長寧頁巖氣開發區水文地質條件及地下水環境保護

莫裕科，孫東,3，楊海軍,3，曹楠,3

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長寧頁巖氣開發區水文地質條件及地下水環境保護

莫裕科1,2，孫東1,2,3，楊海軍1,2,3，曹楠1,2,3

（1.四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質中心，成都 610081；2.四川省環境保護地下水污染防治工程技術中心，成都 610081；3.四川省華地新能源環保科技有限責任公司，成都 610081）

頁巖氣開發中地下水環境保護尤為重要。通過對長寧地區的水文地質條件調查，識別了區內地下水的含水巖組、地下水類型、巖溶地下水系統和敏感目標。通過重點井場周邊的地下水監測，表明該地區目前地下水環境質量總體良好，并未發現與頁巖氣開發相關的地下水污染，該數據可作為頁巖氣開發區的地下水水質基線數據。結合開發區內的水文地質條件及頁巖氣開發工程特點，建議應從井場選址、施工工藝控制、地面物料管控、全過程監測等方面著手加強地下水環境的保護工作。

地下水；頁巖氣；地下水環境保護；長寧

頁巖氣是一種非常規天然氣資源（劉兆彬，2015），其最早勘探和開發是始于1949年的美國。期間充滿各種困難，到1996年，美國頁巖氣產量僅占全美天然氣年總產量的1.6%。近十年來，隨著水平井技術和水力壓裂的突破，至2011年，其產量達到了1.8×1011m3，占全美天然氣年總產量的34%（楊德敏等，2013），至2015年美國頁巖氣產量超過4 200×108m3，已占美國天然氣總產量的50％左右（董大忠等，2016），因此頁巖氣是將來世界能源的重要組成部分。

我國的頁巖氣開發自2009年起步于四川盆地，2016年我國頁巖氣產量達到78.82億m3，僅次于美國、加拿大，位于世界第三位。其中位于四川盆地的重慶涪陵區塊和四川的長寧、威遠區塊是我國起步最早，已取得商業開發規模最大的地區。

頁巖氣的開發對環境產生的影響主要包括地下水、地表水、土壤、大氣等。其中地下水是前述幾種中最為隱蔽，且難以識別的影響目標，加之其又作為頁巖氣開發區居民飲用水的重要來源之一，因此深入研究頁巖氣開發區的水文地質特征，可以有效保護地下水資源，亦可以為后續的頁巖氣開發提供技術支撐。

圖1 研究區位置圖

1 研究區位置

據2012年國土資源部全國頁巖氣資源評價結果（張大偉等，2012），四川盆地頁巖氣地質資源量和技術可采資源量分別占全國頁巖氣資源總量的30％和26％，由此可見，四川盆地的頁巖氣資源十分豐富（董大忠等，2014）。四川盆地位于四川省和重慶市所屬轄區，北界為米倉山、大巴山，南界為大涼山、大婁山，西界為龍門山、邛崍山，東界為七曜山（也稱齊岳山），面積約19×104km2，該盆地是目前中國頁巖氣開發最成功的地區，其開發集中在重慶的涪陵地區和四川的長寧地區（圖1），本文的研究主要集中在四川盆地南部的長寧開發區。

2 區域地質及水文地質條件

2.1 區域地質概況

位于四川盆地南部的長寧頁巖氣開發區，構造位置上屬于上揚子地臺大婁山斷褶帶。由于受東側雪峰陸內造山帶和西側的川滇南北構造帶的影響，該區域構造展現出多期次的特點，但主要表現為褶皺構造，發育E-W、NWW、NEE走向的褶皺構造。開發區內地表出露地層以二疊系、三疊系、侏羅系為主，開發區周邊區域出露有古生界寒武系、奧陶系和志留系。

開發區分布最廣的二疊系和中下三疊統主要表現為一套海相碳酸鹽巖，上三疊統和侏羅系主要為一套陸相碎屑巖。分布較少的古生界寒武系、奧陶系為一套以碳酸鹽巖為主夾碎屑巖地層，為頁巖氣開發的潛力層位；志留系為一套以泥頁巖為主的碎屑巖夾少量碳酸鹽巖，其下部的龍馬溪組是目前的頁巖氣主力開發目標層。

2.2 區域水文地質概況

由于頁巖氣開發當前主要的目標層為志留系龍馬溪組，考慮其開發過程中的鉆探成本，基本上其開采深度在地下4 000m以內。因此，受制于地層厚度和鉆井深度的控制，其現今的頁巖氣鉆井工程多位于二疊系、三疊系地層出露區，極少數位于中生界侏羅系內。

長寧頁巖氣開發區在水文地質分區上跨盆東平行嶺谷巖溶水裂隙水地質亞區和盆周中低山山地巖溶水裂隙水水文地質亞區。其地下水類型主要為碳酸鹽巖溶洞裂隙水，其在開發區內的分布面積超過50%，含水巖組主要為二疊系棲霞組、茅口組和中下三疊統嘉陵江組、雷口坡組；其次在局部發育有少量的碎屑巖層間裂隙水和構造風化帶裂隙水，主要含水巖組為上三疊統須家河組和侏羅系。

圖2 長寧頁巖氣開發區水文地質簡圖

松散巖類孔隙水：1—透水不含水；碳酸鹽巖類裂隙溶洞水:2—巖溶極發育，富水好，3-巖溶發育中等-富水中等，4—巖溶發育一般-富水略差；碎屑巖夾碳酸鹽裂隙溶洞水：6—富水性中等，7—富水性較差；碎屑巖類孔隙裂隙水：7—層間裂隙水，富水性中等； 8—構造裂隙水，富水性較差，9—構造裂隙水，富水性極差；巖漿裂隙水：10-富水性較差；11—相對隔水層；12—巖溶暗河系統及編號；13—泉點；14—頁巖氣開采井；15—溶洞；16—干枯溶洞；17—備用地下水水源地；18—飲用地下水水源地；19-巖溶豎井；20—暗河出口；21—暗河入口；22—充水落水洞；23—無水落水洞，24—充水溶洞；25—地下水流向；26—斷層；27—向斜；28—背斜

3 水文地質條件

3.1 含水巖組

長寧頁巖氣開發區內地層主要為古生界和中生界地層，包括了位于開發東北部區域的古生界奧陶系、志留系、二疊系，以及位于開發區內的中生界三疊系和侏羅系。開發區內的二疊系主要為一套碳酸鹽巖地層，含巖溶水；三疊系下統飛仙關組為一套砂泥巖為主的地層，含少量構造裂隙水，為相對隔水層，三疊系下統嘉陵江組和中統雷口坡組，為一套海相碳酸鹽巖地層，含巖溶水，三疊系上統須家河組為一套陸相砂巖夾泥頁巖地層，含層間裂隙水；侏羅系下統的自流井組和中統沙溪廟組為一套陸相砂泥巖地層，含層間裂隙水和構造裂隙水。位于開發區東北部的中上志留統為一套泥巖為主地層，幾乎不含水，為隔水層，下志留統龍馬溪組為頁巖為主，頂部有少量的碳酸鹽巖，有少量地下水。

3.2 地下水類型及富水性

根據含水巖組的巖性差別及地下水富集運移的條件，區內主要分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、碎屑巖夾碳酸鹽裂隙溶洞水、碎屑巖類孔隙裂隙水和巖漿裂隙水五大類（圖2）。

1）松散巖類孔隙水：分布在開發區東部大壩一帶，地層透水不含水。

2）碳酸鹽巖類裂隙溶洞水：分布在開發區內的大面積地區，約占整個開發區面積的50%；位于北東一帶的二疊系地層及位于東部大壩一帶的下三疊統嘉陵江組地層巖溶暗河極為發育，富水較好，泉流量一般大于10L/s，暗河流量一般大于500L/s；位于開發區南部沿南廣河分布的中三疊統雷口坡組地層巖溶發育中等，泉流量一般1～10 L/s，暗河流量一般100～500L/s；位于開發區中部的下三疊統嘉陵江組巖溶發育一般，泉流量一般小于1 L/s，暗河流量一般小于100L/s。

3）碎屑巖夾碳酸鹽裂隙溶洞水：位于開發區之外的北東部，主要為下志留統和中上奧陶統地層分布區，富水性中等，泉流量一般1～10 L/s；下奧陶統和中上寒武統分布區富水性較差，泉流量一般小于1 L/s。

4）碎屑巖類孔隙裂隙水：又分為三個亞類，包括層間裂隙水、紅層承壓水和構造裂隙水。其中層間裂隙水主要是上三疊統須家河組分布區域，單井涌水量約100～1 000m3/d；構造裂隙水水量較差的分布在開發區的東南部和東北一帶，為下三疊統飛仙關組分布區，泉流量一般0.1～1 L/s，構造裂隙水水量極差的分布在開發區的中部和西北一帶，為下侏羅系分布區，泉流量一般小于0.1 L/s，

5）巖漿巖裂隙水：分布在開發區南部，主要為上三疊統峨眉山玄武巖分布區，水量小，泉流量一般0.1～1 L/s；

3.3 巖溶水系統及控制因素

開發區內廣泛分布碳酸鹽巖裂隙溶洞水，據本次調查，開發區二疊系和三疊系中下統中共計發育了八大巖溶地下水系統（表1）。位于周家—仙峰一帶的二疊系灰巖中的巖溶規模較大，徑流途徑長，暗河流量大（圖2、表1）；其次位于大壩一帶的嘉陵江組受控于構造、特殊地貌的控制，巖溶地下水系統發育，暗河流量大（圖1）。位于頁巖氣開發區內的嘉陵江組和雷口坡組中的巖溶地下水，巖溶途徑較短，流量稍小，多數為地層巖性和地貌控制（如Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ），少數為構造控制（如Ⅷ）（圖2、表）。

長寧開發區主要巖溶地下水系統特征表

地層巖溶地下水系統巖溶地下水子系統徑流途徑（km）伏流、暗河流量（L/s）主控因素 代號名 稱 二疊系棲霞茅口組Ⅰ仙峰鄉—新生村巖溶地下水系統 18.0600巖性、地貌 Ⅱ周家溝巖溶地下水系統 11.99400 三疊系嘉陵江組Ⅲ底洞巖溶地下水系統①火燒灘巖溶地下水子系統1.680巖性、地貌 ②景陽村巖溶地下水子系統4.950 Ⅳ大壩巖溶地下水系統①大魚洞巖溶地下水子系統4.81200巖性、地貌、構造 ②小魚洞巖溶地下水子系統5.91500 Ⅴ上羅巖溶地下水系統①大龍洞巖溶地下水子系統3.8185巖性、地貌 ②龍洞坎巖溶地下水子系統4.1450 Ⅵ風洞巖溶地下水系統 3.419巖性、地貌 三疊系雷口坡組Ⅶ毓秀河巖溶地下水系統 9.46150巖性、地貌 Ⅷ魷魚洞巖溶地下水系統 4.6110褶皺構造、巖性

3.4 地下水補徑排特征

區內降雨充沛，為巖溶水提供了良好的補給，其次地表水也為地下水提供了重要補給，如毓秀河巖溶地下水系統則受毓秀河上游地表水的大量補給。區內的巖溶水主要受地貌和巖性的控制，多沿著沿層面方向的裂隙和溶洞徑流，個別受構造控制，沿著向斜核部方向徑流，如魷魚洞巖溶地下水系統。區內的巖溶地下水排泄多以大泉、暗河的形式排泄，暗河多排泄至最低基準面的河流中。

4 地下水化學類型及環境質量

4.1 地下水化學類型

在開發區內采集的31個井泉樣品進行了統計，pH值在7.09~8.17之間；礦化度多為300～500mg/L，極個別在100～300 mg/L；地下水化學類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg為主（n=20），占到了總數的64.5%（圖3）。這與區內巖溶水廣泛分布特征相吻合，其Ca、Mg離子與灰巖和白云巖密切相關。除此之外區內還有少量的HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型地下水（圖3），推測其與區內分布的須家河組（T3xj）地層有關，須家河組地層中有煤層分布，其下部是雷口坡組（T2l）巖溶含水層，因此雷口坡組的巖溶水接受了上部須家河組（T3xj）裂隙水補給。盡管如此，其SO42-含量仍遠低于其它地下水，僅20mg/L左右。

圖3 長寧頁巖氣開發區巖溶水化學特征的PiPer三線圖

低礦化度總體表明了該區地下水受降雨補給較好，由于巖溶管道和巖溶裂隙發育，其徑流交替條件良好，徑流途徑較短，地下水循環交替強烈。

4.1 地下水環境質量

在開發區內的11個頁巖氣井場周邊的井、泉、暗河等地點采集地下水水樣45組，開展了pH、總硬度、揮發酚、耗氧量、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、氟化物、氰化物、硫酸鹽、氯化物、Cr6+、鐵、錳、鎘、鉛、砷、汞等18項常規指標監測。結果顯示，達到或優于《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）規定的Ⅲ類為36處，占比80%，其中包括符合《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）中規定的Ⅱ類的6處。超過Ⅲ類的點數為9處，均為Ⅳ類。

超過Ⅲ類的地下水水點的超標指標主要為錳5處，監測結果分別是Ⅲ類限制的1.01～2.27倍；鐵2處，監測結果分別是Ⅲ類限制的2.16和2.21倍，且與錳超標點重合；有1個監測點耗氧量超過Ⅲ類限值，為其1.1倍；1個點pH值超過Ⅲ類限值，值為8.59；2個監測點總硬度超過Ⅲ類限值，分別為Ⅲ類標準的1.015和1.033倍，其中1點的硝酸鹽超過Ⅲ類限值，為Ⅲ類標準的1.02倍。

總體監測結果顯示，區內當前的地下水環境質量較好，個別指標超標可能與特殊的地質背景有關，暫未監測到與頁巖氣開發相關的水質異常。該監測成果可為作為頁巖氣開發區的基線水質數據。

5 頁巖氣開發區地下水環境保護

在長寧頁巖氣開發區內的水文地質調查表明，區內巖溶地下水極為發育，也是本區內主要的地下水類型，其部分作為當地居民的飲用水水源地和備用水源地（圖2）。由于巖溶水分布區雖包氣帶厚度較大（一般水位埋深大于50m），但由于其構造裂隙及巖溶裂隙發育，巖溶管道通暢，防污性能弱，地下水脆弱性高，如保護不當極易造成污染。

開發區內的頁巖氣鉆井大多數位于巖溶地下水分布區，少部分位于碎屑巖裂隙水分布區（圖2、圖4）。頁巖氣開采井鉆探過程中均會鉆穿巖溶水含水層，在巖溶含水層中有大量的溶洞、暗河、落水洞等分布（圖4），鉆井施工中若預防措施不到位，極易造成鉆井液污染地下水；鉆井平臺附近區域的廢水、廢液、壓裂液、返排液、鉆井液等的存儲、運輸、轉移不當，也容易通過包氣帶下滲污染地下水，尤其是位于巖溶區的鉆井平臺其風險更高。

圖4 開發區典型水文地質剖面示意圖

結合長寧頁巖氣開發區水文地質特征和頁巖氣的開采特點，做好地下水環境保護建議從以下幾個方面要引起高度重視：①頁巖氣鉆井的選址前應進行詳細的水文地質調查，必要時開展勘查工作，鉆井應盡量避開巖溶暗河、規模較大的溶洞以及巖溶地下水的強徑流帶；②鉆井平臺區域應高度重視污染物的防漏失工作，避免污染物通過高滲透包氣帶進入地下水；③鉆井施工工藝和方案應密切結合地下地質和水文地質條件，進行有針對性的布置，避免鉆井液污染地下水；④壓裂及后期采氣運營過程中應加強地下水監測，及時識別和發現污染，保障居民飲水安全。

6 結論

1）長寧頁巖氣開發區內巖溶地下水發育，暗河眾多，且巖溶地下水是當地居民的飲用水重要來源。

2）水質監測結果表明，當前區內地下水質量總體良好，僅個別點的極個別指標超過地下水質量Ⅲ類限值，超標較少，目前未識別到與頁巖氣開發相關的地下水污染。

3）開發區內巖溶地下水包氣帶防污性能弱，地下水脆弱性高，容易遭受由于突發事件引起的地下水污染。

4）針對區內巖溶地下水的特點，應從井場選址、施工工藝控制、地面物料管控、強化全過程監測等方面著手加強保護，確保地下水環境狀況良好和保障飲水安全。

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Hydrogeological Condition and Groundwater Environment Protection in the Changning Shale Gas Development Zone

MO Yu-ke1,2SUN Dong1,2,3YANG Hai-jun1,2,3CAO Nan1,2,3

（1-Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, SBGEEMR, Chengdu 610081; 2-Sichuan Center of Environment Protection and Groundwater Pollution Control Engineering Technology, Chengdu 60081; 3-Sichuan Huadi New Energy and Environment Protection Technology Co., Ltd., Chengdu 610081）

Groundwater environmental protection is particularly important in shale gas development. This study identifies water-bearing formation, groundwater type, karst groundwater system and sensitive target in the Changning shale gas development zone by hydrogeological survey. The study indicates that generally, quality of groundwater environment is good without groundwater pollution in the same region. A suggestion on strengthening groundwater environment protection based on selection of well site, construction technology control, surface material control and monitoring work is made.

groundwater; shale gas; groundwater environment protection; Changning

2018-04-08

莫裕科（1963-），男，四川成都人，水工環高級工程師，長期從事水工環地質工作

孫東（1982-），男，四川南江人，水工環高級工程師，長期從事地下水污染防治工作

P641.4；P641.69

A

1006-0995（2018）04-0671-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.030