頁巖氣開采過程風險因素分析及其安全對策

馮 晨

（山西省地質礦產研究院，太原 030001）

頁巖氣是一種儲存含量較高、分布廣泛的非常規天然氣，主要以游離或者吸附的狀態存在于頁巖中，是世界上公認的清潔能源和高效能源。近年來，我國對頁巖氣開發的重視程度不斷提升，頁巖氣開發的計劃也不斷加速。在常規能源不斷消耗的過程中，加強頁巖氣開發是緩解能源危機、克服天然氣缺口壓力的一個重要途徑，可以有效地保障國家能源安全，改善能源供給結構。由于頁巖氣開發屬于一個全新的領域，其在開發過程中對技術要求較高，出現的安全隱患較多[1]。當前，頁巖氣開發中的常見安全隱患有環境污染、地質災害風險、甲烷泄露風險等。所以，人們必須積極加強對頁巖氣開發中的各種危險因素進行分析，并加強對頁巖氣開發技術的研究，不斷提高頁巖氣開發水平。

1 我國頁巖氣開發現狀

頁巖氣是一種十分清潔的能源，對環境污染很小，在能源危機越來越嚴重的時代，加強對頁巖氣的開發和利用具有十分重要的意義。頁巖氣在我國能源建設過程中具有十分重要的地位，為了進一步提高頁巖氣的利用水平，人們必須積極加強對頁巖氣開發關鍵技術的研究，針對頁巖氣開發過程中的環境問題進行分析，提高環境保護水平。我國的頁巖氣含量十分豐富，目前我國探測到的非常規天然氣大約有190萬億m3，其中頁巖氣達100萬億m3，可以開采的頁巖氣含量大約有26萬億m3，是美國頁巖氣儲量的1.6倍。重慶涪陵地區是頁巖氣開發的示范地區，對我國頁巖氣的規模化商業發展帶來很大促進作用[2]。

2 頁巖氣開發過程中的風險因素

頁巖氣開采是我國能源建設的重點內容，在開采過程中，其主要存在三種風險，即環境災害風險、地質災害風險和鉆井設備失效風險。

2.1 環境災害風險

頁巖氣開發雖然可以緩解我國的能源危機，但是在開發過程中，開發技術不成熟、操作不規范會引發環境問題。環境保護是經濟建設過程中的基本原則，我國經濟建設不僅要注重經濟指標，還要重視環境保護，將環境保護與經濟建設目標結合起來。頁巖氣開發過程中的環境災害風險主要表現在以下三個方面。

一是對水資源造成大量浪費。在頁巖氣開發過程中，最常用的技術是水力壓裂技術，這種技術通過將水注入巖石中，讓頁巖氣從巖層中逸散出來。該技術雖然可以實現頁巖氣的開發，但是其在水力壓裂過程中會消耗大量水資源。我國頁巖氣主要分布在水資源比較匱乏的地區，注入地下以及巖層中的水資源并不能完全回收起來，對于水資源本來就比較匱乏的地區來講，水資源浪費是一個十分嚴重的問題。二是對地下水資源造成污染。產生的很多有毒有害物質會污染地下水，導致地下水不能正常使用，帶來水資源危機。三是對空氣造成污染。在頁巖氣開發過程中，一些有害氣體可能進入空氣中，在空氣中大量存在，會加重溫室效應，帶來全球氣候問題[3]。

2.2 地質災害風險

在頁巖氣開發過程中，最常見的地質災害風險是地震和滑坡。由于頁巖氣的埋藏深度不同，其開采需要使用不同的技術，比如，鉆豎直井、水平井水力壓裂方法，都是頁巖氣開發的主要技術。開采必然會對頁巖層中的應力狀態造成破壞，使得頁巖層受到的外部應力迅速釋放出來，引起不同程度的微型地震，過度的開采開會加重地震災害的程度。另外，開采也會破壞開采區域周圍的植被，很多植被無法再生長，這也是泥石流、地質滑坡、地陷災害等事故的誘因。

2.3 鉆井設備失效風險

頁巖氣開采使用的設備主要是各種常規的氣藏開采設備，在開采過程中，機械設備的安全性和穩定性是影響開采效率的主要因素。由于設備穩定性較低，所以在開采時，設備可能會出現失效的現象，這會給開采帶來極大危害。套管和鉆具失效是頁巖氣開采過程中最常見的問題，其主要原因是設備磨損、銹蝕等導致設備的力學性能減弱，出現疲勞斷裂等現象。例如，鉆具出現粘吸卡鉆、鍵槽卡鉆等事故，或者在開采過程中一些泥漿進入設備導致卡鉆等，卡鉆事故會帶來嚴重的安全隱患，尤其是對于進行操作的技術人員來講，卡鉆很有可能引發其他更大的危害。

3 頁巖氣開發過程中的安全對策

針對當前頁巖氣開發現狀以及頁巖氣開發過程中的危險因素，人們必須積極分析開發過程中的各種危險問題，并采取以下措施提高頁巖氣開發的安全性[4]。

3.1 對環境風險進行控制

頁巖氣開采過程中的環境問題不可避免，只能盡量減少其對環境帶來的威脅。具體來講，人們可以從以下幾個方面著手。

3.1.1 要加強對頁巖氣開發技術的研究

為了減少頁巖氣開采過程中對水資源的浪費，人們要加強對頁巖氣開采技術的研究。例如，可以加強壓裂返排液系統的循環利用技術研究，積極推廣新技術，如低分子可回收壓裂體系技術、常規瓜爾膠壓裂返排液再利用體系等，可以增強水資源的重復利用，減少對水資源的浪費；還可以開發更多清潔的新技術，如低毒油基鉆井液體系，它是一種更加清潔的開采體系，可以減少頁巖氣開采過程中化學添加劑的使用量，降低開采廢水的循環處理難度。

3.1.2 控制和減少大氣污染

在頁巖氣開采過程中，人們要注重對空氣污染的控制，積極監測有害氣體的含量。人們可以利用二氧化硫感應器、甲烷紅外氣體分析儀等設備對有害氣體進行實時監控，當有害氣體超過一定程度時儀器就會自動報警，相關技術人員要立即停止開采，對開發方案進行重新研究和設計，提高開發水平，減少環境污染。

3.1.3 定期檢測相關設備

在輸送過程中，頁巖氣可能會產生環境污染。因此，人們要提前對輸送設備進行試壓和嚴密性檢測，確保各種設備的性能完好。此外，人們要定期對設備進行檢查，及時檢查設備的防腐涂層，防止輸送設備出現問題而造成氣體泄漏。

3.2 加強對地質災害的防范

地質災害是頁巖氣開采過程中的重要危害，嚴重時甚至會誘發地震。所以，在頁巖氣開采過程中，人們必須要積極加強對頁巖氣儲層井壁穩定性、頁巖氣鉆井儲層傷害機理等方面的研究，在現有的石油地震地質學的基礎上開發出更適合頁巖氣開發的鉆井液體系，降低頁巖氣開采過程中各種技術對頁巖層帶來的傷害。另外，還要積極做好地質勘察，尤其是在頁巖氣開采之前，必須要對開采區域以及周邊地區的地質環境進行檢測，設計科學合理的頁巖氣開采方案，同時在開采過程中做好監管，減少頁巖氣開發對地質環境的影響。對于地質比較脆弱的地區，如容易爆發泥石流的地區，可以多種植植被，加強防護建設；對于山體滑坡比較嚴重的區域，則可以采用錨固、固結灌漿等技術進行加固，減少滑坡危害。

3.3 加強對設備風險的防范

設備使用過程中的失效問題是引起安全問題的重要因素，很多設備風險都是可以人為控制的，人們在頁巖氣開采過程中應該積極加強對設備風險的防范。第一，要加強對操作人員安全意識的培養，不斷提高技術人員的安全意識，在開采之前必須對設備進行檢查，一旦發現設備有任何風險，要及時進行處理。第二，要建立安全責任體系，在開采過程中要設置專門的安全監管崗位，對開采過程中可能存在的風險進行監控，使得技術人員按照操作規程進行操作，減少開采過程中的不規范行為帶來的設備安全問題。第三，對卡鉆事故進行控制，卡鉆是最常見的事故，為了減少卡鉆事故，人們必須改進鉆井技術，保證鉆井體系具有優良的井身結構和質量，并且要使用合適的鉆井液，定期對井口工具進行檢查，防止異物掉落其中而引發安全事故。

4 結語

頁巖氣開發是我國能源建設的重點內容，目前其在開發過程中仍存在一些風險因素，如環境污染、地質災害和設備故障等[5]。對此，人們要積極探究并解決這些問題，從而提高頁巖氣開發的安全性。

1 王文和，補 艷，蔡治勇.頁巖氣開采過程風險因素分析及其安全對策[J].安全與環境工程，2016，23（1）：133-139.

2 汪 軍，袁 勝，陳剛才.中國頁巖氣開發過程環境管理現狀與對策分析研究[J].環境科學與管理，2016，41（6）：18-21.

3 張東曉，楊婷云，吳天昊.頁巖氣開發機理和關鍵問題[J].科學通報，2016，（1）：62-71

4 陸爭光，高 鵬.頁巖氣開采環境風險分析及安全管理對策[J].石油化工安全環保技術，2016，32（4）：49-54.

5 熊運實，王彥昌，吳軍濤，等.我國頁巖氣開發環境保護面臨的形勢及對策[J].油氣田環境保護，2015，25（6）：1-4.