四川盆地頁巖氣開發(fā)的環(huán)境壓力及對策

林科君，熊軍，向啟貴

(1.四川天宇石油環(huán)保安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，四川成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川成都 610041)

四川盆地頁巖氣開發(fā)的環(huán)境壓力及對策

林科君1,2，熊軍1,2，向啟貴1,2

(1.四川天宇石油環(huán)保安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，四川成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川成都 610041)

與常規(guī)氣藏相比，頁巖氣儲層滲透率低，水敏性強，吸附氣解析產(chǎn)出難度大、氣井自然產(chǎn)量低，因而產(chǎn)氣層需要采用油基鉆井液鉆井、大規(guī)模水力壓裂進(jìn)行儲層改造等有別于常規(guī)氣開發(fā)的技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，致使產(chǎn)生含油巖屑、用水量和壓裂返排液量增大、占地量大等，環(huán)境保護任務(wù)艱巨。目前，四川盆地頁巖氣開發(fā)實施的工廠化作業(yè)技術(shù)、壓裂返排液處理技術(shù)和鉆井固體廢棄物資源化利用等環(huán)保措施效果顯著，在成功開發(fā)頁巖氣的同時有效地保護了環(huán)境。

頁巖氣；環(huán)境保護；環(huán)境管理

我國頁巖氣資源豐富，根據(jù)2015年國土資源部資源評價最新結(jié)果，全國頁巖氣技術(shù)可采資源量21.8萬億m3，其中海相13.0萬億m3、海陸過渡相5.1萬億m3、陸相3.7萬億m3[1]。自2011年國土資源部將頁巖氣作為獨立礦種進(jìn)行探礦權(quán)招標(biāo)以來，我國的頁巖氣開發(fā)進(jìn)入了加速發(fā)展的階段，國家發(fā)改委陸續(xù)批復(fù)了長寧-威遠(yuǎn)、昭通、重慶涪陵等國家級頁巖氣示范區(qū)。截至2016年9月，全國累計探明頁巖氣地質(zhì)儲量5441億m3，2015年全國頁巖氣產(chǎn)量45億m3。

通過不斷摸索實踐，我國頁巖氣開發(fā)逐步實現(xiàn)了規(guī)模效益開發(fā)，勘探開發(fā)技術(shù)也日趨成熟。根據(jù)國家能源局發(fā)布的《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，頁巖氣將成為我國天然氣供應(yīng)的重要組成部分，到2020年力爭實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量300億m3，2030年實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量800億～1000億m3[1]。

1 四川盆地頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀

根據(jù)我國《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，目前頁巖氣5大重點建產(chǎn)區(qū)中有3個分布在四川盆地，總地質(zhì)資源量約6.3萬億m3。從2006年開展地質(zhì)評價以來，2009年12月18日，位于四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣的中國第一口頁巖氣評價井——威201井開鉆，標(biāo)志著中國頁巖氣進(jìn)入實質(zhì)性的勘探開發(fā)階段。

經(jīng)過近10年的探索與攻關(guān)，2015—2016年，涪陵、長寧-威遠(yuǎn)和昭通等國家級示范區(qū)相繼建成，標(biāo)志著我國已經(jīng)基本掌握了3500 m以淺海相頁巖氣勘探開發(fā)主體技術(shù)，實現(xiàn)了埋深3500 m以淺資源規(guī)模效益開發(fā)，并在3500～4000 m技術(shù)攻關(guān)取得重要進(jìn)展。根據(jù)中國石油西南頁巖氣發(fā)展相關(guān)規(guī)劃，“十三五”期間將重點加大頁巖氣勘探開發(fā)力度，動用埋深3500 m以淺區(qū)塊，新鉆一批頁巖氣井，進(jìn)一步擴大頁巖氣生產(chǎn)規(guī)模，預(yù)計到2020年，四川盆地南部頁巖氣年產(chǎn)量將達(dá)到100億立方m3。

2 頁巖氣開發(fā)面臨的環(huán)境壓力

四川盆地頁巖氣資源儲量豐富，區(qū)域經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)，頁巖氣有利區(qū)多位于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，人口密度較大，部分地區(qū)環(huán)境相對敏感，氣田開發(fā)環(huán)保要求高。與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣儲層分布范圍廣、普遍含氣，但滲透率低，水敏性強，吸附氣解析產(chǎn)出難度大、時間長，氣井自然產(chǎn)量低。這些特點決定了頁巖氣開發(fā)不得不采用油基鉆井液、大規(guī)模水力壓裂等有別于常規(guī)氣開發(fā)的技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，致使含油巖屑產(chǎn)生、用水量和壓裂返排液量增大、規(guī)模開發(fā)井多導(dǎo)致用地量大、壓裂作業(yè)噪聲等，而在盆地內(nèi)進(jìn)行頁巖氣大規(guī)模開發(fā)面臨著更多的環(huán)境壓力。

2.1 耗費土地資源

由于頁巖低孔低滲的基本賦存特征，頁巖氣單井產(chǎn)量普遍較低，盡管使用了分段體積壓裂技術(shù)，要實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)，仍然需比常規(guī)氣田開發(fā)部署更多的單井。四川盆地頁巖氣有利區(qū)多處于丘陵-低山地區(qū)，農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)，人口密度大，人均耕地面積有限。根據(jù)盆地南部頁巖氣區(qū)塊開發(fā)產(chǎn)能建設(shè)勘探開發(fā)方案，“十三五”期間預(yù)計將新鉆評價井和建產(chǎn)井700余口，單井?dāng)?shù)量高于常規(guī)天然氣田，規(guī)模開發(fā)占用的土地資源也將高于常規(guī)天然氣開采。

2.2 水資源需求大

頁巖氣開發(fā)由于采用了大規(guī)模體積壓裂工藝，對水資源的需求比常規(guī)天然氣開發(fā)過程更大。目前大部分壓裂返排液均實現(xiàn)了高效回用，但新鮮水用量仍然較大。根據(jù)盆地南部頁巖氣區(qū)塊的水平井壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計，頁巖氣單井儲層改造段數(shù)大多設(shè)計為15～20段，全部采用工區(qū)河流或水庫供水，水資源需求量總體較大。但根據(jù)水資源論證報告顯示，上述區(qū)域開發(fā)最大取水量僅占取水河流取水口斷面多年平均流量的0.015%～7.07%[2]，不會對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水產(chǎn)生明顯影響。

另一方面，體積壓裂作業(yè)完成后，壓入地層的水將逐漸返排，返排周期可長達(dá)幾年。經(jīng)統(tǒng)計，試油期間，單井壓裂液返排率約15%～30%；生產(chǎn)期間大部分氣井日返排量在 180 m3/d以下[2]，并隨著返排周期的延長逐漸遞減。

2.3 廢氣排放增加

頁巖氣開發(fā)過程對大氣環(huán)境的影響主要包括甲烷的排放與泄漏、動力機械的無組織排放等。其中動力機械的無組織排放與常規(guī)天然氣開發(fā)并無不同，而甲烷溢散和排放則略高于常規(guī)天然氣，其排放的主要來源為壓裂施工作業(yè)完后，初期隨返排液帶至地面的少部分頁巖氣逸散至大氣中。

2.4 施工噪聲疊加

與常規(guī)氣田開發(fā)類似，頁巖氣開發(fā)的噪聲源主要來自施工作業(yè)機械，如鉆機、振動篩、離心機、挖掘機、壓裂車、放空系統(tǒng)等。鉆井過程中的噪聲主要來源于正常生產(chǎn)過程中的柴油發(fā)電機組、泥漿循環(huán)系統(tǒng)，通常是各種鉆井設(shè)備協(xié)調(diào)工作，高、中頻噪聲疊加形成的復(fù)合穩(wěn)態(tài)噪聲，此外，還有壓裂作業(yè)噪聲。

2.5 鉆井固廢增加

頁巖氣田單井?dāng)?shù)量高于常規(guī)氣田開發(fā)，鉆井固體廢棄物產(chǎn)生量也相應(yīng)增加。為盡可能降低對儲層的傷害，通常采用水基泥漿和油基泥漿循序鉆進(jìn)，鉆井過程產(chǎn)生的泥漿和巖屑全部采用不落地處理技術(shù)，在井場進(jìn)行離心甩干分離處理后，進(jìn)行無害化處理和資源化利用，無廢油基泥漿產(chǎn)生。從盆地南部區(qū)塊鉆井現(xiàn)場實際情況看，單井水基巖屑產(chǎn)生量約為660～1200 m3，廢油基巖屑的產(chǎn)生量約為130～300 m3。

3 現(xiàn)階段采取的主要環(huán)保措施

頁巖氣開發(fā)作為國內(nèi)的新領(lǐng)域，配套的安全環(huán)保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在制定和陸續(xù)發(fā)布中。在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的情況下，四川盆地國家級頁巖氣示范區(qū)在建設(shè)過程中充分借鑒了美國頁巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗和做法，建立了頁巖氣生產(chǎn)作業(yè)的安全環(huán)保管理體系和三級環(huán)境管理部門，在頁巖氣開發(fā)區(qū)域設(shè)置了專業(yè)的安全環(huán)保監(jiān)督站，在氣田開發(fā)中廣泛采用了與美國標(biāo)準(zhǔn)一致的勘探開發(fā)、壓裂用水等成熟技術(shù)，執(zhí)行了比常規(guī)天然氣開發(fā)更嚴(yán)格的海上作業(yè)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，采取了多項環(huán)保措施以滿足環(huán)境保護要求。[3-5]

3.1 土地資源保護措施

頁巖氣藏的低孔低滲特性和四川盆地頁巖氣富集區(qū)域地形條件決定了頁巖氣開發(fā)不能簡單按照常規(guī)天然氣單井模式開發(fā)。目前盆地內(nèi)頁巖氣開發(fā)普遍采取了“工廠化”作業(yè)模式，采用叢式平臺鉆井工藝，每個平臺6口井左右，大大減少了井場數(shù)量，井場、施工道路和其他配套工程占地也相應(yīng)減少，較常規(guī)天然氣單井部署減少土地占用可達(dá)70%以上，較好地解決了用地多的問題。同時，對生產(chǎn)不需長期占用的土地，嚴(yán)格按相關(guān)要求及時復(fù)墾。另外，項目平臺鉆井時大多采用兩部鉆機同時施工的方式，待所有井全部施工完成后再依次進(jìn)行體積壓裂作業(yè)，有利于施工期的環(huán)境管理。

3.2 水資源保護措施

(1)水資源論證。對氣田開發(fā)區(qū)域開展水資源論證，對項目區(qū)域的水資源狀況和區(qū)域特征開展調(diào)查分析，對區(qū)域水資源分布情況、水資源配置和利用情況、項目取水影響范圍、最大取水量等進(jìn)行充分論證，確定取水方案，最大限度避免項目取水對當(dāng)?shù)厮Y源的時空分布和流態(tài)等產(chǎn)生影響。

(2)取水管網(wǎng)建設(shè)。建立專門的供水系統(tǒng)和共計約112 km的專用輸水管道用于大江、大河取水，靈活調(diào)節(jié)用水時段和取水方式，避免了對取水口上下游的工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水產(chǎn)生影響。

(3)壓裂返排液回用。通過技術(shù)攻關(guān)就地對壓裂返排液及時進(jìn)行處理回用，處理后的返排液排入井場清水池，然后通過罐車送至其他平臺儲水池儲存?zhèn)溆谩２捎脡毫逊蹬乓禾幚砑夹g(shù)處理出水SS濃度小于20 mg/L，整體水質(zhì)達(dá)到壓裂返排液回用標(biāo)準(zhǔn)，總體回用率達(dá)到85%以上，極大地減少了廢水產(chǎn)生量和新鮮水用量。

(4)地下水保護。井位部署時遠(yuǎn)離大斷裂，從源頭減少井漏風(fēng)險；淺層鉆井過程中應(yīng)用氣體鉆井、清水鉆井技術(shù)，并采用套管封堵，有效防止了鉆井液對地下飲用水的污染；使用環(huán)境友好型壓裂液體系，由90%以上的清水、9%左右的支撐劑和低于1%的添加劑組成，添加劑主要成分為氯化鈉、瓜膠、羥乙基纖維素等無毒物質(zhì)，避免污染地層。儲層改造過程中，目的層埋深大于2500 m，采用微地震監(jiān)測技術(shù)確保體積壓裂縫高度不超過20 m，壓裂前采用多層套管水泥封堵，確保壓裂和生產(chǎn)過程中不發(fā)生竄漏。

3.3 廢氣與溫室氣體減排

頁巖氣開采的廢氣排放與常規(guī)天然氣開發(fā)大體相同，對于在壓裂返排初期隨返排液排出的甲烷等氣體，通過優(yōu)化作業(yè)流程、強化施工過程管理等措施以減少廢氣排放。通過采輸作業(yè)撬裝化、組織管理一體化及“綠色完井”措施，強化頁巖氣開發(fā)各環(huán)節(jié)的有機銜接，第一時間將氣井生產(chǎn)的頁巖氣倒入生產(chǎn)流程，基本實現(xiàn)零放空，節(jié)約資源的同時也使溫室氣體排放得到有效控制。

3.4 聲環(huán)境保護措施

采取多種手段降低噪聲影響：優(yōu)化井位選址，合理井場布局，避開聲環(huán)境敏感點；鉆井平臺、壓裂車采取隔聲措施，作業(yè)場所設(shè)置隔聲屏；壓裂作業(yè)采用分時操作，白天施工，夜間停工；施工期間對可能受影響的居民采取臨時撤離等措施，降低作業(yè)噪聲對當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活的影響。

3.5 固廢處理與回用

四川盆地頁巖氣開發(fā)區(qū)域通過推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝防止固體廢棄物污染。采取了鉆井廢棄物不落地、隨鉆實時處理技術(shù)和防滲處理工藝，鉆井泥漿盡可能循環(huán)利用，從源頭上減少固廢的產(chǎn)生量。

對于水基泥漿及巖屑，采用泥漿不落地技術(shù)后，水基鉆井固廢采取無害化填埋方式，目前正試驗推廣制免燒磚、燒結(jié)磚、水泥窯協(xié)同處理等多種措施，將經(jīng)過清潔化生產(chǎn)、無害化治理后形成的固化體轉(zhuǎn)運至合作磚廠或水泥廠，實現(xiàn)資源化利用。其中，燒結(jié)磚技術(shù)已在盆地南部區(qū)塊進(jìn)行了先導(dǎo)試驗，并陸續(xù)在該區(qū)塊5個平臺進(jìn)行規(guī)模實施，燒結(jié)磚性能達(dá)到《燒結(jié)普通磚》(GB 5101—2003)和《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)中各項性能指標(biāo)要求，較好地解決了山地頁巖氣鉆井廢棄物綜合治理的難題；對于油基泥漿及巖屑，經(jīng)收集傳輸至鉆井液回收裝置進(jìn)行固液分離，全面回收油基鉆井液以循環(huán)使用，固體部分通過叉車或其他傳輸裝置輸送至油基鉆屑處理系統(tǒng)，采用熱解或萃取工藝進(jìn)行集中處理，處理后的巖屑含油率小于1%，污染物大幅減少，減輕了地方處理能力不足的壓力。目前正攻關(guān)和試驗水基鉆井液和純生物無污染油基鉆井液，以替代油基鉆井液。

3.6 環(huán)境監(jiān)測與管理

為進(jìn)一步了解頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響，在部分環(huán)境相對敏感的區(qū)域開展了持續(xù)的環(huán)境監(jiān)測，包括地下水監(jiān)測、作業(yè)振動監(jiān)測，并與四川省地震局、地方政府相關(guān)部門及科研院校合作開展頁巖氣開發(fā)區(qū)域地震監(jiān)測研究。目前的監(jiān)測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)壓裂作業(yè)對地面構(gòu)筑物造成影響，地下水污染監(jiān)測井和居民飲用地下水監(jiān)測點迄今未發(fā)現(xiàn)異常。監(jiān)測和相關(guān)研究正在持續(xù)開展過程中。

4 結(jié)語

四川盆地是我國頁巖氣儲量最為豐富的地區(qū)之一，大力發(fā)展頁巖氣有利于改善我國能源供給結(jié)構(gòu)、保障國家能源戰(zhàn)略安全、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。同時，頁巖氣作為一種清潔能源，對污染減排及防治霧霾也具有極重要的意義。

目前的頁巖氣開發(fā)實踐證明，在加大環(huán)保投入、采取嚴(yán)格的環(huán)境管理和切實可行的污染物處理及減排措施后，頁巖氣對環(huán)境的影響得到了有效防控，但在地下水環(huán)境風(fēng)險防控及固廢處理等方面仍然面臨著環(huán)境壓力。一方面，頁巖氣開發(fā)企業(yè)需要進(jìn)一步加大科研攻關(guān)力度，探索環(huán)境友好程度更高的頁巖氣開發(fā)方式和環(huán)保技術(shù)。另一方面，政府管理部門也需要及時出臺相關(guān)的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范性文件，從國家層面進(jìn)一步明確頁巖氣開發(fā)污染物的排放和管理依據(jù)，推動頁巖氣環(huán)保技術(shù)發(fā)展和規(guī)范化實施，從而實現(xiàn)經(jīng)濟社會和環(huán)境的和諧發(fā)展。

[1] 國家能源局. 頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)[Z]. 2016.

[2] 張慶等. 長寧、威遠(yuǎn)、昭通三個區(qū)塊頁巖氣開發(fā)產(chǎn)能建設(shè)項目環(huán)境影響報告書[R].成都：中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院、北京中油建設(shè)項目勞動安全衛(wèi)生預(yù)評價有限公司，2015.

[3] 梅緒東, 張思蘭, 熊德明, 等. 涪陵頁巖氣開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響及保護對策[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2016, 18(6): 7- 12.

[4] 汪軍, 袁勝, 陳剛才, 等. 中國頁巖氣開發(fā)過程環(huán)境管理開發(fā)現(xiàn)狀與對策分析研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2016, 41(6): 18- 21.

[5] 劉鵬鴿, 孫仁金, 茍永平. 我國頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題及對策[J]. 環(huán)境工程, 2016, 34(1): 141- 144.

Discussion on Main Environmental Pressure and Countermeasures of Shale Gas Development in Sichuan Basin

LIN Ke-jun1,2, XIONG Jun1,2，XIANG Qi-gui1,2

(1. Sichuan Tianyu Petroleum Environmental Protection & Safety Technology Consulting Services Co., Ltd., Chengdu 610041, China; 2. China Petroleum Southwest Oil and Gas Field Company Safety, Environmental Protection and Technical Supervision Research Institute, Chengdu 610041, China)

Compared with the conventional gas reservoir, shale gas reservoir has the characteristics of low permeability, strong water sensitivity, and difficult for desorption. The oil-base drilling fluid and large-scale hydraulic fracturing, which are different from the conventional gas reservoir reconstruction, were applied to shale gas well production, which could generate oily cuttings, and increase the water consumption and amount of flow-back fracturing fluid. This paper introduced the development of shale gas in Sichuan basin on the implementation of factory operation technology, flow-back fracturing fluid processing technology, and environmental protection measures such as resource utilization of drilling solid waste. The effects of these measures were analyzed in this paper, which have effectively protected the environment while facilitating the successful development of shale gas.

shale gas; environmental protection; environmental management

2017-02-20

林科君(1982—)，女，四川成都人，工程師，碩士，主要研究方向為油氣田安全環(huán)保技術(shù)，E-mail：linkj@sc-tianyu.com

10.14068/j.ceia.2017.03.003

X37

A

2095-6444(2017)03-0008-03