頁巖氣開發(fā)是否會(huì)誘發(fā)地震

李斯洋

美國“頁巖氣革命”的成功，讓貧油少氣的中國，將紓解自身巨大能源需求的希望寄托在頁巖氣上。各種數(shù)據(jù)顯示，中國的頁巖氣儲(chǔ)藏量位居世界第一，中國也一度對(duì)頁巖氣開發(fā)前景非常樂觀，制定了很多宏偉目標(biāo)。

但高儲(chǔ)量并不意味著高產(chǎn)量，究其原因，中國復(fù)雜的地質(zhì)地貌條件、水資源約束、開采成本與技術(shù)瓶頸都成了頁巖氣開發(fā)之路上的障礙。

與美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)的大平原地貌相比，中國頁巖氣的開采大多分布在崎嶇不平的西南山區(qū)，只能平整出大約足球場大小的作業(yè)空間，大型裝備很難進(jìn)入。而美國頁巖氣儲(chǔ)層埋深僅在一兩千米，中國四川盆地的頁巖氣儲(chǔ)層埋深為三四千米甚至更深，構(gòu)造變形和斷層發(fā)育也比美國復(fù)雜得多。

不一樣的自然環(huán)境不僅抬高了中國頁巖氣的開采成本，還讓頁巖氣與地震的關(guān)系成為一個(gè)亟待中國自己開展研究的新課題。

能否誘發(fā)地震尚無定論

由美國擴(kuò)展至全球的“頁巖氣革命”，得益于水平井水力壓裂技術(shù)的突破，這也是目前全世界開采頁巖氣的最主要方法。

水力壓裂的原理并不復(fù)雜：先是從地面向下打井，進(jìn)入儲(chǔ)藏頁巖氣的地層里，再在其中水平打井;再用高壓泵將99%是水的壓裂液順井筒打入儲(chǔ)層之中。巨大的壓力使巖石產(chǎn)生一系列裂縫，將封閉在巖石孔隙中的頁巖氣聯(lián)通起來，壓裂液中的石英砂和陶粒隨水進(jìn)入這些裂隙，將裂隙撐開。隨后，這些壓裂液會(huì)被抽回地表，頁巖氣就會(huì)從裂縫中釋放并順著井筒被采集出來。

“水力壓裂制造微裂隙的過程中，一定會(huì)伴隨微地震的活動(dòng)，但這種微地震與天然的構(gòu)造地震不可同日而語?！卑拇罄麃喞ナ刻m大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)院的趙爭光博士告訴《中國新聞周刊》：“水力壓裂產(chǎn)生的這種地震，震級(jí)一般都會(huì)在零級(jí)以下，相當(dāng)于放鞭炮釋放的能量，在地面上的人是沒有感覺的。”

2018年4月，頁巖氣開采隊(duì)的隊(duì)員們?cè)谠瀑F高原烏蒙山深處山路上前行。

中石油東方物探水力壓裂微地震監(jiān)測專家余剛在接受《中國新聞周刊》采訪時(shí)解釋說：“我們?cè)谒拇ㄗ隽舜罅康膶?shí)際數(shù)據(jù)采集，水力壓裂產(chǎn)生的微裂縫水平方向延伸一兩百米，高度一般延伸幾十米，整個(gè)被改造體積在地殼尺度上范圍很小。這些微破裂的位移都是毫米級(jí)的，壓裂的應(yīng)力也很有限。而4級(jí)地震這么大的破壞，錯(cuò)位都是幾十個(gè)厘米，起碼得好多個(gè)原子彈的能量才能引發(fā)這一場地震?！庇鄤傔€指出，四川頁巖氣開采的水力壓裂位置在地下兩三千米，而天然地震的震源往往深得多。

由人類活動(dòng)所引發(fā)的地震即“人工地震”，包括人工激發(fā)地震和人工誘發(fā)地震。前者是指用人工爆炸的方法制造的地震，如核爆炸和炸藥爆破等;后者是指由于礦山開發(fā)、油氣開采或水庫蓄水等導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力場變化而誘發(fā)的地震，往往事發(fā)區(qū)域內(nèi)有先存斷層分布。由于頁巖氣開采的水力壓裂作業(yè)強(qiáng)度比常規(guī)油氣田大得多，故水力壓裂誘發(fā)地震的問題在北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)已得到了很多關(guān)注。

2016年，在加拿大卡爾加里大學(xué)做博士后的鮑學(xué)偉在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了題為《加拿大西部水力壓裂引起斷層活化》的文章。該研究對(duì)比了加拿大西部的地震數(shù)據(jù)與水力壓裂數(shù)據(jù)，表明地震在時(shí)空上都集中在水力壓裂點(diǎn)附近，水力壓裂作業(yè)引起的地應(yīng)力變化可以使天然斷層滑動(dòng)超過1000米;水力壓裂的施工壓力作用于天然斷層，可產(chǎn)生持續(xù)數(shù)月的地震。記者聯(lián)系上如今已是浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院研究員的鮑學(xué)偉，他表示不便接受采訪。

但另一篇文章的觀點(diǎn)正好與之相左。2017年，加拿大阿爾伯塔大學(xué)教授Mirko Van der Baan課題組在美國地球物理學(xué)會(huì)期刊《地球化學(xué)、地球物理學(xué)、地球系統(tǒng)》發(fā)表了《美國與加拿大的人工誘發(fā)地震與大規(guī)模油氣開采》一文。該研究統(tǒng)計(jì)了北美兩國油氣開采最活躍地區(qū)近50年的地震發(fā)生頻率，發(fā)現(xiàn)日益增加的油氣開采活動(dòng)與地震沒有相關(guān)性。不過，令人關(guān)注的是，Baan團(tuán)隊(duì)的資助方有殼牌、雪弗龍和赫斯基等國際石油巨頭的背景，而鮑學(xué)偉的研究經(jīng)費(fèi)則來自加拿大自然科學(xué)與工程研究理事會(huì)及卡爾加里大學(xué)。

就北美地區(qū)的情況來說，水力壓裂誘發(fā)地震仍屬少數(shù)案例。英國杜倫大學(xué)能源學(xué)院2013年公布的統(tǒng)計(jì)資料顯示，在自1929年以來的198例公開發(fā)表的研究案例中，水力壓裂誘發(fā)的地震僅3例，震級(jí)為2～4級(jí)。鮑學(xué)偉也在上述文章中提到：在加拿大西部，大于三級(jí)的誘發(fā)地震中僅僅與0.3%的水力壓裂井有關(guān)。

不過，趙爭光同時(shí)指出，“頁巖氣開采會(huì)有兩次注水，第一次是在產(chǎn)出頁巖氣之前，即水力壓裂。這些水還要抽出來，由車運(yùn)到另一個(gè)地方集中，再回灌到地下，稱為‘廢水回注。這是油氣田常用的廢水處理方法，如果注水區(qū)存在天然斷層，廢水進(jìn)入后就會(huì)產(chǎn)生高孔隙壓，對(duì)斷層起到潤滑作用。例如，美國俄克拉荷馬州的小型地震就是由廢水回注誘發(fā)的，已經(jīng)發(fā)表了很多論文，美國地質(zhì)調(diào)查局都承認(rèn)這一結(jié)論。”

但余剛認(rèn)為，這一情況并不適用于中國。中國的頁巖氣開采井場大都在山上，需要把水拉上去，成本很貴，不像美國那邊河流多，沒有什么山，也不需要長途運(yùn)輸，所以中國頁巖氣開采的用水都要嚴(yán)格控制，水要循環(huán)利用。

一位不愿透露姓名的地震研究專家強(qiáng)調(diào)說：“頁巖氣開采和地震的關(guān)系問題需要在具體地區(qū)進(jìn)行具體研究，因?yàn)椴煌膸r石與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能差別很大。即使知道一般原理，還需要得到具體的觀測數(shù)據(jù)?！?p>

重慶涪陵的一處頁巖氣平臺(tái)，施工中的鉆井工人。

數(shù)據(jù)難尋

檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國頁巖氣開采與地震的相關(guān)性的研究數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于美國和加拿大。在為數(shù)不多的中國案例研究中，期刊影響因子最高的是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所上級(jí)研究員雷興林2017年發(fā)表在《科學(xué)報(bào)道》（Scientific Report）的《中國四川盆地頁巖氣水力壓裂導(dǎo)致斷層再活化并誘發(fā)MW4.7級(jí)地震》。該研究地區(qū)位于四川盆地上羅及其周邊頁巖氣區(qū)塊，研究認(rèn)為，在地下2.3～3公里深度范圍內(nèi)的水力壓裂短期（每個(gè)井?dāng)?shù)月）注水過程，可以誘發(fā)一系列最高可達(dá)MW4.7級(jí)的地震。

文章呼吁：“因?yàn)樗拇ㄅ璧刂械乃毫炎鳂I(yè)正如火如荼展開，研究也將有利于地球科學(xué)、天然氣公司、管理部門和學(xué)術(shù)界共同探討顯著的注水誘發(fā)地震的地區(qū)因素，以確保頁巖氣水力壓裂有效進(jìn)行和安全實(shí)施。”

該論文第一作者雷興林2013年在接受媒體采訪時(shí)表示，由于相關(guān)企業(yè)對(duì)油氣開采和注水作業(yè)數(shù)據(jù)諱莫如深，研究者往往等到頻繁的小震活動(dòng)或中級(jí)規(guī)模地震發(fā)生后才介入研究。

地震專家在接受澎湃新聞采訪時(shí)曾指出，目前中國暫時(shí)沒有相關(guān)機(jī)制，保證科研人員可以從油田單位獲得這些數(shù)據(jù)。國內(nèi)頁巖氣的開采主要由“三桶油”（中石油、中石化和中海油）承擔(dān)，地震局往往顯得弱勢。此前某地發(fā)生地震后，地震局出面去油田單位查詢數(shù)據(jù)，也遭到拒絕。報(bào)道稱，目前僅有重慶市地震局與相關(guān)頁巖氣勘探單位建立了協(xié)調(diào)機(jī)制，共享數(shù)據(jù)以研究頁巖氣開采和地震之間的關(guān)系。

“在北美，石油公司的鉆井、壓裂數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)都是公開的，可以通過加拿大地震局或美國地質(zhì)調(diào)查局等部門下載這些數(shù)據(jù)，很多科學(xué)研究都可以申請(qǐng)和利用這些數(shù)據(jù)。但國內(nèi)這些數(shù)據(jù)全部都在石油公司手中，任何機(jī)構(gòu)，包括中國地質(zhì)調(diào)查局都拿不到這些數(shù)據(jù)?！壁w爭光說。

一位從事頁巖氣開采的油氣公司人員告訴《中國新聞周刊》，美國石油公司的資料須交給政府，這些數(shù)據(jù)可以共享和買賣;但在國內(nèi)，這些數(shù)據(jù)是每個(gè)油田的資產(chǎn)，是保密數(shù)據(jù)，只能內(nèi)部使用或共享給合作單位?！皩?duì)于頁巖氣開采與地震的關(guān)系，國家應(yīng)該立項(xiàng)研究，讓油田把數(shù)據(jù)拿出來。”

法規(guī)待完善

2015年8月17日，加拿大英屬哥倫比亞省發(fā)生里氏4.4級(jí)地震，震中距離一個(gè)頁巖氣井場僅3公里，該公司立即暫停了壓裂作業(yè)。根據(jù)該省法律規(guī)定，如果作業(yè)時(shí)發(fā)生的地震震級(jí)超過4.0級(jí)，必須停止一切壓裂作業(yè)，直到減災(zāi)預(yù)案到位才能恢復(fù)施工。英屬哥倫比亞省石油和天然氣委員會(huì)隨即著手調(diào)查油氣公司壓裂作業(yè)與此次地震之間的相關(guān)性。

趙爭光解釋說，北美的石油公司與壓裂服務(wù)公司在井場作業(yè)時(shí)，有一套“紅綠燈系統(tǒng)”的操作規(guī)范。比如在水力壓裂過程中，如果現(xiàn)場監(jiān)測到微地震事件大于等于0.5級(jí)時(shí)，就應(yīng)該立即停止壓裂;介于0到0.5級(jí)時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎注水，減小排量;小于0級(jí)時(shí)按原計(jì)劃進(jìn)行?！斑@個(gè)規(guī)范是公司自己需要遵循的操作規(guī)程，不是政府強(qiáng)行規(guī)定?！庇?015年1月的一次3.9級(jí)地震，使該國也很快采用了這套“紅綠燈系統(tǒng)”制度。

然而，據(jù)四川石油天然氣發(fā)展研究中心辦公室主任溫馨2017年12月在《中國國土資源經(jīng)濟(jì)》發(fā)表的文章，目前，中國還沒有專門的油氣監(jiān)管機(jī)構(gòu)，監(jiān)管力量分散，實(shí)行的是“企業(yè)自律監(jiān)管為主，政府監(jiān)管為輔”。

目前由于國內(nèi)缺乏專門針對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)的管理政策，許多實(shí)踐環(huán)節(jié)仍參考傳統(tǒng)油氣的操作規(guī)程，但實(shí)際上，傳統(tǒng)油氣開采的相關(guān)管理政策已不能滿足頁巖氣開采的需要。

例如，在環(huán)境評(píng)價(jià)方面，溫馨在文中指出：“我國國家層面尚未制定專門針對(duì)頁巖氣開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則，在實(shí)踐中環(huán)評(píng)機(jī)構(gòu)多參考采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則：陸地石油天然氣開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目（HJ/T 349-2007）》，對(duì)于頁巖氣滾動(dòng)開采存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)應(yīng)的環(huán)保措施未能充分反映?！?/p>

國土資源部礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量評(píng)審中心原主任張大偉向《中國新聞周刊》透露，生態(tài)環(huán)境部將計(jì)劃參考四川涪陵頁巖氣田的標(biāo)準(zhǔn)來制定，只是這套標(biāo)準(zhǔn)目前尚未出臺(tái)。

3月1日，自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心召開2019年工作會(huì)議。會(huì)議透露，中國首個(gè)生態(tài)約束性油氣資源指標(biāo)將在今年年底出爐。