鄧晴陽，羅 元，郭 宇，黨 偉

（成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059）

簡析頁巖氣開發(fā)對水資源的破壞

鄧晴陽，羅 元，郭 宇，黨 偉

（成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059）

頁巖氣的開發(fā)主要采用水平井水力壓裂的方法，壓裂過程中壓裂液的大量使用以及對返排壓裂液的處理不當，會造成頁巖氣開發(fā)過程中對水資源的破壞，主要表現(xiàn)在導(dǎo)管破裂污染、返排液地面污染、大量消耗水資源等方面。通過總結(jié)對比返排壓裂液的幾種處理方法，認為廢液處理后循環(huán)使用的方法在節(jié)約成本的同時，可最大程度地減小對水資源的破壞。

頁巖氣；壓裂；水資源；壓裂液

水平井水力壓裂技術(shù)起源于美國[1，2]，從原始的水力壓裂技術(shù)發(fā)展到目前以混合壓裂、多級壓裂為主要壓裂工藝，在壓裂技術(shù)與施工成本上有了大幅度的降低，同時也極大程度地增加了頁巖氣產(chǎn)量。可即使是美國掌握著的當今最尖端的水壓裂技術(shù)也仍然有所不足。暫不論其他影響，單就水壓裂技術(shù)產(chǎn)生的環(huán)境問題，就值得深思，特別是對我國這樣一個正處于初級利用水壓裂技術(shù)階段的國家而言，壓裂過程對水資源的破壞值得引起重視。

2010年，在《美國科學院院刊》上就有專家發(fā)表相關(guān)研究成果，表明在美國賓夕法尼亞州使用壓裂方法開發(fā)頁巖氣的區(qū)域，地下水中以甲烷為主的有機物含量是其他未開發(fā)區(qū)域的17倍，嚴重影響著周邊人居環(huán)境，并且相關(guān)研究人員也表示這種污染與頁巖氣開發(fā)所采用的壓裂方式有關(guān)[3]。2011年，美國學者羅伯特·哈沃斯的研究團隊曾經(jīng)公開表示頁巖氣的開發(fā)會加重溫室效應(yīng)、嚴重影響地下水環(huán)境等[4]。在美國，關(guān)于頁巖氣開發(fā)中壓裂技術(shù)所引發(fā)的訴訟呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。在因特網(wǎng)上相關(guān)環(huán)保人士也刊登了大量的具體事例，例如“水管里流出黃色的水”、“水龍頭噴火”等。美國環(huán)保局也曾表示：“頁巖氣開發(fā)中采用的水平井壓裂技術(shù)會對地下水造成污染”[5]。在歐洲，大批民眾會定期上街游行，抗議政府支持頁巖氣開發(fā)而對其污染水資源不作為。面對頁巖氣開發(fā)中的種種負面因素，水資源的保護在頁巖氣的開發(fā)中會顯得越來越重要，甚至在未來起到?jīng)Q定性的作用。

頁巖氣的開發(fā)對于地下水資源的破壞是永久性的，一旦對地下水造成傷害，就很難恢復(fù)。根據(jù)目前的資料和現(xiàn)場開發(fā)實測數(shù)據(jù)分析，頁巖氣開采對水資源的破壞主要表現(xiàn)為污染地下水、污染地表水、地下水資源的大量消耗等方面。

1 水平井壓裂機理

頁巖氣的開采是通過鉆水平井，在水平段即頁巖層采用壓裂技術(shù)對儲層改造進而開采出頁巖氣。在壓裂過程中首先采用地面壓裂車組產(chǎn)生高壓，將大量的壓裂液注入頁巖氣井中，隨著壓裂液的不斷注入，目的段壓力逐漸升高，當此部分壓力超過該頁巖巖石的破裂壓力之后，裂縫在目的段產(chǎn)生。隨著裂縫的延伸，壓裂液中的支撐劑就會逐漸充填裂縫，這一過程直到停泵后結(jié)束。停泵后，壓裂液會返排至地面，而其中的支撐劑留在裂縫中，防止裂縫閉合，由于支撐劑的支撐作用，地下流體則可在壓裂過程產(chǎn)生的裂縫中自由流動，增大了頁巖氣的滲流面積。

在美國頁巖氣開發(fā)中，有超過80%的井是采用多級壓裂技術(shù)，所謂多級壓裂，即采用相應(yīng)的措施對同一井眼的不同位置進行壓裂。此壓裂技術(shù)較為完善，已逐漸成為頁巖氣開發(fā)中的主要壓裂方式，該技術(shù)適用于水平段較長、產(chǎn)層較多的井。在某些頁巖氣田，還采用混合清水壓裂的手段進行開發(fā)，同樣也取得了良好的效果，此技術(shù)將少量的表面活性劑、減阻劑等加入到清水中作為壓裂液進行壓裂，并以注入砂與壓裂過程中巖石的碎屑作為支撐劑。此壓裂方法成本低，對儲層傷害較小，是壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 開發(fā)過程對水資源的破壞

2.1 導(dǎo)管破裂污染地下水

已有研究報告表明[6]，由于導(dǎo)管質(zhì)量問題以及壓裂過程中的人為因素，壓裂液會沿著導(dǎo)管破裂處直接流向地下，從而滲流到地下水系統(tǒng)中，造成地下水污染，從而影響到江河湖泊。

2.2 返排液污染地表水

在壓裂過程停泵后，返排液就會沿著氣井排出至地面。返排液中不僅含有原始壓裂液中的有毒成分，并且也將地層中高礦化度的鹽類、放射性物質(zhì)等帶出到地面上。這部分廢液會首先存放在井場，隨后由相關(guān)設(shè)備和人員對其進行處理。但由于井場存放的封閉性不好，相關(guān)處理儀器不能完全對這部分有害物質(zhì)進行無害化處理，故部分廢液就會泄露到地表，從而污染地表水。隨著大自然水循環(huán)過程，有害物質(zhì)同樣會影響地下水，從而危及到人類。在美國，多個頁巖氣開發(fā)區(qū)的地下水實測數(shù)據(jù)表明當?shù)氐叵滤咽懿煌潭鹊奈廴?。美國環(huán)保局相關(guān)環(huán)境專家也表示：“根據(jù)目前掌握的證據(jù)，壓裂過程中的技術(shù)工藝會對地下水資源產(chǎn)生破壞”[7-9]。

2.3 開發(fā)過程中大量消耗水資源

頁巖氣開發(fā)需要消耗大量的水資源，主要體現(xiàn)在鉆井過程和壓裂過程，據(jù)估計單口頁巖氣的開發(fā)過程需要2×104m3甚至更多的水。根據(jù)夏玉強[9]教授的估算，若計劃開發(fā)四川盆地某區(qū)塊中15×108m3的頁巖氣資源，需要1 000井次日夜不停鉆井4 a時間，水資源消耗量約為1.9×108m3，相當于消耗四川盆地1.1%的水資源量。此數(shù)據(jù)看上去不大，但是考慮到后期的污染問題，被污染的水資源會呈現(xiàn)指數(shù)型的增長，并且四川盆地夏天水資源豐富，但冬天則是枯水期，即使在每次壓裂施工完畢之后，20%～80%的水會經(jīng)過處理再次循環(huán)使用，但大量的地下水資源也會被壓裂法所消耗。

3 廢液處理措施

隨著返排的壓裂液流入地表，這部分廢液的處理也成了亟待解決的問題，廢液處理方法主要有以下幾種：（1）排入河流和公共水域；（2）運送至公共污水處理廠；（3）注射至廢棄的油氣井中；（4）處理后重新作為壓裂液繼續(xù)用于壓裂（優(yōu)缺點對比見表1）。目前，大多數(shù)廢棄壓裂液都被注入廢棄的油氣井中。但隨著壓裂技術(shù)的不斷成熟，返排液的處理逐漸被重視。

相關(guān)專家提出，無論從環(huán)境保護還是從人工機械成本的角度考慮[10-12]，壓裂過程中壓裂液的循環(huán)使用都是壓裂技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。對此，各油氣企業(yè)都在致力進行科技攻關(guān)，從而提出新方法，制造新設(shè)備來提高壓裂液的循環(huán)使用率，而盡可能地減少對地下水的使用與破壞。對此，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都提出了多項創(chuàng)新措施來應(yīng)對水資源循環(huán)利用的問題。

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

鄧晴陽（1993-），男，四川廣安人，成都理工大學能源學院石油與天然氣工程專業(yè)碩士在讀，主要從事油氣田開發(fā)及油氣藏數(shù)值模擬方面的研究。