大型水力壓裂環境問題與治理

摘 要：頁巖氣是賦存于頁巖中的一種重要的天然氣資源。近年來，美國和加拿大、中國等不少國家在頁巖氣開發上取得了較大突破，。我國在華南地區寒武系-志留系、四川盆地三疊系-侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系等層系均探測到頁巖氣藏的富集。雖然有著良好的發展前景，但頁巖氣產業高速發展所帶來的環境問題也日益嚴峻。目前在國際上技術最成熟，使用最廣泛的頁巖氣強化開采方法是水力壓裂法，使用該方法進行頁巖氣開采已知將會引起嚴重的環境問題。本文對國內外頁巖氣勘探開發中水力壓裂注井、完井后出現的各類環境問題進行了總結，并通過對比借鑒現有監管法規政策，提出了我國頁巖氣環保監管建議。

關鍵詞：頁巖氣；水力壓裂；環境污染

中圖分類號：TE37 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）15-0332-01

頁巖具有結構致密、滲透率低的特點。雖然具有一定得天然裂縫，但實際生產中90%以上的頁巖氣井都需要通過壓裂手段輔助生產。水力壓裂就是利用地面高壓泵對壓裂液加壓，向儲層注入具有高密度的壓裂液來增加井底壓力來撐開頁巖自然裂縫或刺激其產生新的裂縫。然后向儲層注入帶有支撐劑的攜砂液，使已經撐開的裂縫保持張開狀態并使裂縫繼續向前延伸。至此油氣儲層層與井筒之間建立新的油氣通道。壓裂之后，油氣井的產量獲得大幅度增長。目前，水平鉆井和水力壓裂技術因其使用成本低、開發難度較小，成為頁巖氣開發主要手段。本文根據美國等國家壓裂液泄露造成污染問題的先例和我國頁巖氣產地的特殊性，總結了一下幾大問題：

1 頁巖氣開發水力壓裂加劇貧水地區缺水問題

以美國密歇根Antrim頁巖氣田為例，該地區一個傳統的井一次需要190m3的水。如果采用目前比較先進的水平鉆井，一個水力壓裂井一次需要1.9×104m3水，大約是一個1×109W煤電站12h的用水量。頁巖氣開發中所需的用水量總體與頁巖埋深成正比的。我國頁巖氣埋藏深度普遍較深，在這些地區進行水力壓裂開采頁巖氣所需求的用水量比普通油氣井的開采用水多50倍以上。水力壓裂作業所使用的壓裂液在回收后因為除污成本過高一般不會進行再利用。而后期頁巖氣的存儲和運輸過程都會對水資源進行消耗，這將加劇生產地區貧水問題。

2 水力壓裂存在污染地下水的風險

水資源污染是目前頁巖氣開發中后果最嚴重也最具爭議的問題。首先，壓裂液在地層中撐開儲層裂縫的過程中有進入儲層附近地下水的風險。有研究指出，在美國已開發運營部分的頁巖氣井周邊地下水中探測到壓裂液添加劑成分，雖然出現泄露的井眼只占很小的比率，但壓裂液中所用化學物質成分十分復雜且大多對人體有害。因此，其風險不容小視。此外，水平井和豎井鉆進所使用的套管和固井缺陷也會造成流體泄漏，導致地下水污染，其主要原因是套管損傷導致流體泄漏、固井不完善使套管和儲集層間存在流體流動空間。Jackson等分析144口淺層飲用水井發現距離頁巖氣井1km范圍內的飲用水井中的甲烷濃度是1km范圍外的6倍。地下水具有運移速度快、流域分布廣的特點。一旦發生上述污染事件，后果不堪設想。

3 大型水力壓裂造成土地破壞與污染

大型水力壓裂施工在改造儲層同時會破壞原有土體結構，儲層新生的裂隙會影響該地層巖石強度，如果作用巖層足夠厚，很可能造成地層下陷問題。壓裂井周圍土壤中的營養元素隨壓裂液流失，這最終會導致地表植被被破壞形成“人工裸地”，同時會加劇西北地區水土流失的發生。因為水力壓裂作業的目的層井底具有較高壓力系數，如果井底流體壓力調整不當將會造成壓裂液不受控地回流，最后發生井噴事故。2011年4月美國切薩皮克公司開發的一口氣井發生井噴事故，數千加侖壓裂液噴出后灌入周圍土地，造成嚴重的污染事故。水力壓裂作業中井底迅速升高的壓力所導致的地層應力瞬間變化會誘發微震。壓裂作業前儲層描述存在很多不確定性，美國多處頁巖氣開采點發生的一連串輕微地震也被學者們認為與水力壓裂技術的使用有關。現有技術難以準確預測壓裂裂縫發展，需要進一步研究裂縫的擴展的機理、對壓裂液運移和井底流體溫、密度進行建模。

4 其他環境問題

大型水力壓裂運轉所需的大量重型機械難免帶來較大噪音。由于頁巖氣開采的特性，多臺壓裂設備同時工作會對周圍的居民造成影響，我國四川地區就出現過開采點周邊居民抱怨開采施工噪音過大不而讓工程設備進村的事件。頁巖氣開發結束后遺棄的廢棄泥漿包含各種無機鹽、烴類及其聚合物、重金屬離子等危害人體健康的成分，這些污染物也需要在完井后統一妥善處理。

在資源開發的同時減少對自然環境的影響已經成為全球能源公司開發作業的共識。為了盡量降低水力壓裂作業對環境的污染和破壞，提出以下環保建議：

①要建立完善的頁巖氣開發環境評價模型與開采方法評價體系，因地制宜的選擇開采方法，不能一味追求低成本而一律使用大型水力壓裂作為增產手段。②要積極探索頁巖氣增產的新技術，如各類無水壓裂技術。以目前研究較多的超臨界CO2壓裂為例。因為其作為壓裂液不含水相和固相，因此從根本上杜絕了污染地下水的問題。無水壓裂技術具有更環保、對儲層損傷較低等特點，應該結合國情因地制宜使用新技術，減少在開發過程中的污染問題。③要完善井場突發事件應急方案，氣體泄露、井噴、地下水污染等事件建立完善的預防和應急處理方案，使施工單位能第一時間發現并解決突發問題。頁巖氣的開發是我國能源改革的新機遇，應結合資源現狀完善開采前監督、開采中控制和開采善后工作，爭取新的突破。

參考文獻

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收稿日期：2018-4-24