頁巖氣開采中的安全技術(shù)和環(huán)境影響的規(guī)避方法探討

劉龍斌

（山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，太原 030001）

頁巖氣開發(fā)是我國能源開發(fā)的重要內(nèi)容，我國頁巖氣儲量豐富，但是由于開發(fā)起步時間較晚，我國正處于頁巖氣開發(fā)的試驗階段，開發(fā)技術(shù)還不夠成熟。當(dāng)前，在頁巖氣開采過程中，出現(xiàn)的地質(zhì)問題、環(huán)境問題也比較嚴(yán)重，尤其是環(huán)境污染問題，如大氣污染、水資源污染和土壤污染等[1]。為了進(jìn)一步控制頁巖氣開發(fā)過程，人們必須不斷改進(jìn)開發(fā)技術(shù)，加強開發(fā)過程管理，提高各種環(huán)境污染的控制水平，減少開發(fā)帶來的環(huán)境問題。

1 頁巖氣開采過程中的問題

我國頁巖氣開采起步較晚，但頁巖氣儲量十分豐富，因此開展頁巖氣開采利用具有十分廣闊的前景。當(dāng)前，我國在頁巖氣開發(fā)過程中主要遇到以下問題。第一，開發(fā)經(jīng)驗匱乏。頁巖氣開發(fā)需要較高的技術(shù)，但是我國頁巖氣開發(fā)才剛剛起步，加上我國的常規(guī)天然氣開發(fā)正處于蓬勃發(fā)展時期，所以人們無法用大量人力、財力、物力去研究頁巖氣開發(fā)的問題。第二，頁巖氣開采的綜合難度較大。頁巖氣儲集層是由巖化的黏土有機物質(zhì)和礦物質(zhì)混合而成的，雖然巖層中的有機質(zhì)可以產(chǎn)生豐富的頁巖氣，但是這些巖石的空隙很小，滲透率較低，開采頁巖氣的天然阻力比常規(guī)天然氣要大很多，因此頁巖氣的開采率較低。第三，地質(zhì)環(huán)境的影響。我國頁巖氣主要分布于四川盆地，由于地理環(huán)境限制，四川盆地的頁巖氣深度基本在2 000～35 000 m，而美國的頁巖氣深度一般為800～2 600 m[2]。所以，國外的開采技術(shù)并不完全適用于我國的地質(zhì)環(huán)境，地質(zhì)環(huán)境的限制增加了頁巖氣的開采難度。

2 頁巖氣開采的安全技術(shù)

2.1 地震勘探技術(shù)

地震勘探技術(shù)主要包括三維地震技術(shù)和井中地震技術(shù)，前者有助于準(zhǔn)確地認(rèn)識到頁巖氣復(fù)雜的儲層結(jié)構(gòu)以及巖層中的非均質(zhì)性和裂縫發(fā)育帶，從而提高頁巖氣開采過程中的探井成功率。由于泥頁巖地層和上下圍巖的地震傳播速度不同，因此人們在開采過程中可以結(jié)合錄井測井等資料，對泥頁巖構(gòu)造進(jìn)行描述，并且可以利用三維地震的反射特征差異來識別各種裂縫，從而減少開采過程中的地質(zhì)裂縫災(zāi)害。另外，井中地震技術(shù)也是頁巖氣開采過程中的一種重要技術(shù)，這種技術(shù)是在地面地震技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)，具有較高的分辨率、信噪比、保真效果，可以將鉆井測井和地震技術(shù)結(jié)合起來，從而實現(xiàn)對頁巖氣地層的綜合分析，減少頁巖氣開采過程中的壓裂效果。

2.2 水力壓裂法

水力壓裂法是頁巖氣開采過程中的一種常用技術(shù)，這種方法是指將水注入到油井中，使得油井的巖石層斷裂，然后將圈閉在巖層中的油和天然氣釋放出來，注入巖石中的水通常含有化學(xué)物質(zhì)，比如，混合了降阻劑、抗菌劑、鹽酸等物質(zhì)。水力壓裂法是當(dāng)前頁巖氣開發(fā)過程中比較常見的一種方法，在美國頁巖氣開發(fā)過程中十分常用。

2.3 鉆井技術(shù)

鉆井技術(shù)是1821年美國最先開發(fā)出來的石油氣體開采技術(shù)，經(jīng)過多年發(fā)展，頁巖氣鉆井經(jīng)歷了直井單支水平井、多分支水平井、叢式水平井等發(fā)展過程。實踐發(fā)現(xiàn)，在頁巖氣開采過程中，使用叢式水平井可以有效地降低開采成本，節(jié)約時間，因此叢式水平井在頁巖氣開采過程中的應(yīng)用變得越來越廣泛[3]。另外，當(dāng)前國外的頁巖氣開發(fā)鉆完井中主要采用的相關(guān)技術(shù)有：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，這種技術(shù)可以用于地層引導(dǎo)和評價，確保鉆井目標(biāo)得以實現(xiàn)；控壓或欠平衡鉆井技術(shù)，用于提高防漏水平，提高鉆速和儲層保護，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)在頁巖中鉆進(jìn)；泡沫固井技術(shù)，其主要用于解決鉆井過程中出現(xiàn)的低壓易漏問題，提高鉆井開發(fā)的安全性。

2.4 儲層改造技術(shù)

儲層改造技術(shù)是頁巖氣開采過程中的安全技術(shù)，其包括水力壓裂和酸化兩種，改造之后的技術(shù)可以利用常規(guī)的油管或者連續(xù)的油管進(jìn)行施工。在國外開發(fā)過程中，人們經(jīng)常在新井或者老井的開發(fā)中使用連續(xù)油管作業(yè)，這樣可以降低開采成本，達(dá)到增產(chǎn)的目的。壓裂改進(jìn)主要采用以下措施，如氮氣泡沫壓裂凝膠壓裂、多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂、重復(fù)壓裂等。

2.4.1 多級壓裂技術(shù)

多級壓裂技術(shù)指的是利用封堵球或限流技術(shù)對頁巖儲層的不同層位進(jìn)行分隔，然后進(jìn)行分段壓裂。分段壓裂技術(shù)有兩種，一種是滑套封隔器分段壓裂，另一種是可鉆式橋塞分段壓裂。

2.4.2 清水壓裂

清水壓裂技術(shù)指的是使用清水加上少量減阻劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑等添加物作為壓裂漿，達(dá)到壓裂目的，對頁巖氣進(jìn)行開采，減少對環(huán)境的污染和危害。

2.4.3 同步壓裂技術(shù)

同步壓裂技術(shù)指的是同時對兩口或者更多的頁巖氣井進(jìn)行開采的技術(shù)。最初，人們對兩口深度比較接近的水平井進(jìn)行同時壓裂，隨著技術(shù)不斷成熟，其逐漸發(fā)展成為對三口或者四口距離接近和深度相似的水平井進(jìn)行同時壓裂。同時，壓裂可以使壓裂液和支撐劑在高壓條件下從一口井向另一口井移動，從而提高水力壓裂的裂縫網(wǎng)絡(luò)密度和表面積的利用水平，實現(xiàn)頁巖氣短期內(nèi)的明顯增產(chǎn)，節(jié)省頁巖氣開采的成本。

2.4.4 重復(fù)壓裂

重復(fù)壓裂指的是在頁巖氣初始壓裂處理無效或者原來的支撐劑損壞的情況下對氣井進(jìn)行重新壓裂增產(chǎn)的過程。在重復(fù)壓裂的過程中，人們只要按照以前的操作步驟進(jìn)行重復(fù)壓裂操作即可，重復(fù)壓裂可以將頁巖氣的采收率提高8%～10%，可以使頁巖氣的采儲量增加60%。

3 頁巖氣開采過程中的環(huán)境問題控制

在頁巖氣開采過程中，環(huán)境問題是一個十分顯著的問題，加強環(huán)境問題控制是頁巖氣開采過程中的重點內(nèi)容。當(dāng)前，頁巖氣開采過程中的環(huán)境問題主要有水資源問題，如水資源浪費、水資源污染等。此外，還有大氣污染，其以甲烷泄露為主。頁巖氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種對大氣污染十分嚴(yán)重的氣體，也是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要溫室氣體之一[4]。甲烷在空氣中的停留時間是二氧化碳的十分之一，但是在相同質(zhì)量的情況下，甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)比二氧化碳要嚴(yán)重很多，其燃燒還會導(dǎo)致其他污染出現(xiàn)。另外，甲烷泄漏還會破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，改變當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，破壞當(dāng)?shù)刂脖唬茐膭游锏臈⒌?，影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡。因此，加強頁巖氣開采過程中的環(huán)境保護具有十分重要的意義，人們可以從以下幾個方面著手。

3.1 制定環(huán)境保護規(guī)范

在頁巖氣開采過程中，人們應(yīng)該重視環(huán)境保護工作，制定相關(guān)環(huán)境保護規(guī)范，控制相關(guān)環(huán)境問題。國家相關(guān)部門應(yīng)制定措施，要求人們在頁巖氣開采過程中必須做好環(huán)境監(jiān)測工作。一旦出現(xiàn)環(huán)境污染問題，人們必須立即停止開采。

3.2 加強對技術(shù)和開采原料的研究

在頁巖氣開發(fā)過程中，一般進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段后，人們就必須對開發(fā)過程中的水資源工作進(jìn)行論證，防止水資源使用量過高，造成水資源短缺。另外，壓裂過程中使用的化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重，所以人們要加強對各種新型開采原料的研究，用清潔、無毒的物質(zhì)替代有害的化學(xué)添加劑，使得整個開采過程變得更加清潔。

4 結(jié)語

頁巖氣開發(fā)是我國非常規(guī)能源開發(fā)體系的重要部分，頁巖氣是一種清潔、無污染的新型非常規(guī)天然氣，可以有效緩解我國的能源危機，而我國頁巖氣資源十分豐富，所以人們必須積極開展頁巖氣開發(fā)研究。在頁巖氣開發(fā)過程中，我國可以借鑒發(fā)達(dá)國家的頁巖氣開發(fā)技術(shù)，并結(jié)合我國的實際情況，綜合應(yīng)用各種新技術(shù)，提高頁巖氣開發(fā)水平，保護好生態(tài)環(huán)境。

1 李 佳，王 馳，田慧穎.頁巖氣開發(fā)中應(yīng)關(guān)注的環(huán)境問題[J].油氣田環(huán)境保護，2012，22（6）：42-43.

2 王 楠.頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題研究[J].當(dāng)代經(jīng)濟，2013，（1）：62-65.

3 鐘 異，胥 峰，林孟雄.頁巖氣開發(fā)環(huán)境及安全風(fēng)險管控研究[J].工業(yè)，2015（2）：185.

4 李 朋，肖亞昆，莫 勇，等.頁巖氣開采對環(huán)境的影響及規(guī)避方法探討[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報，2015，（3）：70-73.