重庆涪陵页岩气勘查开发区环境地质调查进展

朱继良, 付杰, 王赛, 孙建平, 马鑫, 许模, 孙东, 陈思

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,保定 071051； 2.成都理工大学，成都 610059； 3.四川地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610081； 4.重庆地质矿产研究院，重庆 400042)

0 引言

页岩气是一种清洁、高效的能源资源，主要成分为甲烷，它具有自生、自储、自保的成藏特征，在页岩中主要以吸附和游离方式赋存。与煤层气相比，其生产过程中无需排水，生产周期长，一般30～50 a，勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值[1-6]。

页岩气开采过程需要大量的水，它不仅会影响地表水和地下水的水质和水量，同时，还可能诱发地震、地质灾害并造成噪声、空气污染等[7-18]。我国页岩气地质资源潜力巨大，目前已建立了重庆涪陵、四川长宁—威远、云南昭通等国家级页岩气开发示范区，而页岩气勘查及规划区系统的环境地质调查尚未展开。为了查明页岩气勘查开发所引发的主要环境地质问题，在收集资料的基础上，采用地面调查、监测、测试与试验、综合理论分析与计算等方法，主要围绕和紧密结合国家非常规能源勘探开发的重大战略，推进涪陵页岩气勘探国家级示范区1∶5万环境地质调查，为重庆地区乃至全国页岩气绿色开发和地质环境保护提供支撑。

1 研究区概况

1.1 气象水文

研究区处于亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量1 105 mm(1990—2011年)。降水量时空分布不均，年内降水主要集中于4—10月。区内主要地表水系有长江、乌江，其支流包括麻溪河、包鸾河和龙河等。境内河流大多为雨源补给型，径流因季风降水而比较丰富，多夏洪秋汛，暴涨暴落，水位变幅大。

1.2 地形地貌

研究区总体为丘陵、山地，北东高，南西低，海拔最高851 m，最低200 m，多在400～700 m之间。

1.3 地层岩性

研究区出露奥陶系、志留系、石炭系、二叠系以及三叠系大冶组、嘉陵江组和雷口坡组一段及第四系。出露地层为单一沉积岩类，以灰岩、白云岩、白云质灰岩及泥质灰岩等碳酸盐岩为主，约占研究区岩石的80%。碳酸盐岩中又以三叠系碳酸盐岩为主，约占研究区面积的三分之二。页岩气的目标层位为志留系龙马溪组。

1.4 水文地质

长江及其支流乌江切割剧烈，成为地表水、地下水最低排泄基准面。区内地层岩性以碳酸盐岩为主，其次为碎屑岩，分别构成了碳酸盐岩类裂隙溶洞水、碎屑岩类裂隙孔隙水2种基本地下水类型(图1)。碳酸盐岩类裂隙溶洞水岩性为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩及碳酸盐岩与碎屑岩的组合。前者水量丰富的泉流量可达到100～1 000 L/s，水量不太丰富的也可达到10～100 L/s。后者以发育岩溶泉为主，部分岩溶泉流量较大，多数岩溶泉的流量较纯碳酸盐岩裂隙溶洞水分布区的要小，为小泉，流量一般为1～5 L/s。碎屑岩裂隙孔隙水岩性主要为泥岩、页岩和砂岩等，以裂隙孔隙水为主，水量较小。

图1 研究区水文地质简图Fig.1 Hydrogeological sketch of the study area

1.5 地质构造

研究区位于新华夏系第三沉降带之四川盆地东南缘的川东高陡褶皱带包鸾—焦石坝背斜构造区(图2)。新华夏系与SN向构造呈交接复合关系，构造线约向西弯曲，褶皱紧凑，构造复杂，岩层倾角3°～80°，局部直立甚至倒转，节理裂隙发育。

图2 研究区构造纲要图Fig.2 Geological structure outline of the study area

2 主要成果与进展

2.1 总结了研究区岩溶发育特征与分布规律

2.1.1 水文地质结构概念模型

研究区内共有4套碳酸盐岩层组，根据研究区实际的地层出露情况，将研究区内岩溶水文地质结构分为区域性深部多层含水结构和浅层含水结构。对于区域整体而言，将页岩气开采目标层位以上的可溶岩地层按照其空间组合以及相互水力关系分为以下4个含水层位： 三叠系嘉陵江组+雷口坡组(T1j+T2l)、大冶组(T1d)、二叠系长兴组+吴家坪组(P2c+P2w)和阳新组(P1y)。研究区含水层结构见表1。

表1 研究区多层含水结构Tab.1 Multi-layer aquifer structure of the study area

浅层型岩溶水文地质结构初步划分为平缓单斜型单层结构、背斜褶曲型多层结构、向斜褶曲型单层结构和断裂型结构4种(图3)。

图3 研究区水文地质结构平面分布Fig.3 Distribution of hydrogeologicalstructure in the study area

2.1.2 岩溶发育特征与分布规律

区内有4套碳酸盐岩层组，分别为三叠系嘉陵江组+雷口坡组(T1j+T2l)、大冶组(T1d)、二叠系长兴组+吴家坪组(P2c+P2w)和阳新组(P1y)(图4)。

图4 研究区碳酸盐岩地层地表出露特征平面示意图Fig.4 Outcrop characteristics of carbonatestrata in the study area

碳酸盐岩分布面积(包括碎屑岩与碳酸盐岩互层)为1 200 km2，占研究区面积的75%，除槽谷及大型洼地内有少量第四系覆盖外，均为裸露型和埋藏型，集中分布于研究区的中部至东部，以及西南部区域，西北部主要为侏罗系红层地区(图4)。

除石炭系外，二叠系碳酸盐岩出露面积小，三叠系碳酸盐岩出露面积最多，占总面积的80%，并且所统计的可溶岩均为裸露型(土层厚度<10 m)，有利于地下水的直接作用。

总体来讲，由于覆盖层较薄，岩溶作用强烈，形态以管道系统和裂隙网为主，相对较为均一，岩溶发育程度中等—较好。埋藏型(土层厚度>30 m)碳酸盐岩以质纯灰岩为主，岩溶发育程度中等—强烈。

2.1.3 浅层岩溶水系统地下水的运移规律

研究区浅部岩溶水富集，受地层岩性、构造、地貌及岩溶发育等因素的影响，具有随深度加深富水性逐渐变弱的垂向变化规律。研究区浅层含水系统地下水的循环运移主要取决于岩溶水文地质结构和含水介质类型(图5)。

(a) 平缓单斜型 (b) 背斜型

(c) 向斜型 (d) 断层型

图5 岩溶水循环示意图

Fig.5Sectionofkarsthydrologiccycle

平缓单斜型单层水文地质结构和背斜褶曲型多层水文地质结构区岩溶介质类型主要为管道-裂隙型，地下水径流畅通，是良好的储水、导水结构。在页岩气开采过程中应特别注意这2种类型的水文地质结构，因其导水性能好，污染物迁移途径顺畅，容易导致地下水污染问题。由于向斜褶曲型单层水文地质结构和断裂型水文地质结构岩溶发育程度较低，岩溶介质类型为裂隙型，因此地下水径流不畅，污染物迁移的距离和范围小，污染程度有限。

2.2 涪陵页岩气开发区区域水资源量和地下水质量评价

2.2.1 区域水资源量可利用量评价

根据《2013年重庆水资源公报》[19]推算，涪陵页岩气示范区的地下水和地表水资源量分别为0.712亿m3、1.944 亿m3，由此可得出区域可利用水资源量(地表水资源量×地表可利用系数+地下水资源量×地下可利用系数)。可利用系数可根据经验值结合涪陵页岩气示范区水文地质条件、不影响地表水水环境和水生态的最大地表水资源等得出，地表和地下可利用系数分别为0.55和0.65。据此，该区可利用水资源量为1.345×108m3，现状用水量为3 714.96×104m3，现状用水量占可利用水资源量的27.84%，尚余9 735×104m3可利用水资源量。根据重庆市页岩气产业发展规划[20]，2016—2020年每年完井约45口。单井钻井、压裂所用水量一般为(1.5～4.3)×104m3，平均2.5×104m3。每年页岩气开发的耗水量约在112.5×104m3，耗水量仅占区域可利用水资源量的0.84%，占尚余区域可利用水资源量的1.15%，页岩气开发对区域水资源量影响甚微。

2.2.2 区域地下水质量评价

采用模糊数学法对研究区53组(取样位置见图1)地下水质量分别进行评价。评价结果为： Ⅰ类水40 组，占水样总量的75.47%； Ⅱ类水11组，占20.76%； Ⅴ类水2组，占3.77%。达标水点(Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类)占水样总量的96.23%，说明研究区水质较好(图6)，局部存在污染或钡、放射性铀等元素短暂超标现象，地下水污染具有短暂性、间歇性、可恢复性和可控性特点。

图6 研究区地下水质量评价结果Fig.6 Evaluation results of groundwaterquality in the study area

2.3 总结了研究区页岩气勘查开发诱发的主要环境地质问题

综合国内外的研究资料，目前页岩气勘查开发活动主要诱发地质灾害、地震[16-17]、水、土壤、大气和其他等6类环境地质问题(图7)。

图7 页岩气勘查开发引发的主要环境(地质)问题示意图[17]Fig.7 Main environmental (geological) problems triggeredby shale gas exploration and development[17]

在涪陵页岩气勘查开发区，水、土壤环境、地质灾害和大气污染为诱发的主要环境问题。焦页6号平台的楠木村大龙洞、焦页12号平台干溪村杜家湾的泉水在钻井阶段出现污染现象。据不完全统计，在涪陵区和武隆区由于页岩气勘查开发分别诱发8处和3处小型滑坡。另外，涪陵区还有1处不合理弃碴导致房屋受淹的灾害。在焦页16号平台附近有页岩气泄露和土壤污染的现象。

2.4 基本查清了研究区页岩气开发勘查、钻井、压裂、开采、闭井5个阶段需关注的地质环境问题或风险

针对不同诱因，结合涪陵页岩气绿色勘查开发的特点，需关注5个阶段的问题。

(1)勘探阶段易引发水环境、地质灾害和地震等问题或风险，应重点查明重大地质构造、含水层结构和重要的水源地。建议合理选址，减少炸药量，加固或远离地质灾害点、蓄水池、井场，并与水源地、居住区(住宅、学校、医院等)、断层等保持适宜距离。

(2)钻探阶段易引发水环境、土壤环境和大气环境的问题或风险，应关注易漏地层。建议加强易漏地层的防护措施，改善钻井和固井完井工艺包括采取清水钻进等，尤其应关注碳酸盐岩地区的含水层和岩溶管道。

(3)压裂阶段易引发水、土壤、大气、地质灾害和地震等问题或风险。目前涪陵地区开采一口井大约用水量平均为2.5×104m3，15%～30%的水能返回地面，虽用水量不存在问题，但大量含各种化学成分甚至有害成分的水残留在深部，一旦其贯穿隔水层顶板，渗流到浅部含水层，其潜在危害巨大。因此，应关注用水量、含水层结构、顶底板盖层、压裂技术、压裂液漏失、返排液回收及深部水污染问题等。建议科学压裂，合理管控，改进压裂技术(包括压裂液成分)和工艺并及时防控。

(4)回灌阶段也易引发水、土壤、大气、地质灾害和地震风险等问题或风险。由于回注井的深度在江河侵蚀基准面以下，一旦发生泄露，其危害亦较大，应关注回注层、回注液成分、回注规模及水岩作用。建议合理选址，确定合理回注层位，严格控制回注液成分、回注规模和速度，开展水岩作用机理研究等。

(5)开采运营、封井阶段(包括废液气固体物回收及处理过程)易引发水、土壤、大气环境问题或风险，应关注工艺流程及构筑物易损性，建议加强监测与管控。

2.5 提出了涪陵页岩气开发区2种地下水污染模式和3种污染类型

2.5.1 污染模式

按污染物运移空间范围划分，涪陵地区页岩气勘查开发对水环境的影响主要有近距离和远距离2种污染模式。

(1)近距离污染。近距离污染多发生在浅部，主要污染对象为居民饮用水，具有扩散速度快、持续时间短、污染范围小、局域性较强、污染效果具间歇性的特点，污染形式主要有页岩气井场直接污染地表水体(图8(a))及页岩气井在近地表含水层泄露直接污染下部的饮用水(图8(b))。

(a) 近距离地表污染 (b) 近距离浅部污染

图8 近距离污染模式

Fig.8Short-rangepollutionmodel

(2)远距离污染。远距离污染分为浅部和深部2个亚类，具有扩散速度慢、持续时间长、影响范围大等特点。地下水污染形式主要有2种： ①污染源在上游，下游泉点、地表河流遭到污染； ②跨小流域远距离污染，污染路径比较远，在水文地质自生净化过程中污染物会减少，污染不明显且具有一定的隐蔽性(图9)。

(a)远距离地表污染 (b) 远距离跨流域污染

图9 远距离污染模式

Fig.9Long-rangepollutionmodel

2.5.2 污染类型

按污染物迁移时间周期划分，可以分为渗入污染、突发性灌入污染、渐进性越流污染3种主要类型。

(1)渗入污染。主要发生在透水性较弱的孔隙含水层、裂隙含水层分布区。污染水经过细小孔隙或裂隙渗入含水层中，造成地下水污染，被污染的地下水主要为孔隙水。根据污染水的形成动态，分为间歇性和持续性2种。前者如页岩气废液、固体废渣受降雨作用而形成的污染水沿孔隙和裂隙含水层下渗污染地下水，后者如页岩气压裂液、返排液等向上运移或污水塘污水持续下渗污染地下水。

(2)突发性灌入污染。污染水通过岩溶落水洞、天窗等通道迅速灌入地下河，造成地下水污染，被污染的含水层主要为岩溶水，如页岩气废液沿断层、落水洞或天窗中直接流入或排入地下河。污染通道规模大，水流集中、快速，造成污染速度快，影响广，危害大。

(3)渐进性越流污染。在上覆孔隙含水层、下伏裂隙含水层的双层水文地质结构系统中，受页岩气勘查开发污染的上覆孔隙含水层中的地下水，通过不同含水层之间的界面，以越流的方式进入下伏裂隙含水层中，从而造成基岩裂隙水的污染。由于越流速度缓慢，这种污染是渐进性的。

2.6 初步确定了涪陵页岩气勘查开发区污染指示性特征因子

通过调查、监测、检测与测试，从多达500种以上因素的水环境中，初步识别与确定了与页岩气勘查开发过程污染相关的氯、钠、pH值、钾、铁、钡、锶、钙、硼、硫酸根、需氧量、电导率、总溶解性固体、总悬浮固体颗粒等主要无机因子和油酸酰胺、十六碳酰胺、芥酸酰胺等主要有机因子。单因子指数法、综合指数法、模糊数学法和聚类分析法等研究均显示钠与氯的相关性最强。另外，无论压裂液、返排液或深部地层中的地下水，其钠离子或氯离子的含量均较高，因此可以将钠和氯等作为页岩气勘查开发区污染指示性特征因子。

2.7 形成了页岩气勘查开发区地质环境影响评价指标体系

根据页岩气所赋存的地质条件及开采方法，在分析页岩气勘查开发引起的地质环境问题影响因素的基础上，确定页岩气勘查开发对地质环境影响的评价指标体系，共选取4个一级评价因子，30个二级评价因子(表2)。其中自然环境因素、地质环境因素、水文地质因素属于自然本底条件，泛指一个地区本身地质环境的好坏，页岩气开发因素属于人类工程活动。

地质环境影响综合评价公式：

(1)

(2)

式中：Z为页岩气开发区地质环境综合影响等级；i为评价指标；j为评价等级；wi为第i个评价指标的权重值；fij代表第i个评价指标的等级分值，页岩气开发对地质环境的影响可以用30个fij来评价。

表2 页岩气勘查开发地质环境影响评价指标体系Tab.2 Evaluation index system of geological environment effect of shale gas exploration and development

(续表)

据此，将页岩气勘查开发对地质环境影响分成无影响、较弱影响、中等影响、较强影响4个等级。以页岩气重点勘查开发区为例，进行了地质环境影响初步评价。结果表明： 无影响区占整个开发面积的67.74%，较弱影响区占3.95%，中等影响区占15.56%，较强影响区占12.75%(图10)。对影响区域，尤其是中等影响以上区域的开发区，就需要采用清水钻井或加强钻井过程中固井及完井措施，以及控制压裂压力及避开较大的活动断层等措施。

图10 页岩气重点勘查开发区环境影响评价

Fig.10Environmentaleffectevaluationinthekeyzoneofshalegasexplorationanddevelopment

3 结论与建议

3.1 结论

(1)划分了研究区岩溶发育特征与分布规律，探究了浅层岩溶水系统地下水的4种运移规律，并建立了岩溶水文地质结构概念模型。

(2)评价了页岩气开发区区域水资源量和地下水质量，其年均水资源总量为2.395×108m3，可利用量为1.345×108m3，地下水质量主要为Ⅰ～Ⅲ类，研究区水资源量丰富，地下水质总体较好。

(3)总结了国内外页岩气勘查开发诱发地质灾害、地震、水、土壤、大气和其他环境(地质)问题。涪陵页岩气勘查开发主要诱发水土环境、地质灾害和大气污染等环境问题。

(4)提出了涪陵页岩气开发区2种地下水环境污染模式和3种污染类型。按污染物运移空间范围划分，涪陵地区页岩气勘查开发对水环境的影响主要有近距离和远距离污染2种模式。按污染物迁移时间周期划分，可以分为渗入污染、突发性灌入污染、渐进性越流污染3种主要类型。

(5)初步确定了涪陵页岩气勘查开发区污染指示性特征因子。统计发现，钠与氯的相关性最强，可以将其作为页岩气勘查开发区污染指示性特征无机因子。

(6)形成了页岩气勘查开发区水环境影响评价指标体系，共选取4个一级评价因子、30个二级评价因子，作为页岩气勘查开发对地质环境影响的评价指标体系的评价因子。

总之，通过在页岩气勘查开发区开展环境地质调查工作，查明了研究区的环境地质基本条件，总结了页岩气勘查开发区可能引发的主要环境地质问题或风险，初步识别了水污染模式及可能的地下水污染风险途径等。上述成果已有力地服务和支撑了页岩气国家新型清洁能源的绿色开发和生态文明建设。

3.2 建议

(1)加强页岩气勘查开发与环境影响之间的互馈效应研究。

(2)加强监测预警与防治对策研究，完善调查评价与监测体系，尤其是加强深部含水层结构、回注目标层、隔水层顶底板、压裂和回注液运移规律以及污染防控与监测预警等研究，为及时预警、有效降低潜在的风险或损失提供技术支撑。

(3)现有技术要求和法律法规条文等不能满足其安全和绿色开发的需求，建议尽快形成技术、法律法规和管理等方面的规程、规范、指南和条文。

致谢：本项目研究成果是在“南方地区页岩气勘查开发水环境影响及对策”和“川渝页岩气勘查开发区1∶5万环境地质调查”项目组全体成员辛苦的野外基础调查、样品测试分析、数据分析整理及利用前人和同行资料的基础上，综合分析研究而得。特别感谢李鹏、刘馨泽、宋建斌、粟丰、王会磊、周大吉、李斌、康小兵、侯雪峰、吴泽坤、向庆刚、吴悦、杨凯、董翰川、任政委、龙慧、赵学亮、魏光华、石爱红、潘建永、吉盼盼、龚冀丛、王茜、孟庆佳等项目组成员。