頁巖氣開發中的水資源利用對策：以重慶地區為例

游聲剛，郭 茜，吳艷婷，曾春林

（1．中國礦業大學 （北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2．國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室 （重慶地質礦產研究院），重慶400042；3．重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心 （重慶地質礦產研究院），重慶400042）

頁巖氣是以游離、吸附或溶解態賦存于富有機質頁巖中的一種非常規天然氣。近年來，隨著水平井鉆完井技術及水力壓裂技術的突破，頁巖氣的產量在北美呈井噴式的增長。2007年，美國頁巖氣總產量近500億m3，占美國天然氣總產量達到8%以上；2009年，美國頁巖氣產量超過我國天然氣總產量，達到1000億 m3，占美國天然氣總產量的14%［1］；2011年，美國頁巖氣產量為1700億 m3［2］；2013年，美國頁巖氣產量更是突破3368億m3［3］。水力壓裂是頁巖氣開發的關鍵技術，該技術面臨著水資源消耗大、短時間用水量大、環境破壞的問題。美國Barnett頁巖氣田每口水平井壓裂用水量約為7000～18000m3。在頁巖氣開發中，水資源風險是最重要的但是被低估的挑戰之一。如何更好的處理水資源利用與清潔能源高效開發之間的矛盾成為擺在政府和企業面前的一個難題。

1 研究區概況

重慶位于中國內陸西南部，處于青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶，是長江上游地區的經濟中心和金融中心。截至2014年，重慶市幅員面積8．24萬km2，下轄38個縣級行政區。重慶境內江河縱橫，水網密布，水資源十分豐富，重慶市年平均水資源總量5000億m3，其中地表水資源占絕大部分。流經重慶的主要河流有長江、嘉陵江、烏江、涪江、綦江、大寧河、阿蓬江、酉水河等。長江干流自西向東橫貫全境，流程長達665km。

2 重慶市及頁巖氣區塊周邊水資源分布情況

2．1 重慶市水資源分布情況

重慶位于四川盆地東部，北有嘉陵江，南有烏江，境內流域面積大于100km2的河流有274條，其中流域面積大于1000km2的河流有42條。全區年降水量大，2013年全市平均降水量1063．6mm，折合年降水量876．43億m3，但水資源在空間和時間上分布不均，東南山地水資源豐富，西部丘陵缺水，渝東南地區人均占有水資源量為3500～5500m3，渝東北地區人均占有水資源量為2000～5000m3，渝西地區人均水資源量僅為450～600m3［4］；雨季主要集中在6～9月份，其余8個月的降水量不到全年降水量的一半［5］，水資源時間上的分布不均容易造成夏季水患和冬春的干旱災害。2013年全市地表水資源量為474．34億m3，2013年全市常住人口為2970萬人，人均水資源量為1597m3，同年全國人均水資源量為1937m3，重慶市人均水資源量低于全國平均水平。從目前國際公布的水資源緊缺程度指標來看，重慶屬于中度缺水地區。

2．2 各區塊水資源分布情況

重慶地區非油公司正在進行頁巖氣勘探作業的主要有四個區塊，分別是國土資源部第一輪招標出讓的秀山區塊以及第二輪招標出讓的城口區塊、酉陽區塊、黔江區塊。其中城口區塊位于渝東北地區，其余三個區塊位于渝東南地區。前文介紹了整個重慶地區的水資源分布特征及規律，但具體到各個區塊的地表水系及水資源分布情況又具有其特殊性。

城口縣頁巖氣區基本涵蓋了城口縣中部地區仁河流域兩岸鄉鎮，如修齊鎮、厚坪鄉等。城口地表水系發育，河網密布。所有河流都屬長江水系。北部為漢江流域的仁河水系，南部為嘉陵江流域的前河水系。流域面積100km2以上的河流13條，50～100km2的6條，10～50km2的26條。區塊周邊的仁河、前河為境內兩條主要河流。

酉陽區塊屬酉陽自治縣內，酉陽自治縣屬武陵山區，地勢中部高、東西兩側低。全縣以毛壩蓋山脈為分水嶺，形成兩大水系；東部的酉水河、龍潭河為沅江水系；西部的小河、阿蓬江等為烏江水系。區塊周邊的水源有梅江、酉水、龍潭河。

秀山區塊位于秀山縣境內，其主要水系除隘口鎮的貴郎溝屬烏江水系外，其余屬沅江水系，其中龍潭河，花坦河、酉水河屬過境河，集水面積大于50km2的河流有13條，流域面積大于1000km2的河流有：梅江河、酉水河、龍潭河和花坦河。頁巖氣開發可利用的周邊主要水源有梅江、甘龍河等。

黔江區流域面積大于50km2的河流有15條，主要河流有阿蓬江、郁江、諸佛江，均屬烏江水系。頁巖氣開發可利用的周邊水源有唐巖河。

各頁巖氣區塊所在的行政區內地表水系發育，河流眾多，水源分布廣泛，但地形地貌復雜，以山地為主，地勢起伏大，山地和丘陵面積占幅員面積的94%［6］，受地貌的限制，給實際的引水工程帶來挑戰。

3 各區塊地表水資源量及水資源承載能力

3．1 各區塊地表水資源量

地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當地降水形成的、可以逐年更新的動態水量。依據重慶市水資源公報的數據整理得出四個頁巖氣勘探區塊所在的行政區近五年的地表水資源量（表1），秀山縣可能統計數據有異常，近五年的數據沒有變化；酉陽縣的地表水資源量不穩定，年最大地表水資源量和最小地表水資源量相差23億m3以上；黔江區的地表水資源量最為穩定，但是該區近五年平均地表水資源量最少。

3．2 研究區水資源承載能力分析

研究區用水量主要包括生活用水量、生產用水量和生態環境用水量。生活用水量指城鎮居民和農村人口維持日常生活的用水量；生產用水量是指經濟產出的各類生產活動所需的水量，包括農業、工業、建筑業和第三產業的用水量；生態環境用水量指維持生態與環境功能和進行生態環境建設所需的最小用水量。2010年重慶地區城鎮生活用水定額為125L／d，農村生活用水定額為75L／d，各行政區的城市人口和農村人口可通過各區經濟和社會發展公報查出，通過這兩項數據可以得到各區生活用水量。農業用水中水田以330m3／畝·a，水澆地為140m3／畝·a作為標準；工業用水以120m3／萬元作為標準；建筑業萬元增加值用水量為20m3；第三產業萬元增加值用水量為10m3。根據重慶市水資源公報的統計結果，近幾年來重慶市生態環境用水量為城鄉居民生活用水量的1／10～1／15，而且有逐年減少的趨勢，本文按生態用水量占生活用水量的1／15來計算生態用水量。通過上述計算方法可得到各區塊生產、生活和生態環境的需水量（表2）。從表中可看出生產用水占的比重最大，城口由于人少地多，導致生活用水少，生產用水多。

表1 區塊所在行政區域地表水資源量統計表

表2 水資源承載能力分析

頁巖氣開發的關鍵技術是水力壓裂，水力壓裂需要消耗大量的水資源。據美國能源信息署的統計［7］，Marcellus頁巖氣田每口井平均用水量為1．5×104m3，Barnett氣 田 每 口 鉆 井 需 水 1×104m3，Fayetteville頁巖氣田每口鉆井需水1．2×104m3，Haynesville頁巖氣田每口鉆井需水1．4×104m3。美國典型頁巖氣田Fort Worth盆地Barnett頁巖覆蓋面積約1．29×104km2，截止到2009年Barnett頁巖氣田已完成鉆井13740口，其中95%以上是水平井，平均每平方公里一口水平井［8］，國際能源署的統計也認為通常陸上頁巖氣田沒平方公里鉆井數不超過1口［9］。以每井消耗1．5×104m3水資源計算頁巖氣開采耗水量，由于各區塊是全區被頁巖覆蓋，所以頁巖覆蓋面積以各區塊的行政面積為標準，按每平方公里一口頁巖氣井來計算頁巖氣開發所需要的水資源量，從開發所需用水量可看出用水量最大的是酉陽區塊，其次是城口區塊，黔江區塊和秀山區塊用水量相當（表2）。以近五年各區的平均地表水資源量作為可用水資源量，計算頁巖氣開采用水量占可用水資源量的比例，從結果看出，各區塊頁巖氣開采所占比均不大，占比在1．54%～2．09%。雖然頁巖氣開采占可用水的比例不大，但是占總用水量的比例比較大，占總用水量的比例在19．69%～37．11%。頁巖氣開發中主要是壓裂用水量比較大，而且壓裂作業的時間一般較短，分段壓裂中，2～3個壓裂層段一般在一天之內就可完成［10］，對于頁巖氣井多段水力壓裂一般在一個星期內可以完工。短期內如此高強度的用水量對當地居民的生活用水和工業用水必然會造成一定影響，同時對當地的供水設備來說也是一個很大的挑戰。考慮到重慶地區為季節性的缺水區，秋冬季缺水較嚴重，如果壓裂作業在秋冬季施工將會對當地經濟社會生活用水造成更大的威脅。

4 頁巖氣開發水資源利用管理對策

根據前述對各區塊地理位置、水資源量、水資源供需平衡和頁巖氣需水特點的分析結果，結合目前頁巖氣水平井壓裂液處理的最新技術，從取水方案、用水對策和水資源管理等方面制定出了研究區塊頁巖氣開發的水資源利用方案。

1）嚴禁在附近中小河流中取水。各區塊嚴禁在附件的小河小溪中取水，應從當地的主要河流中取水，這些河流流量大，取水對河流生態用水和其他社會、經濟用水影響不大；而當地的中小溪流，流量小，取水對當地居民用水及生態環境會造成較大影響。

2）頁巖氣開發應多渠道解決水源短缺的問題。首先，加強返排液處理技術的研發，使返排液達到回用的標準，頁巖氣井實施水力壓裂后有15%～85%的壓裂液會返排至地表，這些返排液中含有各種化學添加劑［11］，不能直接用于壓裂液不能直接外排，可以通過各種處理工藝使返排液達到循環利用的標準，將處理后的返排液用于附近井區的壓裂作業；其次，在臨近城鎮地區可使用城鎮污水處理廠的出水；另外，在氣田內可選擇合適地點建設大型儲水池，存儲豐水期的水資源用于旱季頁巖氣田開發，國外已有成功的經驗［8］。各類水源水質都應滿足頁巖氣水力壓裂要求，不能滿足時應設水處理裝置。根據頁巖氣的開發特點，水處理裝置宜采用移動式。

3）優化水資源配置。水資源的輸送過程中，合理采用物流運輸或管道輸送的方式，采用系統優化方法，選擇最佳運輸路線和管線優化配置，節省用水成本；壓裂進行時避開河流枯水期和當地的用水高峰時間。

［1］ 鄭軍衛，孫德強，李小燕，等．頁巖氣勘探開發技術進展［J］．天然氣地球科學，2011，22（3）：511－517．

［2］ 姜福杰，龐雄奇，歐陽學成，等．世界頁巖氣研究概況及中國頁巖氣資源潛力分析［J］．地學前緣，2012，19（2）：198－211．

［3］ US Energy Information Agency．Natural Gas Annual［R］．DOE／EIA－0131．2014．

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［5］ 龔久平，張偉，洪云菊，等．重慶市水資源承載力分析與可持續發展利用探討［J］．西南農業學報，2011，24（6）：2429－2433．

［6］ 劉金萍，李為科，郭躍．重慶城市化過程與水資源環境變化關系研究［J］．重慶師范大學學報：自然科學版，2007，1（1）：92－96．

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［11］ Rahm D．Regulating Hydraulic Fracturing in Shale Gas Plays：the Case of Texas［J］．Energy Policy，2011，39（5）：2974－2981．