頁巖氣開發(fā)中水力壓裂的環(huán)境影響及對策

李興春 杜顯元 李 穎

（1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2.中國石油大慶煉化分公司）

0 引 言

近年來，美國已超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國，主要原因是其頁巖氣發(fā)展迅猛。2012年，美國從頁巖里開采了1800億m3天然氣，產(chǎn)量超過了中國天然氣的全年產(chǎn)量［1］。我國從2006年開始進(jìn)口天然氣，2012年對外依存度達(dá)28.9%，已經(jīng)嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。2012年3月1日，國土資源部對外宣布，稱經(jīng)初步普查，我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42萬億m3，可采資源潛力為25.08萬億m3（不包含青藏地區(qū)），超過常規(guī)天然氣資源［2］。2012年3月13日，國家發(fā)展改革委、財政部、國土資源部、國家能源局以發(fā)改能源〔2012〕612號印發(fā)《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》，提出了到2015年，基本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價，掌握頁巖氣資源潛力與分布，優(yōu)選一批頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)和有利目標(biāo)區(qū)，建成一批頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)，初步實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的總體目標(biāo)。2013年1月1日，國務(wù)院發(fā)布《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，規(guī)劃確定到2015年，頁巖氣探明地質(zhì)儲量增加6000億m3，商品量65億m3。頁巖氣已經(jīng)成為中國能源發(fā)展的一個重要選項。

1 頁巖氣水力壓裂技術(shù)

美國頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展，得益于頁巖氣開采水平井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)，其中水力壓裂包括多段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)及同步壓裂技術(shù)等，正是這些技術(shù)不斷提高著頁巖氣井的產(chǎn)量［3］。

頁巖氣與常規(guī)氣井的關(guān)鍵區(qū)別在于儲層改造的不同，頁巖氣采用了大型水力壓裂技術(shù)，該技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，并于20世紀(jì)80年代發(fā)展完善［4］。

1.1 水力壓裂設(shè)計

水力壓裂設(shè)計是根據(jù)設(shè)計目的層頁巖的厚度、巖石的破裂特性等，通過計算機(jī)建模、微地震裂縫測繪和傾斜儀分析等，優(yōu)化裂縫網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)氣體產(chǎn)量最大化。計算機(jī)建模主要是對潛在裂縫發(fā)育的高度、深度和方向進(jìn)行評估；微地震裂縫測繪和傾斜儀分析主要是用來確定壓裂是否成功和裂縫的生成方向，為選井、利用儲層自然條件以及新井的壓裂效果提供資料。

1.2 水力壓裂施工

目前水力壓裂以水平井多段壓裂為主。現(xiàn)在水平井水平段一般可以達(dá)到1000英尺（304.8m）以上，因此，在壓裂過程中通常采用將水平井段分隔成數(shù)段進(jìn)行，壓裂從最末段開始，依次進(jìn)行，直至完成整個水平井段。

在水力壓裂開始時，首先要對井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行測試，然后對壓裂設(shè)備進(jìn)行壓力測試，確保井與設(shè)備能夠正常工作。測試結(jié)束后，開始正式壓裂。對于每一段壓裂，通常先泵入酸液，清除儲層被鉆井泥漿和固井水泥造成的堵塞。其次，泵入減阻劑，即泵入一種添加了減阻劑的水基壓裂液，減阻劑主要為了提高壓裂液的流動。這些壓裂液中同時可能還包含殺蟲劑、控鐵劑、除氧劑、阻垢劑等。第三，泵入支撐劑，即二氧化硅或石英砂與水的混合液，這些支撐劑可以進(jìn)入壓裂裂縫深處形成支撐。第四，在完成最后一段泵入支撐劑后，要進(jìn)行清洗，用清水沖洗設(shè)備和井眼，清除過量的支撐劑。此外，在壓裂的過程中要進(jìn)行全程監(jiān)測，對于地層特殊情況，可以對特殊段的壓裂進(jìn)行調(diào)整［5］。

2 頁巖氣水力壓裂的主要環(huán)境影響

世界雖然掀起了頁巖氣熱潮，但是歐洲各國對待頁巖氣的態(tài)度迥異。英國和波蘭積極支持頁巖氣開發(fā)，法國、德國、保加利亞等出于環(huán)?？紤]，明令禁止使用水力壓裂技術(shù)開發(fā)頁巖氣。水力壓裂過程主要涉及使用水及化學(xué)物質(zhì)形成的壓裂液在高壓下壓入目的層，同時要返排壓裂液，返排壓裂液經(jīng)處理后，重復(fù)使用或排入水環(huán)境。與常規(guī)天然氣開采相比，頁巖氣開采增加了水力壓裂過程，在水力壓裂過程中，主要涉及水資源的利用、壓裂液對地下水和地質(zhì)的影響以及返排壓裂液排放對地表水的影響。

2.1 對水資源利用的影響

水力壓裂用水量巨大，根據(jù)地質(zhì)條件和壓裂要求的不同，單一氣井的作業(yè)需要300萬加侖（1.1萬m3）到500萬加侖（1.9萬m3）的水量。在2011年，有超過1.7萬口水平井通過壓裂作業(yè)獲得頁巖氣，用水量巨大，引發(fā)了人們對于是否會引起當(dāng)?shù)厮Y源枯竭的擔(dān)憂，進(jìn)而提出是否需要管制壓裂用水。根據(jù)世界天然氣聯(lián)盟（IGU）的資料，頁巖氣生產(chǎn)的用水量要小于常規(guī)的石油及其他形式能源生產(chǎn)的用水量。根據(jù)生產(chǎn)原料的不同，每百萬單位英熱能源的耗水量常規(guī)石油為30～80L，核能30～50L，生物燃料大于9500L，煤8～30L，頁巖氣4～6L［6］。頁巖氣消耗水資源的特點(diǎn)是階段性用水強(qiáng)度大，但是平均到熱單位上，卻比煤要低。

2.2 對地表水和地下水的影響

水力壓裂液通常由99.5%水和砂，以及0.5%的化學(xué)添加劑構(gòu)成。根據(jù)作業(yè)用水以及目標(biāo)巖層的特性，典型的水力壓裂作業(yè)需要用到3～12種化學(xué)添加劑，典型的水力壓裂作業(yè)常用的化學(xué)添加劑基本情況見表1［7］。

表1 典型的水力壓裂作業(yè)常用的化學(xué)添加劑基本情況

目前，獲知的水力壓裂液的化學(xué)添加劑常見于家庭和商業(yè)用途，其中部分物質(zhì)是有毒的，根據(jù)長期生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，只要正確使用，可以確保安全。水力壓裂液的使用過程受到嚴(yán)格管控，不會接觸地下水。

美國石油學(xué)會（API）在20世紀(jì)80年代發(fā)表了一系列對于套管和固井保護(hù)的論文和報告，這些論文和報告指出，如果注入地下的壓裂液要進(jìn)入地下水層，需要油管、生產(chǎn)套管和表層套管同時發(fā)生泄漏，破裂的部位正好位于地下水層，注入的壓裂液在井眼中向上長距離流動后達(dá)到地下水層，或者注入液體要通過巖層和咸水層進(jìn)入地下水層。研究表明，不考慮設(shè)備、技術(shù)發(fā)展的情況下，對深部頁巖氣水力壓裂時，地下水受泵入壓裂液影響的概率低于2×10-8［8］。

此外，除了多層套管和固井所提供的保護(hù)外，開發(fā)區(qū)域的巖層中還有阻止油氣逸散的蓋層。石油天然氣地質(zhì)學(xué)家指出，如果沒有有效蓋層，油氣就不能聚集，也就沒有工業(yè)開采價值。因此，這些蓋層也是阻止壓裂液向上遷移到地下水層的有效屏障。

2.3 對地質(zhì)的影響

在特定的地質(zhì)條件下，有極小可能發(fā)生相對較小級別的地震。根據(jù)IGU的資料，2011年全球共實施了超過25萬次的水力壓裂作業(yè)。僅有幾例地震報告與水力壓裂可能有關(guān)。英國有一次輕微級地震歸于水力壓裂；美國俄亥俄州有兩起地震與廢水地下灌注有關(guān)。雖然有震感，但未形成有形損失。而且這些地震與頁巖氣開發(fā)的關(guān)聯(lián)度未經(jīng)科學(xué)方法予以證實。研究表明，水力壓裂誘發(fā)地震活動的強(qiáng)度通常比人類能夠感覺到的強(qiáng)度水平低10萬倍［6］。

此外，壓裂設(shè)計中采用的建模、微地震裂縫測繪和傾斜儀分析可確定壓裂是否成功和裂縫的生成方向，通過調(diào)節(jié)壓裂施工過程，可將裂縫的生成控制在設(shè)計的范圍內(nèi)。

3 對策建議

我國為了鼓勵頁巖氣開發(fā)，形成多元化投資機(jī)制，將頁巖氣劃分為獨(dú)立礦種，這種劃分形式造成了環(huán)保部門對如何監(jiān)管頁巖氣開發(fā)存在爭論。頁巖氣開發(fā)過程除水力壓裂有別于現(xiàn)有常規(guī)天然氣開采外，其他過程基本一致。因此，在借鑒現(xiàn)有常規(guī)天然氣環(huán)境監(jiān)管要求的同時，要充分了解國際頁巖氣開發(fā)水力壓裂的環(huán)境影響，也有必要深入探討這一過程的環(huán)境影響。目前，國內(nèi)剛開始頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)建設(shè)，對于頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)的環(huán)境監(jiān)管，建議借鑒國際經(jīng)驗，重點(diǎn)開展以下工作。

◆控制對水資源的影響 現(xiàn)階段頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)建設(shè)的環(huán)境監(jiān)管中，要求進(jìn)行鉆井作業(yè)前要開展水資源評價，沒有通過水資源評價的不允許開鉆；對于同一小流域內(nèi)的水資源評價，要考慮疊加影響。通過水資源評價后，在用水前要向公眾公布用水信息。

水力壓裂本身要充分利用現(xiàn)有的節(jié)水技術(shù)，提高循環(huán)率，降低整體用水需求，從源頭上降低用水量。建議將水資源作為一個約束性的指標(biāo)，根據(jù)區(qū)域的水資源量和利用情況，通過系統(tǒng)研究確定我國頁巖氣開發(fā)的鼓勵地區(qū)、限制地區(qū)和禁止開發(fā)地區(qū)。

◆控制對地表水的影響 通過行政文件鼓勵使用綠色或者非毒產(chǎn)品替代現(xiàn)有的添加劑，要求全面披露水力壓裂液中使用添加劑的信息。對使用前的水力壓裂液和將要排放的廢棄壓裂返排液進(jìn)行生物毒性檢測，壓裂返排液在達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)和生物毒性相關(guān)要求后才能夠排放。

建議在現(xiàn)有GB 8978—1996《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》中補(bǔ)充生物毒性標(biāo)準(zhǔn)，或者針對頁巖氣開采、壓裂液使用制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以作為控制頁巖氣廢棄壓裂返排液排放使用，也可以為控制類似液體排放提供依據(jù)。

◆控制對地下水和地質(zhì)的影響 鉆井過程中，要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安裝油管、生產(chǎn)套管和表層套管，同時保證固井質(zhì)量，可從源頭上防止壓裂液進(jìn)入地下水。需要在水力壓裂施工前，要根據(jù)鉆井實際復(fù)查可能存在的斷裂帶，對存在斷裂帶的要調(diào)整水力壓裂設(shè)計；在水力壓裂施工過程中，使用高靈敏度儀表監(jiān)測生產(chǎn)流程，在存在可能無法控制的影響時，應(yīng)停止作業(yè)。

建議出臺頁巖氣鉆井和水力壓裂過程環(huán)境保護(hù)要求，規(guī)范壓裂過程施工作業(yè)，在源頭控制環(huán)境風(fēng)險。

4 結(jié)束語

與常規(guī)天然氣開采相比，頁巖氣開采過程中可能對水資源的利用、地表水、地下水和地質(zhì)等產(chǎn)生一定影響。主要表現(xiàn)在水力壓裂用水量大，階段性用水強(qiáng)度高；返排液數(shù)量大，處理不當(dāng)可能污染地表水，存在污染地下水和誘發(fā)地震活動的可能性。

在借鑒現(xiàn)有常規(guī)天然氣環(huán)境監(jiān)管要求的同時，針對頁巖氣開發(fā)水力壓裂的環(huán)境影響，制定水資源利用、返排液排放以及壓裂過程等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，可以有效降低頁巖氣開采對環(huán)境的影響。

［1］張國寶.中國新能源成就令世界矚目［J］.風(fēng)能，2013（10）：16-17.

［2］發(fā)改能源 ［2012］612號 頁巖氣發(fā)展規(guī)劃 （2011—2015年）［S］.

［3］Jennings AR.Gas Well Stimulation in the Eastern United States，SPE 7914［C］.SPE Symposium on Low Permeability Gas Reservoirs，Denver，CO，1979：20-22.

［4］Halliburton Energy Services.US Shale Gas-An Unconventional Resource.Unconventional Challenges［R］.Halliburton White Paper，2008.

［5］David Daniel Cramer.Stimulating Unconventional Reservoirs：Lessons Learned，Successful Practices，Areas for Improvement［C］.USA：Society of Petroleum Engineers，2008：10-12.

［6］IGU.Shale Gas，The Facts about the Environmental Concerns［R］.International Gas Union 2012.

［7］Parshall J.Barnett Shale Showcases Tight-gas Development［J］.Journal of Petroleum Technology，2008，60：48-55.

［8］Troy WM，Michie ＆ Associates，Inc，American Petroleum Institute.Oil and Gas Water Injection Well Corrosion：Prepared for the American Petroleum Institute［C］.Michie ＆ Associates，1988.