煤層氣礦山地質環境問題類型及形成機理
——以山西藍焰煤層氣礦山成莊區塊為例

段麗軍,尚長生,曹金亮,張建萍

(山西省地質環境監測中心,太原 030024)

煤層氣是指儲存在含煤地層中,以吸附態和游離態賦存于煤基質顆粒表面、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,可以彌補常規油氣資源量不足的現狀,但在開發過程中引起的各類環境問題具有滯后性、隱蔽性,一旦顯現,其后果不但嚴重而且很難恢復[3],最終將成為制約地面開發的關鍵問題[4]。截止目前,國內外針對煤層氣開采引起的環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,從礦山地質環境角度進行的探討相對較少且不夠全面和深入,為此,本文結合成莊區塊煤層氣開發利用現狀,探討分析了煤層氣開采過程中產生的主要礦山地質環境問題類型及其形成機理,為我省煤層氣資源化利用、礦山地質環境監測體系的建立、礦山地質環境問題的修復提供基礎依據。

1 區域概況

山西藍焰煤層氣礦山成莊煤層氣開采區塊內地層傾角一般小于10°,相對平緩;地質構造簡單,以北西向單斜構造為主。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生的構造熱事件,形成“疊加生烴”或“疊加成氣”[5],為成莊區塊提供了豐富的氣源。該區煤層氣產儲能力強,成藏條件優越,氣體質量高,使其成為中國高煤階煤層氣勘探開發成效較好的區塊之一[6]。成莊煤層氣區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,采用雙開結構配以套管完井,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,采用常規密度鉆井泥漿,穩固表層松散巖層;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。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流能力的支撐裂縫,以增加煤儲層的透氣性,有效聯通井筒和儲層[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,從而使處于吸附態和游離態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與支狀管網相結合的形式進行集輸,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 主要礦山地質環境問題類型

成莊區塊煤層氣開采過程中引發的礦山地質環境問題主要包括:礦山地質災害、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 礦山地質災害

長時間、大面積、井叢式集聚抽排煤層水,使區域地下水的補徑排條件發生改變,破壞了地下水系統之間原有的均衡,造成區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,導致松散巖層被壓縮而引發地面沉降,該問題受煤層氣開采工藝影響具有緩變性。此外,井場、管線及道路建設過程中挖填方形成的不穩定邊坡,易誘發崩塌、滑坡地質災害。

3.2 含水層破壞

煤層氣開采對含水層的破壞主要表現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構和補徑排條件。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生逆轉,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、木質素鐵鉻鹽、堿、柴油、重晶石等多種污染物質,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,甚至導致有水力聯系的煤層氣井產生污染疊加效應,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為:建設集氣管線及聯絡線道路、生產管理調度指揮中心、集氣站、井場等設施時,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。成莊區塊已建設煤層氣井場294口,集氣站25座,敷設采氣管線、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。煤層氣開采區塊建設過程中,對地表有挖損和破壞現象;長期占地破壞原生植被,影響區域地形地貌景觀;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調較低。

3.4 地表水土環境污染

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境中的含量,如果排入防滲池的這些水發生滲漏,將與淺層地下水發生化學作用,造成地下水水質類型的改變,進而污染地表水土。

4 結束語

山西煤層氣資源豐富,成藏條件優越,煤層氣資源的開發,雖可以彌補常規油氣資源量不足的現狀,改善煤礦安全生產狀況,促進煤層氣資源的合理利用,但也將不可避免地誘發礦山地質災害,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環境問題。因此,煤層氣礦山的開采需以恢復礦山地質環境為目標,完善煤層氣礦山地質環境調查、評價、監測、治理技術標準體系,促進礦產資源開發與經濟社會和資源環境協調發展。