王洪建, 趙菲, 劉大安, 黃志全, 姚亞明，3， 范琛

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045； 2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023； 4.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

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大規(guī)模體積壓裂誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)變問題研究綜述

王洪建1, 趙菲1, 劉大安2, 黃志全1, 姚亞明1，3， 范琛4

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045； 2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023； 4.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

頁巖儲層大規(guī)模體積壓裂對儲層實施改造，是實現(xiàn)非常規(guī)油氣資源工業(yè)化開發(fā)的核心技術(shù)，但目前該技術(shù)的機理研究和應(yīng)用都處于起步發(fā)展階段。大規(guī)模體積壓裂可能帶來潛在的地質(zhì)災(zāi)害風險，主要包括淡水資源的消耗、淺水層的污染、斷層活化誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和地表侵蝕、甲烷泄露致空氣污染、植被破壞等問題。從體積壓裂機理入手，研究了上述存在的地質(zhì)災(zāi)變風險及災(zāi)害發(fā)生機制，并從勘探調(diào)研合理的頁巖氣開采區(qū)塊、設(shè)計科學(xué)的鉆井完井方式、壓裂液注入速率方案、實時監(jiān)測斷層破裂帶應(yīng)力及滑移狀態(tài)以及廢水廢氣回收處理等角度提出對應(yīng)的科學(xué)指導(dǎo)和防范措施，對國內(nèi)頁巖氣順利開展工業(yè)化開采、避免潛在的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變對人類產(chǎn)生危害具有重要的指導(dǎo)意義。

體積壓裂;壓裂液；頁巖氣；地質(zhì)災(zāi)變;斷層活化;泄漏風險;防控措施

非常規(guī)油氣資源是指不能用常規(guī)的方法和技術(shù)手段進行勘探、開發(fā)的另一類資源,其埋藏、賦存狀態(tài)與常規(guī)油氣資源有較大的差別,開發(fā)難度大、費用高。在非常規(guī)氣勘探開發(fā)中，頁巖氣逐漸成為各界關(guān)注的焦點[1-3]。自美國1982年發(fā)起頁巖氣革命以來，經(jīng)過30多年的努力，已于2009年超越俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國，頁巖氣年總產(chǎn)量達到1 800億m3，占美國天然氣總產(chǎn)量的34%[4]。由美國引發(fā)的“頁巖氣革命”正在向全球蔓延。

實現(xiàn)非常規(guī)油氣資源開發(fā)的核心技術(shù)是超低滲儲層的大規(guī)模體積壓裂。2010年，M. J. Mayerhofer等[5]在研究Barnett頁巖的微地震技術(shù)與壓裂裂縫變化時，首次用到改造的油藏體積(Stimulated Reservoir Volume，SRV)這個概念。2011年，國內(nèi)學(xué)者吳奇等[6]根據(jù)國外現(xiàn)有研究提出了體積改造的基本定義及裂縫起裂與擴展的新觀念。體積壓裂是基于體積改造這一全新的現(xiàn)代理論而提出的，指在水力壓裂過程中，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。但是，目前體積改造這個概念的內(nèi)涵與意義還沒有在國內(nèi)得到廣泛的理解和應(yīng)用，更沒有關(guān)注到大規(guī)模頁巖儲層體積壓裂會引起地層構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生改變并對人類生存產(chǎn)生不利的影響。體積壓裂最直接的目的是溝通人工裂縫與天然裂縫形成立體縫網(wǎng)，作業(yè)過程中極有可能使井筒或者縫網(wǎng)連通天然斷層帶，這樣大量的壓裂液進入斷層區(qū)域，在人工注射高壓的作用下，斷層帶地應(yīng)力場發(fā)生改變而活化，壓裂液可能沿著斷層帶向上運移至上覆淺水層從而造成水資源污染[7-8]。此外，現(xiàn)階段大規(guī)模體積壓裂風險和環(huán)境安全評估研究主要借鑒環(huán)境工程中的環(huán)境風險評價思路和方法，較少涉及到具體的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變類型和災(zāi)變誘發(fā)模式，且相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變風險防范措施缺乏針對性和可操作性[9-10]。

本文通過搜集和分析大規(guī)模體積壓裂工程實例，從低滲儲層的體積壓裂機理入手，研究壓裂儲層可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)變問題，包括淡水資源的大量消耗與污染、甲烷的泄漏、地表侵蝕、壓裂誘發(fā)活化斷層等地質(zhì)災(zāi)變問題，并提出風險防控相關(guān)措施，以達到能源開采與環(huán)境保護的雙贏，對國內(nèi)頁巖氣的順利工業(yè)化開采及避免潛在的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變等具有重要的現(xiàn)實意義。

1 體積壓裂機理簡介

2012年，陳守雨等[11]闡明了體積壓裂的作用機理：通過水力壓裂對儲層實施改造，在形成一條或者多條主裂縫的同時，使天然裂縫不斷擴張，脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，實現(xiàn)對天然裂縫、巖石層理的溝通，以及在主裂縫的側(cè)向強制形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續(xù)分支形成二級次生裂縫，以此類推，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而將可以進行滲流的有效儲層打碎，實現(xiàn)長、寬、高三維方向的全面改造，增大滲流面積及導(dǎo)流能力，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。體積壓裂及擴展示意圖如圖1所示。水力壓裂主裂縫沿最大主應(yīng)力(σH)方向擴展，到分支點處，在天然裂縫中發(fā)生裂縫分支擴展，在紅色拐點處發(fā)生轉(zhuǎn)向剪切破壞并連接新的層理或者天然裂縫，最終形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[12]。體積壓裂具有以下特點：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫擴展形態(tài)、復(fù)雜滲流機理、裂縫發(fā)生錯斷滑移與剪切破壞、誘導(dǎo)應(yīng)力和多縫應(yīng)力干擾裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向。

圖1 體積壓裂及擴展示意圖

圖2是在天然裂縫和不同地應(yīng)力條件下的水力壓裂模擬試驗結(jié)果，該結(jié)果一定程度上反映了體積壓裂的擴展機理。首先，水力壓裂主縫沿最大主地應(yīng)力方向擴展；然后，轉(zhuǎn)向天然裂縫，并在天然裂縫尖端處偏轉(zhuǎn)擴展(天然裂縫與壓裂縫夾角θ=30°，Δσ=σH-σh=10 MPa)。

圖2 水力壓裂物理模擬試驗及裂縫擴展

2 可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)變問題

大規(guī)模體積壓裂技術(shù)帶來了非常規(guī)油氣資源開采的飛速發(fā)展，但同時也帶來了潛在的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)變風險。下面將對大規(guī)模體積壓裂可能誘發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)變問題進行論述，主要包括水資源的消耗與污染、甲烷的泄漏和微震事件頻發(fā)等方面。

2.1 加劇淡水資源的污染和消耗

頁巖氣的工業(yè)化開采需要大規(guī)模的體積壓裂，而體積壓裂需要大量高壓水注入頁巖儲層，該施工工藝需要大量淡水資源且具有風險。2013年，陳剛等[13]分析得出：儲層壓裂過程采用的體積改造技術(shù)，使每口頁巖氣壓裂井平均消耗的淡水資源達數(shù)千噸，是普通壓裂的數(shù)十倍。據(jù)美國能源部的統(tǒng)計，Marcellus頁巖氣田每口鉆井的平均用水量約為1.5×104m3，Barnett頁巖氣田每口鉆井需水約1.0×104m3，F(xiàn)ayetteville頁巖氣田每口井需水約1.2×104m3[14]。根據(jù)勘查情況，我國現(xiàn)階段頁巖氣賦存區(qū)塊主要集中在西北地區(qū)，主要包括四川盆地、鄂爾多斯盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地等中新生界陸相泥頁巖層系。對于這些缺水地區(qū)，頁巖氣的開發(fā)將加劇水資源的緊張局面[15]。

頁巖氣井壓裂過程中會產(chǎn)生大量的壓裂返排液，壓裂返排液中不僅有人為添加劑，還有大量從地層中帶出來的有毒有害成分。壓裂液中的化學(xué)添加劑將大量積聚到地層污染淡水資源。廢水中的化學(xué)物質(zhì)部分源于壓裂液，如苯等；部分源于壓裂過程中深層巖石滲透出的放射性物質(zhì)，如鈾等；有時還有少量的鐳，其有毒鹽水濃度是海水的6倍[16-17]。這些物質(zhì)流入飲水層、江河湖泊，或者進入農(nóng)田，都會對人類健康產(chǎn)生威脅，且破壞自然生態(tài)環(huán)境。

2.2 促進斷層活化、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)變

頁巖氣開采采用的大規(guī)模體積壓裂技術(shù)，將數(shù)以百萬噸的摻有支撐劑和化學(xué)添加劑的高壓水注射到幾千米深的頁巖儲層中，頁巖儲層會發(fā)生破裂，形成立體的裂縫網(wǎng)絡(luò)，并不斷擴展延伸。數(shù)百萬噸的壓裂液壓裂儲層的同時，必然會降低儲層的整體強度，可能會有大量的壓裂液沿著壓裂縫網(wǎng)進入天然斷層帶，引起斷層帶巖石的物理力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促進斷層活化。頁巖氣的工業(yè)化開采需要大規(guī)模的體積壓裂作業(yè)，鉆孔井位非常密集，造成的人為擾動很大，極易引起斷層活化滑移，引發(fā)地震。在地質(zhì)條件不利的情況下，還可能誘發(fā)山體滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[18]。

美國奧克拉荷馬州的地質(zhì)調(diào)查局發(fā)現(xiàn)，當?shù)氐牡卣饠?shù)每年都在增加，到2010年地震數(shù)高達數(shù)千次。對該州2011年1月18日發(fā)生的地震分析表明，水力壓裂后很快就有超過50起的小型地震發(fā)生。2012年，美國地質(zhì)調(diào)查局在地質(zhì)學(xué)年會上公布的報告稱，從阿拉巴馬州到北方落基山脈的美國中西部地區(qū)，近十年來地震頻發(fā)的原因與人類活動密切相關(guān)[19]。

2.3 溫室性氣體甲烷的泄漏

頁巖氣的主要成分是甲烷。有研究表明，甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)比CO2產(chǎn)生的高數(shù)十倍[20]。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大約占頁巖氣井產(chǎn)氣量1.6%的甲烷氣體隨著壓裂返排液逃逸，并且在鉆井、完井階段也有甲烷氣體逸散[21]。儲層壓力越大，甲烷的逸散量就越多。在耗時較長的水平井鉆井、完井和壓裂過程中，頁巖氣開發(fā)的甲烷泄漏量高于常規(guī)天然氣開發(fā)的甲烷泄露量。美國杜克大學(xué)的研究團隊經(jīng)過實地調(diào)查和研究，發(fā)現(xiàn)在賓夕法尼亞州使用水力壓裂法開采頁巖氣的地區(qū)，地下水中的甲烷含量比未鉆探區(qū)域高出17倍。

3 地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變機理及防控措施

3.1 上覆淡水層污染的發(fā)生機理及防治

如前文所述，儲層改造采用的大規(guī)模體積壓裂技術(shù)需消耗數(shù)以百萬噸的淡水資源，然而，我國頁巖氣“甜點區(qū)”的淡水資源非常有限。例如四川盆地、鄂爾多斯盆地、江漢盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地等，這些地區(qū)的淡水資源本身都很稀缺，人均水資源占有量更低。所以，加強淡水資源的有效利用和防止淡水污染是我國頁巖氣勘探開發(fā)必須長期堅持的方針。美國為了防止返排液污染制定了一系列的方針政策，主要包括：①開采過程會排出大量的返排液，將廢水輸送到廠區(qū)外用廢水處理裝置初步處理，去掉大部分污染物之后注入到地下井中封存；②如果開采區(qū)環(huán)境要求很高，就將輸送到廠區(qū)外的廢水進行完全無害化處理，然后直接排放到地表水系；③在水資源不充足的情況下，很多企業(yè)都是廠區(qū)處理返排液，然后重新用作壓裂液或鉆井[22]。依據(jù)美國的經(jīng)驗可知，水資源的循環(huán)再利用，是目前最為經(jīng)濟和安全的辦法；無論從成本還是環(huán)保考慮，水資源的循環(huán)利用都是頁巖氣工業(yè)發(fā)展的必然選擇。

為了減少或者防止壓裂液和甲烷對淺水層的污染，就必須了解壓裂液或者甲烷可能的泄漏路徑。各個流場路徑如圖3所示。

圖3 壓裂液、甲烷擴散至淡水層的路徑示意圖

1)壓裂液泄漏擴散到淺水層的可能途徑如下。

F1流場通道：天然斷層。當大規(guī)模體積壓裂作業(yè)時，數(shù)萬立方米的壓裂液被高壓注入到頁巖層，并對頁巖層進行體積壓裂產(chǎn)生大量壓裂裂縫。壓裂作業(yè)區(qū)可能存在天然斷層或者薄弱節(jié)理層，體積壓裂縫溝通天然斷層，在泵注高壓作用下，大量壓裂液沿著斷層裂縫向上運移至淺部淡水層。

F2流場通道：鉆井的滲漏。完井沒有達到技術(shù)要求或者人為原因造成在高壓泵注壓裂液過程中，部分壓裂液從泵注井口或者井壁發(fā)生泄漏。

F3流場通道：作業(yè)場泄漏。非常規(guī)油氣資源開發(fā)已經(jīng)進入或者正在進入工業(yè)化開采階段，在作業(yè)場址有大量的鉆井、壓裂設(shè)備和壓裂液拌制裝置，在發(fā)生事故的情況下，大量的壓裂液污染物可能滲入到地表含水層，假如沒有及時處理或者沒有探測到壓裂液的泄漏，將會造成淺層淡水的長期污染。

2)氣相或液相甲烷的擴散路徑如下。

M1流場通道：天然斷層。同壓裂液進入斷層的原理一樣，體積壓裂縫貫通天然裂縫后導(dǎo)致甲烷泄漏。另外，當甲烷處于游離相時，由于密度差別很大，不需要泵注壓力，甲烷就能夠不斷向上運移。

M2流場通道：鉆井和開采時逸出，同F(xiàn)2的泄漏通道相似。

M3流場通道：穿過巖層。在大規(guī)模體積壓裂之后，甲烷氣體從低滲儲層壓裂縫隙中逃逸出來，不再被低滲頁巖體吸附，并由于自身的浮力作用逐年向上擴散。

壓裂液泄漏到淺水層的流場路徑，可以用樹狀流程圖表示，如圖4所示。

圖4 潛在的壓裂液污染物流通路徑圖

在非常規(guī)油氣(主要指頁巖氣)的開采中，大規(guī)模體積壓裂可能產(chǎn)生多方面的污染，包括氣體污染(甲烷、氡氣等)、壓裂液污染和鉆井固體廢棄物污染等，而對飲用淺水層造成污染的最直接和最主要的因素是大量壓裂液的滲透和擴散。D.J.Rozell等[23]闡明了用于評價美國Marcellus頁巖體積壓裂作業(yè)造成的水污染風險數(shù)學(xué)評估模式。

首先是完井套管失效引起壓裂液泄漏到淺部飲水層，其計算公式為：

CVW=PWFail·PWLeak·F。

(1)

式中：CVW為每口井套管泄漏的污染物體積；PWFail為頁巖氣開采井套管失效的幾率；PWLeak為壓裂液泄漏的比例；F為該場址單井注射的壓裂液流量。

其次是壓裂液透過斷層向上覆含水層的滲透量計算，其計算公式為：

CVF=PFL·PFluid·F·(1-PR)。

(2)

式中：CVF為通過斷層擴散到淺水層的污染物體積；PFL為體積壓裂作業(yè)中壓裂液透過斷層運移到上覆含水層的幾率；PFluid為壓裂液通過斷層泄漏的比例；PR為返排壓裂液的比例。

最后是地上鉆井現(xiàn)場壓裂液污染物潛在的泄漏風險，這主要是由于人為的不當施工操作或者儲液罐損壞等原因造成的。其計算公式為：

CVDS=PD·PFD·F·PR。

(3)

式中：CVDS為鉆探現(xiàn)場每口井污染物泄漏的總體積；PD為現(xiàn)場污染物可能向外排放的幾率；PFD為泄漏的污染物所占比例。

依據(jù)上述各個壓裂污染物可能泄漏路徑的流量計算數(shù)學(xué)公式可以看出，廢水污染的因素既有人為因素也有自然因素。人為因素主要表現(xiàn)在完井過程中套管損壞使壓裂液泄漏、道路運輸及現(xiàn)場壓裂作業(yè)中儲液罐可能發(fā)生的泄漏等，這些影響因素可以通過提高作業(yè)人員素質(zhì)、加強運輸和現(xiàn)場作業(yè)管理來進行防治，最大程度地控制由操作不當造成的污染物泄漏到上覆淺水層。自然因素，即大規(guī)模體積壓裂場址的地質(zhì)構(gòu)造條件和水文地質(zhì)條件。如前文計算公式中PFluid(壓裂液通過斷層泄漏的比例)、PFL(體積壓裂作業(yè)中壓裂液透過斷層運移到上覆含水層的幾率)等，都與頁巖層的水文地質(zhì)狀態(tài)相關(guān)。所以在選址時，必須詳細調(diào)查頁巖儲層的構(gòu)造特征、斷層活動帶和地應(yīng)力狀態(tài)，降低壓裂液滲透到斷層及上覆淡水層的幾率。提高壓裂返排液的重復(fù)利用率，不僅是減少對外排污的有效途徑，還可以節(jié)約大量的淡水資源[24]。

3.2 誘發(fā)地震災(zāi)變機理及防范措施

在頁巖氣工業(yè)化開采中，必須關(guān)注由于大規(guī)模體積壓裂頁巖儲層誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)變問題，主要包括斷層活化產(chǎn)生地震，以及由于地震作用而發(fā)生的泥石流、滑坡等二次地質(zhì)災(zāi)變。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，斷層面間的有效應(yīng)力降低是斷層活化和誘發(fā)地震的主要原因，有效應(yīng)力即指斷層面間的抗剪斷強度，壓裂液進入斷層使液體壓力增加，引起斷層面有效應(yīng)力的降低[25-26]。如前文所述，壓裂液由以下途徑流進斷層：直接從井筒、通過新的水力壓裂縫網(wǎng)、通過天然預(yù)存裂紋或者小的斷層、通過滲透層的孔隙網(wǎng)絡(luò)等。這些通道都能夠增加斷層內(nèi)的流體壓力，降低斷層面間的有效應(yīng)力[27]。在水力壓裂作業(yè)過程中或者壓裂后不久，如果斷層面間的流體壓力增加到了臨界應(yīng)力狀態(tài)，那么就有可能誘發(fā)斷層活化和地震，如圖5所示。

圖5(a)為垂直鉆井立體圖，鉆井深度大約3 km，并水平鉆入細粒度、低滲透儲層(暗灰色)。黑實線是微傾垂直正斷層，該正斷層與井筒相距一定距離或者與水平井筒相交。沿著井筒注入的高壓流體能夠通過上述通道滲透到斷層并增加斷層區(qū)域的孔隙壓力。天然斷層初始應(yīng)力狀態(tài)為σ1、σ2和σ3三向地應(yīng)力狀態(tài)，且σ1>σ2>σ3。其中σ1為最大垂直主應(yīng)力；σ2、σ3為水平主應(yīng)力，σ2作用方向垂直于頁面；σN為作用于斷層平面的垂向應(yīng)力。當斷層受到的剪應(yīng)力大于斷層抗剪強度與斷層面間摩擦力之和時，斷層即發(fā)生失效破壞。

圖5 大規(guī)模體積壓裂致使斷層區(qū)域孔隙壓力增加并引起斷層活化的力學(xué)機制圖解[28]

圖5(b)為斷層平面莫爾圓示意圖，莫爾圓①表示在儲層開采之前斷層的最初地應(yīng)力狀態(tài)，σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，該莫爾圓接近莫爾失效包絡(luò)線(虛線)。在頁巖氣開采過程中，向原有儲層注入大量的體積壓裂液，在體積壓裂過程中或者返排前關(guān)閉井筒，斷裂帶區(qū)域的流體壓力都有可能增加，這是因為流體壓力應(yīng)力波傳播到斷層或者壓裂液進入斷層帶增加斷層區(qū)域的流體壓力造成的。假如斷層帶增加的流體壓裂為Pf，那么斷層受力狀態(tài)就如向左平移后的莫爾圓②所示，最大主應(yīng)力變?yōu)棣?-Pf，最小主應(yīng)力變?yōu)棣?-Pf，并且與失效包絡(luò)線相切，斷層發(fā)生剪切破壞，如果斷層帶失效面大并且頻率高，就會有人類感知的地震發(fā)生。

不同的地質(zhì)背景下，流體對觸發(fā)地震發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。滲透進入斷層面間的流體起到一定的潤滑作用，使斷層面之間的摩擦力減少，致使斷層的斷裂能水平降低，容易引發(fā)斷裂帶滑移而發(fā)生地震。San Andreas發(fā)表的文章證實了這個推測[29],并認為在干燥巖石表面的摩擦作用下，斷層帶將產(chǎn)生大量的熱量并積聚在地層。人為向地球深部注入大量流體能夠誘導(dǎo)地震發(fā)生。流體的注入不僅會改變地應(yīng)力的分布狀態(tài)和引發(fā)新的裂縫，而且壓力流體進入天然斷層區(qū)域會誘導(dǎo)斷層滑移。針對人為活動誘發(fā)斷層活化及引起地震的風險，只有少數(shù)研究成果被報道過[30]。頁巖氣開采選址應(yīng)密切關(guān)注活動斷裂帶和深大斷裂帶的分布特征及其活動性，特別應(yīng)關(guān)注頁巖儲層中的斷層。在進行工業(yè)化體積壓裂作業(yè)過程中，當數(shù)以百萬噸的壓裂液不斷注入儲層時，應(yīng)實時監(jiān)測并掌握儲層中流體壓力的大小和空間立體縫網(wǎng)的形成過程，并關(guān)注頁巖儲層及上覆巖體強度的變化情況。隨著壓裂作業(yè)的進行，大量壓裂液注入儲層并滲透到斷層帶，會改變斷層帶巖體的物理力學(xué)特性和應(yīng)力狀態(tài)，所以確定何種應(yīng)力狀態(tài)下斷層會發(fā)生滑移非常重要。另外，有必要采用現(xiàn)代技術(shù)手段分析和預(yù)防地震的發(fā)生：現(xiàn)場壓裂微震監(jiān)測，實時觀測裂縫擴展的形態(tài)和區(qū)域，計算注入儲層和滲透到斷層帶中的壓裂液流量；進行必要的體積壓裂模擬，分析壓裂過程中地應(yīng)力變化、壓裂液對地層物性的影響、斷層帶流體壓力大小等，對誘發(fā)斷層滑移的因素進行分析。在大規(guī)模體積壓裂前，需要取芯研究該儲層頁巖的礦物成分、巖石力學(xué)特性、地層應(yīng)力狀態(tài)等，并設(shè)計科學(xué)的壓裂方案，包括鉆井方位、射孔角度、壓裂液流量等。同時壓裂儲層作業(yè)過程中，根據(jù)實施監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整壓裂方案，制定緊急預(yù)備方案。

總之，大規(guī)模頁巖儲層的體積壓裂會改變儲層及斷層帶的地應(yīng)力狀態(tài)，形成立體縫網(wǎng)，降低巖體強度，增加了壓裂液進入斷層從而誘發(fā)地震的風險。因此，充分的前期勘探調(diào)研、科學(xué)合理的壓裂方案設(shè)計和壓裂作業(yè)過程中的風險評估及控制技術(shù)，對防止災(zāi)變發(fā)生至關(guān)重要。

3.3 甲烷泄露及其它災(zāi)變防控措施

在頁巖氣的勘探、開發(fā)、運輸?shù)缺匾墓I(yè)化作業(yè)過程中，會有3.6%～7.9%的甲烷協(xié)同揮發(fā)性有機化合物泄露到大氣中，所以必須考慮制定甲烷氣體防泄漏措施[31]。根據(jù)頁巖氣開采的過程，可以從3個階段制定相應(yīng)的防治措施。①鉆井完井階段：井筒壁、水泥塞或者水泥墻之間會有縫隙，頁巖氣勘探、開采施工中，會有部分氣體泄漏；②水力壓裂階段：壓裂返排液中會有大量甲烷泄露，并且還有揮發(fā)性有機化合物；③輸氣配氣階段:主要包括施工或者運輸人員的疏忽、輸氣過程中管線破損，或者其他不可控因素(天氣惡劣、地質(zhì)災(zāi)變等)，必然會有部分甲烷氣體泄漏。

針對上述甲烷氣體泄漏的3個階段，我國在進行頁巖氣商業(yè)開采時，必須制定相應(yīng)策略和政策，以保證頁巖氣項目的順利進行。首先，應(yīng)該提高鉆井完井技術(shù)。2008年，張金川等[32]指出，目前最常用的完井方式是泵送有線射孔和橋塞兩種下套管尾管完井方法，好的固井質(zhì)量對不同壓裂段間封隔和有效的體積壓裂很重要，并且能有效地減少甲烷氣體的泄漏。其次，加強壓裂回收液的處理?，F(xiàn)階段回收液最好的處理方法是重復(fù)利用，科學(xué)處理不同類型的回收液，研究回收液的化學(xué)成分及特點，回收其中的甲烷氣體。最后，完善輸氣管線，加強監(jiān)管力度，盡量減少人為過失造成的甲烷氣體泄漏。

防范壓裂返排液侵蝕地表、破壞植被，主要制定下列相應(yīng)措施加以控制：①壓裂過程中，壓裂車集中作業(yè)，輸運道路及管線等應(yīng)科學(xué)規(guī)劃，防止大面積占用耕地和破壞植被；②科學(xué)有效地處理壓裂返排液，防止破壞生態(tài)和預(yù)防土壤鹽堿化；③加強立法監(jiān)督，對造成嚴重污染的企業(yè)加以警告并依法追究其責任，督促其及時整治，盡快采取補救措施。

4 結(jié)語

頁巖儲層大規(guī)模體積壓裂對儲層實施改造，是實現(xiàn)非常規(guī)油氣資源開發(fā)的核心技術(shù)。但是，這一技術(shù)也會帶來一系列的問題。鑒于此，本文從勘探和調(diào)研合理的頁巖氣開采區(qū)塊、設(shè)計科學(xué)的鉆井完井方式、壓裂液注入速率方案、實時監(jiān)測斷層破裂帶應(yīng)力及滑移狀態(tài)、廢水廢氣回收處理等角度提出了對應(yīng)的科學(xué)指導(dǎo)和防范措施。

另外，我國在建立健全各項制度的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強體積壓裂和儲層改造機理研究，達到核心科學(xué)技術(shù)的突破，從政策指導(dǎo)和科技攻關(guān)兩方面把可能誘發(fā)的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變概率或危害程度降至最低。

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(責任編輯：陳海濤)

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

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)(XDB10050200);河南省科技創(chuàng)新人才計劃項目(154100510006);華北水利水電大學(xué)高層次人才博士啟動經(jīng)費項目(201532);新疆維吾爾自治區(qū)科技援疆項目(201491105)。

王洪建(1986—),男,河南信陽人,講師,博士,從事工程地質(zhì)力學(xué)、水力壓裂理論及試驗方面的研究。E-mail:wanghj@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.010

TV221;TE991

A

1002-5634(2017)02-0049-07