基于模糊綜合判別的煤層氣井采排水水質評價

李江江 張貝貝 蘇雪峰 劉 巖 劉俊英 高彩霞

(1.中國石油天然氣集團公司煤層氣開采先導試驗基地，河北 062552;2.中石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 062552；3.中國礦業大學地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

1 引言

在煤層氣的開采過程中，通過抽排煤層中的承壓水來降低煤儲層壓力，使煤層中吸附的CH4氣體釋放出來，即排水降壓采氣的過程，排水降壓是目前煤層氣生產的唯一措施。這部分水量較大，而且持續時間較長，Rice和Fisher(2003)對美國多個地區單個煤層氣井平均產水量進行統計分析研究，得出美國煤層氣開采區的單井排水量為3.98～66.62m3/d，總水氣比值為5.75m3/103m3，“十二五”規劃我國煤層氣地面產量將達到160億m3，按照每開采1000m3的煤層氣產水5.75m3計算，煤層氣采排水水量將高達0.92億m3。

我國煤層氣產業發展迅速，2005年煤層氣地面開發氣量僅為3.0×107m3，2010年煤層氣地面開發產量突破了1.5×109m3，而2012年煤層氣地面產量達到2.57×109m3。煤層氣產業的快速發展將不可避免的對生態環境、地表水環境及地下水環境產生一定的不利影響。煤層氣采排水直接排放影響土壤質量，造成土壤板結、土壤中鹽分含量上升，影響植物正常生長，同時采排水進入地下水，在短時間內對地下水影響可能較小，但是長期排放必將污染地下含水層，地下含水層污染將很難治理，因此必須對煤層氣采排水進行處理和綜合利用。

楊海亮(2007)通過鉆孔過程和排采過程，探討了煤層氣地面開發對地下水以及地表水環境產生的負面影響，并提出了針對性的防護對策和措施，張云霞(2011)對煤層氣采排水進行了水質檢測分析，并提出采排水水質情況隨排水時間增加逐漸好轉，張強等(2012)對晉城區煤層氣井產氣階段排出水對土壤及生態環境等影響。前人對采排水排放影響均做了定性的分析研究，而未通過水質評價方法對采排水具體污染進行定量分析。

煤層氣采排水的處理和綜合利用中，水質評價必不可少，水質評價結果將為采排水水處理設備和工藝選擇以及水資源開發利用的整體規劃，提供科學的依據。水質的評價方法很多，如單因子評價法、綜合指數法、人工神經網絡模型、灰色聚類法、模糊綜合評價法等。模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評標方法對水質評價中的一些模糊性問題進行定量化處理，根據模糊數學的隸屬度理論將定性評價轉化為定量評價。和世超(2008)、潘妍妍(2010)等都將此方法成功運用到了礦井水水質評價中。本文針對水質分析數據分級的模糊性和不確定性，引入模糊綜合評判方法，對柳林地區煤層氣井采排水水質進行評價。

2 模糊綜合判別

模糊綜合判別是模糊數學在決策分析中的一種應用。在模糊環境中，運用模糊集合概念權衡各種因素，給對象優劣以綜合評價的方法。決策目標為對各待選方案的優劣做出評判。評判活動由待評估因素(性能指標)和評語兩方面構成，由于一般涉及多種因素，必須進行綜合評判。因素和評語一般都有模糊性，需用模糊集合和模糊關系(矩陣)刻畫待評估因素和評語，并用相應的運算描述評判活動，并做出帶有模糊性的結論。

2.1 評價因子

記評價因子的集合為：U={u1，u2，…，um}，其中，ui(i=1，2，…，m)為參與評價的6個因子；評價等級的集合為：V={v1，v2，…，vn}，其中，vj(j=1，2，…，n)為參與評價因子的n個評價等級。

2.2 隸屬度函數

每個評價因子隸屬于不同評價等級的程度稱為隸屬度，記為rij。第i個評價因子的實測值為xi；第i個評價因子所對應的第j級的評價標準值為sij。隸屬度函數見表1。

計算各評價因子的隸屬度，建立單因素評判矩陣R：

2.3 權重分配

考慮每個參與評價的因子對水質的影響不同，應有不同的側重，故對每個參與評價的因子賦予不同的權重，組成參與評價因子的權數矩陣W：

W=[w1w2… wm]

2.4 評價結果

Y=W·R=[y1y2… ym]

根據最大隸屬度原則，取y=max(yi)，即得相應的綜合評價等級。

表1 隸屬度函數

3 應用實例

3.1 研究區概況

研究區位于柳林縣境內，山西省中西部邊緣，呂梁山西麓，黃河東岸。東與離石、中陽交界，南和石樓為鄰，西與陜西省吳堡、綏德、清澗等縣隔河相望，北和臨縣毗連。

3.2 區域地質概況

柳林區塊內及周邊賦存的地層自下而上有奧陶系中統峰峰組(O2f)；石炭系中統本溪組(C2b)、上統太原組(C3t)；二疊系下統山西組(Pls)、下石盒子組(P1x)；二疊系上統上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh)；三疊系下統劉家溝組(T1l)、和尚溝組(T1h)；新生界上第三系上新統(N2)；第四系中更新統(Q2)、上更新統(Q3)、全新統(Q4)。其中煤層氣開發目標層位為山西組的3號、4號、5號煤層和太原組的8號、9號、10號煤層。

柳林區塊大致位于離石-柳林鼻狀構造南翼，發育有起伏小于50m的次級褶曲。區塊構造簡單，斷裂不發育，僅在北部邊界附近發育有小型的派生斷層。地層在區塊北部向西傾斜，南部逐漸轉為向西南傾斜，總體上為一個向西或西南傾斜的單斜構造，地層產狀比較平緩，傾角3°～10°。

3.3 區域水文地質概況

柳林水文地質分為兩種區域：黃土覆蓋的低山丘陵區和松散物堆積的河平川區。丘陵剖面多為“二元結構”，即由上部的第四紀次生黃土、第三紀紅土礫石層和下部的三疊紀、二疊紀、石炭紀和沉積巖層組成。研究區地下水系統在區域上屬于寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統，盆地東緣單斜式含水層亞系統。柳林巖溶水系統屬柳林泉域，有大小泉點近百個。柳林泉的形成主要是接受碳酸鹽巖裸露區降水入滲補給和河流滲漏補給，并受到地形和含水層產狀控制從東往西滲流的，同時由南、北兩翼向中部三川河河谷匯集，最后在柳林縣城東側受石炭、二疊系區域巖溶隔水頂板阻擋形成柳林泉。

3.4 水質評價標準選擇

研究區煤層氣井采排水的來源主要是煤層水、上部孔隙裂隙含水層以及巖溶含水層，根據測試結果可以得出研究區水處于徑流區，主要成分為NaHCO3和NaCl，由于排出水中氯離子和總溶解固體均超出《生活飲用水衛生標準》(GB 3838-2002)及《地表水環境質量標準》(GB 5749-2006)中所允許的最高含量，因此不適合用這兩個標準來評價水質，雖然煤層氣采排水最終主要排放到附近河流進行灌溉，但作為地下水的一部分，按照《地下水質量標準》(GB/T 14848-93)作為評價標準較為合適。通過《地下水質量標準》對采排水進行污染分類，找出主要影響因子，從而針對性對采排水進行處理，使其水質達到排放標準才能進入河流。

表2煤層氣井產出水水質測量結果表單位mg/L

表3 模糊綜合評價標準 單位mg/L

以1#為例，根據上述方法，得出其單因素評判矩陣為：

各因素的權重值為：

W1=[0.002 0.158 0.007 0.231 0.968]

模糊評價矩陣為：

Y1=[0.07 0.086 0.254 0.813]

根據最大隸屬度原則，評價取值為1.18，1#井地下水水質為Ⅴ級。

研究區11口煤層氣井地下水水質評價結果見表4。

表4 煤層氣井地下水水質評價結果表