煤层气开采对环境的影响.pdf

煤层气是煤层中自生自储的一种非常规天然 气，它的主要成分是甲烷，是一种蕴藏量非常大的新 兴潜在能源， 煤层气储量约占世界天然气总储量的 30以上。 在煤层气的勘探、开发和利用过程中，必 然会对环境产生一定的影响， 有人们所熟知的降低 温室效应，同时也有一些负面的影响[18]。 1降低温室效应 1.1有效减排温室气体（CH4） GWP（global warming potential）的分析显示，以 单位分子数而言,甲烷的温室效应要比二氧化碳大 上25倍。这是因为大气中已经具有相当多的二氧化 碳，以至于许多波段的辐射早已被吸收殆尽了；因此 大部分新增的二氧化碳只能在原有吸收波段的边缘 发挥其吸收效应。相反地，一些数量较少的温室气体 包括甲烷在内， 所吸收的是那些尚未被有效拦截 的波段，所以每多一个分子都会提供新的吸收能力。 举例来说， 如果将目前大气中的二氧化碳浓度 250ppm增加360ppm，那么大气的温室增温率也称 为辐射驱动力将提高3.3Wm-2；然而如果将大气中 目前的甲烷浓度1.6ppm只增加3ppm,那么大气的 温室增温率将提高1.3Wm-2。 甲烷通常与臭氧、水、 氢氧化物、甲醛、卤烃、氯氟烃、氯气及二氧化硫等多 种大气成分，发生如下化学反应 CH4OH-→CH3-H2O↑； CH4Cl2-→CH3Cl↑HCl。 反应中CH4通过与OH-反应而被清除， 与Cl2 反应生成HCl和CH3Cl，HCl不像Cl2那样对O3有 吸收能力， 但反应生成的H2O↑、CH3Cl↑却是重要 的温室气体。另外卤烃、氯氟烃及二氧化硫等都直接 或间接地受到CH4和OH-浓度的影响， 增强了甲烷 温室效应的影响。 煤层气作为仅次于CO2居第二位的产生温室效 应的气体，受到人们的关注，对其勘探开发及有效的 利用以减少甲烷排空量，对降低温室效应意义重大。 目前世界上主要的产煤大国， 都尝试进行煤层气的 勘探和开发，部分国家已实现商业化。 特别是2005 年京都议定书的签订以来，清洁发展机制CDM Clean Development Mechanism的运作，刺激了煤层 气的开采，并最大限度的利用煤层气，减缓其对气候 的影响。 1.2洁净燃料 煤层气作为一种廉价、洁净、高效的新型能源， 其开发利用可以弥补常规天然气和燃油的不足，可 以替代部分的燃煤。经专家测评750m3煤层气，即可 顶替1t标准煤。 如果煤含硫量为0.6，将煤层气燃 烧与煤燃烧的排放污染物进行比较见表1。 由表1可见， 燃烧煤层气排放的CO是燃煤排 放的1/500，NOX为燃煤的1/5，SO2为燃煤的1/50， 烟尘排放为燃煤的1/100，燃烧煤层气排放的各种气 体污染物的量都远远低于燃煤的排放量。由此可见， 采用煤层气来代替一部分煤做燃料， 排入大气的污 染物将大大减小， 开发和利用煤层气对大气环境的 影响利大于弊。 2煤层气开发的负面效应 2.1煤层中杂质气体的聚集与分布 煤层中的气体， 绝大部分是以吸附态吸附在煤 的表面、孔隙和裂隙系统中。在煤层气开采的降压解 煤层气开采对环境的影响 严 群 1，王庆伟1，李金海2 1.中国煤炭地质总局资源信息中心，河北 涿州072752；2.河南理工大学资源与环境工程学院，河南 焦作454003 摘 要煤层气是一种廉价、洁净、高效的新型能源，其开发利用可以弥补常规天然气和燃油的不足，750m3煤层气可 顶替1t标准煤。 煤层气开发对环境的影响主要是减少了煤矿甲烷气体的排放，降低温室效应。 其负面影响是在钻 探、压裂、回注水和提纯过程中会造成煤层和煤层气中杂质气体和有毒有害物质富集，对大气和地下水造成污染。 关键词煤层气开采；温室效应；地下水；环境影响 中图分类号P618.11文献标识码A 作者简介严群1968，女，双学士，高级工程师。 表1燃烧煤与燃烧煤层气排污物比较 Table 1 Comparison of pollution discharge of coal burning verses CBM burning 燃料排气量/m3CO/gNOX/gSO2/g烟尘/g 1t标准煤2.721041.910312.9613.4120.96 750m3煤层气2.011044.732.550.470.22 文章编号１674－1803（２００8）12－００57－０3 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol．20 No．12 Dec．２００8 第 20 卷 12 期 ２００8 年 12 月 第20卷中 国 煤 炭 地 质 吸过程中， 甲烷和N2先解吸出来， 而其他气体如 CO2、H2S等相对富集在煤层中， 也有利用这一性质 向煤层中注入CO2以提高煤层气的采收率的，致使 煤层中的CO2含量增加，形成煤储层的高CO2区和 高H2S区。在后期的煤层开采过程中，这些杂质气体 从工作面和围岩中涌出，从矿井的通风系统排出，污 染大气。 2.2对水文系统的破坏 在煤层气的开采过程中， 为了使煤层中所吸附 储集的甲烷气体释放出来，需要降低煤层的静压，为 此需采取排水降压措施， 将大量煤矿中的地下水排 出地表[8]。 过分排采地下水形成地下水漏斗区，造成 地面的沉降，对地表环境造成破坏，影响地表植物的 生长发育，破坏生态系统。并会形成区域地下水位以 及地表、湖水位的下降，打破地下水系统平衡条件。 在城郊地区，由于存在排污河流，污水便会沿水头势 差，向漏斗区补给，形成水体的大面积污染。 这些地 区又对环境污染的敏感度较强， 周围水体对污染的 自动调节能力较弱， 将会影响当地工农业生产和人 民生活（图1）。 煤层气井采出水具有高的矿化度和盐度， 并且 含有大量煤粉， 氯离子浓度也因矿区的不同而有所 不同，将这些水排入地下，会造成土壤盐碱度升高， 农作物减产， 它与浅层地下水混合后发生复杂的化 学作用，形成新的杂质沉淀，使浅层地下水水质类型 发生变化，浪费地下水资源。 2.3回注水与地层的水岩作用 水岩作用是指地表水、 地下水与岩体不断进行 力学、物理化学作用，并对岩体介质状态产生影响； 另一方面， 岩体结构也决定着水的存在形式及运动 状态等[9,10]。 地层中常含有绿泥石、伊利石、石英、长 石、方解石和白云石等矿物，主要化学成分有SiO2、 Al2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等。 首先，这些矿物中有 的在水解作用下能分解为易溶于水的物质和胶体， 如长石钾长石、钠长石等；有的则容易与水中的 SO42-离子发生结晶作用，如Ca2、Mg2离子等；还有的 与水作用后引起体积膨胀， 使岩土介质具有较大的 可压缩性，如伊利石等，相应的化学反应方程式分别 为 4KAISi3O8钾长石6H2O-→Al4Si4O10OH8高岭 石8SiO24KOH胶体， 4NaA1Si3O8钠长石6H2O-→Al4Si4O100H8高 岭石8SiO2胶体4KOH4NaOH， K0.9Al2.9Si3.1O10OH2伊利石N2O-→K0.9Al2.9Si3.1O10 OHnH2O。 其次， 地下水中还含有大量游离和侵蚀性的 CO2，碳酸盐遇CO2的水化学溶液，就会生成重碳酸 盐，其溶解度远大于碳酸盐，因此，岩石矿物变得更 加容易侵蚀 CaCO3H2OCO2-→CaHCO32， 而且，地下水中的CO2与水结合形成碳酸，其碳酸 根离子CO32-极易与矿物中的K、Na、Ca2、Mg2等阳 离子作用生成硅胶和可溶性盐类， 从而使矿物的离 解能力增强 4KAISi3O8钾长石4H2O CO2-→Al4Si4O100H8 高岭石8SiO2胶体2K2CO3。 回注的采出水与地层岩石发生上述水解、溶解、 溶蚀和碳酸化等化学反应， 使原有矿物分解并生成 一些新的次生矿物， 而这些新的次生矿物常常具有 高度的分散性，这种作用使得岩体强度逐渐降低，抗 破坏的能力减弱。受水化学作用影响，易溶矿物则容 易随水流失，而难溶的矿物则残留在原地，结果必然 导致岩体中的孔隙、裂隙增大，而裂隙的聚集、扩展 又为水化学作用和渗透提供了更有利的条件。 回注 水在地层渗流的过程中，也会沿断层面运移，在水的 润滑作用下，原来潜在的断层重新活动，造成地面的 塌陷或山体的滑坡（图2）。 2.4煤层气中气体杂质的富集与分布 煤层气在应用前， 通常需要一个完整的设施对 气体进行提纯，除去氧气、二氧化碳、水和氮气。脱除 二氧化碳一般用溶剂如胺或膜，选择性的吸收氮 气， 也是成熟可行的。 硫化氢的浓度必须控制在 4μ10-6以下，可使用溶剂吸收法进行脱除，以满足管 图1煤层气开发对水文系统的影响 Figure 1 Impact of CBM exploitation on hydrological system 图2回注水与地层的水岩作用 Figure 2 Water-rock interaction of reinjection water and strata 58 12期 输天然气的要求。 通过吸附剂去除煤层气中的杂质 气体后，吸附剂残渣的丢置和废液的排放，使有毒有 害气体在个别区域富集，暴露在空气中蒸发，污染环 境。 没有除净的杂质气体，随煤层气一起燃烧，生成 NO、SO2、CO等有害气体，造成大气污染，破坏臭氧 层，形成酸雨、酸雾。 2.5废弃液体中有毒有害物质的迁移与聚集 在钻进和压裂过程中，要使用钻井液和压裂液， 钻井液中要加KCl、乳化剂、柴油、极压润滑剂、防卡 液、降滤失剂等试剂[11]；压裂液中要加入KCl、防膨 剂、交联剂、稠化剂、助排剂、杀菌剂等试剂[12]。 这些 添加剂中有毒有害的KCl、碱、木质素铁铬盐、重晶 石、 柴油等以及微量的Hg、Cd、Pb、Zn、As等多种污 染物质，与地下水作用，并随之迁移形成污染羽，有 水力联系的煤层气井污染羽相互叠加， 形成大面积 的污染， 兼有不断扩大的趋势。 而在后期排采过程 中，残存在地层或煤层中的钻井液和压裂液，随煤层 产出水一起排出，回注于地层中，对地下水造成污染 （图3）。 3结论 煤层气产业是新兴的能源产业， 具有广阔的发 展潜力。煤层气的开发利用除了降低温室效应外，也 引发很多的环境问题，必须妥善解决，否则环保问题 就可能成为煤层气产业发展的瓶颈。 政府在出台相 应的优惠政策，积极鼓励煤层气的勘探开发的同时， 还要及时制定环保方面的法律、法规，规范煤层气开 发领域的企业行为。只有企业和政府进行良性互动、 积极合作、共同解决问题，才能真正的实现煤层气产 业的可持续发展。 参考文献 [1] Yang Z, Wu T, Li X H. 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Its negative impact is enrichment of impurity gas and poisonous, harmful substances in coal seam and CBM during drilling, fracturing, reinjection of water and purification processes will pollute atmosphere and groundwater. Keywords CBM exploitation; greenhouse effect; groundwater; environment impact 59