王靜+李向東+馮啟言+孫悅

摘要：煤層氣產(chǎn)出水處理及資源化已經(jīng)成為煤層氣開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。研究了沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣產(chǎn)出水對(duì)土壤鈉吸附率（SAR值）和pH值的影響。結(jié)果表明，產(chǎn)出水排水口土壤飽和溶液SAR值和pH值明顯高于周?chē)r(nóng)田，土壤不同程度地出現(xiàn)鈉質(zhì)化現(xiàn)象。但總體上看，受影響的土壤范圍較小，主要集中于排水口周邊區(qū)域。單口產(chǎn)水井的影響范圍橫向?yàn)榕潘谥苓? m左右區(qū)域，縱向?yàn)?0 cm土層。

關(guān)鍵詞：煤層氣產(chǎn)出水；土壤；SAR值；pH值

中圖分類(lèi)號(hào)： S156.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0295-03

收稿日期：2013-10-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2011ZX05060-005）。

作者簡(jiǎn)介：王靜（1988—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗幚砼c土壤修復(fù)。E-mail：1959469791@qq.com。

通信作者：李向東，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：xdli@163.com。煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主的烴類(lèi)氣體，屬非常規(guī)天然氣，儲(chǔ)量約占世界天然氣的30%以上[1]。我國(guó)淺埋于地下2 000 m煤層氣儲(chǔ)量在30萬(wàn)億m3 以上，采用50%的折算系數(shù)，其可采資源量相當(dāng)于153.9億t原油[2-4]。作為一種清潔高效的新型能源，煤層氣的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到重視。

為了實(shí)現(xiàn)煤層氣的開(kāi)采，需要采用排水降壓的方式抽排出大量的煤層氣產(chǎn)出水[5-6]。煤層氣產(chǎn)出水經(jīng)歷滲流、氣-水作用等多種過(guò)程，水質(zhì)水量變化大，成分復(fù)雜。結(jié)合不同煤層氣開(kāi)采區(qū)的生產(chǎn)階段和區(qū)域水質(zhì)特點(diǎn)，我國(guó)煤層氣產(chǎn)出水可分為以下3種：水質(zhì)較好的產(chǎn)出水；含少量重金屬或其他有害物質(zhì)的產(chǎn)出水以及含氟的產(chǎn)出水；高鹽、高礦化度的產(chǎn)出水[7]。煤層氣產(chǎn)出水中往往含有高濃度的Na+和低濃度的Ca2+、Mg2+，從而導(dǎo)致高的鈉吸附率（SAR值）。如沁水盆地南部棗園區(qū)塊的開(kāi)發(fā)井生產(chǎn)階段產(chǎn)出水礦化度達(dá)到 58 000 mg/L，Na+濃度達(dá)3 700 mg/L，Ca2+、Mg2+低于 20 mg/L。

目前，我國(guó)煤層勘探開(kāi)發(fā)主要位于山西沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣，煤層氣產(chǎn)出水排出后多以地表自然蒸發(fā)的方式處置[8]。隨著煤層氣開(kāi)發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，煤層氣產(chǎn)出水處理及資源化已經(jīng)成為煤層氣開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本研究通過(guò)分析煤層氣產(chǎn)出水對(duì)沁水盆地土壤鹽堿化的影響，為我國(guó)煤層氣產(chǎn)出水的資源化利用以及環(huán)境修復(fù)提供借鑒。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

柿莊南區(qū)塊隸屬于陜西省晉城市沁水縣，地勢(shì)東高西低，海拔1 000 m左右，是我國(guó)最早的煤層氣開(kāi)發(fā)地之一，也是我國(guó)目前煤層氣開(kāi)發(fā)投入規(guī)模最大、研究程度最高的地區(qū)之一[9]。煤層氣探明儲(chǔ)量控制區(qū)域面積約為5 km2，煤層氣主開(kāi)采層為二疊紀(jì)山西組3#煤層，該煤層屬于無(wú)煙煤早期階段，厚度大，埋深淺且熱力穩(wěn)定，煤層氣資源豐富[10]。

1.2樣品采集與制備

共設(shè)11個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。煤層氣產(chǎn)出水水樣用2.5 L聚乙烯桶直接取于產(chǎn)出水排水口，密封保存，1周內(nèi)送檢。

平面土樣在產(chǎn)出水排水口及周邊采集，縱向土樣沿 1.5 m 深刨面采集，每個(gè)樣品取樣1 kg，新鮮土樣置于PVC密封袋中，低溫保存，用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

1.3分析方法

樣品離子含量應(yīng)用IC離子質(zhì)譜儀檢測(cè)。土壤SAR通過(guò)式（1）計(jì)算，pH值采用電位法測(cè)定。

通過(guò)Piper 三線圖、Excel和Sufer軟件分析數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)典型影響因子做空間分布等值線，分析污染物的分布趨勢(shì)；通過(guò)對(duì)典型產(chǎn)井周邊土壤SAR值和pH值變化情況分析產(chǎn)井對(duì)周?chē)r(nóng)田的影響。

2結(jié)果與分析

2.1產(chǎn)出水水質(zhì)特點(diǎn)

根據(jù)水樣離子成分，對(duì)水中主要離子的摩爾濃度百分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，將各水樣陰陽(yáng)離子摩爾濃度百分含量投影到菱形圖上，繪制Piper 三線圖（圖2）。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)TS-624井水型為Na+-HCO3-，ZH007-1為Na+-Cl--HCO3-型，HD-94為Na+-Cl--HCO3-型，HD-023為Na+-HCO3-Cl- 型，TS-633為Na+-Cl-。總體看來(lái)，研究區(qū)內(nèi)煤層氣產(chǎn)出水中含有多種無(wú)機(jī)離子，陽(yáng)離子以Na+為主，陰離子以Cl-和HCO3-為主。除以上離子外，產(chǎn)出水中還含有Ca2+、Mg2+、CO32-、SO42-等離子及少量NH4+、F-、NO3-、PO43-離子。

產(chǎn)出水陰離子中HCO3-含量過(guò)高而SO2-4濃度不高，造成這種現(xiàn)象的原因主要有2個(gè)：

陽(yáng)離子以Na+為主而Ca2+、Mg2+含量低的原因：在較封閉的還原性環(huán)境下發(fā)生沉淀反應(yīng)。HCO-3的大量存在，使Ca2+、Mg2+沉淀，從產(chǎn)出水中除去。Ca2+和Mg2+溶解度與HCO-3含量有關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)HCO-3濃度高于600 mg/L時(shí)，Ca2+和Mg2+濃度基本穩(wěn)定在12 mg/L 左右[11]，這和本研究離子含量檢測(cè)結(jié)果一致。

2.2產(chǎn)出水對(duì)土壤SAR值的影響

2.3產(chǎn)出水對(duì)土壤pH值的影響

研究區(qū)土壤pH值分布趨勢(shì)如圖6所示，煤層氣生產(chǎn)井排水口周邊的pH值在8.8以上，周?chē)r(nóng)田土壤pH值低于855，表明產(chǎn)出水對(duì)土壤pH值有一定影響，但影響范圍不大。

以井ZH007-1為例，研究單口產(chǎn)水井的影響（圖7）。研究表明煤層氣產(chǎn)出水排水口0～5 cm層土壤pH值為9.8，5～15 cm層為9.9，與周?chē)r(nóng)田中土壤pH值差異較大。土壤pH值受影響范圍為排水口周?chē)? m的土壤?？v向上土壤pH值波動(dòng)不大，0～30 cm土壤層pH值受產(chǎn)出水影響較大。

煤層氣產(chǎn)出水排入土壤后，NaCl、CaCl2、Na2SO4、MgSO4等中性或近中性鹽類(lèi)會(huì)在表層及土體中積累，使土壤呈中性或堿性。Na2CO3和NaHCO3會(huì)使土壤溶液呈高堿度。堿化的土壤在雨季脫鹽時(shí)，鈉離子可以交換土壤膠體中的鈣、鎂離子，引起黏土顆粒散凝，使土壤物理性質(zhì)下降；在旱季積鹽時(shí)，硅酸鈉會(huì)轉(zhuǎn)化為游離碳酸鈉，而增高土壤的堿性，因此適當(dāng)?shù)呐潘贷}可以減緩煤層氣產(chǎn)出水對(duì)土壤鹽堿度的影響。endprint

3結(jié)論

研究了沁水盆地柿莊南煤層產(chǎn)區(qū)產(chǎn)出水對(duì)土壤鹽堿性的影響。通過(guò)SAR值和pH值區(qū)域分布等勢(shì)圖可以看出排水口周邊土壤SAR值和pH值有明顯的增加趨勢(shì)，排水口附近SAR值超過(guò) 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。個(gè)別區(qū)域土壤鈉質(zhì)化嚴(yán)重，SAR值達(dá)15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。單口產(chǎn)水井影響分析表明，產(chǎn)出水橫向影響范圍在排水口周?chē)? m左右的地區(qū)，縱向影響深度為30 cm。總體看來(lái)，受產(chǎn)出水影響區(qū)域不大，集中于排水口周邊地區(qū)；但如果產(chǎn)水井在農(nóng)田中，應(yīng)配合適當(dāng)?shù)耐寥佬迯?fù)措施，以防止土壤鈉質(zhì)化嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yang Z，Wu T，Li X H. Experimental studies and estimates of the explosion limit of some environment ally friendly refrigerants[J]. Combustion Science and Technology，2005，35（3）：613-626.

[2]唐曉東，孟英峰. 變壓吸附技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用探討[J]. 中國(guó)煤層氣，1996（1）：46-49.

[3]黃盛初，劉文革，趙國(guó)泉. 中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)煤炭，2009，35（1）：5-10.

[4]孫茂遠(yuǎn). 煤層氣資源開(kāi)發(fā)利用的若干問(wèn)題[J]. 中國(guó)煤炭，2005，31（3）：5-8，27.

[5]Chaudhari K S.Saturated hydraulic conductivity，dispersion，swelling and exchangeable sodium percentage of different textured soils as influenced by water quality[J]. Community of Soil Science and Plant Analysis，2001，32（15/16）：2439-2455.

[6]宋巖，張新民. 煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng)濟(jì)開(kāi)采理論基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[7]李向東，馮啟言，宋均軻，等. 電絮凝處理煤層氣產(chǎn)出水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（3）：744-748.

[8]梁雄兵，程勝高，宋立軍.煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中的水污染分析及防治對(duì)策[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（1）：50-51.

[9]豐慶泰. 沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣藏地質(zhì)特征[J]. 山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（3）：72-74，78.

[10]傅雪海，秦勇，韋重韜. 煤層氣地質(zhì)學(xué)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：110.

[11]江紹靜，余華貴，劉春燕. 高礦化度體系碳酸鈣結(jié)垢動(dòng)力學(xué)研究[J]. 應(yīng)用化工，2011，40（9）：1623-1628.

[12]Oosterbaan J R. Paper discussing alkaline-sodic and acid-sulfate soils[R]. 2003.endprint

3結(jié)論

研究了沁水盆地柿莊南煤層產(chǎn)區(qū)產(chǎn)出水對(duì)土壤鹽堿性的影響。通過(guò)SAR值和pH值區(qū)域分布等勢(shì)圖可以看出排水口周邊土壤SAR值和pH值有明顯的增加趨勢(shì)，排水口附近SAR值超過(guò) 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。個(gè)別區(qū)域土壤鈉質(zhì)化嚴(yán)重，SAR值達(dá)15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。單口產(chǎn)水井影響分析表明，產(chǎn)出水橫向影響范圍在排水口周?chē)? m左右的地區(qū)，縱向影響深度為30 cm?？傮w看來(lái)，受產(chǎn)出水影響區(qū)域不大，集中于排水口周邊地區(qū)；但如果產(chǎn)水井在農(nóng)田中，應(yīng)配合適當(dāng)?shù)耐寥佬迯?fù)措施，以防止土壤鈉質(zhì)化嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yang Z，Wu T，Li X H. Experimental studies and estimates of the explosion limit of some environment ally friendly refrigerants[J]. Combustion Science and Technology，2005，35（3）：613-626.

[2]唐曉東，孟英峰. 變壓吸附技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用探討[J]. 中國(guó)煤層氣，1996（1）：46-49.

[3]黃盛初，劉文革，趙國(guó)泉. 中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)煤炭，2009，35（1）：5-10.

[4]孫茂遠(yuǎn). 煤層氣資源開(kāi)發(fā)利用的若干問(wèn)題[J]. 中國(guó)煤炭，2005，31（3）：5-8，27.

[5]Chaudhari K S.Saturated hydraulic conductivity，dispersion，swelling and exchangeable sodium percentage of different textured soils as influenced by water quality[J]. Community of Soil Science and Plant Analysis，2001，32（15/16）：2439-2455.

[6]宋巖，張新民. 煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng)濟(jì)開(kāi)采理論基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[7]李向東，馮啟言，宋均軻，等. 電絮凝處理煤層氣產(chǎn)出水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（3）：744-748.

[8]梁雄兵，程勝高，宋立軍.煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中的水污染分析及防治對(duì)策[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（1）：50-51.

[9]豐慶泰. 沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣藏地質(zhì)特征[J]. 山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（3）：72-74，78.

[10]傅雪海，秦勇，韋重韜. 煤層氣地質(zhì)學(xué)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：110.

[11]江紹靜，余華貴，劉春燕. 高礦化度體系碳酸鈣結(jié)垢動(dòng)力學(xué)研究[J]. 應(yīng)用化工，2011，40（9）：1623-1628.

[12]Oosterbaan J R. Paper discussing alkaline-sodic and acid-sulfate soils[R]. 2003.endprint

3結(jié)論

研究了沁水盆地柿莊南煤層產(chǎn)區(qū)產(chǎn)出水對(duì)土壤鹽堿性的影響。通過(guò)SAR值和pH值區(qū)域分布等勢(shì)圖可以看出排水口周邊土壤SAR值和pH值有明顯的增加趨勢(shì)，排水口附近SAR值超過(guò) 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。個(gè)別區(qū)域土壤鈉質(zhì)化嚴(yán)重，SAR值達(dá)15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。單口產(chǎn)水井影響分析表明，產(chǎn)出水橫向影響范圍在排水口周?chē)? m左右的地區(qū)，縱向影響深度為30 cm?？傮w看來(lái)，受產(chǎn)出水影響區(qū)域不大，集中于排水口周邊地區(qū)；但如果產(chǎn)水井在農(nóng)田中，應(yīng)配合適當(dāng)?shù)耐寥佬迯?fù)措施，以防止土壤鈉質(zhì)化嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yang Z，Wu T，Li X H. Experimental studies and estimates of the explosion limit of some environment ally friendly refrigerants[J]. Combustion Science and Technology，2005，35（3）：613-626.

[2]唐曉東，孟英峰. 變壓吸附技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用探討[J]. 中國(guó)煤層氣，1996（1）：46-49.

[3]黃盛初，劉文革，趙國(guó)泉. 中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)煤炭，2009，35（1）：5-10.

[4]孫茂遠(yuǎn). 煤層氣資源開(kāi)發(fā)利用的若干問(wèn)題[J]. 中國(guó)煤炭，2005，31（3）：5-8，27.

[5]Chaudhari K S.Saturated hydraulic conductivity，dispersion，swelling and exchangeable sodium percentage of different textured soils as influenced by water quality[J]. Community of Soil Science and Plant Analysis，2001，32（15/16）：2439-2455.

[6]宋巖，張新民. 煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng)濟(jì)開(kāi)采理論基礎(chǔ)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[7]李向東，馮啟言，宋均軻，等. 電絮凝處理煤層氣產(chǎn)出水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（3）：744-748.

[8]梁雄兵，程勝高，宋立軍.煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中的水污染分析及防治對(duì)策[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（1）：50-51.

[9]豐慶泰. 沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣藏地質(zhì)特征[J]. 山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（3）：72-74，78.

[10]傅雪海，秦勇，韋重韜. 煤層氣地質(zhì)學(xué)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：110.

[11]江紹靜，余華貴，劉春燕. 高礦化度體系碳酸鈣結(jié)垢動(dòng)力學(xué)研究[J]. 應(yīng)用化工，2011，40（9）：1623-1628.

[12]Oosterbaan J R. Paper discussing alkaline-sodic and acid-sulfate soils[R]. 2003.endprint