水力壓裂法在頁巖氣開發應用時的誘震分析

成昌帥(山東科技大學，山東 青島 266000)

0 引言

多年來，由于技術、水源和地質特點等原因，頁巖氣的開采一直受到很大的挑戰。隨著開采技術的不斷成熟，水力壓裂法在頁巖氣開采中扮演著重要的角色。而水力壓裂所產生的水源浪費，誘發地震等問題也被凸顯出來。鑒于目前水力壓裂法對于頁巖氣開采中不可或缺的作用，研究其誘發地震可能性對于頁巖氣的開采具有重要作用。

1 水力壓裂法的特點及介紹

水力壓裂法是頁巖氣的主要開發方式。由于美國頁巖氣開發的成功，水力壓裂法在世界上越來越流行起來。

水力壓裂技術是指將壓裂液(包括水、化學物質和沙子等)用加壓方法通過鉆井注入地下，造成油、氣層附近的巖層開裂，并使沙子或其他物質支撐裂口，增大油、氣開采聚集的通道的一種技術。在開采頁巖氣時候，該技術有著廣泛的應用。

1.1 壓力與裂縫

在具有天然裂縫的頁巖層中，頁巖氣具有極低的滲透率。而水力壓裂技術通過高壓加壓使巖石產生較大應力差，導致巖石失穩，生成人工裂縫。此時的人工裂縫與天然裂縫便構成新的裂縫網絡[1]。同時，流體形態也發生改變，并且裂縫將更多的油氣聚集帶給相互貫通起來，實現產能的飛躍。水力壓裂產生的微裂縫所影響的巖體空間范圍尺度在地殼內是很小的，而且這些微裂縫的位移是毫米級的。在裂縫的形成過程中所產生的微震通常是零級以下，這與常見的構造地震相差甚遠。

1.2 壓裂液

壓裂液是水力壓裂技術實現壓力傳遞的載體，通常是由水、化學物質和沙子等混合而成。壓裂液包括造縫的前置液、支撐的攜砂液和頂替的頂替液三種。液壓時都會用到大量的水，壓裂后將減少液壓，讓部分注入液體返排，然而大多數返排液都會灌注到地下處理。值得注意的是，雖然在高壓壓裂液的作用下，只是在管道的鄰近小范圍區域內產生微裂縫，但是由于流體的可壓縮性較低，實際上壓裂液的超高壓力可以傳播的更遠，進而改變其它區域的地應力狀態。

2 水壓致裂的問題

2.1 水污染

施工過程中，壓裂液會不可避免通過斷裂處滲入到地下水中，其中的各種化學添加劑會造成嚴重的地下水污染。在壓裂液的返排過程中，也會攜帶部分頁巖地層的鹽水。不經處理便排入地表水系內的返排液將會對當地地表水系造成危害。一些通過地下灌注井來廢棄處理返排液的手段，并不是一種安全可靠的方法，甚至可能會由于液體的灌注而降低巖石強度，加速斷裂的生長。

2.2 大氣污染

頁巖氣的主要成分是以甲烷為主的烷烴。利用水壓致裂法開采過程中，難免會導致部分甲烷氣體的釋放。即使泄露的甲烷只是少量，但鑒于甲烷強烈的溫室效應，它所帶來的危害不可忽略[2]。而且，甲烷對于大氣平流層中臭氧層的破壞力也是不容小覷的，它會漸漸使得臭氧層失去對太陽紫外線侵襲的防護作用，從而危害人類健康。

2.3 可用水資源匱乏

水力壓裂技術所使用的壓裂液主要以水為主，每次的壓裂作業都會消耗大量的水資源[3]。在美國，通常一口頁巖井就需要一到兩萬噸水，其中絕大部分都是用于壓裂階段。在不同的開采作業區，返排液中壓裂作業用水和其它物質的占比在3%～80%之間不等。而大部分均會灌注到地下作廢棄處理。

2.4 誘發地震

隨著頁巖氣開發過程中各種頻發地震現象的出現，水力壓裂法是否會誘發地震這一爭論得到了越來越多研究人員的關注。不可否認，在運用水力壓裂技術進行頁巖氣開發的過程中，會伴隨一系列微地震活動的產生。然而，對于這些地震是否的確為資源開發過程中產生的，水力壓裂技術又是如何導致地震的發生，以及我們該如何判斷及防治此類問題，目前還沒有得出統一的科學定論。

3 誘震淺析

水力壓裂法本身引起地震的可能性不太高，但是水力壓裂和廢水處理過程加快了自然地震進程，使其在比自然條件下更容易發生地震。當然，在一定的條件下，開采的過程亦可能誘發地震。目前所發生的地震絕大部分屬于構造地震，構造地震通常有著大量的余震，但前震比較罕見[4]。然而，注水誘發地震本身不易觸發余震。這也表明了開采過程與地震的發生存在著某種關聯。

由于地殼的拉伸與擠壓碰撞，巖層中往往聚集了巨大的能量。當這種能量達到一定程度，地殼中某些相對薄弱的地帶或者破碎帶，便會突然發生破裂，或者引發原有斷層的錯動，這就是地震。總的來說，地震的發生由于巖石無法承受過高的應力水平而導致的，也就是現階段巖石所儲存的能量與巖石的強度之間的比較關系。

3.1 巖石的強度

在施工過程中，不論是通過高壓壓裂巖石還是后期的廢水處理過程，都會向地下注入大量以水為主的壓裂液。當其進入到巖石的孔隙或裂隙中時，會使得巖石產生更高的孔隙水壓力。由有效應力原理可知，此時巖石固體顆粒間所承受的壓力便會得到釋放，巖石的強度也隨之降低，巖層也會在比自然壓力更低的水平下發生地震。

特別的，對于存在斷裂的施工區，水的注入無疑會起到“潤滑”斷層線的作用，使得斷層更容易發生滑移。當外界施加的壓力較大時，就容易引發地震。

3.2 巖石現階段所儲存的能量

3.2.1 構造應力場

由于所注入水的自重和超高的流體壓力，會使得巖層的應力狀態發生調整。進行應力的重新分配，得到新的構造應力場。應力的集中在巖層的薄弱區便顯得尤為重要。巖層自身所儲存的能量越來越大，直至達到其破壞強度，進行應力的釋放，進而產生地震

3.2.2 差異應力

水壓致裂向地下注入的高壓流體會制造出新的裂縫網絡。由于壓裂液的高壓作用，裂縫的頂端位置便會產生較大的差異應力，巖石的部分特定位置所存儲的能量快速增長，極易使得巖石失穩，產生新的破裂。如此周而復始，直至流體的高壓力完全釋放。

3.2.3 流體的低壓縮性

我們知道，流體有著較低的可壓縮性，流體超壓力的增加可以使得壓力比其自身傳播更遠的距離。當然，距離壓裂區越 遠，高壓流體所帶來的壓力影響越小，直至消失。因此，壓力的增加與巖體內能量的聚集是一個較大的巖石體，注入地下的流體無需接觸到斷層，也有誘發地震的可能。

3.3 誘震判斷

由此我們可知，采用水力壓裂法進行頁巖氣的開發，無疑會增大地震發生的可能性，加快地震產生的進程。但是，在判斷某地區進行頁巖氣開發是否會誘發地震時候，還要綜合考量該地區實際的地質條件，包括巖性、巖石強度和巖層應力分布特征等，特別要關注是否存在斷裂帶以及斷裂帶的發育情況。同時，還應該考慮到水力壓裂所采用的壓裂液特性、注入的持續時間、注入的壓裂液體積、所加壓力大小以及廢水處理的手段，不同的壓裂液對于巖石的軟化程度不盡相同，不合理的廢水處理有更大的可能會引發地質活動。

4 新技術的展望

4.1 超臨界二氧化碳壓裂技術

超臨界二氧化碳壓裂技術是一種將壓裂液替換為超臨界態二氧化碳的無水壓裂技術[5]。常溫常壓下二氧化碳為正常氣體，當將其增溫及加壓至一定程度時候，二氧化碳就會達到超臨界狀態，成為超臨界二氧化碳流體。此狀態下的二氧化碳擁有著奇特的特性—密度接近于水；粘度接近于氣體；表面張力接近于零。運用超臨界二氧化碳壓裂技術進行資源開發作業時候，有著很多優點，如：化學穩定性高；對儲層既沒有傷害又沒有任何污染；溶解能力強、增強油氣通道的滲流能力等。

4.2 LPG壓裂技術

采用以甲烷為主要成分的LPG(即液化石油氣)為壓裂液[6]。此技術避免了在壓裂過程中大量使用水的弊端，當然，后續也無需進行飛廢水處理，有效的降低了資源開采的成本。LGP在地下與水力壓裂有著作用相同的作用，它可以與頁巖氣一起返排至地面，對地層沒有任何傷害。LPG 壓裂液技術相比于二氧化碳壓裂技術有著更好的優勢：摩阻較低、粘度高。然而，液化石油氣具有較強的可燃性，使用時有一定的危險性，因此，在開發過程中防火問題至關重要。

5 結語

隨著我國資源的不斷開發與利用，頁巖氣作為一種清潔能源和化工原料，在人們日常的生產生活中扮演著越來越重要的角色。水力壓裂技術作為關鍵的開采技術之一，雖然仍存在著類如水資源浪費、誘發地震等諸多問題，但可有效的增加頁巖氣的開采量。為了進一步提高水力壓裂法的可行性與安全性，應當進一步探究該技術與誘發地震之間的關系，建立完備的風險防治辦法。同時，為響應國家節能減排的號召，應大力推動新技術在頁巖氣開發中的研發和運用。