頁巖氣開發中水力壓裂的環境影響及對策

李興春 杜顯元 李 穎

（1.中國石油安全環保技術研究院；2.中國石油大慶煉化分公司）

0 引 言

近年來，美國已超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產國，主要原因是其頁巖氣發展迅猛。2012年，美國從頁巖里開采了1800億m3天然氣，產量超過了中國天然氣的全年產量［1］。我國從2006年開始進口天然氣，2012年對外依存度達28.9%，已經嚴重制約經濟健康發展。2012年3月1日，國土資源部對外宣布，稱經初步普查，我國陸域頁巖氣地質資源潛力為134.42萬億m3，可采資源潛力為25.08萬億m3（不包含青藏地區），超過常規天然氣資源［2］。2012年3月13日，國家發展改革委、財政部、國土資源部、國家能源局以發改能源〔2012〕612號印發《頁巖氣發展規劃（2011—2015年）》，提出了到2015年，基本完成全國頁巖氣資源潛力調查與評價，掌握頁巖氣資源潛力與分布，優選一批頁巖氣遠景區和有利目標區，建成一批頁巖氣勘探開發區，初步實現規?；a的總體目標。2013年1月1日，國務院發布《能源發展“十二五”規劃》，規劃確定到2015年，頁巖氣探明地質儲量增加6000億m3，商品量65億m3。頁巖氣已經成為中國能源發展的一個重要選項。

1 頁巖氣水力壓裂技術

美國頁巖氣開發的快速發展，得益于頁巖氣開采水平井技術和水力壓裂技術，其中水力壓裂包括多段壓裂技術、清水壓裂技術、重復壓裂技術及同步壓裂技術等，正是這些技術不斷提高著頁巖氣井的產量［3］。

頁巖氣與常規氣井的關鍵區別在于儲層改造的不同，頁巖氣采用了大型水力壓裂技術，該技術起源于20世紀50年代，并于20世紀80年代發展完善［4］。

1.1 水力壓裂設計

水力壓裂設計是根據設計目的層頁巖的厚度、巖石的破裂特性等，通過計算機建模、微地震裂縫測繪和傾斜儀分析等，優化裂縫網絡和實現氣體產量最大化。計算機建模主要是對潛在裂縫發育的高度、深度和方向進行評估；微地震裂縫測繪和傾斜儀分析主要是用來確定壓裂是否成功和裂縫的生成方向，為選井、利用儲層自然條件以及新井的壓裂效果提供資料。

1.2 水力壓裂施工

目前水力壓裂以水平井多段壓裂為主?，F在水平井水平段一般可以達到1000英尺（304.8m）以上，因此，在壓裂過程中通常采用將水平井段分隔成數段進行，壓裂從最末段開始，依次進行，直至完成整個水平井段。

在水力壓裂開始時，首先要對井身結構質量進行測試，然后對壓裂設備進行壓力測試，確保井與設備能夠正常工作。測試結束后，開始正式壓裂。對于每一段壓裂，通常先泵入酸液，清除儲層被鉆井泥漿和固井水泥造成的堵塞。其次，泵入減阻劑，即泵入一種添加了減阻劑的水基壓裂液，減阻劑主要為了提高壓裂液的流動。這些壓裂液中同時可能還包含殺蟲劑、控鐵劑、除氧劑、阻垢劑等。第三，泵入支撐劑，即二氧化硅或石英砂與水的混合液，這些支撐劑可以進入壓裂裂縫深處形成支撐。第四，在完成最后一段泵入支撐劑后，要進行清洗，用清水沖洗設備和井眼，清除過量的支撐劑。此外，在壓裂的過程中要進行全程監測，對于地層特殊情況，可以對特殊段的壓裂進行調整［5］。

2 頁巖氣水力壓裂的主要環境影響

世界雖然掀起了頁巖氣熱潮，但是歐洲各國對待頁巖氣的態度迥異。英國和波蘭積極支持頁巖氣開發，法國、德國、保加利亞等出于環?？紤]，明令禁止使用水力壓裂技術開發頁巖氣。水力壓裂過程主要涉及使用水及化學物質形成的壓裂液在高壓下壓入目的層，同時要返排壓裂液，返排壓裂液經處理后，重復使用或排入水環境。與常規天然氣開采相比，頁巖氣開采增加了水力壓裂過程，在水力壓裂過程中，主要涉及水資源的利用、壓裂液對地下水和地質的影響以及返排壓裂液排放對地表水的影響。

2.1 對水資源利用的影響

水力壓裂用水量巨大，根據地質條件和壓裂要求的不同，單一氣井的作業需要300萬加侖（1.1萬m3）到500萬加侖（1.9萬m3）的水量。在2011年，有超過1.7萬口水平井通過壓裂作業獲得頁巖氣，用水量巨大，引發了人們對于是否會引起當地水資源枯竭的擔憂，進而提出是否需要管制壓裂用水。根據世界天然氣聯盟（IGU）的資料，頁巖氣生產的用水量要小于常規的石油及其他形式能源生產的用水量。根據生產原料的不同，每百萬單位英熱能源的耗水量常規石油為30～80L，核能30～50L，生物燃料大于9500L，煤8～30L，頁巖氣4～6L［6］。頁巖氣消耗水資源的特點是階段性用水強度大，但是平均到熱單位上，卻比煤要低。

2.2 對地表水和地下水的影響

水力壓裂液通常由99.5%水和砂，以及0.5%的化學添加劑構成。根據作業用水以及目標巖層的特性，典型的水力壓裂作業需要用到3～12種化學添加劑，典型的水力壓裂作業常用的化學添加劑基本情況見表1［7］。

表1 典型的水力壓裂作業常用的化學添加劑基本情況

目前，獲知的水力壓裂液的化學添加劑常見于家庭和商業用途，其中部分物質是有毒的，根據長期生產實踐經驗，只要正確使用，可以確保安全。水力壓裂液的使用過程受到嚴格管控，不會接觸地下水。

美國石油學會（API）在20世紀80年代發表了一系列對于套管和固井保護的論文和報告，這些論文和報告指出，如果注入地下的壓裂液要進入地下水層，需要油管、生產套管和表層套管同時發生泄漏，破裂的部位正好位于地下水層，注入的壓裂液在井眼中向上長距離流動后達到地下水層，或者注入液體要通過巖層和咸水層進入地下水層。研究表明，不考慮設備、技術發展的情況下，對深部頁巖氣水力壓裂時，地下水受泵入壓裂液影響的概率低于2×10-8［8］。

此外，除了多層套管和固井所提供的保護外，開發區域的巖層中還有阻止油氣逸散的蓋層。石油天然氣地質學家指出，如果沒有有效蓋層，油氣就不能聚集，也就沒有工業開采價值。因此，這些蓋層也是阻止壓裂液向上遷移到地下水層的有效屏障。

2.3 對地質的影響

在特定的地質條件下，有極小可能發生相對較小級別的地震。根據IGU的資料，2011年全球共實施了超過25萬次的水力壓裂作業。僅有幾例地震報告與水力壓裂可能有關。英國有一次輕微級地震歸于水力壓裂；美國俄亥俄州有兩起地震與廢水地下灌注有關。雖然有震感，但未形成有形損失。而且這些地震與頁巖氣開發的關聯度未經科學方法予以證實。研究表明，水力壓裂誘發地震活動的強度通常比人類能夠感覺到的強度水平低10萬倍［6］。

此外，壓裂設計中采用的建模、微地震裂縫測繪和傾斜儀分析可確定壓裂是否成功和裂縫的生成方向，通過調節壓裂施工過程，可將裂縫的生成控制在設計的范圍內。

3 對策建議

我國為了鼓勵頁巖氣開發，形成多元化投資機制，將頁巖氣劃分為獨立礦種，這種劃分形式造成了環保部門對如何監管頁巖氣開發存在爭論。頁巖氣開發過程除水力壓裂有別于現有常規天然氣開采外，其他過程基本一致。因此，在借鑒現有常規天然氣環境監管要求的同時，要充分了解國際頁巖氣開發水力壓裂的環境影響，也有必要深入探討這一過程的環境影響。目前，國內剛開始頁巖氣勘探開發示范區建設，對于頁巖氣勘探開發示范區的環境監管，建議借鑒國際經驗，重點開展以下工作。

◆控制對水資源的影響 現階段頁巖氣勘探開發示范區建設的環境監管中，要求進行鉆井作業前要開展水資源評價，沒有通過水資源評價的不允許開鉆；對于同一小流域內的水資源評價，要考慮疊加影響。通過水資源評價后，在用水前要向公眾公布用水信息。

水力壓裂本身要充分利用現有的節水技術，提高循環率，降低整體用水需求，從源頭上降低用水量。建議將水資源作為一個約束性的指標，根據區域的水資源量和利用情況，通過系統研究確定我國頁巖氣開發的鼓勵地區、限制地區和禁止開發地區。

◆控制對地表水的影響 通過行政文件鼓勵使用綠色或者非毒產品替代現有的添加劑，要求全面披露水力壓裂液中使用添加劑的信息。對使用前的水力壓裂液和將要排放的廢棄壓裂返排液進行生物毒性檢測，壓裂返排液在達到國家規定的排放標準和生物毒性相關要求后才能夠排放。

建議在現有GB 8978—1996《綜合污水排放標準》中補充生物毒性標準，或者針對頁巖氣開采、壓裂液使用制定相應標準，不僅可以作為控制頁巖氣廢棄壓裂返排液排放使用，也可以為控制類似液體排放提供依據。

◆控制對地下水和地質的影響 鉆井過程中，要嚴格按照相關標準安裝油管、生產套管和表層套管，同時保證固井質量，可從源頭上防止壓裂液進入地下水。需要在水力壓裂施工前，要根據鉆井實際復查可能存在的斷裂帶，對存在斷裂帶的要調整水力壓裂設計；在水力壓裂施工過程中，使用高靈敏度儀表監測生產流程，在存在可能無法控制的影響時，應停止作業。

建議出臺頁巖氣鉆井和水力壓裂過程環境保護要求，規范壓裂過程施工作業，在源頭控制環境風險。

4 結束語

與常規天然氣開采相比，頁巖氣開采過程中可能對水資源的利用、地表水、地下水和地質等產生一定影響。主要表現在水力壓裂用水量大，階段性用水強度高；返排液數量大，處理不當可能污染地表水，存在污染地下水和誘發地震活動的可能性。

在借鑒現有常規天然氣環境監管要求的同時，針對頁巖氣開發水力壓裂的環境影響，制定水資源利用、返排液排放以及壓裂過程等方面的標準規范，加強環境保護，可以有效降低頁巖氣開采對環境的影響。

［1］張國寶.中國新能源成就令世界矚目［J］.風能，2013（10）：16-17.

［2］發改能源 ［2012］612號 頁巖氣發展規劃 （2011—2015年）［S］.

［3］Jennings AR.Gas Well Stimulation in the Eastern United States，SPE 7914［C］.SPE Symposium on Low Permeability Gas Reservoirs，Denver，CO，1979：20-22.

［4］Halliburton Energy Services.US Shale Gas-An Unconventional Resource.Unconventional Challenges［R］.Halliburton White Paper，2008.

［5］David Daniel Cramer.Stimulating Unconventional Reservoirs：Lessons Learned，Successful Practices，Areas for Improvement［C］.USA：Society of Petroleum Engineers，2008：10-12.

［6］IGU.Shale Gas，The Facts about the Environmental Concerns［R］.International Gas Union 2012.

［7］Parshall J.Barnett Shale Showcases Tight-gas Development［J］.Journal of Petroleum Technology，2008，60：48-55.

［8］Troy WM，Michie ＆ Associates，Inc，American Petroleum Institute.Oil and Gas Water Injection Well Corrosion：Prepared for the American Petroleum Institute［C］.Michie ＆ Associates，1988.