简析页岩气开发对水资源的破坏

邓晴阳，罗 元，郭 宇，党 伟

（成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059）

简析页岩气开发对水资源的破坏

邓晴阳，罗 元，郭 宇，党 伟

（成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059）

页岩气的开发主要采用水平井水力压裂的方法，压裂过程中压裂液的大量使用以及对返排压裂液的处理不当，会造成页岩气开发过程中对水资源的破坏，主要表现在导管破裂污染、返排液地面污染、大量消耗水资源等方面。通过总结对比返排压裂液的几种处理方法，认为废液处理后循环使用的方法在节约成本的同时，可最大程度地减小对水资源的破坏。

页岩气；压裂；水资源；压裂液

水平井水力压裂技术起源于美国[1，2]，从原始的水力压裂技术发展到目前以混合压裂、多级压裂为主要压裂工艺，在压裂技术与施工成本上有了大幅度的降低，同时也极大程度地增加了页岩气产量。可即使是美国掌握着的当今最尖端的水压裂技术也仍然有所不足。暂不论其他影响，单就水压裂技术产生的环境问题，就值得深思，特别是对我国这样一个正处于初级利用水压裂技术阶段的国家而言，压裂过程对水资源的破坏值得引起重视。

2010年，在《美国科学院院刊》上就有专家发表相关研究成果，表明在美国宾夕法尼亚州使用压裂方法开发页岩气的区域，地下水中以甲烷为主的有机物含量是其他未开发区域的17倍，严重影响着周边人居环境，并且相关研究人员也表示这种污染与页岩气开发所采用的压裂方式有关[3]。2011年，美国学者罗伯特·哈沃斯的研究团队曾经公开表示页岩气的开发会加重温室效应、严重影响地下水环境等[4]。在美国，关于页岩气开发中压裂技术所引发的诉讼呈现逐年递增的趋势。在因特网上相关环保人士也刊登了大量的具体事例，例如“水管里流出黄色的水”、“水龙头喷火”等。美国环保局也曾表示：“页岩气开发中采用的水平井压裂技术会对地下水造成污染”[5]。在欧洲，大批民众会定期上街游行，抗议政府支持页岩气开发而对其污染水资源不作为。面对页岩气开发中的种种负面因素，水资源的保护在页岩气的开发中会显得越来越重要，甚至在未来起到决定性的作用。

页岩气的开发对于地下水资源的破坏是永久性的，一旦对地下水造成伤害，就很难恢复。根据目前的资料和现场开发实测数据分析，页岩气开采对水资源的破坏主要表现为污染地下水、污染地表水、地下水资源的大量消耗等方面。

1 水平井压裂机理

页岩气的开采是通过钻水平井，在水平段即页岩层采用压裂技术对储层改造进而开采出页岩气。在压裂过程中首先采用地面压裂车组产生高压，将大量的压裂液注入页岩气井中，随着压裂液的不断注入，目的段压力逐渐升高，当此部分压力超过该页岩岩石的破裂压力之后，裂缝在目的段产生。随着裂缝的延伸，压裂液中的支撑剂就会逐渐充填裂缝，这一过程直到停泵后结束。停泵后，压裂液会返排至地面，而其中的支撑剂留在裂缝中，防止裂缝闭合，由于支撑剂的支撑作用，地下流体则可在压裂过程产生的裂缝中自由流动，增大了页岩气的渗流面积。

在美国页岩气开发中，有超过80%的井是采用多级压裂技术，所谓多级压裂，即采用相应的措施对同一井眼的不同位置进行压裂。此压裂技术较为完善，已逐渐成为页岩气开发中的主要压裂方式，该技术适用于水平段较长、产层较多的井。在某些页岩气田，还采用混合清水压裂的手段进行开发，同样也取得了良好的效果，此技术将少量的表面活性剂、减阻剂等加入到清水中作为压裂液进行压裂，并以注入砂与压裂过程中岩石的碎屑作为支撑剂。此压裂方法成本低，对储层伤害较小，是压裂技术的发展趋势。

2 开发过程对水资源的破坏

2.1 导管破裂污染地下水

已有研究报告表明[6]，由于导管质量问题以及压裂过程中的人为因素，压裂液会沿着导管破裂处直接流向地下，从而渗流到地下水系统中，造成地下水污染，从而影响到江河湖泊。

2.2 返排液污染地表水

在压裂过程停泵后，返排液就会沿着气井排出至地面。返排液中不仅含有原始压裂液中的有毒成分，并且也将地层中高矿化度的盐类、放射性物质等带出到地面上。这部分废液会首先存放在井场，随后由相关设备和人员对其进行处理。但由于井场存放的封闭性不好，相关处理仪器不能完全对这部分有害物质进行无害化处理，故部分废液就会泄露到地表，从而污染地表水。随着大自然水循环过程，有害物质同样会影响地下水，从而危及到人类。在美国，多个页岩气开发区的地下水实测数据表明当地地下水已受不同程度的污染。美国环保局相关环境专家也表示：“根据目前掌握的证据，压裂过程中的技术工艺会对地下水资源产生破坏”[7-9]。

2.3 开发过程中大量消耗水资源

页岩气开发需要消耗大量的水资源，主要体现在钻井过程和压裂过程，据估计单口页岩气的开发过程需要2×104m3甚至更多的水。根据夏玉强[9]教授的估算，若计划开发四川盆地某区块中15×108m3的页岩气资源，需要1 000井次日夜不停钻井4 a时间，水资源消耗量约为1.9×108m3，相当于消耗四川盆地1.1%的水资源量。此数据看上去不大，但是考虑到后期的污染问题，被污染的水资源会呈现指数型的增长，并且四川盆地夏天水资源丰富，但冬天则是枯水期，即使在每次压裂施工完毕之后，20%～80%的水会经过处理再次循环使用，但大量的地下水资源也会被压裂法所消耗。

3 废液处理措施

随着返排的压裂液流入地表，这部分废液的处理也成了亟待解决的问题，废液处理方法主要有以下几种：（1）排入河流和公共水域；（2）运送至公共污水处理厂；（3）注射至废弃的油气井中；（4）处理后重新作为压裂液继续用于压裂（优缺点对比见表1）。目前，大多数废弃压裂液都被注入废弃的油气井中。但随着压裂技术的不断成熟，返排液的处理逐渐被重视。

相关专家提出，无论从环境保护还是从人工机械成本的角度考虑[10-12]，压裂过程中压裂液的循环使用都是压裂技术未来发展的趋势。对此，各油气企业都在致力进行科技攻关，从而提出新方法，制造新设备来提高压裂液的循环使用率，而尽可能地减少对地下水的使用与破坏。对此，国内外相关企业都提出了多项创新措施来应对水资源循环利用的问题。

A Brief Analysis on the Destruction of Shale Gas Development to Water Resources

Deng Qingyang,Luo Yuan,Guo Yu,Dang Wei
（College of Energy Resources,Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610059,China）

Shale gas development mainly adopts the method of hydraulic fracturing of horizontal wells.The use of fracturing fluid in fracturing process and improper handling of fracturing flowback fluid will cause the destruction of water resources in the process of shale gas development, mainly displays in the tube rupture pollution,ground pollution of flowback fluid,a large number of consumption of water resources,etc.Through summarizing several methods of handling fracturing flowback fluid,found that the recycling use of the processed waste liquid method can save the cost,in the meantime to minimize damage to the water resources.

shale gas；fracturing；water resources；fracture fluid

X820.3

A

1008-813X（2015）02-0011-03

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.02.04

2015-03-13

邓晴阳（1993-），男，四川广安人，成都理工大学能源学院石油与天然气工程专业硕士在读，主要从事油气田开发及油气藏数值模拟方面的研究。