煤层气矿山地质环境问题类型及形成机理——以山西蓝焰煤层气矿山成庄区块为例

段丽军,尚长生,曹金亮,张建萍

(山西省地质环境监测中心,太原 030024)

煤层气是指储存在含煤地层中,以吸附态和游离态赋存于煤基质颗粒表面、孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体,主要成分为CH4[1]。山西煤层气资源丰富,埋深2 000 m以浅的含气面积约3.59万km2,资源量约占全国资源总量的近三分之一[2]。煤层气资源的开发,可以弥补常规油气资源量不足的现状,但在开发过程中引起的各类环境问题具有滞后性、隐蔽性,一旦显现,其后果不但严重而且很难恢复[3],最终将成为制约地面开发的关键问题[4]。截止目前,国内外针对煤层气开采引起的环境问题主要集中于地下水污染、地表水土污染、植被破坏、大气污染等方面,从矿山地质环境角度进行的探讨相对较少且不够全面和深入,为此,本文结合成庄区块煤层气开发利用现状,探讨分析了煤层气开采过程中产生的主要矿山地质环境问题类型及其形成机理,为我省煤层气资源化利用、矿山地质环境监测体系的建立、矿山地质环境问题的修复提供基础依据。

1 区域概况

山西蓝焰煤层气矿山成庄煤层气开采区块内地层倾角一般小于10°,相对平缓;地质构造简单,以北西向单斜构造为主。主要含煤地层为山西组和太原组,可采煤层总厚度14.23 m。沁水盆地晚侏罗系至早白垩系发生的构造热事件,形成“叠加生烃”或“叠加成气”[5],为成庄区块提供了丰富的气源。该区煤层气产储能力强,成藏条件优越,气体质量高,使其成为中国高煤阶煤层气勘探开发成效较好的区块之一[6]。成庄煤层气区块开采的目标煤层为 3号、15 号煤层,煤层气探明储量66.36×108m3,矿山开采规模1×108m3/a。

2 煤层气开采工序

成庄煤层气开采工序可概括为:钻井—压裂—排采—集输。

钻井工程以立井为主,采用双开结构配以套管完井,一开利用直径311.15 mm钻头成井,穿透地表松散岩层至基岩下10 m 终孔,下入管径244.5 mm的套管护孔,采用常规密度钻井泥浆,稳固表层松散岩层;二开利用直径215.9 mm钻头,穿透至15号目标煤层底板以下40 m完孔,下入139.7 mm的无缝钢管护孔,管外采用低密度、低固相水基泥浆固井。钻进时加入防塌处理剂和絮凝剂,目标煤层段要求采用清水钻进,水泥砂浆返至煤层以上不少于200 m[7]。

压裂工程采用水力压裂技术。由于煤层气资源储集于煤层,常伴以低温、低压和低孔渗条件[8],通过对目标煤层进行水力加压以产生压力裂缝,并注入带有支撑剂(圆度和球度不低于0.7的石英砂)的活性水,形成具有一定几何空间和高效导流能力的支撑裂缝,以增加煤储层的透气性,有效联通井筒和储层[9-10]。同时,在活性水压裂时,为提高活性水注入效果和防止压裂过程造成地层水敏性伤害,需加入适量氟碳离子表面活性剂和1.5%～2%的氯化钾作为粘土膨胀抑制剂。

排采工程采用排水降压的原理,通过抽排煤层水和压裂水降低目标储层压力,从而使处于吸附态和游离态的煤层气体不断解吸、扩散和运移,并采用磕头机进行地面抽排。

集输工程采用星式管网与支状管网相结合的形式进行集输,各集气站通过集气支线和集气干线呈枝状连接。井场设置简易气水分离器,对采出的煤层气进行初步处理,脱去其中大部分游离水后经集气管线抽采进入集气站;集气站对来自各井的煤层气进行调压后输送到集中处理站进行净化、加压、深度脱水处理,最后将处理好的煤层气用车罐装或通过增压外输管线输送至用户。

3 主要矿山地质环境问题类型

成庄区块煤层气开采过程中引发的矿山地质环境问题主要包括:矿山地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观与土地资源占用破坏和地表水土污染等几个方面。

3.1 矿山地质灾害

长时间、大面积、井丛式集聚抽排煤层水,使区域地下水的补径排条件发生改变,破坏了地下水系统之间原有的均衡,造成区域地下含水层水位下降,进而引起上覆松散岩层与地下水之间的压力失衡,导致松散岩层被压缩而引发地面沉降,该问题受煤层气开采工艺影响具有缓变性。此外,井场、管线及道路建设过程中挖填方形成的不稳定边坡,易诱发崩塌、滑坡地质灾害。

3.2 含水层破坏

煤层气开采对含水层的破坏主要表现为煤层气排采过程对地下水水位以及钻井、压裂过程中钻井液、压裂液对地下水水质的影响等。

1)对含水层水位水量影响。钻井工程实施过程中,将贯穿各层含水层,影响了含水层原有的整体结构和补径排条件。水力压裂破坏了煤体完整性,力学强度下降,顶板附近含水层易被导通、涌水量增大,加以煤系地层裂隙承压水向上流量减少甚至发生逆转,进而影响含水层水位、水量,最终造成含水层水位下降。

2)对含水层水质的影响。钻井液包括氯化钾、絮凝剂、乳化剂、润滑剂、柴油、防卡液、降滤失剂、氟碳离子表面活性剂等,这些添加剂中含有毒有害的氯化钾、木质素铁铬盐、碱、柴油、重晶石等多种污染物质,若钻井过程中操作不当,将造成钻井液的跑冒滴漏,并随着水流场运移形成污染羽,甚至导致有水力联系的煤层气井产生污染叠加效应,扩大污染面积,加重污染程度。

3.3 地形地貌景观与土地资源占用破坏

煤层气开采对地形地貌景观的影响主要表现为:建设集气管线及联络线道路、生产管理调度指挥中心、集气站、井场等设施时,采用切坡、平整场地、堆积人工边坡等手段时,对原有微地貌和原生植被的破坏。成庄区块已建设煤层气井场294口,集气站25座,敷设采气管线、集气支线及集输干线150.73 km,共计占用破坏土地面积393.71 hm2,其中形成永久占地124.61 hm2,临时占地269.1 hm2。煤层气开采区块建设过程中,对地表有挖损和破坏现象;长期占地破坏原生植被,影响区域地形地貌景观;钻井工程致使局部含水层破坏,造成部分耕地、林地轻度退化,地表局部地段景观协调较低。

3.4 地表水土环境污染

煤层排采水主要以高矿化度、高盐度为特征,并含有少量重金属(As、Cd、Hg、Pb、Zn等)、无机物(K+、Na+、HCO、Cl、SO42-、F等),其含量远高于地表水土原生环境中的含量,如果排入防渗池的这些水发生渗漏,将与浅层地下水发生化学作用,造成地下水水质类型的改变,进而污染地表水土。

4 结束语

山西煤层气资源丰富,成藏条件优越,煤层气资源的开发,虽可以弥补常规油气资源量不足的现状,改善煤矿安全生产状况,促进煤层气资源的合理利用,但也将不可避免地诱发矿山地质灾害,造成含水层破坏、地形地貌景观与土地资源占用破坏和地表水土污染等矿山地质环境问题。因此,煤层气矿山的开采需以恢复矿山地质环境为目标,完善煤层气矿山地质环境调查、评价、监测、治理技术标准体系,促进矿产资源开发与经济社会和资源环境协调发展。