煤层气地面开采中潜在的生态环境影响分析

李沿英 康静文

（太原理工大学环境科学与工程学院，山西省太原市，030024）

煤层气开采方式主要包括井下抽采和地面开采两种方式。地面开采是通过在地面垂直或定向钻井来开采目标煤层中的煤层气，抽采率可达78%以上，是我国煤层气开发利用的主要开采方式。地面开采煤层气的过程中会对区域生态环境带来一些潜在的影响，其影响的显现具有滞后性，容易被轻视，一旦显现，其后果不但严重而且很难恢复。因此，对潜在的生态环境影响进行预测研究，提出预防措施具有重要意义。

1 地面开采的工程组成及影响生态环境的环节

1.1 地面工程组成及工序

煤层气地面开采工程主要包括钻井工程、排采工程和集输工程 （管网、集气站及中央处理站等）。

钻井工程工序为钻井—固井—完井。目前常用的井型有垂直井、多分支水平井和丛式井等。固井一般利用水泥浆封固气井，最后采用套管、裸眼完井等技术使井筒、煤层和煤层裂隙之间建立起有效的沟通方式，使产出的煤层气顺利进入井筒。

排采工程首先大量抽排煤层水降低储层压力，使煤层气从煤基质的孔隙壁面上解吸出来成为自由气并渗流入井筒，然后利用磕头机从井筒中抽出煤层气。

集输工程是将井筒采出的煤层气经采气管线抽采进入集气站，经净化、分离、增压后进入中央处理站进行脱水和加压处理，最后将处理好的煤层气外输使用。煤层气地面开采的工艺流程如图1所示。

1.2 生态环境影响环节

煤层气单井的产气量一般较低，为提高采气量需布置高密度井网 （井距为200～300m），相应集输工程的建设也会比较密集，从而会对地表造成剧烈扰动。其扰动活动包括开钻、开挖、剥离、运移、堆垫、填方、弃土弃渣和平整等，会潜在影响区域水土平衡和气候变化。

图1 煤层气地面开采工艺流程图

在煤层气排采期，伴随煤层气的采出水以Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型和HCO3-Ka+Na型等为主，大多具有高矿化度的特征，会对区域土壤和植物造成潜在影响。由于抽排煤层水是一个长期持续的过程，会影响区域地下水和地表环境，甚至诱发环境地质问题。

2 煤层气开采潜在的生态环境影响

以山西沁水盆地郑庄区块产能9亿m3／a煤层气开采区为例进行研究。郑庄区块位于沁水盆地东南部，开采范围为427km2，建设期为3年，钻井数为567口，其中直井采用井距为300m 的梅花型井网开发，集气站5座，中央处理站1座，集输管线长度约为270km。

2.1 建设期潜在的生态影响

2.1.1 新增水土流失

郑庄区块建设期对地表的扰动面积约为462.66hm2。扰动将破坏地表土壤和植被、改变区域地形地貌、破坏岩土层的平衡状态并造成局部地质构造的改变，最终使区域下垫面条件发生改变，从而间接破坏区域原有的水土平衡，再加之受到降雨、大风等外营力因素作用，将潜在引起新增水土流失。侵蚀方式主要有水力侵蚀、风蚀和重力侵蚀。新增水土流失计算公式：

式中：ΔW——新增水土流失量，t；

Ws1——扰动后土壤侵蚀量，t；

Ws——原地貌土壤侵蚀量，t；

Si——土壤侵蚀面积，hm2；

Ai——土壤侵蚀模数，t／hm2·a；

Ti——预测时段，a；

i——不同的地貌单元。

根据山西沁水郑庄区块土壤侵蚀现状和当地气候、土壤等自然条件，郑庄块区北部煤层气开采建设期间各单元水土流失量计算结果见表1。新增土壤侵蚀量约为31648.32t，占扰动区土壤侵蚀总量的77.09%。水土流失将影响区域的水资源环境，使土地生产能力和利用价值降低，植被覆盖率与生物量递减。

2.1.2 区域气候干燥

建设期将破坏地表植被，造成大面积的裸露地表，由于直接受到阳光的辐射，与植被覆盖度高的地面相比，近地面温度将增加5.4℃～11.6℃，同时会与周围的冷空气产生对流，区域风速将增大，并且将加快地表水分的蒸发。植被大量破坏，将使空气中水汽运移的速度增加，相对湿度降低，最终导致区域气候变干燥。

表1 各单元水土流失量汇总

2.2 高矿化度煤层采出水潜在的生态影响

具有高矿化度的煤层水若进入到区域土壤环境中将增加其可容性盐的浓度，潜在引起土壤盐渍化。按照我国土壤盐渍化程度划分指标，当土壤中全盐量为1～3g／kg和3～6g／kg时分别为轻度和中度盐化土，全盐量大于6g／kg时为重度盐化土，pH 值大于8.5时为碱化土。

2.2.1 土壤盐渍化

根据郑庄区块晋试5号～13号井3＃煤层水中盐离子含量为：K++Na+平均含量为1797.8mg／L，Mg2+平均含量为5.6mg／L，Ca2+平均含量为26.3mg／L，Cl-平均含量为2126.1mg／L，SO42-平均含量为4.4 mg／L，HCO2-平均含量为1200 mg／L，CO32-平均含量为8.6mg／L。其中，阳离子中K++Na+含量最高；阴离子中Cl-含量高，HCO2-次之；平均矿化度为5169.8 mg／L，其中晋试5号井煤层水的矿化度就高达8002.1mg／L。按照地下水矿化度分类标准，矿化度为3～10g／L的地下水为咸水，因此，郑庄块区多数煤层采出水为咸水。

近年来，中国的现代有轨电车建设逐渐兴起，目前已有约11个城市通车运营，运营里程达 210 km，在建的约有17个城市，建设里程达 350 km。

沁水郑庄区域土壤以褐土性土壤为主，pH 值为7.0 ～8.2，土壤中可溶性盐含量范围为1～4g／kg，平均可溶性盐含量为3.4g／kg。可见，区域部分土壤已发生轻度盐化，若再接受到平均矿化度大于5g／L 的煤层采出水，将导致局部土壤重度盐渍化。

盐渍化土壤中高盐分环境将使土壤的持水能力发生变化。另外，钠盐含量的增加会使粘粒膨胀和分散性增加，致使土壤表层孔隙的孔径变小或被堵塞，造成土壤团聚体的崩解而阻碍水气的运动，降低土壤的水力传导度。因此，土壤盐渍化会恶化土壤的结构性质，使土壤发生渍水和侵蚀，生产能力降低，影响植物的生长发育等。

2.2.2 植物遭受盐胁迫

高盐量的土壤环境会对植物产生盐胁迫作用，进而使植物逐渐遭受渗透胁迫、离子毒害和氧胁迫，导致植物水势降低、植物组织的分化和生长受到抑制、生长速率降低等，影响其生长发育。

有关研究数据表明，利用矿化度大于5g／L的咸水进行灌溉会抑制多数植物的生长。因此，郑庄区块煤层采出水浇灌区域土壤后，原先盐敏感的甜土植物将会受到盐胁迫作用而不断减少，而一些外来物种如耐盐的盐生植物则会不断增加，逐渐成为优势物种，从而潜在的影响区域物种的多样性及均匀度。例如美国波德河盆地土壤受煤层采出水灌溉后，土壤发生了盐渍化，导致本地植物的生长表现出一定的差异并逐渐减少，而一些外来物种则显著增加。

2.3 抽排煤层水潜在的生态影响

2.3.1 地下水位下降

长时间地抽排煤层水将会使区域地下水的补给、排泄和径流条件发生改变，打破原先地下水文系统的平衡，从而可能会引起区域地下水位下降，并且形成以气井为中心的降水漏斗区。地下水位变化幅度计算公式如下：

式中：ΔQ——均衡区域地下水储存量的变化量，m3／d；

∑Q补——地下水各种补给量之和，m3／d；

Q开——地下水排采总量，m3／d；

ΔH——均衡区域地下水位变化幅度，m；

μ＊——承压含水层释水系数；

F——均衡区域面积，m2。

郑庄区块3＃煤层开采初期排水量较高，单井最大产水量约为40m3／d，平均产水量约为6m3／d，产气稳定时期产水量为1～4 m3／d，按单井产气量2.5m3／d计算，运行天数为330 天，450 口直井和117口水平井的平均服务年限分别为15年和8年，则Q开为634.1万m3。由于区域3＃煤系含水层与周围各含水层间基本没有水力联系，为独立的水动力承压系统，通常可近似认为ΔQ=-Q开=-634.1万m3。3＃煤层充水含水层释水系数μ＊=0.0048，均衡区面积为427km2。根据公式 （3）、（4）计算，ΔH 为-3.09m。

2.3.2 土地沙化

区域地下水位下降后会降低土壤水分含量，并且会缩短土壤保持较高水分的时间，影响植物的生存环境条件，植物缺水干枯致死，导致地表植被大量退化，从而又影响到大气与地表界面的水、热循环系统，引起地表温差变大，进一步减少土壤含水量，加重土地沙化。

2.3.3 环境地质问题

区域地下水水位下降后会破坏上覆沉积物与地下水的压力平衡，孔隙水压力减小，松散沉积物被压缩从而引发地面沉降。地面沉降或塌陷等地质问题累积到一定程度时其危害才能显现出来，将会破坏地表形态，影响动植物的栖息环境。

2.4 其他潜在的生态影响

煤层采出水中还可能含有少量的重金属元素，若直接排入到自然环境中，所含重金属很难被降解，其生物有效性、存在形态和毒性等也会不断的发生变化，如金属镉转变为化合物时的毒性将变强，无机汞在微生物作用下可转变为毒性较强的甲基汞，重金属还会通过食物链进行生物富集，最终危害到动植物的生长和人类的健康。

煤层水的抽排会引起地下含水层水头下降，若煤层气开采区承压含水层与上覆潜水层或地表水系存在水力联系，则劣质潜水或地表污水会沿水头势差向降水漏斗区进行补给，导致地下水污染，潜在影响区域土壤和动植物生长。

3 防治措施

（1）煤层气的开采工艺要优化选择，如钻井方法可选用单井产气量相对较高的水平分支井，从而减少钻井数量，减轻对地壳的扰动。

（2）要合理施工并严格控制作业带面积，减少对地表土壤和植被的破坏。施工结束后，应恢复地貌原状，并充分利用空地进行绿化。

（3）具有高矿化度或含有重金属的煤层采出水必须经过处理，达标后再依据各地区情况进行综合利用。

（4）政府部门要完善与煤层气开发相关的监督管理制度，建设单位要强化监管监察，并定期对地下水水位、采出水水质等环境敏感要素进行监测。

4 结论

（1）煤层气开采工程建设期将会对区域地表及地下造成剧烈的扰动，使区域下垫面条件发生改变，潜在引起新增水土流失，并影响区域环境和气候。

（2）具有高矿化度的煤层采出水进入到土壤中将潜在影响区域土壤和植被。使土壤发生盐渍化，使植物遭受盐胁迫，导致盐敏感植物减少而耐盐植物增加，影响区域物种的多样性及均匀度。含重金属的煤层采出水也会危害到动植物的生长和人类的健康。

（3）大量的抽排煤层水会改变区域地下水的补给、排泄和径流平衡，逐渐降低区域地下水水位，影响地下水水质，使土地沙化，并诱发地面沉降或塌陷。

（4）煤层气开采造成的潜在生态影响，其潜伏期很难预测，必须采取有效的防治措施以减轻对生态环境造成的危害。

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