大规模体积压裂诱发的地质灾变问题研究综述

王洪建, 赵菲, 刘大安, 黄志全, 姚亚明，3， 范琛

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045； 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；3.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023； 4.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)



大规模体积压裂诱发的地质灾变问题研究综述

王洪建1, 赵菲1, 刘大安2, 黄志全1, 姚亚明1，3， 范琛4

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045； 2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；3.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023； 4.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

页岩储层大规模体积压裂对储层实施改造，是实现非常规油气资源工业化开发的核心技术，但目前该技术的机理研究和应用都处于起步发展阶段。大规模体积压裂可能带来潜在的地质灾害风险，主要包括淡水资源的消耗、浅水层的污染、断层活化诱发地质灾害和地表侵蚀、甲烷泄露致空气污染、植被破坏等问题。从体积压裂机理入手，研究了上述存在的地质灾变风险及灾害发生机制，并从勘探调研合理的页岩气开采区块、设计科学的钻井完井方式、压裂液注入速率方案、实时监测断层破裂带应力及滑移状态以及废水废气回收处理等角度提出对应的科学指导和防范措施，对国内页岩气顺利开展工业化开采、避免潜在的地质环境灾变对人类产生危害具有重要的指导意义。

体积压裂;压裂液；页岩气；地质灾变;断层活化;泄漏风险;防控措施

非常规油气资源是指不能用常规的方法和技术手段进行勘探、开发的另一类资源,其埋藏、赋存状态与常规油气资源有较大的差别,开发难度大、费用高。在非常规气勘探开发中，页岩气逐渐成为各界关注的焦点[1-3]。自美国1982年发起页岩气革命以来，经过30多年的努力，已于2009年超越俄罗斯成为世界第一大天然气生产国，页岩气年总产量达到1 800亿m3，占美国天然气总产量的34%[4]。由美国引发的“页岩气革命”正在向全球蔓延。

实现非常规油气资源开发的核心技术是超低渗储层的大规模体积压裂。2010年，M. J. Mayerhofer等[5]在研究Barnett页岩的微地震技术与压裂裂缝变化时，首次用到改造的油藏体积(Stimulated Reservoir Volume，SRV)这个概念。2011年，国内学者吴奇等[6]根据国外现有研究提出了体积改造的基本定义及裂缝起裂与扩展的新观念。体积压裂是基于体积改造这一全新的现代理论而提出的，指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率。但是，目前体积改造这个概念的内涵与意义还没有在国内得到广泛的理解和应用，更没有关注到大规模页岩储层体积压裂会引起地层构造应力发生改变并对人类生存产生不利的影响。体积压裂最直接的目的是沟通人工裂缝与天然裂缝形成立体缝网，作业过程中极有可能使井筒或者缝网连通天然断层带，这样大量的压裂液进入断层区域，在人工注射高压的作用下，断层带地应力场发生改变而活化，压裂液可能沿着断层带向上运移至上覆浅水层从而造成水资源污染[7-8]。此外，现阶段大规模体积压裂风险和环境安全评估研究主要借鉴环境工程中的环境风险评价思路和方法，较少涉及到具体的地质环境灾变类型和灾变诱发模式，且相应的地质环境灾变风险防范措施缺乏针对性和可操作性[9-10]。

本文通过搜集和分析大规模体积压裂工程实例，从低渗储层的体积压裂机理入手，研究压裂储层可能诱发的地质灾变问题，包括淡水资源的大量消耗与污染、甲烷的泄漏、地表侵蚀、压裂诱发活化断层等地质灾变问题，并提出风险防控相关措施，以达到能源开采与环境保护的双赢，对国内页岩气的顺利工业化开采及避免潜在的地质环境灾变等具有重要的现实意义。

1 体积压裂机理简介

2012年，陈守雨等[11]阐明了体积压裂的作用机理：通过水力压裂对储层实施改造，在形成一条或者多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张，脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而将可以进行渗流的有效储层打碎，实现长、宽、高三维方向的全面改造，增大渗流面积及导流能力，提高初始产量和最终采收率。体积压裂及扩展示意图如图1所示。水力压裂主裂缝沿最大主应力(σH)方向扩展，到分支点处，在天然裂缝中发生裂缝分支扩展，在红色拐点处发生转向剪切破坏并连接新的层理或者天然裂缝，最终形成复杂的裂缝网络[12]。体积压裂具有以下特点：复杂网络裂缝扩展形态、复杂渗流机理、裂缝发生错断滑移与剪切破坏、诱导应力和多缝应力干扰裂缝发生转向。

图1 体积压裂及扩展示意图

图2是在天然裂缝和不同地应力条件下的水力压裂模拟试验结果，该结果一定程度上反映了体积压裂的扩展机理。首先，水力压裂主缝沿最大主地应力方向扩展；然后，转向天然裂缝，并在天然裂缝尖端处偏转扩展(天然裂缝与压裂缝夹角θ=30°，Δσ=σH-σh=10 MPa)。

图2 水力压裂物理模拟试验及裂缝扩展

2 可能诱发的地质灾变问题

大规模体积压裂技术带来了非常规油气资源开采的飞速发展，但同时也带来了潜在的环境地质灾变风险。下面将对大规模体积压裂可能诱发的环境地质灾变问题进行论述，主要包括水资源的消耗与污染、甲烷的泄漏和微震事件频发等方面。

2.1 加剧淡水资源的污染和消耗

页岩气的工业化开采需要大规模的体积压裂，而体积压裂需要大量高压水注入页岩储层，该施工工艺需要大量淡水资源且具有风险。2013年，陈刚等[13]分析得出：储层压裂过程采用的体积改造技术，使每口页岩气压裂井平均消耗的淡水资源达数千吨，是普通压裂的数十倍。据美国能源部的统计，Marcellus页岩气田每口钻井的平均用水量约为1.5×104m3，Barnett页岩气田每口钻井需水约1.0×104m3，Fayetteville页岩气田每口井需水约1.2×104m3[14]。根据勘查情况，我国现阶段页岩气赋存区块主要集中在西北地区，主要包括四川盆地、鄂尔多斯盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等中新生界陆相泥页岩层系。对于这些缺水地区，页岩气的开发将加剧水资源的紧张局面[15]。

页岩气井压裂过程中会产生大量的压裂返排液，压裂返排液中不仅有人为添加剂，还有大量从地层中带出来的有毒有害成分。压裂液中的化学添加剂将大量积聚到地层污染淡水资源。废水中的化学物质部分源于压裂液，如苯等；部分源于压裂过程中深层岩石渗透出的放射性物质，如铀等；有时还有少量的镭，其有毒盐水浓度是海水的6倍[16-17]。这些物质流入饮水层、江河湖泊，或者进入农田，都会对人类健康产生威胁，且破坏自然生态环境。

2.2 促进断层活化、诱发地质灾变

页岩气开采采用的大规模体积压裂技术，将数以百万吨的掺有支撑剂和化学添加剂的高压水注射到几千米深的页岩储层中，页岩储层会发生破裂，形成立体的裂缝网络，并不断扩展延伸。数百万吨的压裂液压裂储层的同时，必然会降低储层的整体强度，可能会有大量的压裂液沿着压裂缝网进入天然断层带，引起断层带岩石的物理力学特性和结构发生变化，促进断层活化。页岩气的工业化开采需要大规模的体积压裂作业，钻孔井位非常密集，造成的人为扰动很大，极易引起断层活化滑移，引发地震。在地质条件不利的情况下，还可能诱发山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害[18]。

美国奥克拉荷马州的地质调查局发现，当地的地震数每年都在增加，到2010年地震数高达数千次。对该州2011年1月18日发生的地震分析表明，水力压裂后很快就有超过50起的小型地震发生。2012年，美国地质调查局在地质学年会上公布的报告称，从阿拉巴马州到北方落基山脉的美国中西部地区，近十年来地震频发的原因与人类活动密切相关[19]。

2.3 温室性气体甲烷的泄漏

页岩气的主要成分是甲烷。有研究表明，甲烷产生的温室效应比CO2产生的高数十倍[20]。监测数据显示，大约占页岩气井产气量1.6%的甲烷气体随着压裂返排液逃逸，并且在钻井、完井阶段也有甲烷气体逸散[21]。储层压力越大，甲烷的逸散量就越多。在耗时较长的水平井钻井、完井和压裂过程中，页岩气开发的甲烷泄漏量高于常规天然气开发的甲烷泄露量。美国杜克大学的研究团队经过实地调查和研究，发现在宾夕法尼亚州使用水力压裂法开采页岩气的地区，地下水中的甲烷含量比未钻探区域高出17倍。

3 地质环境灾变机理及防控措施

3.1 上覆淡水层污染的发生机理及防治

如前文所述，储层改造采用的大规模体积压裂技术需消耗数以百万吨的淡水资源，然而，我国页岩气“甜点区”的淡水资源非常有限。例如四川盆地、鄂尔多斯盆地、江汉盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等，这些地区的淡水资源本身都很稀缺，人均水资源占有量更低。所以，加强淡水资源的有效利用和防止淡水污染是我国页岩气勘探开发必须长期坚持的方针。美国为了防止返排液污染制定了一系列的方针政策，主要包括：①开采过程会排出大量的返排液，将废水输送到厂区外用废水处理装置初步处理，去掉大部分污染物之后注入到地下井中封存；②如果开采区环境要求很高，就将输送到厂区外的废水进行完全无害化处理，然后直接排放到地表水系；③在水资源不充足的情况下，很多企业都是厂区处理返排液，然后重新用作压裂液或钻井[22]。依据美国的经验可知，水资源的循环再利用，是目前最为经济和安全的办法；无论从成本还是环保考虑，水资源的循环利用都是页岩气工业发展的必然选择。

为了减少或者防止压裂液和甲烷对浅水层的污染，就必须了解压裂液或者甲烷可能的泄漏路径。各个流场路径如图3所示。

图3 压裂液、甲烷扩散至淡水层的路径示意图

1)压裂液泄漏扩散到浅水层的可能途径如下。

F1流场通道：天然断层。当大规模体积压裂作业时，数万立方米的压裂液被高压注入到页岩层，并对页岩层进行体积压裂产生大量压裂裂缝。压裂作业区可能存在天然断层或者薄弱节理层，体积压裂缝沟通天然断层，在泵注高压作用下，大量压裂液沿着断层裂缝向上运移至浅部淡水层。

F2流场通道：钻井的渗漏。完井没有达到技术要求或者人为原因造成在高压泵注压裂液过程中，部分压裂液从泵注井口或者井壁发生泄漏。

F3流场通道：作业场泄漏。非常规油气资源开发已经进入或者正在进入工业化开采阶段，在作业场址有大量的钻井、压裂设备和压裂液拌制装置，在发生事故的情况下，大量的压裂液污染物可能渗入到地表含水层，假如没有及时处理或者没有探测到压裂液的泄漏，将会造成浅层淡水的长期污染。

2)气相或液相甲烷的扩散路径如下。

M1流场通道：天然断层。同压裂液进入断层的原理一样，体积压裂缝贯通天然裂缝后导致甲烷泄漏。另外，当甲烷处于游离相时，由于密度差别很大，不需要泵注压力，甲烷就能够不断向上运移。

M2流场通道：钻井和开采时逸出，同F2的泄漏通道相似。

M3流场通道：穿过岩层。在大规模体积压裂之后，甲烷气体从低渗储层压裂缝隙中逃逸出来，不再被低渗页岩体吸附，并由于自身的浮力作用逐年向上扩散。

压裂液泄漏到浅水层的流场路径，可以用树状流程图表示，如图4所示。

图4 潜在的压裂液污染物流通路径图

在非常规油气(主要指页岩气)的开采中，大规模体积压裂可能产生多方面的污染，包括气体污染(甲烷、氡气等)、压裂液污染和钻井固体废弃物污染等，而对饮用浅水层造成污染的最直接和最主要的因素是大量压裂液的渗透和扩散。D.J.Rozell等[23]阐明了用于评价美国Marcellus页岩体积压裂作业造成的水污染风险数学评估模式。

首先是完井套管失效引起压裂液泄漏到浅部饮水层，其计算公式为：

CVW=PWFail·PWLeak·F。

(1)

式中：CVW为每口井套管泄漏的污染物体积；PWFail为页岩气开采井套管失效的几率；PWLeak为压裂液泄漏的比例；F为该场址单井注射的压裂液流量。

其次是压裂液透过断层向上覆含水层的渗透量计算，其计算公式为：

CVF=PFL·PFluid·F·(1-PR)。

(2)

式中：CVF为通过断层扩散到浅水层的污染物体积；PFL为体积压裂作业中压裂液透过断层运移到上覆含水层的几率；PFluid为压裂液通过断层泄漏的比例；PR为返排压裂液的比例。

最后是地上钻井现场压裂液污染物潜在的泄漏风险，这主要是由于人为的不当施工操作或者储液罐损坏等原因造成的。其计算公式为：

CVDS=PD·PFD·F·PR。

(3)

式中：CVDS为钻探现场每口井污染物泄漏的总体积；PD为现场污染物可能向外排放的几率；PFD为泄漏的污染物所占比例。

依据上述各个压裂污染物可能泄漏路径的流量计算数学公式可以看出，废水污染的因素既有人为因素也有自然因素。人为因素主要表现在完井过程中套管损坏使压裂液泄漏、道路运输及现场压裂作业中储液罐可能发生的泄漏等，这些影响因素可以通过提高作业人员素质、加强运输和现场作业管理来进行防治，最大程度地控制由操作不当造成的污染物泄漏到上覆浅水层。自然因素，即大规模体积压裂场址的地质构造条件和水文地质条件。如前文计算公式中PFluid(压裂液通过断层泄漏的比例)、PFL(体积压裂作业中压裂液透过断层运移到上覆含水层的几率)等，都与页岩层的水文地质状态相关。所以在选址时，必须详细调查页岩储层的构造特征、断层活动带和地应力状态，降低压裂液渗透到断层及上覆淡水层的几率。提高压裂返排液的重复利用率，不仅是减少对外排污的有效途径，还可以节约大量的淡水资源[24]。

3.2 诱发地震灾变机理及防范措施

在页岩气工业化开采中，必须关注由于大规模体积压裂页岩储层诱发的地质灾变问题，主要包括断层活化产生地震，以及由于地震作用而发生的泥石流、滑坡等二次地质灾变。有学者发现，断层面间的有效应力降低是断层活化和诱发地震的主要原因，有效应力即指断层面间的抗剪断强度，压裂液进入断层使液体压力增加，引起断层面有效应力的降低[25-26]。如前文所述，压裂液由以下途径流进断层：直接从井筒、通过新的水力压裂缝网、通过天然预存裂纹或者小的断层、通过渗透层的孔隙网络等。这些通道都能够增加断层内的流体压力，降低断层面间的有效应力[27]。在水力压裂作业过程中或者压裂后不久，如果断层面间的流体压力增加到了临界应力状态，那么就有可能诱发断层活化和地震，如图5所示。

图5(a)为垂直钻井立体图，钻井深度大约3 km，并水平钻入细粒度、低渗透储层(暗灰色)。黑实线是微倾垂直正断层，该正断层与井筒相距一定距离或者与水平井筒相交。沿着井筒注入的高压流体能够通过上述通道渗透到断层并增加断层区域的孔隙压力。天然断层初始应力状态为σ1、σ2和σ3三向地应力状态，且σ1>σ2>σ3。其中σ1为最大垂直主应力；σ2、σ3为水平主应力，σ2作用方向垂直于页面；σN为作用于断层平面的垂向应力。当断层受到的剪应力大于断层抗剪强度与断层面间摩擦力之和时，断层即发生失效破坏。

图5 大规模体积压裂致使断层区域孔隙压力增加并引起断层活化的力学机制图解[28]

图5(b)为断层平面莫尔圆示意图，莫尔圆①表示在储层开采之前断层的最初地应力状态，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，该莫尔圆接近莫尔失效包络线(虚线)。在页岩气开采过程中，向原有储层注入大量的体积压裂液，在体积压裂过程中或者返排前关闭井筒，断裂带区域的流体压力都有可能增加，这是因为流体压力应力波传播到断层或者压裂液进入断层带增加断层区域的流体压力造成的。假如断层带增加的流体压裂为Pf，那么断层受力状态就如向左平移后的莫尔圆②所示，最大主应力变为σ1-Pf，最小主应力变为σ3-Pf，并且与失效包络线相切，断层发生剪切破坏，如果断层带失效面大并且频率高，就会有人类感知的地震发生。

不同的地质背景下，流体对触发地震发挥着关键的作用。渗透进入断层面间的流体起到一定的润滑作用，使断层面之间的摩擦力减少，致使断层的断裂能水平降低，容易引发断裂带滑移而发生地震。San Andreas发表的文章证实了这个推测[29],并认为在干燥岩石表面的摩擦作用下，断层带将产生大量的热量并积聚在地层。人为向地球深部注入大量流体能够诱导地震发生。流体的注入不仅会改变地应力的分布状态和引发新的裂缝，而且压力流体进入天然断层区域会诱导断层滑移。针对人为活动诱发断层活化及引起地震的风险，只有少数研究成果被报道过[30]。页岩气开采选址应密切关注活动断裂带和深大断裂带的分布特征及其活动性，特别应关注页岩储层中的断层。在进行工业化体积压裂作业过程中，当数以百万吨的压裂液不断注入储层时，应实时监测并掌握储层中流体压力的大小和空间立体缝网的形成过程，并关注页岩储层及上覆岩体强度的变化情况。随着压裂作业的进行，大量压裂液注入储层并渗透到断层带，会改变断层带岩体的物理力学特性和应力状态，所以确定何种应力状态下断层会发生滑移非常重要。另外，有必要采用现代技术手段分析和预防地震的发生：现场压裂微震监测，实时观测裂缝扩展的形态和区域，计算注入储层和渗透到断层带中的压裂液流量；进行必要的体积压裂模拟，分析压裂过程中地应力变化、压裂液对地层物性的影响、断层带流体压力大小等，对诱发断层滑移的因素进行分析。在大规模体积压裂前，需要取芯研究该储层页岩的矿物成分、岩石力学特性、地层应力状态等，并设计科学的压裂方案，包括钻井方位、射孔角度、压裂液流量等。同时压裂储层作业过程中，根据实施监测数据及时调整压裂方案，制定紧急预备方案。

总之，大规模页岩储层的体积压裂会改变储层及断层带的地应力状态，形成立体缝网，降低岩体强度，增加了压裂液进入断层从而诱发地震的风险。因此，充分的前期勘探调研、科学合理的压裂方案设计和压裂作业过程中的风险评估及控制技术，对防止灾变发生至关重要。

3.3 甲烷泄露及其它灾变防控措施

在页岩气的勘探、开发、运输等必要的工业化作业过程中，会有3.6%～7.9%的甲烷协同挥发性有机化合物泄露到大气中，所以必须考虑制定甲烷气体防泄漏措施[31]。根据页岩气开采的过程，可以从3个阶段制定相应的防治措施。①钻井完井阶段：井筒壁、水泥塞或者水泥墙之间会有缝隙，页岩气勘探、开采施工中，会有部分气体泄漏；②水力压裂阶段：压裂返排液中会有大量甲烷泄露，并且还有挥发性有机化合物；③输气配气阶段:主要包括施工或者运输人员的疏忽、输气过程中管线破损，或者其他不可控因素(天气恶劣、地质灾变等)，必然会有部分甲烷气体泄漏。

针对上述甲烷气体泄漏的3个阶段，我国在进行页岩气商业开采时，必须制定相应策略和政策，以保证页岩气项目的顺利进行。首先，应该提高钻井完井技术。2008年，张金川等[32]指出，目前最常用的完井方式是泵送有线射孔和桥塞两种下套管尾管完井方法，好的固井质量对不同压裂段间封隔和有效的体积压裂很重要，并且能有效地减少甲烷气体的泄漏。其次，加强压裂回收液的处理。现阶段回收液最好的处理方法是重复利用，科学处理不同类型的回收液，研究回收液的化学成分及特点，回收其中的甲烷气体。最后，完善输气管线，加强监管力度，尽量减少人为过失造成的甲烷气体泄漏。

防范压裂返排液侵蚀地表、破坏植被，主要制定下列相应措施加以控制：①压裂过程中，压裂车集中作业，输运道路及管线等应科学规划，防止大面积占用耕地和破坏植被；②科学有效地处理压裂返排液，防止破坏生态和预防土壤盐碱化；③加强立法监督，对造成严重污染的企业加以警告并依法追究其责任，督促其及时整治，尽快采取补救措施。

4 结语

页岩储层大规模体积压裂对储层实施改造，是实现非常规油气资源开发的核心技术。但是，这一技术也会带来一系列的问题。鉴于此，本文从勘探和调研合理的页岩气开采区块、设计科学的钻井完井方式、压裂液注入速率方案、实时监测断层破裂带应力及滑移状态、废水废气回收处理等角度提出了对应的科学指导和防范措施。

另外，我国在建立健全各项制度的基础上，应加强体积压裂和储层改造机理研究，达到核心科学技术的突破，从政策指导和科技攻关两方面把可能诱发的地质环境灾变概率或危害程度降至最低。

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[32]张金川,汪宗余,聂海宽,等.页岩气及其勘探研究意义[J].现代地质,2008,22(4):640-646.

(责任编辑：陈海涛)

A Review on the Study of Geological Disaster Problems Induced by Massive Volume Fracture

WANG Hongjian1, ZHAO Fei1, LIU Daan2, HUANG Zhiquan1, YAO Yaming1,3, FAN Chen4

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 3.Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi 830023, China; 4.Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Co. Ltd, Beijing 100070, China)

Massive volume fracture of shale reservoir which can improve the reservoir is the core technology to realize industrial development of unconventional hydrocarbon resources. However, the current technology mechanism and application is at a primary development stage. The massive volume fracture may bring potential environmental geological hazards which mainly include freshwater consumption, shallow groundwater pollution, geological disasters and surface erosion induced by fault activation, methane leakage causing air pollution and vegetation destruction and other problems. In this paper, we analyzed the above mentioned potential geological catastrophe risks and its induction pattern from the aspect of volume fracturing mechanism, and proposed corresponding preventive measures and guidance from researching favorable area of shale gas exploitation, designing scientific drilling and completion methods, the schemes of injection rate of fracturing fluid, real-time monitoring the stress and slip state of fault rupture zone and waste water or gas recovery treatment method. All of these understandings will bring important practical significance for successful industrialization mining of domestic shale gas and avoiding potential geological disasters.

volume fracturing; fracturing fluid; shale gas; geological disasters; fault activation; leakage risk; preventive measures

2016-06-04

中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB10050200);河南省科技创新人才计划项目(154100510006);华北水利水电大学高层次人才博士启动经费项目(201532);新疆维吾尔自治区科技援疆项目(201491105)。

王洪建(1986—),男,河南信阳人,讲师,博士,从事工程地质力学、水力压裂理论及试验方面的研究。E-mail:wanghj@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.010

TV221;TE991

A

1002-5634(2017)02-0049-07