1 天然气管道地质灾害问题浅析——以西气东输管道为例 摘要：天然气管道运输仍是输送天然气最主要的方式。中国天然气仍以进口管道气为主，天然气管道建设面临的问题不止。本文以西气东输为例，分析了建设天然气输气管道时可能遇到的降雨、地表水、冰川及积雪消融、人类活动等地质环境灾害问题，并提出了相关的建议。 关键词：天然气管道运输地质灾害

1 天然气的地质学分布 1.1 天然气的性质 天然气，是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，大多数天然气的主要成分是烃类，此外还含有少量非烃类。天然气的主要成分为烷烃，其中甲烷占绝大多数，还有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及少量的己烷以上烃类；天然气中的非烃类气体，一般有硫化氢、二氧化碳、氮和水气及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气的组成并非固定不变，不仅不同地区油、气藏中采出的天然气组成差别很大，甚至同一油、气藏的不同生产井采出的天然气组成也会有区别。 天然气具有以下性质： （1）天然气是一种易燃易爆气体，和空气混合后，温度只要达到550℃就燃烧。在空气中，天然气的浓度只要达到5-15%就会爆炸。 （2）天然气无色，比空气轻，不溶于水。一立方米气田天然气的重量只有同体积空气的55%左右，一立方米油田伴生气的重量，只有同体积空气的75%左右。 （3）天然气的主要成分是甲烷，本身无毒，但如果含较多硫化氢，则对人有毒害作用。如果天然气燃烧不完全，也会产生一氧化碳等有毒气体。 （4）天然气的热值较高，一立方米天然气燃烧后发出的热量是同体积的人工煤气（如焦炉煤气）的两倍多，即35.6-41.9兆焦/立方米（约合8500-10000千卡/立方米）。 （5）天然气可液化，液化后其体积将缩小为气态的六百分之一。每立方米天然气完全燃烧需要大约十立方米空气助燃。 （6）一般油田伴生气略带汽油味，含有硫化氢的天然气略带臭鸡蛋味。 总之，天然气是一种洁净环保的优质能源，具有绿色环保、安全可靠、热值高的特点。

1.2 天然气的分类 天然气可分为常规天然气和非常规天然气。常规天然气一般是以浮力作为迁移动力，以构造和地层形式单个分布，在目前技术经济条件下可以进行工业开采的天然气，主要指伴生气（也称油田气、油藏气）和气藏气（也称气田气、气层气）。非常规天然气一般不是以浮力作为迁移动力而是以扩散方式运移、聚集的，这种气藏具有区域性广泛分布且一般不依赖于构造和地层圈闭；一般包括煤层气（Coalbedmethane）、页岩气（Shalegas）、致密砂岩气（Tightsandgas）、天然气水合物（Gashydrates）及浅层生物气等。 （1）煤层气，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，一般吸附气站80-92%，是煤的伴生矿产资源，俗称“瓦斯”；其热值是通用煤的2-5倍，主要成分为甲烷，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与常规天然气相当。 （2）页岩气，是从页岩层中开采出来的天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50%）存在于裂缝、 2

孔隙及其它储集空间，以吸附状态（大约50%）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中，也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此，有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。 较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。

图1天然气储存状态（数据来源：EIA） 1.3 管道天然气 现有的天然气储运形式包括管道天然气、压缩天然气和液化天然气。 （1）管道天然气（PNG），指通过天然气管道运输气态天然气资源。 （2）压缩天然气（CNG），把天然气加压（超过3,500磅/平方英寸）并以气态储存在容器中，与管道天然气组分相同，广泛作为车辆燃料使用；LNG也可用来制作CNG。CNG一般通过运输车、运输船运输。 （3）液化天然气（LNG），天然气经过预处理，脱除重烃、硫化物、二氧化碳和水等杂质后，常压下深冷至-162℃，可使其由气态转变为液态，即液化天然气（LNG）；其具有无色、无味、无毒且无腐蚀性等特点，并且体积约为同量气态天然气的1/600，重量仅为同体积水45%左右。LNG一般通过铁路、槽运和船运运输。 虽然天然气贸易中一部分采用LNG（液化天然气）方式，但是，目前天然气管道仍是输送天然气最主要的方式。近年来，由于全球对低碳经济的强烈呼吁，以及页岩气不断开发将带来巨大的天然气资源等因素，进一步刺激了未来天然气管道建设的持续快速增长。 美国天然气干线管道总长度约55×104km，其中，洲际管道约占70%，州内管道约占30%。美国管道网络化、供应多元化，基础设施完善。欧洲天然气管道干线里程为23.47×104km，连通北非、中亚和俄罗斯。俄罗斯天然气管道干、支线长约16.83×104km，连接气田、地下储气库和城市终端用户。土库曼斯坦、乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦是中亚地区的主要天然气生产国和输出国。其中，乌兹别克斯坦天然气管道较发达，约为13,000km，其次是哈萨克斯坦和土库曼斯坦，管道总里程分别为11,000km 和8,000km。 3

天然气作为清洁能源，在这些国家都得到了长足的应用。但是在中国，天然气仍旧不是主要的能源消费方式，但这种情况正在得到改善。2015年6月，中俄天然气管道正式开工，自2018年起，俄罗斯将每年通过天然气管线向中国供应天然气380亿立方米，并有可能将提升至600亿立方米。随着西气东输的开展，天然气将逐渐取代一部分能源消费。 中国目前天然气消费很大一部分是依靠进口天然气，剩余开采天然气也多是通过管道运输送至居民和企业的。我国现出口天然气均为管道气，进口天然气包括管道气和LNG。天然气进出口总量与管道天然气总量如图表1所示，总体来看，2010年以来，我国天然气成净进口状态，并且管道气进口数量呈现明显的增加态势。除此以外，如图表2所示，2010年以来我国管道气进口比例占总比例持稳定状态，并有一定上升。管道气仍旧在我国居民、商业、工业领域有大作为。

图表 1 我天然气和管道气进出口数量（单位：万吨/月） 图表2 我国管道天然气占总天然气指标量

图2西气东输路线图（数据来源：韶关日报） 西气东输工程是国家实施西部大开发战略的标志性工程，工程的建设对于加快西部地区经济发展、促进东部地区能源结构调整、拉动国民经济增长具有重要作用。西气东输管道西

-100 200 300 400 500 600 700 2010-032010-092011-032011-092012-032012-092013-032013-092014-032014-092015-032015-092016-032016-09PNG进口数量PNG出口数量天然气总进口量

-40%

-20%0%20%40%60%80%100%120%2010-032010-102011-052011-122012-072013-022013-092014-042014-112015-062016-012016-08PNG进口占比PNG出口占比净进口占比 4

起新疆维吾尔自治区轮台县轮南，东至上海市青浦区白鹤镇，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海等9省（自治区、直辖市），线路全长3,829公里，干线输气管径1,016毫米，设计年输气量120亿立方米。西气东输工程线路较长，途经多种地貌类型，多次穿跨公路、铁路和长江、黄河、淮河等大型河流。 西气东输管道沿途经过河流冲积平原、沙丘覆盖平原、风蚀剥蚀高原、寒冻冰水侵蚀山地、黄土丘陵、流水侵蚀剥蚀山地、侵蚀剥蚀平原、洪积冲积平原、湖积冲积平原等地貌类型，施工条件复杂。

2 地质环境对天然气管道的威胁 环境地质灾害主要是指岩石圈和大气对其他领域的影响，是指对自然地质作用和人类工程经济活动对生态环境的破坏，并导致了人类的生存环境遭到破坏和物质财富损失。地球渐变或突变的性质是导致环境地质灾害的重要因素。 环境地质灾害主要类型包括地球的力量引发的地震环境地质灾害，并通过内部和外部动力包括引力相互作用引起的崩塌，滑坡，泥石流，地面塌陷，黄土湿陷等。人类活动也可能造成环境地质灾害，如冻结和解冻的蠕变，冲淤等。此外还包括气象灾害，如洪水，干旱，盐碱化，荒漠化，水土流失造成的风暴等。 环境地质灾害带来的管道暴露、管道悬空、管道腐蚀等威胁，降低了管道使用寿命，损失了天然气数量。由于环境地质灾害往往处于恶性循环中，我们必须提前识别相应的风险，并加以控制。

2.1 降雨 降雨是洪水、崩塌、滑坡、泥石流等环境地质灾害的决定性因素，它也是诱发黄土洞形成的主要因素，加速了地表塌陷的形成。降雨对环境地质灾害的影响主要表现为降雨侵蚀和渗透，改变了岩石和土壤的应力状态，降低了边坡的稳定性。暴雨强度大，但持续时间短，大量雨水往往太晚进入，然后沿坡流下。在边坡地区，一些地表岩体充满裂隙，或部分覆盖有结构松散的边坡，在降雨强烈的侵蚀能力下，极易导致滑坡、崩塌和泥石流灾害。 滑坡、崩塌在我国有着非常广泛的分布。我国滑坡的形成和分布与岩性关系最为密切。在岩性条件类同的情况下，构造条件是滑坡的控制因素。在岩性和构造条件一致时，山坡的地形地貌和坡体的水文地质特点对滑坡的产生有重要影响。 西气东输管道跨越东西，管道工程沿途的气候条件复杂，跨越了暖温带、中温带和亚热带三个温度带。从干湿状况上看，管道沿途穿越了季风区和非季风区，穿越了干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区。宁陕段和山西段虽然雨强不强，但持续时间较长，雨水多入坡，使边坡的水位升高，增加了边坡的压力和静水压力，导致边坡的失稳。在黄土高原地区，由于雨水分流渠道缺乏，雨水多汇集在地势较低洼地区，或沿黄土垂直节理渗入土壤，把土壤侵蚀，裂隙不断扩展，诱发黄土陷穴，降雨流进洞里，进一步加快地面塌陷的形成，往往造成管道的暴露，及对管道的腐蚀。

2.2 地表水 地表水造成的地质灾害主要表现在闪眼的坡脚侧向侵蚀。地表水切割坡脚冲刷下陡峭的山坡，增加河岸的斜坡，随即增加不稳定因素，另一方面，地表水持续侵蚀坡面，在水中浸泡的岩石和土壤的坡度下降，降低边坡力学强度。在重力的作用下，造成坡上强蠕动变形，导致边坡滑坡灾害的发生。边坡滑塌既具有滑动变形的机制、滑床的分布特点，又有崩落、崩塌破坏作用的产物。由于其突发性和频繁发生的特点，常造成大批窑洞、房屋倒塌和人员伤亡，并给该区铁路、公路和长输管道建设造成严重危害。