西部地區油氣資源開發與水資源協同發展模式探索

朱永楠，蘇健，王建華，李國欣，劉合，何國華，姜珊，張國生，馬建國

（1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國石油勘探開發研究院， 北京 100083；3.中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產分公司，北京 100027）

一、前言

能源是人類社會生存和發展的重要物質基礎，攸關國計民生和國家戰略競爭力[1]。在我國能源格局中，西部鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地所在的內蒙古、山西、陜西、甘肅、寧夏、新疆、青海、四川等地區（本文簡稱為西部地區）是油氣資源的富集區[2]，資源探明率低，勘探開發潛力大，對于保障我國能源安全具有重要的戰略地位。同時，西部地區作為我國水資源最短缺的地區[3]，多年平均降水量為365.8mm，水資源量為5.2747×1011m3，僅占全國水資源總量的19%。因此西部地區是我國能源與水資源協同安全最富挑戰的地區，目前水資源可利用量和生態環境保護已經對區域油氣資源的開發形成了明顯約束 [4]。

識別西部地區水資源與能源保障風險，構建油氣產業與區域資源環境的協同發展政策與技術體系，是實現我國能源產業可持續發展的關鍵，也是推進西部大開發戰略穩步實施的重要環節。在中國工程院戰略咨詢項目“中國西部地區化石能源與水資源協同發展戰略研究”的支持下，項目組從氣候、水資源、油氣、煤炭等多角度探討西部地區能源與水資源可持續發展的路徑。本文在宏觀研判我國西部地區油氣生產前景和布局的基礎上，以中國石油位于西部地區的7家油氣田企業為例，分析油氣田開發用水現狀和用水問題，提出保障西部地區油氣資源與水資源協同發展的技術策略和管控建議。

二、西部地區油氣發展與用水現狀

（一）西部地區油氣發展現狀

近年來我國能源需求快速增長，對外依存度不斷升高。穩定和發展國內能源產業，對維持我國經濟社會順利運轉、保障經濟發展有著重要的意義。

在我國能源格局中，西部地區是全國化石能源最富集的地區和重要戰略接替區，是能源的主要輸出區，已探明的石油資源儲量為6.672×1010t [5]，常規天然氣儲量為5.17×1013m3，頁巖氣儲量為7.77×1013m3，分別占全國的42%、76%和71%。2014年國務院辦公廳印發的《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》（國辦發[2014]31號）以及2016年國務院批復的《全國礦產資源規劃（2016—2020年）》（國函[2016]178號），都提出以塔里木、鄂爾多斯、準噶爾等盆地為重點“增儲上產”區域，加大油氣勘探開發力度，提高油氣產量，并提出重點建設9個千萬級大油田、8個年產量百億立方米級天然氣生產基地，其中西部地區共有包括新疆、塔里木、長慶、延長等4個大型油田和鄂爾多斯、沁水等天然氣生產基地。

2000年以來，依靠地質理論創新和工程技術進步，我國在四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達木、準噶爾盆地取得了多項重大油氣發現[2,6]。近年來，西部地區油氣儲量快速增長，石油、天然氣探明儲量分別從2000年的2.71×108t、4.007×1011m3增長至2018年的5.39×108t、6.301×1011m3。與此同時，區域油氣產量穩步提升（見圖1），石油、天然氣年產量分別從2000年的2.927×107t、1.52×1010m3增長至2018年的6.549×107t、1.32×1011m3；石油、天然氣全國產量占比分別從2000年的18%、55%增長至35%和83%，戰略接替地位日益凸顯。

圖1 西部地區石油、天然氣產量及占比

（二）西部地區油氣開發用水現狀分析

石油、天然氣作為水資源需求非常集中和強烈的能源類型，水資源的消耗貫穿油氣勘探開發的整個過程，需要消耗大量的水資源（見表1）。油氣勘探是尋找、探明油氣儲量的基礎，是油氣開采的第一個環節。其中，鉆井勘探是研究儲油構造、探明油氣面積和儲量的重要手段。經過前期初步勘探取得發現后，籌備一個新的油氣田還需進行一系列的油氣田開發建設工作，包括確定開發井的井位以及壓裂作業等具體開發方案的研究工作。開發建設后，油氣田則正式進入油氣生產作業階段。鉆井工作是油氣田勘探、開發建設、開采生產的重要環節，鉆井過程中，水在鉆進時的鉆機沖洗、冷卻等環節均發揮了重要作用，也是運移巖屑、固井施工等環節的重要載體。近年來，水力壓裂技術被廣泛應用于裂解巖體、形成導流裂縫，壓裂過程中需要消耗大量的水資源，以美國頁巖氣開發為例，其單井耗水高達2×104m3[7]。油田注水也是油田開采過程中確保油層壓力，提高采收率的重要措施。此外，石油化工也是水密集型工業[8]，目前我國節水型石化煉油廠每噸原油加工的新鮮水消耗約為0.4～0.5 m3[9]。

表1 油氣生產主要用水環節

本研究以長慶、新疆、塔里木、吐哈、青海、玉門等的7家油氣田企業為例，分析西部地區油氣田生產總體用水情況和發展趨勢。隨著新疆、長慶等油氣生產基地的規模開發，西部油氣田總用水量不斷增加。由2010年的3.18×108m3增加至2018年的3.63×108m3，增加了14%（見圖2）。但新鮮水用量變化不大，2010年西部油氣田新鮮水用量為2.60×108m3，2018年為2.66×108m3。

圖2 西部油氣田不同水源及各礦區用水量

在勘探及油田建設環節，中國石油天然氣集團有限公司在西部地區每年約使用0.16×108m3新鮮水，其中壓裂用水約占45%。注水開發是油氣田用水的主要環節，2010年西部油氣田注水總量為1.20×108m3，2018年注水總量則升至1.88×108m3，注水量增加了57%。近年來，隨著污水回收處理和循環利用效率的不斷提升，各油田污水回注、回灌量均呈增加趨勢，其他水源如污水回用等注水量由2010年的0.58×108m3，增加至2018年的0.97×108m3。但為保證油氣田生產的穩定和高效，注水水質管理過程對水中的懸浮物、溶解氧、腐蝕性等均有較高要求[10]，仍需取用大量的地表水或地下水。此外，油田工業用水和礦區生活、綠化用水也是油氣生產用水的主要環節，2018年中國石油天然氣集團有限公司西部7家油氣企業油田工業用新鮮水共計8.326×107m3，占總新鮮水用量的31%；礦區生活、綠化用新鮮水共計7.314×107m3，占總新鮮水用量的28%。

隨著常規油氣資源勘探難度的增加，勘探重點已逐漸轉向頁巖油氣等非常規資源。西部地區是非常規油氣勘探開發的主要區域，非常規油氣開發技術要求高，低品位或復雜油藏開發用水較大，以低滲、稠油、碳酸鹽巖等為主的長慶、新疆和塔里木地區的油田是用水大戶，占西部油氣田總用水量的80%以上。以頁巖氣開發為主的西南油氣田，目前新鮮水用量僅占西部油氣田總用水量的5%，雖然現狀用水量不大，但從油氣田生命周期的角度來看，后期建產階段可能對周邊水源、河流及工業生活用水造成較大影響。

三、西部地區油氣開發用水問題

《全國主體功能區規劃》在能源開發布局中提出，重點在能源資源富集的山西、鄂爾多斯盆地、西南、東北和新疆等地區建設能源基地。西部地區作為我國能源最主要的生產區，近年來油氣產量占比持續上升，未來一段時期也必然隨著國家能源總產量的增加而增加。同時，伴隨著我國著力改善能源結構和生態保護的政策導向，油氣資源的開發利用與水資源更加息息相關。利用水平井和體積壓裂技術、工廠化作業模式使得致密油/頁巖油等非常規資源開發成本逐步降低，但是大型壓裂所需的巨大耗水量及環境問題仍是阻礙西部地區油氣資源開發的重大問題。

西部地區是我國水資源最短缺的地區，由于油氣開發要消耗大量的淡水資源，很可能對區域地表和地下水系統帶來諸多影響，進而引起生態環境的惡化[11]。油氣井開發用水量受自然條件與資源條件影響非常大，隨著井段深度、水平井長度、產層地質特點、油氣井開發生命周期所處階段的變化，用水量可能會產生很大的變化。受季風氣候影響，西部地區降水在季節分配上具有夏秋多，冬春少的特點，存在明顯的水資源自然周期。但是油氣開發并不分季節，開發周期往往與水資源條件不相匹配。在油氣田開發尤其是在水力壓裂過程中短時用水量較大，建產階段則可能擠占當地工業、生活用水，甚至造成河道斷流，嚴重影響區域水資源安全和生態環境系統。

油氣層也賦存了地下水，在開發過程中含油廢水很可能會對地下含水層中的地下水造成污染。在壓裂施工過程中，會產生大量壓裂返排液至地面，廢液中不僅含有地層中帶出的天然雜質，還有壓裂液中的添加劑，廢水中化學需氧量（COD）、石油類、硫化物、揮發酚等污染物排放濃度遠高于《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中的排放濃度 [12]。鉆井廢水若不能及時處理，則可能污染周邊的地表水、地下水環境，隨著時間的積累，則會對人體造成嚴重的傷害。為實現西部地區油氣持續增儲上產與環境友好發展，亟需識別不同類型油氣開發過程中的水資源、水環境保障風險，從開發規模、開發模式、節水關鍵生產技術和管控政策等方面全鏈條式創新，促進西部地區油氣資源與水資源可持續利用與協同安全。

四、西部地區油氣開發重點節水舉措及對策建議

節水是西部地區油氣產業用水的優先前提與要求，為積極落實《國家節水行動方案》和《水污染防治行動計劃》，油田水管理須從取用水、采出水、污水處理等各個環節，采取有效對策優化管理。進一步強化水的循環再生利用，降低水資源浪費，推廣替代性節水技術，因地制宜加大非常規水利用量，實現油田水精細化管理。

（一）發展精準注水技術，實現穩油控水

注水開發是提高油田產量、改善油田開發效果的有效方法，是油田提高采收率的重要手段，也是我國油田開發的主體模式。我國大多數油田為非均質多油層砂巖油田，由于油層間壓力不均，不同層系開發效果存在較大差異。隨著油田開發程度的進一步加深，我國油田整體處于“高采出程度、高含水”后期，低效、無效水循環問題突出，造成油田水資源、能源的浪費。針對采油工程中注水技術這一難題，亟需大力推進油田數字化轉型，研制智能化、精細化分層注水及其配套技術，使地層間各類油層得到均衡的開采，實現剩余油的有效挖潛，最大限度地發揮油田節水節能效果。

（二）發展無水壓裂與增能技術，支撐油氣資源綠色高效開發

隨著油氣勘探開發技術的發展和資源開發力度的加大，西部地區油氣儲量快速增長，同時仍具有較大勘探開發潛力，未來西部地區將是保障國家能源安全的主戰場。但是西部地區水資源匱乏，油氣資源水力壓裂開發模式不可持續，亟需發展無水壓裂技術，以大幅減少油氣開發過程中的水資源消耗。目前，利用氮氣（N2）泡沫壓裂、二氧化碳（CO2）壓裂和液化石油氣（LPG）壓裂技術均可代替水作為壓裂介質，進行儲層改造，以達到改善油氣滲流條件提高單井產量的目的。但是，目前無水壓裂技術所需的氣源缺少充足保障，仍需跨行業進行戰略布局，以進一步提升能源開發的經濟和環境效益。

（三）通過管理控降用水，加大科學用水管理

油氣開采屬高耗水、高污染行業，為推動西部地區能源產業綠色、可持續發展，油氣行業應引進先進工藝對現有的生產裝置進行技術改造，推廣應用新的節水材料、技術和設備，實施企業用水平衡測試，開展合理用水分析，完善計量器具管理網絡，加強用水定額管理，提高水資源利用效率。

在油氣勘探、壓裂、開采等環節，開展科技攻關，加快壓裂返排液、凈化水配液研究和試驗，降低回用成本，根據油氣田特點因地制宜，實施不同的處理流程，提高壓裂返排液和凈化水配液的復配比率，減少新鮮水使用量。與此同時，開展環境友好型壓裂液配液技術研究，從源頭解決返排液處理、復配的技術難點，降低油氣開發綜合成本。

在礦區生活、環境管理環節，需加強對作業區的綠化用水管理，改變漫灌的綠化灌溉用水方式，實施必要的技術改造，采用地埋式噴灌、移動式噴灌、微噴灌等技術，節省綠化用水。加強礦區生活用水優化，提高污水回用率，減少新鮮水使用量。

（四）完善水資源綜合配置保障體系，提升能源產業用水安全保證程度

西部地區是我國最為重要的能源基地，而能源是西部地區經濟社會發展的支柱產業，因此，應將能源產業的水資源安全保障放在突出位置，加快完善能源產業的水資源綜合配置保障體系，因地制宜制定水資源保障策略，一方面要切實提升能源產業水資源安全保障程度，另一方面也要切實防治能源產業對水生態環境的影響，包括嚴格控制地下水超采、減少廢污水入河入湖入土、降低取水工程生態影響等。

從水源方面，構建多元保障體系，合理利用常規水源，加大利用非常規水源，規范取用存量地下水。在局部能源產業水資源約束較突出的地區，切實落實節水優先戰略，挖掘節水潛力，提升效率，創新水資源管理水平。

同時，應加快完善工業與農業之間的水權交易制度，建立健全水權交易平臺，建立法律依據與科學技術支撐，促進跨行業、跨區域、跨流域水權轉換。借助市場手段高效配置水資源，鼓勵能源企業出資進行灌區節水技術改造，在維持水生態健康的基礎上保障能源開發。

五、結語

作為我國的能源接替區和資源戰略儲備區，近年來西部地區油氣儲量和產量均大幅增長，為保障國家能源安全和推進西部大開發戰略穩步實施起到了重要的作用。未來西部地區仍將大力發展能源產業，油氣產量將快速增長，但由于西部地區水資源短缺、水資源開發潛力不足，未來區域水資源的約束性將更加顯著。針對西部地區油氣開發的特征和用水現狀，建議開展科技攻關，發展精準注水和無水壓裂技術，減少水資源的消耗；因地制宜，通過技術進步和管理創新，加大油田生產水的循環利用力度，加大非常規水利用量，在減少新鮮水取用量的同時降低地表和地下水環境污染程度，全方位全過程降低油氣開發對水系統的影響，實現西部地區能源與水資源協同安全。