页岩气开发中的水资源利用对策：以重庆地区为例

游声刚，郭 茜，吴艳婷，曾春林

（1．中国矿业大学 （北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2．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；3．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）

页岩气是以游离、吸附或溶解态赋存于富有机质页岩中的一种非常规天然气。近年来，随着水平井钻完井技术及水力压裂技术的突破，页岩气的产量在北美呈井喷式的增长。2007年，美国页岩气总产量近500亿m3，占美国天然气总产量达到8%以上；2009年，美国页岩气产量超过我国天然气总产量，达到1000亿 m3，占美国天然气总产量的14%［1］；2011年，美国页岩气产量为1700亿 m3［2］；2013年，美国页岩气产量更是突破3368亿m3［3］。水力压裂是页岩气开发的关键技术，该技术面临着水资源消耗大、短时间用水量大、环境破坏的问题。美国Barnett页岩气田每口水平井压裂用水量约为7000～18000m3。在页岩气开发中，水资源风险是最重要的但是被低估的挑战之一。如何更好的处理水资源利用与清洁能源高效开发之间的矛盾成为摆在政府和企业面前的一个难题。

1 研究区概况

重庆位于中国内陆西南部，处于青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，是长江上游地区的经济中心和金融中心。截至2014年，重庆市幅员面积8．24万km2，下辖38个县级行政区。重庆境内江河纵横，水网密布，水资源十分丰富，重庆市年平均水资源总量5000亿m3，其中地表水资源占绝大部分。流经重庆的主要河流有长江、嘉陵江、乌江、涪江、綦江、大宁河、阿蓬江、酉水河等。长江干流自西向东横贯全境，流程长达665km。

2 重庆市及页岩气区块周边水资源分布情况

2．1 重庆市水资源分布情况

重庆位于四川盆地东部，北有嘉陵江，南有乌江，境内流域面积大于100km2的河流有274条，其中流域面积大于1000km2的河流有42条。全区年降水量大，2013年全市平均降水量1063．6mm，折合年降水量876．43亿m3，但水资源在空间和时间上分布不均，东南山地水资源丰富，西部丘陵缺水，渝东南地区人均占有水资源量为3500～5500m3，渝东北地区人均占有水资源量为2000～5000m3，渝西地区人均水资源量仅为450～600m3［4］；雨季主要集中在6～9月份，其余8个月的降水量不到全年降水量的一半［5］，水资源时间上的分布不均容易造成夏季水患和冬春的干旱灾害。2013年全市地表水资源量为474．34亿m3，2013年全市常住人口为2970万人，人均水资源量为1597m3，同年全国人均水资源量为1937m3，重庆市人均水资源量低于全国平均水平。从目前国际公布的水资源紧缺程度指标来看，重庆属于中度缺水地区。

2．2 各区块水资源分布情况

重庆地区非油公司正在进行页岩气勘探作业的主要有四个区块，分别是国土资源部第一轮招标出让的秀山区块以及第二轮招标出让的城口区块、酉阳区块、黔江区块。其中城口区块位于渝东北地区，其余三个区块位于渝东南地区。前文介绍了整个重庆地区的水资源分布特征及规律，但具体到各个区块的地表水系及水资源分布情况又具有其特殊性。

城口县页岩气区基本涵盖了城口县中部地区仁河流域两岸乡镇，如修齐镇、厚坪乡等。城口地表水系发育，河网密布。所有河流都属长江水系。北部为汉江流域的仁河水系，南部为嘉陵江流域的前河水系。流域面积100km2以上的河流13条，50～100km2的6条，10～50km2的26条。区块周边的仁河、前河为境内两条主要河流。

酉阳区块属酉阳自治县内，酉阳自治县属武陵山区，地势中部高、东西两侧低。全县以毛坝盖山脉为分水岭，形成两大水系；东部的酉水河、龙潭河为沅江水系；西部的小河、阿蓬江等为乌江水系。区块周边的水源有梅江、酉水、龙潭河。

秀山区块位于秀山县境内，其主要水系除隘口镇的贵郎沟属乌江水系外，其余属沅江水系，其中龙潭河，花坦河、酉水河属过境河，集水面积大于50km2的河流有13条，流域面积大于1000km2的河流有：梅江河、酉水河、龙潭河和花坦河。页岩气开发可利用的周边主要水源有梅江、甘龙河等。

黔江区流域面积大于50km2的河流有15条，主要河流有阿蓬江、郁江、诸佛江，均属乌江水系。页岩气开发可利用的周边水源有唐岩河。

各页岩气区块所在的行政区内地表水系发育，河流众多，水源分布广泛，但地形地貌复杂，以山地为主，地势起伏大，山地和丘陵面积占幅员面积的94%［6］，受地貌的限制，给实际的引水工程带来挑战。

3 各区块地表水资源量及水资源承载能力

3．1 各区块地表水资源量

地表水资源量是指河流、湖泊、冰川等地表水体中由当地降水形成的、可以逐年更新的动态水量。依据重庆市水资源公报的数据整理得出四个页岩气勘探区块所在的行政区近五年的地表水资源量（表1），秀山县可能统计数据有异常，近五年的数据没有变化；酉阳县的地表水资源量不稳定，年最大地表水资源量和最小地表水资源量相差23亿m3以上；黔江区的地表水资源量最为稳定，但是该区近五年平均地表水资源量最少。

3．2 研究区水资源承载能力分析

研究区用水量主要包括生活用水量、生产用水量和生态环境用水量。生活用水量指城镇居民和农村人口维持日常生活的用水量；生产用水量是指经济产出的各类生产活动所需的水量，包括农业、工业、建筑业和第三产业的用水量；生态环境用水量指维持生态与环境功能和进行生态环境建设所需的最小用水量。2010年重庆地区城镇生活用水定额为125L／d，农村生活用水定额为75L／d，各行政区的城市人口和农村人口可通过各区经济和社会发展公报查出，通过这两项数据可以得到各区生活用水量。农业用水中水田以330m3／亩·a，水浇地为140m3／亩·a作为标准；工业用水以120m3／万元作为标准；建筑业万元增加值用水量为20m3；第三产业万元增加值用水量为10m3。根据重庆市水资源公报的统计结果，近几年来重庆市生态环境用水量为城乡居民生活用水量的1／10～1／15，而且有逐年减少的趋势，本文按生态用水量占生活用水量的1／15来计算生态用水量。通过上述计算方法可得到各区块生产、生活和生态环境的需水量（表2）。从表中可看出生产用水占的比重最大，城口由于人少地多，导致生活用水少，生产用水多。

表1 区块所在行政区域地表水资源量统计表

表2 水资源承载能力分析

页岩气开发的关键技术是水力压裂，水力压裂需要消耗大量的水资源。据美国能源信息署的统计［7］，Marcellus页岩气田每口井平均用水量为1．5×104m3，Barnett气 田 每 口 钻 井 需 水 1×104m3，Fayetteville页岩气田每口钻井需水1．2×104m3，Haynesville页岩气田每口钻井需水1．4×104m3。美国典型页岩气田Fort Worth盆地Barnett页岩覆盖面积约1．29×104km2，截止到2009年Barnett页岩气田已完成钻井13740口，其中95%以上是水平井，平均每平方公里一口水平井［8］，国际能源署的统计也认为通常陆上页岩气田没平方公里钻井数不超过1口［9］。以每井消耗1．5×104m3水资源计算页岩气开采耗水量，由于各区块是全区被页岩覆盖，所以页岩覆盖面积以各区块的行政面积为标准，按每平方公里一口页岩气井来计算页岩气开发所需要的水资源量，从开发所需用水量可看出用水量最大的是酉阳区块，其次是城口区块，黔江区块和秀山区块用水量相当（表2）。以近五年各区的平均地表水资源量作为可用水资源量，计算页岩气开采用水量占可用水资源量的比例，从结果看出，各区块页岩气开采所占比均不大，占比在1．54%～2．09%。虽然页岩气开采占可用水的比例不大，但是占总用水量的比例比较大，占总用水量的比例在19．69%～37．11%。页岩气开发中主要是压裂用水量比较大，而且压裂作业的时间一般较短，分段压裂中，2～3个压裂层段一般在一天之内就可完成［10］，对于页岩气井多段水力压裂一般在一个星期内可以完工。短期内如此高强度的用水量对当地居民的生活用水和工业用水必然会造成一定影响，同时对当地的供水设备来说也是一个很大的挑战。考虑到重庆地区为季节性的缺水区，秋冬季缺水较严重，如果压裂作业在秋冬季施工将会对当地经济社会生活用水造成更大的威胁。

4 页岩气开发水资源利用管理对策

根据前述对各区块地理位置、水资源量、水资源供需平衡和页岩气需水特点的分析结果，结合目前页岩气水平井压裂液处理的最新技术，从取水方案、用水对策和水资源管理等方面制定出了研究区块页岩气开发的水资源利用方案。

1）严禁在附近中小河流中取水。各区块严禁在附件的小河小溪中取水，应从当地的主要河流中取水，这些河流流量大，取水对河流生态用水和其他社会、经济用水影响不大；而当地的中小溪流，流量小，取水对当地居民用水及生态环境会造成较大影响。

2）页岩气开发应多渠道解决水源短缺的问题。首先，加强返排液处理技术的研发，使返排液达到回用的标准，页岩气井实施水力压裂后有15%～85%的压裂液会返排至地表，这些返排液中含有各种化学添加剂［11］，不能直接用于压裂液不能直接外排，可以通过各种处理工艺使返排液达到循环利用的标准，将处理后的返排液用于附近井区的压裂作业；其次，在临近城镇地区可使用城镇污水处理厂的出水；另外，在气田内可选择合适地点建设大型储水池，存储丰水期的水资源用于旱季页岩气田开发，国外已有成功的经验［8］。各类水源水质都应满足页岩气水力压裂要求，不能满足时应设水处理装置。根据页岩气的开发特点，水处理装置宜采用移动式。

3）优化水资源配置。水资源的输送过程中，合理采用物流运输或管道输送的方式，采用系统优化方法，选择最佳运输路线和管线优化配置，节省用水成本；压裂进行时避开河流枯水期和当地的用水高峰时间。

［1］ 郑军卫，孙德强，李小燕，等．页岩气勘探开发技术进展［J］．天然气地球科学，2011，22（3）：511－517．

［2］ 姜福杰，庞雄奇，欧阳学成，等．世界页岩气研究概况及中国页岩气资源潜力分析［J］．地学前缘，2012，19（2）：198－211．

［3］ US Energy Information Agency．Natural Gas Annual［R］．DOE／EIA－0131．2014．

［4］ 高明，王子芳，魏朝富，等．重庆水资源的农业利用及节水农业的发展对策［J］．西南农业大学学报，2004，26（6）：727－730．

［5］ 龚久平，张伟，洪云菊，等．重庆市水资源承载力分析与可持续发展利用探讨［J］．西南农业学报，2011，24（6）：2429－2433．

［6］ 刘金萍，李为科，郭跃．重庆城市化过程与水资源环境变化关系研究［J］．重庆师范大学学报：自然科学版，2007，1（1）：92－96．

［7］ Office of fossil energy and national energy technology laboratory US Department of Energy．Modern Shale Gas Development in the United States：a Primer［R］．Oklahoma：Ground Water Protection Council，2009．

［8］ 阎存章，李鹭光，王炳芳．北美地区页岩气勘探开发新进展［M］．北京：石油工业出版社，2009．

［9］ IEA．Golden Rules for a Golden Age of Gas［R］．Paris：International Energy Agency，2012．

［10］ 柴国兴，刘松，王慧莉，等．新型水平井不动管柱封隔器分段压裂技术［J］．中国石油大学学报：自然科学版，2010，34（4）：141－145．

［11］ Rahm D．Regulating Hydraulic Fracturing in Shale Gas Plays：the Case of Texas［J］．Energy Policy，2011，39（5）：2974－2981．