油氣田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害問題及監(jiān)管政策建議

張健強(qiáng)，李 平，張 義，陸朝暉，蒙 春

（1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶401120；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，國土資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401120；3.國投重慶頁巖氣開發(fā)利用有限公司，重慶404100）

油氣田地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一種特殊類型。有關(guān)學(xué)者將油氣田地質(zhì)災(zāi)害定義為：在特定的地質(zhì)背景下,由于人們對(duì)油氣儲(chǔ)集層的地質(zhì)規(guī)律認(rèn)識(shí)不清或在油氣田開發(fā)過程中采取的工程措施不當(dāng)，而誘發(fā)形成的災(zāi)害性地質(zhì)事件[1]。油氣開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害并不普遍，但一旦發(fā)生，可能對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅：2003年12月發(fā)生的重慶開縣高含硫氣井井噴事故的影響至今仍讓石油行業(yè)從業(yè)者心有余悸，并成為石油行業(yè)井控課程必修案例。由于油氣田開發(fā)過程中的地質(zhì)災(zāi)害既有常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性、難以預(yù)測(cè)性，又有其獨(dú)特的誘發(fā)性、多樣性的特點(diǎn)[2]，因而其預(yù)防和監(jiān)管應(yīng)建立針對(duì)性的政策措施。

我國西南地區(qū)石油資源貧乏，但卻是中國天然氣儲(chǔ)量最豐富的地區(qū)之一,僅重慶地區(qū)探明天然氣儲(chǔ)量就占全國儲(chǔ)量的15%左右[3]。西南地區(qū)氣藏類型復(fù)雜，淺層氣、深層氣，低壓氣藏、異常高壓氣藏，高含硫氣藏，頁巖氣等分布類型復(fù)雜，開采技術(shù)難度大；同時(shí)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地表起伏大、斷裂帶多[4]；加之開發(fā)區(qū)人口稠密，環(huán)境復(fù)雜，為油氣田開發(fā)過程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和監(jiān)管帶來很大難度。

1 油氣開發(fā)主要地質(zhì)災(zāi)害類型

1.1 油氣田建設(shè)引起的滑坡

油氣開發(fā)過程中的滑坡災(zāi)害主要由人為因素影響產(chǎn)生：如井場(chǎng)及油田道路修建過程中，施工開挖導(dǎo)致自然斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)破壞（圖1）；棄土堆積、物探爆破導(dǎo)致坡體失穩(wěn)等。例如，延長(zhǎng)西區(qū)采油廠4206#井場(chǎng)滑坡（圖2）、頁巖氣JY87 平臺(tái)的滑坡。油氣田開發(fā)引發(fā)的滑坡公開報(bào)道不多，但在地表?xiàng)l件復(fù)雜的山區(qū)，油田公路、井場(chǎng)、管道建設(shè)過程中，不可避免的涉及山體開挖，引發(fā)地質(zhì)不穩(wěn)定。

西南多屬山地丘陵地區(qū)，年均降雨量大，地層以砂、泥巖為主，是我國崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)[5]。油氣田企業(yè)建設(shè)及政府監(jiān)管過程中，都應(yīng)將滑坡、崩塌等災(zāi)害納入重點(diǎn)防控范圍。

圖1 地表易坍塌層

1.2 誘發(fā)微地震

圖2 4206#井場(chǎng)滑坡（取自網(wǎng)絡(luò)）

研究表明，采礦、水庫加卸載、注水等人類活動(dòng)可能誘發(fā)地震。在油氣田開發(fā)過程中，廢水回注、壓裂等過程中，當(dāng)流體被高壓注入地下儲(chǔ)層時(shí)，可能引起地下流體壓力增加、地下應(yīng)力分布發(fā)生改變，導(dǎo)致地質(zhì)力學(xué)變化、斷層再活化，出現(xiàn)微地震甚至破壞性地震[6]。如2011 年的美國俄克拉荷馬州Mw5.7 地震被認(rèn)為是油氣田注水誘發(fā)的[7]。美國中部和加拿大西部油氣開發(fā)區(qū)、我國的華北油田和重慶榮昌地區(qū)都有注水誘發(fā)地震的有關(guān)研究。

一般來講,油氣田開發(fā)引發(fā)的地震規(guī)模不會(huì)太大,通常為3級(jí)以內(nèi)的無感地震。從地震學(xué)而言，目前對(duì)壓裂是否能引起中等強(qiáng)度以上地震仍存在很大爭(zhēng)議[8]。我國四川盆地西南部的長(zhǎng)寧背斜既是天然地震多發(fā)區(qū)，也是頁巖氣開發(fā)區(qū)，近年來發(fā)生多起中等強(qiáng)度的地震（圖3），2019年2月，榮縣境內(nèi)同一區(qū)域接連發(fā)生3次4 級(jí)以上地震，榮縣暫停頁巖氣開采作業(yè)，該區(qū)地震的成因爭(zhēng)議很大。

圖3 川南地區(qū)2011年1月～2019年5月地震分布（何登發(fā)，2019年）

西南川渝地區(qū)是我國頁巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，而且屬于地震多發(fā)區(qū)。目前，川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)正在向深層（大于3500m垂深）、更大壓裂規(guī)模方向發(fā)展，由此可能帶來的地質(zhì)環(huán)境問題應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

1.3 地下水環(huán)境影響

油氣田開發(fā)，特別是頁巖氣開發(fā)可能引起地下水環(huán)境污染問題一直存在眾多爭(zhēng)議[9]?！叭珖叵滤廴痉乐我?guī)劃(2011-2020 年)”將石油化行業(yè)勘探、開采及生產(chǎn)等活功列為顯著影響地下水水質(zhì)，威脅地下水環(huán)境安全的重點(diǎn)行業(yè)之一，而目前油氣田開發(fā)過程中，“重開發(fā)、輕管理”現(xiàn)象仍普遍存在[10]，對(duì)油氣開發(fā)區(qū)地下水環(huán)境的監(jiān)測(cè)監(jiān)控少，管理難度大。美國等頁巖氣開發(fā)過程中曾出現(xiàn)水污染事故，引發(fā)民眾的擔(dān)憂。美國杜克大學(xué)的研究人員分析了馬塞勒斯產(chǎn)氣區(qū)的141口私人飲用水井，發(fā)現(xiàn)約82%水井的水樣中含有甲烷。氣井周圍半徑1km內(nèi)飲用水的甲烷濃度是正常水平的6倍，乙烷濃度是正常水平的23倍（Robert B.Jacksona，2013年）。

水平井鉆井和體積壓裂是頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，具有總液量大[（3.0～6.0）×104m3]、液體成分復(fù)雜、污染風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)多、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)（張健強(qiáng)等，2019 年）。在西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶地貌分布廣泛，淺層地表溶洞多、暗河多、裂縫多的條件下，增加了地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 其他地質(zhì)災(zāi)害

井噴及地下氣體溢出是油氣田開發(fā)過程中的另一類地質(zhì)災(zāi)害。井噴是石油天然氣行業(yè)最大的威脅，可能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡以及環(huán)境污染等問題（圖4）。中石油重慶開縣“12.23”特大井噴事故、英國石油公司“深水地平線”鉆井平臺(tái)井噴爆炸事故都導(dǎo)致重大人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失或生態(tài)災(zāi)難。

圖4 井噴失控著火（取自網(wǎng)絡(luò)）

地下氣體（流體）在鉆遇裂縫、套管不完善、封井不完整等條件下可能溢出地表，導(dǎo)致失火、中毒等風(fēng)險(xiǎn)。天然氣溢出導(dǎo)致的“地火”現(xiàn)象（圖5），威脅油氣開發(fā)區(qū)生命和財(cái)產(chǎn)安全。

另外，油氣田經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間開發(fā)還會(huì)產(chǎn)生其他地質(zhì)問題，如油氣田開發(fā)引起的地表沉陷或抬升（大慶油田因長(zhǎng)期進(jìn)行油氣開發(fā)造成大面積地表變形）、地表出水(油)等。

圖5 天然氣溢出（土庫曼斯坦）

2 油氣田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的成因分析

油氣田地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制復(fù)雜多樣，在不同地區(qū)或同一地區(qū)的不同時(shí)期是不斷變化的，研究揭示油氣田地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制就能達(dá)到識(shí)別、預(yù)防和治理地質(zhì)災(zāi)害的目的。

2.1 地質(zhì)因素

油氣田地質(zhì)特征，包括地表地質(zhì)、深部構(gòu)造等是地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在成因，本質(zhì)上控制了災(zāi)害的形成與發(fā)展。西南地區(qū)巖性多變、構(gòu)造復(fù)雜，在此類地表和地質(zhì)環(huán)境中易產(chǎn)生油氣田地質(zhì)災(zāi)害。如在地層高陡、巖性復(fù)雜、雨量充沛的地區(qū)容易產(chǎn)生滑坡、崩塌災(zāi)害；高壓、高含硫、地應(yīng)力復(fù)雜地區(qū)鉆井易出現(xiàn)事故，發(fā)生井噴失控風(fēng)險(xiǎn)等。

2.2 工程因素

工程因素是油氣田地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)條件，油氣田開發(fā)的方式、工程強(qiáng)度、工程措施類型等都可能成為致災(zāi)因素?，F(xiàn)有油氣田開發(fā)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的案例證明,地質(zhì)災(zāi)害，如微小型地震、地面出水、天然氣溢出等均是在地下注入流體強(qiáng)度較大，輔以活動(dòng)斷層、裂縫發(fā)育等條件下發(fā)生的。榮昌（雷興林等，2011年）、華北油田（張德元等，1985年）等注水誘發(fā)微地震的研究均表明，注水與地震時(shí)空關(guān)系一致性較好。

3 油氣田開發(fā)安全監(jiān)管建議

2018 年，我國石油和天然氣對(duì)外依存度分別達(dá)到69.8%和45.3%，國家能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻。為了獲得更多更好的油氣資源，油氣勘探開發(fā)的程度將越來越深，油氣田地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生也會(huì)日益增多。因此，油氣田企業(yè)及政府監(jiān)管部門必須加強(qiáng)研究地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因素，建立有效的監(jiān)測(cè)防控制度，逐步實(shí)現(xiàn)油氣田開發(fā)地質(zhì)環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防范，保障油氣資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展。

3.1 加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)研究

地質(zhì)因素是油氣田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)因，必須加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的基礎(chǔ)研究。油氣田開發(fā)企業(yè)在制定開發(fā)方案，特別是目前非常規(guī)油氣開發(fā)方案時(shí)，建議加強(qiáng)油氣開發(fā)全過程誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研究，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的先期預(yù)防；政府監(jiān)管部門應(yīng)當(dāng)從開發(fā)活動(dòng)監(jiān)管、安全監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)管等角度，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制、災(zāi)害規(guī)律等方面的研究，為企業(yè)的開發(fā)活動(dòng)提供指導(dǎo)和幫助，為區(qū)域公眾安全保駕護(hù)航。

3.2 制定有效預(yù)防監(jiān)管措施

油氣田地質(zhì)災(zāi)害的本質(zhì)是人類活動(dòng)，因而多具有可預(yù)防性。油氣田開發(fā)企業(yè)在制定開發(fā)計(jì)劃時(shí)，應(yīng)做好地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作，對(duì)油氣井場(chǎng)修建、公路鋪設(shè)、鉆井、壓裂、廢水回注、輸油氣管道鋪設(shè)等全過程中，做好地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防，并制定有效的應(yīng)急措施，實(shí)現(xiàn)油氣勘探開發(fā)與災(zāi)害防治并重；政府監(jiān)管部門應(yīng)做好油氣田開發(fā)過程的監(jiān)管，制定監(jiān)管辦法，涵蓋油氣開發(fā)事前、事中、事后全過程管理，保障在油氣田勘探開發(fā)方案審查審批、重點(diǎn)工程實(shí)施、重要設(shè)施建設(shè)、重點(diǎn)熱點(diǎn)問題處置等過程中，監(jiān)管到位、政策有力。

3.3 保障監(jiān)測(cè)監(jiān)控到位

資源開發(fā)過程中的安全與環(huán)境是政府監(jiān)管的重中之重，雖然我國針對(duì)石油天然氣開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防擁有眾多法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范，但受油氣田開發(fā)企業(yè)體制機(jī)制影響，地方政府在監(jiān)管方面手段仍然不多。比如，頁巖氣開發(fā)過程是否誘發(fā)地震？油氣田開發(fā)對(duì)地下水的影響如何？相關(guān)的研究及資料都較少。鑒于此，建議政府監(jiān)管部門針對(duì)重點(diǎn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、重點(diǎn)公眾關(guān)注問題，如水環(huán)境、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、場(chǎng)地污染、溫室氣體排放等進(jìn)行長(zhǎng)期、科學(xué)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，或與油氣田開發(fā)企業(yè)協(xié)作，建立油氣田開發(fā)的全方位立體監(jiān)測(cè)，掌握油氣開發(fā)動(dòng)態(tài)，變被動(dòng)應(yīng)急為主動(dòng)監(jiān)管和預(yù)防，更好的履行監(jiān)管職責(zé)，逐步完善油氣監(jiān)管政策。

3.4 逐步實(shí)現(xiàn)油氣開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警

油氣田地質(zhì)災(zāi)害長(zhǎng)期、科學(xué)監(jiān)測(cè)與地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制、時(shí)空規(guī)律、演化模擬等研究的深入結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)油氣地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和預(yù)警。北美的石油公司與壓裂服務(wù)公司制定的“紅綠燈系統(tǒng)”是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警的有益嘗試，它根據(jù)壓裂或注水過程中地震監(jiān)測(cè)的強(qiáng)度對(duì)油氣田生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)整（仍屬于企業(yè)自律）。由于油氣田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的偶發(fā)性、突發(fā)性等特點(diǎn)，油氣田地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法仍需要開發(fā)企業(yè)和監(jiān)管部門共同加強(qiáng)研究。