利于水资源的有效利用，对环境保护也有一定的意义。
关键词：煤层气；采出水；环境保护
基金项目：国家863计划课题（2006AA06Z235）；国家自然科学基金项目（40772096）；教育部新世纪优秀人才支持计划
中图分类号：F4 文献标识码：A
煤层气是自生自储于煤层中的气体，成分以甲烷为主，故又称为煤层甲烷（简称CBM）。我国是一个煤炭资源较丰富的国家，煤层气资源十分丰富。在煤层气井出气之前，会有大量的地下水不断产出，一般要从井中抽水长达3～10d，甚至更久。在煤层气的开采过程中，需采取排水降压以降低煤层中静压，这部分水量较大，如果利用得好就是宝贵的水资源。如果将高矿化度、高盐分的煤层气采出水排入地下、河流或灌溉农田，会对当地人民的生活产生影响，同时也会污染地下淡水层。本文对晋城地区煤层气采出水的水质做了详细的物理化学分析。
一、物理性质
山西晋城地区各煤层气井采出水物理特征相差不大，与煤矿水相比较为清洁，无色无味或微咸为主，个别为咸。水质清澈而无悬浮物，煮沸后无沉淀。晋城地区煤层气采出水物理性质。（表1）
二、化学性质
晋城地区煤层气井采出水中含有多种无机离子，其中阳离子以K＋和Na+为主，两种离子含量占阳离子总量的94～95%以上；阴离子以HCO3-和Cl-为主，两者含量占阴离子总量的90%以上，个别达到99%以上。这种现象产生的原因可能与钻井液的性质有关，如图1、图2所示。除了主要的阴阳离子外，晋城地区煤层气采出水中还含有Ca2+、Mg2+、NH4+、SO42-、CO32-以及微量的Fe2+、Fe3+、NO32-等。采出水以弱碱性为主，PH在6.5～8.5之间。（图1、图2）
1、煤层气采出水中离子分析。研究区煤层气井采出水中可检出12种离子，分别为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、NH4+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-，其中含量在1mg/L以上的元素有8种，与我国地面水环境质量Ⅱ类标准最高限度水平相比，其中某些离子明显低于国家标准限值，如SO42-离子；而某些离子在采水初期明显高于国家限值，而到中后期才逐渐达到国家标准，如Cl-离子。如图3所示。而采出水中铁的含量在某些井的某个时期明显高于0.3mg/L的国家限值，而在另一时期则只含微量的铁元素，如表2所示。因此，煤层气井采出水在排放之前必须经过处理之后才能作为饮用水使用。（图3、表2）
研究区煤层气采出水中某些离子含量变化随采出时间的增加而不断减少。如K+、Na+、Cl-等。如图1、图2、图3所示。这种现象可能与钻井液和压裂液的成分有关。钻井液和压裂液中含有大量K+、Na+、Cl-，钻井或压裂时这些离子被携带进入地层并滞留在地层中，使近井地带这些离子的含量升高，开采初期排水降压时，采出水将这些离子带到地面，并随时间的增加这些离子的含量逐步降低。
2、采出水的酸碱度、矿化度、硬度。研究区煤层气采出水以弱碱性为主，个别稍显酸性，PH在6.5～8.5之间，符合我国地面水环境质量Ⅱ类标准PH值为6～9的排放要求。碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质。采出水的总碱度与碳酸氢根离子有明显的正相关，如图4所示。而碳酸根离子由于含量较少对总碱度不起决定性作用。（图4）
采出水矿化度是指水中无机盐含量的多少。采出水的总矿化度表示为水中正、负离子的总和。从图1、图2中可看出随时间的增加采出水中正、负离子含量分别降低，因此，采出水矿化度随时间的增加而降低。但在开采初期，采出水矿化度很高，甚至达到4，000mg/L以上，即使在中后期，采出水的矿化度也在1，000mg/L以上，如图5所示。因此，必须经过处理之后的水才能达到国家标准。（图5）
采出水硬度是指水中钙、镁等二价溶解盐离子的含量。晋城地区煤层气采出水总硬度较低，均低于国家标准，而且随时间的延长采出水的硬度逐渐降低，如图6所示。（图6）
三、结论
晋城地区煤层气采出水相对来讲较为清洁，采出水的物理性质多符合国家Ⅱ级饮用水标准，个别不符合国家标准，需要经过处理以后才能排放。采出水的化学性质表现为某些元素的含量明显低于国家Ⅱ级饮用水标准，如SO42-，而另一些元素含量则表现为在开采初期明显高于国家Ⅱ级饮用水标准，随采出时间的增加而不断降低，在开采中后期达到国家标准，如Cl-。这种现象很可能与钻井液及压裂液的性质有关。采出水最明显的特征是高矿化度、高盐度，而PH、硬度一般不会超过国家标准。因此，煤层气采出水必须经过处理以后才能排放，以便达到清洁环保的目的。
（作者单位：中国地质大学•北京） |
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