西部地區(qū)油氣資源開發(fā)與水資源協(xié)同發(fā)展模式探索

朱永楠，蘇健，王建華，李國欣，劉合，何國華，姜珊，張國生，馬建國

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中國石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083；3.中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100027）

一、前言

能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，攸關(guān)國計(jì)民生和國家戰(zhàn)略競爭力[1]。在我國能源格局中，西部鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地所在的內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅、寧夏、新疆、青海、四川等地區(qū)（本文簡稱為西部地區(qū)）是油氣資源的富集區(qū)[2]，資源探明率低，勘探開發(fā)潛力大，對于保障我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略地位。同時(shí)，西部地區(qū)作為我國水資源最短缺的地區(qū)[3]，多年平均降水量為365.8mm，水資源量為5.2747×1011m3，僅占全國水資源總量的19%。因此西部地區(qū)是我國能源與水資源協(xié)同安全最富挑戰(zhàn)的地區(qū)，目前水資源可利用量和生態(tài)環(huán)境保護(hù)已經(jīng)對區(qū)域油氣資源的開發(fā)形成了明顯約束 [4]。

識別西部地區(qū)水資源與能源保障風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建油氣產(chǎn)業(yè)與區(qū)域資源環(huán)境的協(xié)同發(fā)展政策與技術(shù)體系，是實(shí)現(xiàn)我國能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也是推進(jìn)西部大開發(fā)戰(zhàn)略穩(wěn)步實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。在中國工程院戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目“中國西部地區(qū)化石能源與水資源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略研究”的支持下，項(xiàng)目組從氣候、水資源、油氣、煤炭等多角度探討西部地區(qū)能源與水資源可持續(xù)發(fā)展的路徑。本文在宏觀研判我國西部地區(qū)油氣生產(chǎn)前景和布局的基礎(chǔ)上，以中國石油位于西部地區(qū)的7家油氣田企業(yè)為例，分析油氣田開發(fā)用水現(xiàn)狀和用水問題，提出保障西部地區(qū)油氣資源與水資源協(xié)同發(fā)展的技術(shù)策略和管控建議。

二、西部地區(qū)油氣發(fā)展與用水現(xiàn)狀

（一）西部地區(qū)油氣發(fā)展現(xiàn)狀

近年來我國能源需求快速增長，對外依存度不斷升高。穩(wěn)定和發(fā)展國內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)，對維持我國經(jīng)濟(jì)社會順利運(yùn)轉(zhuǎn)、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。

在我國能源格局中，西部地區(qū)是全國化石能源最富集的地區(qū)和重要戰(zhàn)略接替區(qū)，是能源的主要輸出區(qū)，已探明的石油資源儲量為6.672×1010t [5]，常規(guī)天然氣儲量為5.17×1013m3，頁巖氣儲量為7.77×1013m3，分別占全國的42%、76%和71%。2014年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》（國辦發(fā)[2014]31號）以及2016年國務(wù)院批復(fù)的《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020年）》（國函[2016]178號），都提出以塔里木、鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾等盆地為重點(diǎn)“增儲上產(chǎn)”區(qū)域，加大油氣勘探開發(fā)力度，提高油氣產(chǎn)量，并提出重點(diǎn)建設(shè)9個(gè)千萬級大油田、8個(gè)年產(chǎn)量百億立方米級天然氣生產(chǎn)基地，其中西部地區(qū)共有包括新疆、塔里木、長慶、延長等4個(gè)大型油田和鄂爾多斯、沁水等天然氣生產(chǎn)基地。

2000年以來，依靠地質(zhì)理論創(chuàng)新和工程技術(shù)進(jìn)步，我國在四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達(dá)木、準(zhǔn)噶爾盆地取得了多項(xiàng)重大油氣發(fā)現(xiàn)[2,6]。近年來，西部地區(qū)油氣儲量快速增長，石油、天然氣探明儲量分別從2000年的2.71×108t、4.007×1011m3增長至2018年的5.39×108t、6.301×1011m3。與此同時(shí)，區(qū)域油氣產(chǎn)量穩(wěn)步提升（見圖1），石油、天然氣年產(chǎn)量分別從2000年的2.927×107t、1.52×1010m3增長至2018年的6.549×107t、1.32×1011m3；石油、天然氣全國產(chǎn)量占比分別從2000年的18%、55%增長至35%和83%，戰(zhàn)略接替地位日益凸顯。

圖1 西部地區(qū)石油、天然氣產(chǎn)量及占比

（二）西部地區(qū)油氣開發(fā)用水現(xiàn)狀分析

石油、天然氣作為水資源需求非常集中和強(qiáng)烈的能源類型，水資源的消耗貫穿油氣勘探開發(fā)的整個(gè)過程，需要消耗大量的水資源（見表1）。油氣勘探是尋找、探明油氣儲量的基礎(chǔ)，是油氣開采的第一個(gè)環(huán)節(jié)。其中，鉆井勘探是研究儲油構(gòu)造、探明油氣面積和儲量的重要手段。經(jīng)過前期初步勘探取得發(fā)現(xiàn)后，籌備一個(gè)新的油氣田還需進(jìn)行一系列的油氣田開發(fā)建設(shè)工作，包括確定開發(fā)井的井位以及壓裂作業(yè)等具體開發(fā)方案的研究工作。開發(fā)建設(shè)后，油氣田則正式進(jìn)入油氣生產(chǎn)作業(yè)階段。鉆井工作是油氣田勘探、開發(fā)建設(shè)、開采生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，鉆井過程中，水在鉆進(jìn)時(shí)的鉆機(jī)沖洗、冷卻等環(huán)節(jié)均發(fā)揮了重要作用，也是運(yùn)移巖屑、固井施工等環(huán)節(jié)的重要載體。近年來，水力壓裂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于裂解巖體、形成導(dǎo)流裂縫，壓裂過程中需要消耗大量的水資源，以美國頁巖氣開發(fā)為例，其單井耗水高達(dá)2×104m3[7]。油田注水也是油田開采過程中確保油層壓力，提高采收率的重要措施。此外，石油化工也是水密集型工業(yè)[8]，目前我國節(jié)水型石化煉油廠每噸原油加工的新鮮水消耗約為0.4～0.5 m3[9]。

表1 油氣生產(chǎn)主要用水環(huán)節(jié)

本研究以長慶、新疆、塔里木、吐哈、青海、玉門等的7家油氣田企業(yè)為例，分析西部地區(qū)油氣田生產(chǎn)總體用水情況和發(fā)展趨勢。隨著新疆、長慶等油氣生產(chǎn)基地的規(guī)模開發(fā)，西部油氣田總用水量不斷增加。由2010年的3.18×108m3增加至2018年的3.63×108m3，增加了14%（見圖2）。但新鮮水用量變化不大，2010年西部油氣田新鮮水用量為2.60×108m3，2018年為2.66×108m3。

圖2 西部油氣田不同水源及各礦區(qū)用水量

在勘探及油田建設(shè)環(huán)節(jié)，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司在西部地區(qū)每年約使用0.16×108m3新鮮水，其中壓裂用水約占45%。注水開發(fā)是油氣田用水的主要環(huán)節(jié)，2010年西部油氣田注水總量為1.20×108m3，2018年注水總量則升至1.88×108m3，注水量增加了57%。近年來，隨著污水回收處理和循環(huán)利用效率的不斷提升，各油田污水回注、回灌量均呈增加趨勢，其他水源如污水回用等注水量由2010年的0.58×108m3，增加至2018年的0.97×108m3。但為保證油氣田生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效，注水水質(zhì)管理過程對水中的懸浮物、溶解氧、腐蝕性等均有較高要求[10]，仍需取用大量的地表水或地下水。此外，油田工業(yè)用水和礦區(qū)生活、綠化用水也是油氣生產(chǎn)用水的主要環(huán)節(jié)，2018年中國石油天然氣集團(tuán)有限公司西部7家油氣企業(yè)油田工業(yè)用新鮮水共計(jì)8.326×107m3，占總新鮮水用量的31%；礦區(qū)生活、綠化用新鮮水共計(jì)7.314×107m3，占總新鮮水用量的28%。

隨著常規(guī)油氣資源勘探難度的增加，勘探重點(diǎn)已逐漸轉(zhuǎn)向頁巖油氣等非常規(guī)資源。西部地區(qū)是非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的主要區(qū)域，非常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)要求高，低品位或復(fù)雜油藏開發(fā)用水較大，以低滲、稠油、碳酸鹽巖等為主的長慶、新疆和塔里木地區(qū)的油田是用水大戶，占西部油氣田總用水量的80%以上。以頁巖氣開發(fā)為主的西南油氣田，目前新鮮水用量僅占西部油氣田總用水量的5%，雖然現(xiàn)狀用水量不大，但從油氣田生命周期的角度來看，后期建產(chǎn)階段可能對周邊水源、河流及工業(yè)生活用水造成較大影響。

三、西部地區(qū)油氣開發(fā)用水問題

《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》在能源開發(fā)布局中提出，重點(diǎn)在能源資源富集的山西、鄂爾多斯盆地、西南、東北和新疆等地區(qū)建設(shè)能源基地。西部地區(qū)作為我國能源最主要的生產(chǎn)區(qū)，近年來油氣產(chǎn)量占比持續(xù)上升，未來一段時(shí)期也必然隨著國家能源總產(chǎn)量的增加而增加。同時(shí)，伴隨著我國著力改善能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)保護(hù)的政策導(dǎo)向，油氣資源的開發(fā)利用與水資源更加息息相關(guān)。利用水平井和體積壓裂技術(shù)、工廠化作業(yè)模式使得致密油/頁巖油等非常規(guī)資源開發(fā)成本逐步降低，但是大型壓裂所需的巨大耗水量及環(huán)境問題仍是阻礙西部地區(qū)油氣資源開發(fā)的重大問題。

西部地區(qū)是我國水資源最短缺的地區(qū)，由于油氣開發(fā)要消耗大量的淡水資源，很可能對區(qū)域地表和地下水系統(tǒng)帶來諸多影響，進(jìn)而引起生態(tài)環(huán)境的惡化[11]。油氣井開發(fā)用水量受自然條件與資源條件影響非常大，隨著井段深度、水平井長度、產(chǎn)層地質(zhì)特點(diǎn)、油氣井開發(fā)生命周期所處階段的變化，用水量可能會產(chǎn)生很大的變化。受季風(fēng)氣候影響，西部地區(qū)降水在季節(jié)分配上具有夏秋多，冬春少的特點(diǎn)，存在明顯的水資源自然周期。但是油氣開發(fā)并不分季節(jié)，開發(fā)周期往往與水資源條件不相匹配。在油氣田開發(fā)尤其是在水力壓裂過程中短時(shí)用水量較大，建產(chǎn)階段則可能擠占當(dāng)?shù)毓I(yè)、生活用水，甚至造成河道斷流，嚴(yán)重影響區(qū)域水資源安全和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。

油氣層也賦存了地下水，在開發(fā)過程中含油廢水很可能會對地下含水層中的地下水造成污染。在壓裂施工過程中，會產(chǎn)生大量壓裂返排液至地面，廢液中不僅含有地層中帶出的天然雜質(zhì)，還有壓裂液中的添加劑，廢水中化學(xué)需氧量（COD）、石油類、硫化物、揮發(fā)酚等污染物排放濃度遠(yuǎn)高于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的排放濃度 [12]。鉆井廢水若不能及時(shí)處理，則可能污染周邊的地表水、地下水環(huán)境，隨著時(shí)間的積累，則會對人體造成嚴(yán)重的傷害。為實(shí)現(xiàn)西部地區(qū)油氣持續(xù)增儲上產(chǎn)與環(huán)境友好發(fā)展，亟需識別不同類型油氣開發(fā)過程中的水資源、水環(huán)境保障風(fēng)險(xiǎn)，從開發(fā)規(guī)模、開發(fā)模式、節(jié)水關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)和管控政策等方面全鏈條式創(chuàng)新，促進(jìn)西部地區(qū)油氣資源與水資源可持續(xù)利用與協(xié)同安全。

四、西部地區(qū)油氣開發(fā)重點(diǎn)節(jié)水舉措及對策建議

節(jié)水是西部地區(qū)油氣產(chǎn)業(yè)用水的優(yōu)先前提與要求，為積極落實(shí)《國家節(jié)水行動(dòng)方案》和《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，油田水管理須從取用水、采出水、污水處理等各個(gè)環(huán)節(jié)，采取有效對策優(yōu)化管理。進(jìn)一步強(qiáng)化水的循環(huán)再生利用，降低水資源浪費(fèi)，推廣替代性節(jié)水技術(shù)，因地制宜加大非常規(guī)水利用量，實(shí)現(xiàn)油田水精細(xì)化管理。

（一）發(fā)展精準(zhǔn)注水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水

注水開發(fā)是提高油田產(chǎn)量、改善油田開發(fā)效果的有效方法，是油田提高采收率的重要手段，也是我國油田開發(fā)的主體模式。我國大多數(shù)油田為非均質(zhì)多油層砂巖油田，由于油層間壓力不均，不同層系開發(fā)效果存在較大差異。隨著油田開發(fā)程度的進(jìn)一步加深，我國油田整體處于“高采出程度、高含水”后期，低效、無效水循環(huán)問題突出，造成油田水資源、能源的浪費(fèi)。針對采油工程中注水技術(shù)這一難題，亟需大力推進(jìn)油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型，研制智能化、精細(xì)化分層注水及其配套技術(shù)，使地層間各類油層得到均衡的開采，實(shí)現(xiàn)剩余油的有效挖潛，最大限度地發(fā)揮油田節(jié)水節(jié)能效果。

（二）發(fā)展無水壓裂與增能技術(shù)，支撐油氣資源綠色高效開發(fā)

隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展和資源開發(fā)力度的加大，西部地區(qū)油氣儲量快速增長，同時(shí)仍具有較大勘探開發(fā)潛力，未來西部地區(qū)將是保障國家能源安全的主戰(zhàn)場。但是西部地區(qū)水資源匱乏，油氣資源水力壓裂開發(fā)模式不可持續(xù)，亟需發(fā)展無水壓裂技術(shù)，以大幅減少油氣開發(fā)過程中的水資源消耗。目前，利用氮?dú)猓∟2）泡沫壓裂、二氧化碳（CO2）壓裂和液化石油氣（LPG）壓裂技術(shù)均可代替水作為壓裂介質(zhì)，進(jìn)行儲層改造，以達(dá)到改善油氣滲流條件提高單井產(chǎn)量的目的。但是，目前無水壓裂技術(shù)所需的氣源缺少充足保障，仍需跨行業(yè)進(jìn)行戰(zhàn)略布局，以進(jìn)一步提升能源開發(fā)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

（三）通過管理控降用水，加大科學(xué)用水管理

油氣開采屬高耗水、高污染行業(yè)，為推動(dòng)西部地區(qū)能源產(chǎn)業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展，油氣行業(yè)應(yīng)引進(jìn)先進(jìn)工藝對現(xiàn)有的生產(chǎn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，推廣應(yīng)用新的節(jié)水材料、技術(shù)和設(shè)備，實(shí)施企業(yè)用水平衡測試，開展合理用水分析，完善計(jì)量器具管理網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)用水定額管理，提高水資源利用效率。

在油氣勘探、壓裂、開采等環(huán)節(jié)，開展科技攻關(guān)，加快壓裂返排液、凈化水配液研究和試驗(yàn)，降低回用成本，根據(jù)油氣田特點(diǎn)因地制宜，實(shí)施不同的處理流程，提高壓裂返排液和凈化水配液的復(fù)配比率，減少新鮮水使用量。與此同時(shí)，開展環(huán)境友好型壓裂液配液技術(shù)研究，從源頭解決返排液處理、復(fù)配的技術(shù)難點(diǎn)，降低油氣開發(fā)綜合成本。

在礦區(qū)生活、環(huán)境管理環(huán)節(jié)，需加強(qiáng)對作業(yè)區(qū)的綠化用水管理，改變漫灌的綠化灌溉用水方式，實(shí)施必要的技術(shù)改造，采用地埋式噴灌、移動(dòng)式噴灌、微噴灌等技術(shù)，節(jié)省綠化用水。加強(qiáng)礦區(qū)生活用水優(yōu)化，提高污水回用率，減少新鮮水使用量。

（四）完善水資源綜合配置保障體系，提升能源產(chǎn)業(yè)用水安全保證程度

西部地區(qū)是我國最為重要的能源基地，而能源是西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，因此，應(yīng)將能源產(chǎn)業(yè)的水資源安全保障放在突出位置，加快完善能源產(chǎn)業(yè)的水資源綜合配置保障體系，因地制宜制定水資源保障策略，一方面要切實(shí)提升能源產(chǎn)業(yè)水資源安全保障程度，另一方面也要切實(shí)防治能源產(chǎn)業(yè)對水生態(tài)環(huán)境的影響，包括嚴(yán)格控制地下水超采、減少廢污水入河入湖入土、降低取水工程生態(tài)影響等。

從水源方面，構(gòu)建多元保障體系，合理利用常規(guī)水源，加大利用非常規(guī)水源，規(guī)范取用存量地下水。在局部能源產(chǎn)業(yè)水資源約束較突出的地區(qū)，切實(shí)落實(shí)節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略，挖掘節(jié)水潛力，提升效率，創(chuàng)新水資源管理水平。

同時(shí)，應(yīng)加快完善工業(yè)與農(nóng)業(yè)之間的水權(quán)交易制度，建立健全水權(quán)交易平臺，建立法律依據(jù)與科學(xué)技術(shù)支撐，促進(jìn)跨行業(yè)、跨區(qū)域、跨流域水權(quán)轉(zhuǎn)換。借助市場手段高效配置水資源，鼓勵(lì)能源企業(yè)出資進(jìn)行灌區(qū)節(jié)水技術(shù)改造，在維持水生態(tài)健康的基礎(chǔ)上保障能源開發(fā)。

五、結(jié)語

作為我國的能源接替區(qū)和資源戰(zhàn)略儲備區(qū)，近年來西部地區(qū)油氣儲量和產(chǎn)量均大幅增長，為保障國家能源安全和推進(jìn)西部大開發(fā)戰(zhàn)略穩(wěn)步實(shí)施起到了重要的作用。未來西部地區(qū)仍將大力發(fā)展能源產(chǎn)業(yè)，油氣產(chǎn)量將快速增長，但由于西部地區(qū)水資源短缺、水資源開發(fā)潛力不足，未來區(qū)域水資源的約束性將更加顯著。針對西部地區(qū)油氣開發(fā)的特征和用水現(xiàn)狀，建議開展科技攻關(guān)，發(fā)展精準(zhǔn)注水和無水壓裂技術(shù)，減少水資源的消耗；因地制宜，通過技術(shù)進(jìn)步和管理創(chuàng)新，加大油田生產(chǎn)水的循環(huán)利用力度，加大非常規(guī)水利用量，在減少新鮮水取用量的同時(shí)降低地表和地下水環(huán)境污染程度，全方位全過程降低油氣開發(fā)對水系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)西部地區(qū)能源與水資源協(xié)同安全。