水力壓裂法在頁巖氣開發(fā)應(yīng)用時(shí)的誘震分析

成昌帥(山東科技大學(xué)，山東 青島 266000)

0 引言

多年來，由于技術(shù)、水源和地質(zhì)特點(diǎn)等原因，頁巖氣的開采一直受到很大的挑戰(zhàn)。隨著開采技術(shù)的不斷成熟，水力壓裂法在頁巖氣開采中扮演著重要的角色。而水力壓裂所產(chǎn)生的水源浪費(fèi)，誘發(fā)地震等問題也被凸顯出來。鑒于目前水力壓裂法對于頁巖氣開采中不可或缺的作用，研究其誘發(fā)地震可能性對于頁巖氣的開采具有重要作用。

1 水力壓裂法的特點(diǎn)及介紹

水力壓裂法是頁巖氣的主要開發(fā)方式。由于美國頁巖氣開發(fā)的成功，水力壓裂法在世界上越來越流行起來。

水力壓裂技術(shù)是指將壓裂液(包括水、化學(xué)物質(zhì)和沙子等)用加壓方法通過鉆井注入地下，造成油、氣層附近的巖層開裂，并使沙子或其他物質(zhì)支撐裂口，增大油、氣開采聚集的通道的一種技術(shù)。在開采頁巖氣時(shí)候，該技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。

1.1 壓力與裂縫

在具有天然裂縫的頁巖層中，頁巖氣具有極低的滲透率。而水力壓裂技術(shù)通過高壓加壓使巖石產(chǎn)生較大應(yīng)力差，導(dǎo)致巖石失穩(wěn)，生成人工裂縫。此時(shí)的人工裂縫與天然裂縫便構(gòu)成新的裂縫網(wǎng)絡(luò)[1]。同時(shí)，流體形態(tài)也發(fā)生改變，并且裂縫將更多的油氣聚集帶給相互貫通起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的飛躍。水力壓裂產(chǎn)生的微裂縫所影響的巖體空間范圍尺度在地殼內(nèi)是很小的，而且這些微裂縫的位移是毫米級的。在裂縫的形成過程中所產(chǎn)生的微震通常是零級以下，這與常見的構(gòu)造地震相差甚遠(yuǎn)。

1.2 壓裂液

壓裂液是水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力傳遞的載體，通常是由水、化學(xué)物質(zhì)和沙子等混合而成。壓裂液包括造縫的前置液、支撐的攜砂液和頂替的頂替液三種。液壓時(shí)都會(huì)用到大量的水，壓裂后將減少液壓，讓部分注入液體返排，然而大多數(shù)返排液都會(huì)灌注到地下處理。值得注意的是，雖然在高壓壓裂液的作用下，只是在管道的鄰近小范圍區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微裂縫，但是由于流體的可壓縮性較低，實(shí)際上壓裂液的超高壓力可以傳播的更遠(yuǎn)，進(jìn)而改變其它區(qū)域的地應(yīng)力狀態(tài)。

2 水壓致裂的問題

2.1 水污染

施工過程中，壓裂液會(huì)不可避免通過斷裂處滲入到地下水中，其中的各種化學(xué)添加劑會(huì)造成嚴(yán)重的地下水污染。在壓裂液的返排過程中，也會(huì)攜帶部分頁巖地層的鹽水。不經(jīng)處理便排入地表水系內(nèi)的返排液將會(huì)對當(dāng)?shù)氐乇硭翟斐晌：?。一些通過地下灌注井來廢棄處理返排液的手段，并不是一種安全可靠的方法，甚至可能會(huì)由于液體的灌注而降低巖石強(qiáng)度，加速斷裂的生長。

2.2 大氣污染

頁巖氣的主要成分是以甲烷為主的烷烴。利用水壓致裂法開采過程中，難免會(huì)導(dǎo)致部分甲烷氣體的釋放。即使泄露的甲烷只是少量，但鑒于甲烷強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，它所帶來的危害不可忽略[2]。而且，甲烷對于大氣平流層中臭氧層的破壞力也是不容小覷的，它會(huì)漸漸使得臭氧層失去對太陽紫外線侵襲的防護(hù)作用，從而危害人類健康。

2.3 可用水資源匱乏

水力壓裂技術(shù)所使用的壓裂液主要以水為主，每次的壓裂作業(yè)都會(huì)消耗大量的水資源[3]。在美國，通常一口頁巖井就需要一到兩萬噸水，其中絕大部分都是用于壓裂階段。在不同的開采作業(yè)區(qū)，返排液中壓裂作業(yè)用水和其它物質(zhì)的占比在3%～80%之間不等。而大部分均會(huì)灌注到地下作廢棄處理。

2.4 誘發(fā)地震

隨著頁巖氣開發(fā)過程中各種頻發(fā)地震現(xiàn)象的出現(xiàn)，水力壓裂法是否會(huì)誘發(fā)地震這一爭論得到了越來越多研究人員的關(guān)注。不可否認(rèn)，在運(yùn)用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行頁巖氣開發(fā)的過程中，會(huì)伴隨一系列微地震活動(dòng)的產(chǎn)生。然而，對于這些地震是否的確為資源開發(fā)過程中產(chǎn)生的，水力壓裂技術(shù)又是如何導(dǎo)致地震的發(fā)生，以及我們該如何判斷及防治此類問題，目前還沒有得出統(tǒng)一的科學(xué)定論。

3 誘震淺析

水力壓裂法本身引起地震的可能性不太高，但是水力壓裂和廢水處理過程加快了自然地震進(jìn)程，使其在比自然條件下更容易發(fā)生地震。當(dāng)然，在一定的條件下，開采的過程亦可能誘發(fā)地震。目前所發(fā)生的地震絕大部分屬于構(gòu)造地震，構(gòu)造地震通常有著大量的余震，但前震比較罕見[4]。然而，注水誘發(fā)地震本身不易觸發(fā)余震。這也表明了開采過程與地震的發(fā)生存在著某種關(guān)聯(lián)。

由于地殼的拉伸與擠壓碰撞，巖層中往往聚集了巨大的能量。當(dāng)這種能量達(dá)到一定程度，地殼中某些相對薄弱的地帶或者破碎帶，便會(huì)突然發(fā)生破裂，或者引發(fā)原有斷層的錯(cuò)動(dòng)，這就是地震?？偟膩碚f，地震的發(fā)生由于巖石無法承受過高的應(yīng)力水平而導(dǎo)致的，也就是現(xiàn)階段巖石所儲(chǔ)存的能量與巖石的強(qiáng)度之間的比較關(guān)系。

3.1 巖石的強(qiáng)度

在施工過程中，不論是通過高壓壓裂巖石還是后期的廢水處理過程，都會(huì)向地下注入大量以水為主的壓裂液。當(dāng)其進(jìn)入到巖石的孔隙或裂隙中時(shí)，會(huì)使得巖石產(chǎn)生更高的孔隙水壓力。由有效應(yīng)力原理可知，此時(shí)巖石固體顆粒間所承受的壓力便會(huì)得到釋放，巖石的強(qiáng)度也隨之降低，巖層也會(huì)在比自然壓力更低的水平下發(fā)生地震。

特別的，對于存在斷裂的施工區(qū)，水的注入無疑會(huì)起到“潤滑”斷層線的作用，使得斷層更容易發(fā)生滑移。當(dāng)外界施加的壓力較大時(shí)，就容易引發(fā)地震。

3.2 巖石現(xiàn)階段所儲(chǔ)存的能量

3.2.1 構(gòu)造應(yīng)力場

由于所注入水的自重和超高的流體壓力，會(huì)使得巖層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生調(diào)整。進(jìn)行應(yīng)力的重新分配，得到新的構(gòu)造應(yīng)力場。應(yīng)力的集中在巖層的薄弱區(qū)便顯得尤為重要。巖層自身所儲(chǔ)存的能量越來越大，直至達(dá)到其破壞強(qiáng)度，進(jìn)行應(yīng)力的釋放，進(jìn)而產(chǎn)生地震

3.2.2 差異應(yīng)力

水壓致裂向地下注入的高壓流體會(huì)制造出新的裂縫網(wǎng)絡(luò)。由于壓裂液的高壓作用，裂縫的頂端位置便會(huì)產(chǎn)生較大的差異應(yīng)力，巖石的部分特定位置所存儲(chǔ)的能量快速增長，極易使得巖石失穩(wěn)，產(chǎn)生新的破裂。如此周而復(fù)始，直至流體的高壓力完全釋放。

3.2.3 流體的低壓縮性

我們知道，流體有著較低的可壓縮性，流體超壓力的增加可以使得壓力比其自身傳播更遠(yuǎn)的距離。當(dāng)然，距離壓裂區(qū)越 遠(yuǎn)，高壓流體所帶來的壓力影響越小，直至消失。因此，壓力的增加與巖體內(nèi)能量的聚集是一個(gè)較大的巖石體，注入地下的流體無需接觸到斷層，也有誘發(fā)地震的可能。

3.3 誘震判斷

由此我們可知，采用水力壓裂法進(jìn)行頁巖氣的開發(fā)，無疑會(huì)增大地震發(fā)生的可能性，加快地震產(chǎn)生的進(jìn)程。但是，在判斷某地區(qū)進(jìn)行頁巖氣開發(fā)是否會(huì)誘發(fā)地震時(shí)候，還要綜合考量該地區(qū)實(shí)際的地質(zhì)條件，包括巖性、巖石強(qiáng)度和巖層應(yīng)力分布特征等，特別要關(guān)注是否存在斷裂帶以及斷裂帶的發(fā)育情況。同時(shí)，還應(yīng)該考慮到水力壓裂所采用的壓裂液特性、注入的持續(xù)時(shí)間、注入的壓裂液體積、所加壓力大小以及廢水處理的手段，不同的壓裂液對于巖石的軟化程度不盡相同，不合理的廢水處理有更大的可能會(huì)引發(fā)地質(zhì)活動(dòng)。

4 新技術(shù)的展望

4.1 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)

超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)是一種將壓裂液替換為超臨界態(tài)二氧化碳的無水壓裂技術(shù)[5]。常溫常壓下二氧化碳為正常氣體，當(dāng)將其增溫及加壓至一定程度時(shí)候，二氧化碳就會(huì)達(dá)到超臨界狀態(tài)，成為超臨界二氧化碳流體。此狀態(tài)下的二氧化碳擁有著奇特的特性—密度接近于水；粘度接近于氣體；表面張力接近于零。運(yùn)用超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)進(jìn)行資源開發(fā)作業(yè)時(shí)候，有著很多優(yōu)點(diǎn)，如：化學(xué)穩(wěn)定性高；對儲(chǔ)層既沒有傷害又沒有任何污染；溶解能力強(qiáng)、增強(qiáng)油氣通道的滲流能力等。

4.2 LPG壓裂技術(shù)

采用以甲烷為主要成分的LPG(即液化石油氣)為壓裂液[6]。此技術(shù)避免了在壓裂過程中大量使用水的弊端，當(dāng)然，后續(xù)也無需進(jìn)行飛廢水處理，有效的降低了資源開采的成本。LGP在地下與水力壓裂有著作用相同的作用，它可以與頁巖氣一起返排至地面，對地層沒有任何傷害。LPG 壓裂液技術(shù)相比于二氧化碳壓裂技術(shù)有著更好的優(yōu)勢：摩阻較低、粘度高。然而，液化石油氣具有較強(qiáng)的可燃性，使用時(shí)有一定的危險(xiǎn)性，因此，在開發(fā)過程中防火問題至關(guān)重要。

5 結(jié)語

隨著我國資源的不斷開發(fā)與利用，頁巖氣作為一種清潔能源和化工原料，在人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中扮演著越來越重要的角色。水力壓裂技術(shù)作為關(guān)鍵的開采技術(shù)之一，雖然仍存在著類如水資源浪費(fèi)、誘發(fā)地震等諸多問題，但可有效的增加頁巖氣的開采量。為了進(jìn)一步提高水力壓裂法的可行性與安全性，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探究該技術(shù)與誘發(fā)地震之間的關(guān)系，建立完備的風(fēng)險(xiǎn)防治辦法。同時(shí)，為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，應(yīng)大力推動(dòng)新技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中的研發(fā)和運(yùn)用。