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页岩气开发的环境影响因素研究综述

2015-01-27游声刚吴述林陈雪娇吴艳婷

中国矿业 2015年5期
关键词:气井水力页岩

游声刚,郭 茜,吴述林,陈雪娇,邓 智,吴艳婷

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.中国石油集团测井有限公司,陕西 西安 710077;3.中石化西南分公司川西采气厂,四川德阳 618000 ;4.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院),重庆 400042;5.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院),重庆 400042)

页岩气开发的环境影响因素研究综述

游声刚1,郭 茜1,吴述林2,陈雪娇3,邓 智4,5,吴艳婷1

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.中国石油集团测井有限公司,陕西 西安 710077;3.中石化西南分公司川西采气厂,四川德阳 618000 ;4.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院),重庆 400042;5.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院),重庆 400042)

中国页岩气地质资源量丰富,我国主要盆地和地区的页岩气可采资源量为26万亿m3。当前我国正在积极推进页岩气勘探开发工作,更多的资金和政策都集中在页岩气的勘探和开发上,对页岩气勘探开发过程中可能带来的环境问题重视不够。本文梳理了美国页岩气开发过程中产生的环境问题及国内固体矿产开发中引起的环境问题,认为目前我国页岩气开发可能面临如下环境问题:土地占用、破坏与污染;水资源消耗与污染;大气污染与温室气体排放;地质灾害。并针对性的提出了一些环保建议,如探索页岩气开发新技术;建立环境评价体系;建立相关法规和应急方案。以期为中国页岩气勘探开发过程中如何处理好环境与资源的关系提供参考。

页岩气;土地污染;大气污染;水污染;地质灾害;环境保护

1 国内外页岩气开发现状

页岩气是指以游离态、吸附态或溶解态赋存于暗色富有机质和极低孔隙度渗透率的泥页岩、泥质粉砂岩,以及砂岩夹层系统的孔隙、裂缝和有机质表面中的天然气,是自生自储、连续聚集的非常规天然气藏[1]。由于页岩气主要以吸附态为主,决定了其主要以水平井开采为主,并且还需应用水力压裂等储层改造工艺。

美国是世界上最早进行页岩气商业开发的国家,近年来,美国非常规气工业迅猛发展,页岩气产量大规模的攀升。1998~2007年的10年间,美国的非常规天然气产量由1258×108m3增加至2519×108m3,其中,页岩气对非常规天然气产量增加的贡献达到40%[2];2009 年美国页岩气产量接近1000×108m3,超过我国常规天然气的年产量[3];2010年美国页岩气产量达到1378×108m3,占全美天然气总产量的23%,超过中国2011年天然气总产量。2011年,产量超过1700×108m3,占美国天然气总产量的1/4[4]。据美国能源信息署的数据,2013年美国页岩气产量更是达到3368×108m3[5]。伴随着产量增加的是水平井数量的增加,美国页岩气井的数量从2006年的40000口增加到2009年的98590口,比2006年增长了1倍多[6]。目前,美国主要有5套具有商业开发价值的页岩气系统,即:FortWorth盆地密西西比系Barnett页岩、Appalachian盆地泥盆系Ohio页岩、Michigan盆地泥盆系Antrim 页岩、Illinois盆地的泥盆系New Albany页岩和 San Juan盆地白垩系Lewis 页岩[3]。随着产量急剧上升,页岩气开发对当地环境和居民生活的影响明显加剧。主要环境问题包括水资源污染、大气环境污染、土地污染及地质灾害。

中国的页岩气勘探开发尚处于探索研究阶段,已取得一定的阶段性成果,目前已有区块投入商业性开发阶段。2009年国土资源部在重庆启动我国首个页岩气资源勘查项目,标志着我国页岩气勘探开发已提上日程;2011年底国土资源部批准页岩气成为独立矿种,对其按单独矿种进行投资管理;2012年,财政部和国家能源局联合发布《关于出台页岩气开发利用补贴政策的通知》,《通知》界定了页岩气的标准及补贴条件,中央财政对页岩气开采企业给予补贴,2012~2015年的补贴标准为0.4元/ m3;2013年10月国家能源局发布《页岩气产业政策》,该《政策》主要包括产业监管、示范区建设、产业技术政策、市场与运输、环境保护、支持政策等内容。可以看出,从上游的勘探权、到下游的补贴及贯穿勘探开发全过程的环保措施,上述一系列政策的出台为我国页岩气产业的健康快速发展铺好了路。我国富有机质页岩广泛分布,横向上从南到北,纵向上从古生界到新生界,沉积环境上从海相-海陆过渡相-陆相都广泛分布有富有机质页岩,下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相富有机质页岩是我国南方地区的重点勘探层系;中、新生代以来,在我国北部形成了稳定沉积的陆相页岩,如松辽盆地下白垩统青山口组页岩、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组页岩为我国陆相盆地重点勘探的层系。近几年,我国页岩气勘探开发不断取得突破。页岩气勘探相关钻探活动活跃,2008~2013年的6年间,中石油、中石化和延长石油等多家油气公司相关部门已累计钻探约130口页岩气井,其中勘探评价井约100口,其余为地质调查取芯浅井[7];已建成商业性页岩气田,自2012年11月焦页1井在龙马溪组试获高产工业气流以来,多口井在焦石坝构造连续试获高产工业气流,发现了焦石坝页岩气田[8];页岩气开发已形成规模产能,2012年为全国页岩气产量为3000m3[9],2013年全国页岩气年产量超过2亿m3[10];突破关键技术瓶颈,自主研发形成了页岩气勘探开发配套技术,为页岩气的大规模开发提供技术保障,四川油气田通过开展自主攻关和现场试验,逐步形成了集复合桥塞分段及多簇射孔工艺、大规模滑溜水体积压裂技术、低摩阻滑溜水压裂液体系、大型压裂施工配套技术、连续油管钻磨桥塞技术为一体的页岩气水平井分段压裂技术,现场测试成功率高[11]。

2 页岩气开发引起的主要环境问题

水平井和水力压裂技术是页岩气开采的关键技术,在页岩气开发初期,由于工程规模有限,页岩气的开采对环境的影响没有显现,随着水平井钻井、水力压裂技术不断成熟及天然气价格的不断攀升,页岩气开采工作全面铺开,工程量上升,据美国能源信息署的消息,美国天然气井在1999年之后呈爆发式的增长,从1999年的302421口井增加到2013年的487286口井,页岩气产量也不断取得突破,伴随的环境问题也逐渐凸显,加拿大近几年随着页岩气的开采,小型地震的数量每年约增20多起[12]。从目前的页岩气开发实践来看,页岩气开采可能存在以下四个环境问题:土地占用与破坏、水资源消耗与污染、空气污染、诱发地质灾害。

2.1 土地破坏、占用与污染

页岩气钻井施工,严重破坏了山坡土体结构,加上大型钻井设备和工程车的重压以及大规模的水力压裂导致土壤裂隙产生甚至引发地面塌陷,而土壤中的营养元素也随着裂隙、地表径流流失,造成许多地方土壤养分短缺,土壤承载力下降,植被破坏,最终导致工区大面积人工裸地的形成;而水力压裂破坏岩层的稳定性,增加山体滑坡的风险[13]。而新暴露的岩土在风雨侵蚀作用下极易风化成岩屑,为水土流失提供了丰富的物质来源,使水土更易移动,水土流失加剧[14-15]。特别是我国目前的页岩气钻井施工活动大多处于降雨量大的西南部地区,可能导致更为严重的土地破坏。

与传统油气开采相比,页岩气井所需设备更多,占地面积较大,通常陆上常规气田每10km2不到1口气井,而页岩气田气井数可能超过10口[16]。打井的土石方、用来做隔离层的水泥以及储水池、配套道路、输气设备、返排液处理设备等,将占用更多的土地[17]。在美国的页岩气开采区,数以万计立方米的水通过卡车运输到压裂施工井场;而用于压裂后的返排液同样需要交通运输工具运送到废水处理地,因此,运输对附近道路压力大,损毁加剧,有时意味着占用新的土地面积修新的道路。

石油中含有丰富的有机化合物,油页岩矿渣在井场的堆积会使得大量石油进入土壤,对土壤、生物造成严重污染[18],和油页岩相比,页岩中的有机质在成分和赋存方式可能有所差别,但是经过在井场长时间的暴露、淋滤,仍有可能对周边的土地造成污染;钻井液、压裂返排液中存在大量的成分及其复杂的化学物质和重金属,在钻井过程中或在对废液集中处理之前的存放过程中可能发生外渗,使周边的土地受到污染[19];很多页岩气开发目的层具有高的压力系数,在钻井或压裂过程中如处理不当易发生井喷,使施工现场周边的土地受到污染,2011年4月,切萨皮克公司在滨州北部的一口页岩气井压裂作业过程中发生井喷,数千加仑压裂液流向周围的土地。

2.2 水资源消耗与污染

水力压裂技术目前仍然是页岩气开采的主要储层改造技术。采用该技术会带来两个问题:水资源大量消耗;压裂液中大量的化学添加剂可能对地下水和地表水造成污染。页岩气井水力压裂耗水量是常规油气井的50~100倍[20],每口井的压裂用水量高达几万立方米,在现有工农业用水的基础上,大量增加的页岩气开采用水将会引起对环境的累积影响,如河流等地表水和地下水资源的枯竭、含水层储水能力的丧失,危害当地生态系统[17]。Marcellus页岩气田的每一个钻井平均用水量约1.5万m3,其中用于水力压裂的水量占98%;Barnett页岩气田每个钻井需水1万m3,水力压裂水占85%;Fayetteville页岩气井需1.2万m3,水力压裂水占95%;Haynesville页岩气井需1.4万m3,水力压裂水占73%[21]。页岩气开发耗水量占地区用水量的比例较小,美国德州页岩气开发耗水量占比小于1%;宾夕法尼亚和西弗吉尼亚两州的页岩气井需水量占Marcellus页岩区总水量的0.52%~0.92%。尽管用水量小,但由于页岩气井的钻探周期较短,在短期内大量消耗当地地表水或地下水,很可能会影响当地水生生物的生存、捕鱼业、城市和工业用水等[22]。

页岩气是一种超低渗透的非常规天然气,通常为了提高采收率都要使用水平井和水力压裂技术,通过高压使储层产生诱导缝,为了尽量缩短诱导缝的闭合时间,通常在水力压裂的过程中还要加入支撑剂,从而改善储层的裂缝网络系统。压裂液由水、砂和化学添加剂组成,砂和水占比达到99%以上,化学添加剂占比1%,即使是这1%的添加剂,我们仍不能忽视它对环境造成的影响,这些添加剂中包含了减阻剂、杀菌剂、防垢剂、粘土稳定剂和表面活化剂等260多种类型[23]。2000~2010年间,美国钻探2万口页岩气井中发生与水力压裂有关的水体污染事件有43起,其中48%与天然气或钻井液有关,33%涉及井场表面泄漏,10%涉及取水和空气质量以及井喷问题,剩下9%涉及井场外的处置不当问题[24]。页岩气勘探开发过程中与水相关的污染主要指由水力压裂引起的地下水污染和地表水污染。页岩气开采对地下水的污染的主要体现在以下三个方面[25]:①甲烷气体向浅层地下水迁移,引起地下水甲烷含量超标。宾夕法尼亚州和纽约州五个68个私有水井中的甲烷含量超标,在部分地区,居民甚至能点燃自来水中中冒出的气体,研究证实,饮用水受甲烷污染的现象与用水力压裂法开采页岩气密切有关[26-27];②深部页岩层的水和浅层地下水之间的水力联系,钻井液导致浅部含水层受污染,同位素比值分析认为深部页岩层和浅部含水层之间存在联通的裂缝[28];③返排液和产出水回灌造成的地下水污染。压裂后有15%~85%的返排液会返排至地面,返排液中含有较高的COD、金属元素和TDS[29],目前对这些大量的返排液的处理方式比较棘手,处理方式通常有就地排放、拉到污水处理厂处理之后排放和经过处理之后回灌的方式,如果对这些含有有毒物质的返排液回灌之前处理不当,回灌过程中势必会造成地下水污染。地表水污染主要体现在返排液的不合理排放造成临近河流等地表水的污染,严重威胁到当地居民的饮水安全。宾夕法尼亚州Cabot地区由于页岩气开采过程中大量返排液倒入特拉华河流域,已造成该区23.3km2的区域被污染,使得当地居民没有饮用水可采[22]。

2.3 大气污染与温室气体排放

页岩气开发过程中对大气造成的污染来源主要包括钻井设备和卡车排放的颗粒和有毒气体、开采过程中造成的甲烷气体的泄露所引发的温室效应和烟雾污染。页岩气的主要成分是甲烷,虽然甲烷燃烧所产生的碳排放量相对较低,但甲烷的泄露会不仅会造成当地空气污染,也会引起温室效应,其温室效应影响约是二氧化碳的25倍。有研究显示,在页岩气开发过程中约有1.19%的甲烷泄漏,再考虑加工、输气和配气环节则整个泄漏量约为2.01%[30]。页岩气井泄漏的甲烷比常规天然气井要多,泄漏量可占到整个气井预测总产量的3.6%~7.9%,美国页岩气行业甲烷泄漏率为3.2%,比天然气高出30%~100%[31]。大气污染的来源主要有地面臭氧烟雾污染、钻采过程中钻遇到的地层有毒气体及钻采设备和卡车排放的有毒气体。天然气燃烧释放的氮氧化物、碳氢化合物经过一系列复杂的化学变化生成臭氧烟雾,在页岩气大规模开发的地区形成地面臭氧烟雾污染[32];在四川盆地页岩气开发过程中在部分地层中测得含有H2S气体,而且还高达15g/m3以上[33-34],钻采过程中如果处理不当,不仅会造成环境污染,更有可能损伤施工人员的身体甚至带来生命危险。2012年美国环境保护署发布了控制页岩气开采大气污染的首个法规,要求使用水力压裂法生产的所有页岩气井必须安装有害气体捕捉装置[17]。

2.4 诱发地质灾害

页岩气开发工程具有占地面积大、压裂规模化、裂缝网络化、影响深度大的特点,在开发过程中会直接或间接的带来一些地质灾害。在山区压裂施工过程中容易诱发山体崩塌、滑坡等地质灾害;水力压裂破坏了地层的原始抗压强度,从而引起地面沉降,破坏作业区的房屋、道路和农田。美国多地页岩气作业区都有过地震发生的报道[35],而且最近几年地震活动的更为频繁,目前有关水力压裂与地震的关系还不清楚,地震有可能由水力压裂本身引起,也可能由于返排液的回灌引起地层的不稳定活动诱发[36]。虽然诱发的地震震级小,不能被人类察觉到,但由水力压裂引发的地震仍不可忽视。

2.5 其他环境问题

水平钻井、水力压裂、井场建设和天然气运输所需的压缩机不免会带来噪音,特别是水力压裂,施工时间长,多台压裂设备同时工作,不可避免的对周围居民造成影响[37],四川地区页岩气钻探施工过程中就出现过居民因抱怨施工带来噪音而不让工程车进村的情况。在页岩气开采作业过程中将产生一定量的固体废弃物,主要包括钻井废弃泥浆、岩屑、废堵漏材料以及作业区生活垃圾等。废堵漏材料和生活垃圾的量比较少,某气田开发过程中,每口井岩屑的产量约为1000m3,废泥浆产量在800~1200m3之间,废弃泥浆中含有烃类、盐类、各种聚合物、木质素磺酸盐、重金属离子和重金石等危害环境的成分;废弃岩屑的主要成分为铝、硅、钙、铁的化合物及有机物[38-39]。这些污染物通常储存在井场内的废泥浆岩屑池,待完井后统一进行妥善处理。

3 页岩气开发环保建议

页岩气开发实践表明,页岩气开发在带来资源和经济效益的同时,也带来一系列的环境问题,如土地破坏、水资源挑战、空气污染和地质灾害等。我国目前也正面临着严重的环境问题,北方雾霾天气年年出现,西南频频被大旱和泥石流侵袭,政府必须严格的从源头把关,避免在现有的环境问题没解决前又出现新的环境问题。在此背景下,为了尽量降低页岩气开发对环境造成的负面影响,针对页岩气勘探开发过程中各个环节的不同特点,提出如下环保建议。

3.1 引进探索页岩气开发新技术

我国单口页岩气压裂用水在15000~30000m3之间,随井深的加大,个别井的用水量更大[40]。可以探索用液量少的混合压裂技术及纤维压裂、通道压裂、干法压裂、液化石油气压裂等无水压裂技术。干法压裂费用高,但无需使用水,经济环保,在美国的应用证实具有较高的经济性。液化石油气压裂具有携砂量大、造缝能力强、地层无损害、返排时间短及完全返排等优点[41-42],应重点推广。伴随页岩气的开采,地层压力不断释放,会导致支撑剂破损,从而降低压裂缝的导流能力,不得不进行重复压裂。可加强低密度、高强度支撑剂的研究,在增大携砂量的同时也能提高支撑性能,尽量避免重复压裂。在我国资源家底尚不清楚的阶段,不得不使用水力压裂的情况下,应探索返排液回收处理重复利用技术。

3.2 建立页岩气开发环境评价体系

页岩气特殊的开采方式导致其开采过程中不确定的环境风险因素众多,应该从风险预防的原则出发,充分考虑可能涉及的环境问题,构建页岩气开发环境评价指标,根据各区块的不同特点赋予各评价指标不同的权重系数,计算出环境影响的综合值[43-44]。对页岩气开发带来的环境影响作出科学性、前瞻性的评价,为页岩气的开发规划提供科学依据。

3.3 建立页岩气开发相关律法规

建立适应中国国情的页岩气开发相关的水、气、生态环境等方面的针对性的法律法规,在企业进行施工前审查其环保资质,监督相关法规在实践中的落实情况。使得页岩气开采有法可依,从源头上杜绝页岩气开采带来的环境问题。

3.4 建立突发事件应急方案

页岩气开发施工中不可避免会遇到一些突发事件,如井喷、井漏、山体滑坡、有毒气体泄露、水资源枯竭、污染等。应有针对性的建立相应的预防机制,争取出现问题时能第一时间得到解决,避免造成更大的破坏。

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Review of environmental factors of shale gas development

YOU Sheng-gang1,GUO Qian1,WU Shu-lin2,CHEN Xue-jiao3,DENG Zhi4,5,WU Yan-ting1,5

(1.College of Geosciences and Survey Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi’an 710077,China;3.Sinpoec Southwest Oil/Gas Co.Chuanxi Gas Production,Deyang 618000,China;4.Key Laboratory of Shale Gas Exploration,Ministry of Land and Resources,Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042,China;5.Chongqing Engineering Research Center for Shale Gas Resource & Exploration, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042,China)

Abundant of shale gas geological resources in China,26 trillion m3of recoverable shale gas resource in major basins and regions of China.At present,China is actively promoting the shale gas exploration and development work,more money and policy focused on the exploration and development,environmental problems about shale gas exploration and development may bring do not seriously enough.This paper reviews the environmental problems during the shale gas development in US and domestic mineral development,thinking that may face below environmental problems in china’s shale gas exploration and development:land occupation,destruction and pollution;water consumption and pollution;air pollution and greenhouse gas emissions;geological disasters.And making a number of specific environmental protection proposals,such as developing new technologies of shale gas exploration and development;the establishment of environmental evaluation system;the establishment of relevant regulations and contingency plans.To provide a reference how to handle the relationship between the environment and resources for China’s shale gas exploration and development.

shale gas;land pollution;air pollution;water pollution;geological disasters;environmental protection

2015-01-19

页岩气产业发展扶持政策及环境保护政策研究项目资助(编号:12120114020201)

游声刚(1987-),男,博士,湖北荆州人,主要研究方向为非常规油气地质工程管理。E-mail:715634020@qq.com.

X820.3

A

1004-4051(2015)05-0053-05

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