页岩气开发中水力压裂的环境影响及对策

李兴春 杜显元 李 颖

（1.中国石油安全环保技术研究院；2.中国石油大庆炼化分公司）

0 引 言

近年来，美国已超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国，主要原因是其页岩气发展迅猛。2012年，美国从页岩里开采了1800亿m3天然气，产量超过了中国天然气的全年产量［1］。我国从2006年开始进口天然气，2012年对外依存度达28.9%，已经严重制约经济健康发展。2012年3月1日，国土资源部对外宣布，称经初步普查，我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿m3，可采资源潜力为25.08万亿m3（不包含青藏地区），超过常规天然气资源［2］。2012年3月13日，国家发展改革委、财政部、国土资源部、国家能源局以发改能源〔2012〕612号印发《页岩气发展规划（2011—2015年）》，提出了到2015年，基本完成全国页岩气资源潜力调查与评价，掌握页岩气资源潜力与分布，优选一批页岩气远景区和有利目标区，建成一批页岩气勘探开发区，初步实现规模化生产的总体目标。2013年1月1日，国务院发布《能源发展“十二五”规划》，规划确定到2015年，页岩气探明地质储量增加6000亿m3，商品量65亿m3。页岩气已经成为中国能源发展的一个重要选项。

1 页岩气水力压裂技术

美国页岩气开发的快速发展，得益于页岩气开采水平井技术和水力压裂技术，其中水力压裂包括多段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术及同步压裂技术等，正是这些技术不断提高着页岩气井的产量［3］。

页岩气与常规气井的关键区别在于储层改造的不同，页岩气采用了大型水力压裂技术，该技术起源于20世纪50年代，并于20世纪80年代发展完善［4］。

1.1 水力压裂设计

水力压裂设计是根据设计目的层页岩的厚度、岩石的破裂特性等，通过计算机建模、微地震裂缝测绘和倾斜仪分析等，优化裂缝网络和实现气体产量最大化。计算机建模主要是对潜在裂缝发育的高度、深度和方向进行评估；微地震裂缝测绘和倾斜仪分析主要是用来确定压裂是否成功和裂缝的生成方向，为选井、利用储层自然条件以及新井的压裂效果提供资料。

1.2 水力压裂施工

目前水力压裂以水平井多段压裂为主。现在水平井水平段一般可以达到1000英尺（304.8m）以上，因此，在压裂过程中通常采用将水平井段分隔成数段进行，压裂从最末段开始，依次进行，直至完成整个水平井段。

在水力压裂开始时，首先要对井身结构质量进行测试，然后对压裂设备进行压力测试，确保井与设备能够正常工作。测试结束后，开始正式压裂。对于每一段压裂，通常先泵入酸液，清除储层被钻井泥浆和固井水泥造成的堵塞。其次，泵入减阻剂，即泵入一种添加了减阻剂的水基压裂液，减阻剂主要为了提高压裂液的流动。这些压裂液中同时可能还包含杀虫剂、控铁剂、除氧剂、阻垢剂等。第三，泵入支撑剂，即二氧化硅或石英砂与水的混合液，这些支撑剂可以进入压裂裂缝深处形成支撑。第四，在完成最后一段泵入支撑剂后，要进行清洗，用清水冲洗设备和井眼，清除过量的支撑剂。此外，在压裂的过程中要进行全程监测，对于地层特殊情况，可以对特殊段的压裂进行调整［5］。

2 页岩气水力压裂的主要环境影响

世界虽然掀起了页岩气热潮，但是欧洲各国对待页岩气的态度迥异。英国和波兰积极支持页岩气开发，法国、德国、保加利亚等出于环保考虑，明令禁止使用水力压裂技术开发页岩气。水力压裂过程主要涉及使用水及化学物质形成的压裂液在高压下压入目的层，同时要返排压裂液，返排压裂液经处理后，重复使用或排入水环境。与常规天然气开采相比，页岩气开采增加了水力压裂过程，在水力压裂过程中，主要涉及水资源的利用、压裂液对地下水和地质的影响以及返排压裂液排放对地表水的影响。

2.1 对水资源利用的影响

水力压裂用水量巨大，根据地质条件和压裂要求的不同，单一气井的作业需要300万加仑（1.1万m3）到500万加仑（1.9万m3）的水量。在2011年，有超过1.7万口水平井通过压裂作业获得页岩气，用水量巨大，引发了人们对于是否会引起当地水资源枯竭的担忧，进而提出是否需要管制压裂用水。根据世界天然气联盟（IGU）的资料，页岩气生产的用水量要小于常规的石油及其他形式能源生产的用水量。根据生产原料的不同，每百万单位英热能源的耗水量常规石油为30～80L，核能30～50L，生物燃料大于9500L，煤8～30L，页岩气4～6L［6］。页岩气消耗水资源的特点是阶段性用水强度大，但是平均到热单位上，却比煤要低。

2.2 对地表水和地下水的影响

水力压裂液通常由99.5%水和砂，以及0.5%的化学添加剂构成。根据作业用水以及目标岩层的特性，典型的水力压裂作业需要用到3～12种化学添加剂，典型的水力压裂作业常用的化学添加剂基本情况见表1［7］。

表1 典型的水力压裂作业常用的化学添加剂基本情况

目前，获知的水力压裂液的化学添加剂常见于家庭和商业用途，其中部分物质是有毒的，根据长期生产实践经验，只要正确使用，可以确保安全。水力压裂液的使用过程受到严格管控，不会接触地下水。

美国石油学会（API）在20世纪80年代发表了一系列对于套管和固井保护的论文和报告，这些论文和报告指出，如果注入地下的压裂液要进入地下水层，需要油管、生产套管和表层套管同时发生泄漏，破裂的部位正好位于地下水层，注入的压裂液在井眼中向上长距离流动后达到地下水层，或者注入液体要通过岩层和咸水层进入地下水层。研究表明，不考虑设备、技术发展的情况下，对深部页岩气水力压裂时，地下水受泵入压裂液影响的概率低于2×10-8［8］。

此外，除了多层套管和固井所提供的保护外，开发区域的岩层中还有阻止油气逸散的盖层。石油天然气地质学家指出，如果没有有效盖层，油气就不能聚集，也就没有工业开采价值。因此，这些盖层也是阻止压裂液向上迁移到地下水层的有效屏障。

2.3 对地质的影响

在特定的地质条件下，有极小可能发生相对较小级别的地震。根据IGU的资料，2011年全球共实施了超过25万次的水力压裂作业。仅有几例地震报告与水力压裂可能有关。英国有一次轻微级地震归于水力压裂；美国俄亥俄州有两起地震与废水地下灌注有关。虽然有震感，但未形成有形损失。而且这些地震与页岩气开发的关联度未经科学方法予以证实。研究表明，水力压裂诱发地震活动的强度通常比人类能够感觉到的强度水平低10万倍［6］。

此外，压裂设计中采用的建模、微地震裂缝测绘和倾斜仪分析可确定压裂是否成功和裂缝的生成方向，通过调节压裂施工过程，可将裂缝的生成控制在设计的范围内。

3 对策建议

我国为了鼓励页岩气开发，形成多元化投资机制，将页岩气划分为独立矿种，这种划分形式造成了环保部门对如何监管页岩气开发存在争论。页岩气开发过程除水力压裂有别于现有常规天然气开采外，其他过程基本一致。因此，在借鉴现有常规天然气环境监管要求的同时，要充分了解国际页岩气开发水力压裂的环境影响，也有必要深入探讨这一过程的环境影响。目前，国内刚开始页岩气勘探开发示范区建设，对于页岩气勘探开发示范区的环境监管，建议借鉴国际经验，重点开展以下工作。

◆控制对水资源的影响 现阶段页岩气勘探开发示范区建设的环境监管中，要求进行钻井作业前要开展水资源评价，没有通过水资源评价的不允许开钻；对于同一小流域内的水资源评价，要考虑叠加影响。通过水资源评价后，在用水前要向公众公布用水信息。

水力压裂本身要充分利用现有的节水技术，提高循环率，降低整体用水需求，从源头上降低用水量。建议将水资源作为一个约束性的指标，根据区域的水资源量和利用情况，通过系统研究确定我国页岩气开发的鼓励地区、限制地区和禁止开发地区。

◆控制对地表水的影响 通过行政文件鼓励使用绿色或者非毒产品替代现有的添加剂，要求全面披露水力压裂液中使用添加剂的信息。对使用前的水力压裂液和将要排放的废弃压裂返排液进行生物毒性检测，压裂返排液在达到国家规定的排放标准和生物毒性相关要求后才能够排放。

建议在现有GB 8978—1996《综合污水排放标准》中补充生物毒性标准，或者针对页岩气开采、压裂液使用制定相应标准，不仅可以作为控制页岩气废弃压裂返排液排放使用，也可以为控制类似液体排放提供依据。

◆控制对地下水和地质的影响 钻井过程中，要严格按照相关标准安装油管、生产套管和表层套管，同时保证固井质量，可从源头上防止压裂液进入地下水。需要在水力压裂施工前，要根据钻井实际复查可能存在的断裂带，对存在断裂带的要调整水力压裂设计；在水力压裂施工过程中，使用高灵敏度仪表监测生产流程，在存在可能无法控制的影响时，应停止作业。

建议出台页岩气钻井和水力压裂过程环境保护要求，规范压裂过程施工作业，在源头控制环境风险。

4 结束语

与常规天然气开采相比，页岩气开采过程中可能对水资源的利用、地表水、地下水和地质等产生一定影响。主要表现在水力压裂用水量大，阶段性用水强度高；返排液数量大，处理不当可能污染地表水，存在污染地下水和诱发地震活动的可能性。

在借鉴现有常规天然气环境监管要求的同时，针对页岩气开发水力压裂的环境影响，制定水资源利用、返排液排放以及压裂过程等方面的标准规范，加强环境保护，可以有效降低页岩气开采对环境的影响。

［1］张国宝.中国新能源成就令世界瞩目［J］.风能，2013（10）：16-17.

［2］发改能源 ［2012］612号 页岩气发展规划 （2011—2015年）［S］.

［3］Jennings AR.Gas Well Stimulation in the Eastern United States，SPE 7914［C］.SPE Symposium on Low Permeability Gas Reservoirs，Denver，CO，1979：20-22.

［4］Halliburton Energy Services.US Shale Gas-An Unconventional Resource.Unconventional Challenges［R］.Halliburton White Paper，2008.

［5］David Daniel Cramer.Stimulating Unconventional Reservoirs：Lessons Learned，Successful Practices，Areas for Improvement［C］.USA：Society of Petroleum Engineers，2008：10-12.

［6］IGU.Shale Gas，The Facts about the Environmental Concerns［R］.International Gas Union 2012.

［7］Parshall J.Barnett Shale Showcases Tight-gas Development［J］.Journal of Petroleum Technology，2008，60：48-55.

［8］Troy WM，Michie ＆ Associates，Inc，American Petroleum Institute.Oil and Gas Water Injection Well Corrosion：Prepared for the American Petroleum Institute［C］.Michie ＆ Associates，1988.