大型水力壓裂環(huán)境問題與治理

摘 要：頁巖氣是賦存于頁巖中的一種重要的天然氣資源。近年來，美國和加拿大、中國等不少國家在頁巖氣開發(fā)上取得了較大突破，。我國在華南地區(qū)寒武系-志留系、四川盆地三疊系-侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系等層系均探測(cè)到頁巖氣藏的富集。雖然有著良好的發(fā)展前景，但頁巖氣產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展所帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻。目前在國際上技術(shù)最成熟，使用最廣泛的頁巖氣強(qiáng)化開采方法是水力壓裂法，使用該方法進(jìn)行頁巖氣開采已知將會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境問題。本文對(duì)國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)中水力壓裂注井、完井后出現(xiàn)的各類環(huán)境問題進(jìn)行了總結(jié)，并通過對(duì)比借鑒現(xiàn)有監(jiān)管法規(guī)政策，提出了我國頁巖氣環(huán)保監(jiān)管建議。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；水力壓裂；環(huán)境污染

中圖分類號(hào)：TE37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）15-0332-01

頁巖具有結(jié)構(gòu)致密、滲透率低的特點(diǎn)。雖然具有一定得天然裂縫，但實(shí)際生產(chǎn)中90%以上的頁巖氣井都需要通過壓裂手段輔助生產(chǎn)。水力壓裂就是利用地面高壓泵對(duì)壓裂液加壓，向儲(chǔ)層注入具有高密度的壓裂液來增加井底壓力來撐開頁巖自然裂縫或刺激其產(chǎn)生新的裂縫。然后向儲(chǔ)層注入帶有支撐劑的攜砂液，使已經(jīng)撐開的裂縫保持張開狀態(tài)并使裂縫繼續(xù)向前延伸。至此油氣儲(chǔ)層層與井筒之間建立新的油氣通道。壓裂之后，油氣井的產(chǎn)量獲得大幅度增長。目前，水平鉆井和水力壓裂技術(shù)因其使用成本低、開發(fā)難度較小，成為頁巖氣開發(fā)主要手段。本文根據(jù)美國等國家壓裂液泄露造成污染問題的先例和我國頁巖氣產(chǎn)地的特殊性，總結(jié)了一下幾大問題：

1 頁巖氣開發(fā)水力壓裂加劇貧水地區(qū)缺水問題

以美國密歇根Antrim頁巖氣田為例，該地區(qū)一個(gè)傳統(tǒng)的井一次需要190m3的水。如果采用目前比較先進(jìn)的水平鉆井，一個(gè)水力壓裂井一次需要1.9×104m3水，大約是一個(gè)1×109W煤電站12h的用水量。頁巖氣開發(fā)中所需的用水量總體與頁巖埋深成正比的。我國頁巖氣埋藏深度普遍較深，在這些地區(qū)進(jìn)行水力壓裂開采頁巖氣所需求的用水量比普通油氣井的開采用水多50倍以上。水力壓裂作業(yè)所使用的壓裂液在回收后因?yàn)槌鄢杀具^高一般不會(huì)進(jìn)行再利用。而后期頁巖氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程都會(huì)對(duì)水資源進(jìn)行消耗，這將加劇生產(chǎn)地區(qū)貧水問題。

2 水力壓裂存在污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)

水資源污染是目前頁巖氣開發(fā)中后果最嚴(yán)重也最具爭(zhēng)議的問題。首先，壓裂液在地層中撐開儲(chǔ)層裂縫的過程中有進(jìn)入儲(chǔ)層附近地下水的風(fēng)險(xiǎn)。有研究指出，在美國已開發(fā)運(yùn)營部分的頁巖氣井周邊地下水中探測(cè)到壓裂液添加劑成分，雖然出現(xiàn)泄露的井眼只占很小的比率，但壓裂液中所用化學(xué)物質(zhì)成分十分復(fù)雜且大多對(duì)人體有害。因此，其風(fēng)險(xiǎn)不容小視。此外，水平井和豎井鉆進(jìn)所使用的套管和固井缺陷也會(huì)造成流體泄漏，導(dǎo)致地下水污染，其主要原因是套管損傷導(dǎo)致流體泄漏、固井不完善使套管和儲(chǔ)集層間存在流體流動(dòng)空間。Jackson等分析144口淺層飲用水井發(fā)現(xiàn)距離頁巖氣井1km范圍內(nèi)的飲用水井中的甲烷濃度是1km范圍外的6倍。地下水具有運(yùn)移速度快、流域分布廣的特點(diǎn)。一旦發(fā)生上述污染事件，后果不堪設(shè)想。

3 大型水力壓裂造成土地破壞與污染

大型水力壓裂施工在改造儲(chǔ)層同時(shí)會(huì)破壞原有土體結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)層新生的裂隙會(huì)影響該地層巖石強(qiáng)度，如果作用巖層足夠厚，很可能造成地層下陷問題。壓裂井周圍土壤中的營養(yǎng)元素隨壓裂液流失，這最終會(huì)導(dǎo)致地表植被被破壞形成“人工裸地”，同時(shí)會(huì)加劇西北地區(qū)水土流失的發(fā)生。因?yàn)樗毫炎鳂I(yè)的目的層井底具有較高壓力系數(shù)，如果井底流體壓力調(diào)整不當(dāng)將會(huì)造成壓裂液不受控地回流，最后發(fā)生井噴事故。2011年4月美國切薩皮克公司開發(fā)的一口氣井發(fā)生井噴事故，數(shù)千加侖壓裂液噴出后灌入周圍土地，造成嚴(yán)重的污染事故。水力壓裂作業(yè)中井底迅速升高的壓力所導(dǎo)致的地層應(yīng)力瞬間變化會(huì)誘發(fā)微震。壓裂作業(yè)前儲(chǔ)層描述存在很多不確定性，美國多處頁巖氣開采點(diǎn)發(fā)生的一連串輕微地震也被學(xué)者們認(rèn)為與水力壓裂技術(shù)的使用有關(guān)?，F(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壓裂裂縫發(fā)展，需要進(jìn)一步研究裂縫的擴(kuò)展的機(jī)理、對(duì)壓裂液運(yùn)移和井底流體溫、密度進(jìn)行建模。

4 其他環(huán)境問題

大型水力壓裂運(yùn)轉(zhuǎn)所需的大量重型機(jī)械難免帶來較大噪音。由于頁巖氣開采的特性，多臺(tái)壓裂設(shè)備同時(shí)工作會(huì)對(duì)周圍的居民造成影響，我國四川地區(qū)就出現(xiàn)過開采點(diǎn)周邊居民抱怨開采施工噪音過大不而讓工程設(shè)備進(jìn)村的事件。頁巖氣開發(fā)結(jié)束后遺棄的廢棄泥漿包含各種無機(jī)鹽、烴類及其聚合物、重金屬離子等危害人體健康的成分，這些污染物也需要在完井后統(tǒng)一妥善處理。

在資源開發(fā)的同時(shí)減少對(duì)自然環(huán)境的影響已經(jīng)成為全球能源公司開發(fā)作業(yè)的共識(shí)。為了盡量降低水力壓裂作業(yè)對(duì)環(huán)境的污染和破壞，提出以下環(huán)保建議：

①要建立完善的頁巖氣開發(fā)環(huán)境評(píng)價(jià)模型與開采方法評(píng)價(jià)體系，因地制宜的選擇開采方法，不能一味追求低成本而一律使用大型水力壓裂作為增產(chǎn)手段。②要積極探索頁巖氣增產(chǎn)的新技術(shù)，如各類無水壓裂技術(shù)。以目前研究較多的超臨界CO2壓裂為例。因?yàn)槠渥鳛閴毫岩翰缓嗪凸滔?，因此從根本上杜絕了污染地下水的問題。無水壓裂技術(shù)具有更環(huán)保、對(duì)儲(chǔ)層損傷較低等特點(diǎn)，應(yīng)該結(jié)合國情因地制宜使用新技術(shù)，減少在開發(fā)過程中的污染問題。③要完善井場(chǎng)突發(fā)事件應(yīng)急方案，氣體泄露、井噴、地下水污染等事件建立完善的預(yù)防和應(yīng)急處理方案，使施工單位能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決突發(fā)問題。頁巖氣的開發(fā)是我國能源改革的新機(jī)遇，應(yīng)結(jié)合資源現(xiàn)狀完善開采前監(jiān)督、開采中控制和開采善后工作，爭(zhēng)取新的突破。

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收稿日期：2018-4-24