煤層氣礦山地質(zhì)環(huán)境問題類型及形成機理
——以山西藍焰煤層氣礦山成莊區(qū)塊為例

段麗軍,尚長生,曹金亮,張建萍

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024)

煤層氣是指儲存在含煤地層中,以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于煤基質(zhì)顆粒表面、孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體,主要成分為CH4[1]。山西煤層氣資源豐富,埋深2 000 m以淺的含氣面積約3.59萬km2,資源量約占全國資源總量的近三分之一[2]。煤層氣資源的開發(fā),可以彌補常規(guī)油氣資源量不足的現(xiàn)狀,但在開發(fā)過程中引起的各類環(huán)境問題具有滯后性、隱蔽性,一旦顯現(xiàn),其后果不但嚴重而且很難恢復(fù)[3],最終將成為制約地面開發(fā)的關(guān)鍵問題[4]。截止目前,國內(nèi)外針對煤層氣開采引起的環(huán)境問題主要集中于地下水污染、地表水土污染、植被破壞、大氣污染等方面,從礦山地質(zhì)環(huán)境角度進行的探討相對較少且不夠全面和深入,為此,本文結(jié)合成莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀,探討分析了煤層氣開采過程中產(chǎn)生的主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題類型及其形成機理,為我省煤層氣資源化利用、礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系的建立、礦山地質(zhì)環(huán)境問題的修復(fù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

山西藍焰煤層氣礦山成莊煤層氣開采區(qū)塊內(nèi)地層傾角一般小于10°,相對平緩;地質(zhì)構(gòu)造簡單,以北西向單斜構(gòu)造為主。主要含煤地層為山西組和太原組,可采煤層總厚度14.23 m。沁水盆地晚侏羅系至早白堊系發(fā)生的構(gòu)造熱事件,形成“疊加生烴”或“疊加成氣”[5],為成莊區(qū)塊提供了豐富的氣源。該區(qū)煤層氣產(chǎn)儲能力強,成藏條件優(yōu)越,氣體質(zhì)量高,使其成為中國高煤階煤層氣勘探開發(fā)成效較好的區(qū)塊之一[6]。成莊煤層氣區(qū)塊開采的目標煤層為 3號、15 號煤層,煤層氣探明儲量66.36×108m3,礦山開采規(guī)模1×108m3/a。

2 煤層氣開采工序

成莊煤層氣開采工序可概括為:鉆井—壓裂—排采—集輸。

鉆井工程以立井為主,采用雙開結(jié)構(gòu)配以套管完井,一開利用直徑311.15 mm鉆頭成井,穿透地表松散巖層至基巖下10 m 終孔,下入管徑244.5 mm的套管護孔,采用常規(guī)密度鉆井泥漿,穩(wěn)固表層松散巖層;二開利用直徑215.9 mm鉆頭,穿透至15號目標煤層底板以下40 m完孔,下入139.7 mm的無縫鋼管護孔,管外采用低密度、低固相水基泥漿固井。鉆進時加入防塌處理劑和絮凝劑,目標煤層段要求采用清水鉆進,水泥砂漿返至煤層以上不少于200 m[7]。

壓裂工程采用水力壓裂技術(shù)。由于煤層氣資源儲集于煤層,常伴以低溫、低壓和低孔滲條件[8],通過對目標煤層進行水力加壓以產(chǎn)生壓力裂縫,并注入帶有支撐劑(圓度和球度不低于0.7的石英砂)的活性水,形成具有一定幾何空間和高效導(dǎo)流能力的支撐裂縫,以增加煤儲層的透氣性,有效聯(lián)通井筒和儲層[9-10]。同時,在活性水壓裂時,為提高活性水注入效果和防止壓裂過程造成地層水敏性傷害,需加入適量氟碳離子表面活性劑和1.5%～2%的氯化鉀作為粘土膨脹抑制劑。

排采工程采用排水降壓的原理,通過抽排煤層水和壓裂水降低目標儲層壓力,從而使處于吸附態(tài)和游離態(tài)的煤層氣體不斷解吸、擴散和運移,并采用磕頭機進行地面抽排。

集輸工程采用星式管網(wǎng)與支狀管網(wǎng)相結(jié)合的形式進行集輸,各集氣站通過集氣支線和集氣干線呈枝狀連接。井場設(shè)置簡易氣水分離器,對采出的煤層氣進行初步處理,脫去其中大部分游離水后經(jīng)集氣管線抽采進入集氣站;集氣站對來自各井的煤層氣進行調(diào)壓后輸送到集中處理站進行凈化、加壓、深度脫水處理,最后將處理好的煤層氣用車罐裝或通過增壓外輸管線輸送至用戶。

3 主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題類型

成莊區(qū)塊煤層氣開采過程中引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要包括:礦山地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞、地形地貌景觀與土地資源占用破壞和地表水土污染等幾個方面。

3.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害

長時間、大面積、井叢式集聚抽排煤層水,使區(qū)域地下水的補徑排條件發(fā)生改變,破壞了地下水系統(tǒng)之間原有的均衡,造成區(qū)域地下含水層水位下降,進而引起上覆松散巖層與地下水之間的壓力失衡,導(dǎo)致松散巖層被壓縮而引發(fā)地面沉降,該問題受煤層氣開采工藝影響具有緩變性。此外,井場、管線及道路建設(shè)過程中挖填方形成的不穩(wěn)定邊坡,易誘發(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 含水層破壞

煤層氣開采對含水層的破壞主要表現(xiàn)為煤層氣排采過程對地下水水位以及鉆井、壓裂過程中鉆井液、壓裂液對地下水水質(zhì)的影響等。

1)對含水層水位水量影響。鉆井工程實施過程中,將貫穿各層含水層,影響了含水層原有的整體結(jié)構(gòu)和補徑排條件。水力壓裂破壞了煤體完整性,力學強度下降,頂板附近含水層易被導(dǎo)通、涌水量增大,加以煤系地層裂隙承壓水向上流量減少甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn),進而影響含水層水位、水量,最終造成含水層水位下降。

2)對含水層水質(zhì)的影響。鉆井液包括氯化鉀、絮凝劑、乳化劑、潤滑劑、柴油、防卡液、降濾失劑、氟碳離子表面活性劑等,這些添加劑中含有毒有害的氯化鉀、木質(zhì)素鐵鉻鹽、堿、柴油、重晶石等多種污染物質(zhì),若鉆井過程中操作不當,將造成鉆井液的跑冒滴漏,并隨著水流場運移形成污染羽,甚至導(dǎo)致有水力聯(lián)系的煤層氣井產(chǎn)生污染疊加效應(yīng),擴大污染面積,加重污染程度。

3.3 地形地貌景觀與土地資源占用破壞

煤層氣開采對地形地貌景觀的影響主要表現(xiàn)為:建設(shè)集氣管線及聯(lián)絡(luò)線道路、生產(chǎn)管理調(diào)度指揮中心、集氣站、井場等設(shè)施時,采用切坡、平整場地、堆積人工邊坡等手段時,對原有微地貌和原生植被的破壞。成莊區(qū)塊已建設(shè)煤層氣井場294口,集氣站25座,敷設(shè)采氣管線、集氣支線及集輸干線150.73 km,共計占用破壞土地面積393.71 hm2,其中形成永久占地124.61 hm2,臨時占地269.1 hm2。煤層氣開采區(qū)塊建設(shè)過程中,對地表有挖損和破壞現(xiàn)象;長期占地破壞原生植被,影響區(qū)域地形地貌景觀;鉆井工程致使局部含水層破壞,造成部分耕地、林地輕度退化,地表局部地段景觀協(xié)調(diào)較低。

3.4 地表水土環(huán)境污染

煤層排采水主要以高礦化度、高鹽度為特征,并含有少量重金屬(As、Cd、Hg、Pb、Zn等)、無機物(K+、Na+、HCO、Cl、SO42-、F等),其含量遠高于地表水土原生環(huán)境中的含量,如果排入防滲池的這些水發(fā)生滲漏,將與淺層地下水發(fā)生化學作用,造成地下水水質(zhì)類型的改變,進而污染地表水土。

4 結(jié)束語

山西煤層氣資源豐富,成藏條件優(yōu)越,煤層氣資源的開發(fā),雖可以彌補常規(guī)油氣資源量不足的現(xiàn)狀,改善煤礦安全生產(chǎn)狀況,促進煤層氣資源的合理利用,但也將不可避免地誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害,造成含水層破壞、地形地貌景觀與土地資源占用破壞和地表水土污染等礦山地質(zhì)環(huán)境問題。因此,煤層氣礦山的開采需以恢復(fù)礦山地質(zhì)環(huán)境為目標,完善煤層氣礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、評價、監(jiān)測、治理技術(shù)標準體系,促進礦產(chǎn)資源開發(fā)與經(jīng)濟社會和資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。