我国页岩气压裂开采与环境保护现状

　　0引言

　　能源在国民经济、国家安全和人类发展中具有重要的地位，是人类生存和发展的物质基础。能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。当今世界能源日益短缺，要想提高中国的油气资源保障能力十分困难，开发并合理利用新能源已迫在眉睫。页岩气为产自极低孔渗、富有机质暗色页岩地层系统中的天然气，是近期可实现经济规模勘探开发、资源丰富的非常规天然气资源。页岩气具资源潜力大、开采寿命长等优势。在20世纪70年代中期之前曾被归入非经济可采资源，我国页岩气资源量约占全球页岩气资源量的5.7%，页岩气资源巨大的潜力和显著的经济效益受到我国政府及能源公司的高度重视。但是，页岩气的开采也面临着严峻的环保挑战，比如：水资源的不当利用，油气管道铺设环境污染，相法律法规不完善等。因此，了解北美地区页岩气储层特点、开发技术和环境保护措施，加快开采和环保技术研发，尽快形成和配套适应我国页岩气压裂技术应用的基础理论与技术系列，对于加快我国页岩气勘探开发步伐具有现实意义。

　　1我国页岩气的资源分布现状

　　据预测，世界范围内页岩气资源量相当于煤层气与致密砂岩气资源量的总和，占3种非常规天然气(煤层气、致密砂岩气、页岩气）总资源量的50%左右，页岩气分布广泛，开发潜力巨大，是常规石油天然气的理想接替能源。我国页岩气资源量约为26万亿m2，约占全球页岩气资源量的5.7%，与美国相当。

　　根据页岩气发育的地质背景，一般把我国的页岩气发育区大致划分为四大区域，即西北、南方、华北一东北及青藏等四大地区。在西北部地区，页岩平均有机碳含量普遍较高，成熟度变化范围较大。虽然青藏地区的地表环境较差，但泥页岩地层厚度大，有机质含量高，有机质热演化程度适中，也是页岩气发育的有前景地区。我国南方发育了面积达200X104km2的海相地层，并且最大厚度超过了10km。南方的海相地层分布广、厚度大，有机质含量高，是南方最有利的页岩气勘探层位。但是，中国南方页岩普遍为有机质含量高的黑色页岩，具有埋深浅、面积大、层厚等特点，最大厚度超过1400m。在华北一东北地区，页岩气多发生在主力产油气层位的底部或下部，泥页岩累计厚度为50?2000m，平均有机碳含量为1.0%?2.0%，局部平均值可达4.0%以上，对应有机质成熟度变化较大。

　　总体来说我国古生代地层分布范围广、有机质含量普遍较髙、地层厚度大，为有利的勘探区域。

　　2现阶段我国页岩气开采和环保问题

　　与北美的页岩气勘探开发成就相比，中国的页岩气勘探开发起步较晚，而与全球其他地区相比，中国的页岩气勘探开发则处于领先地位，为全球除北美以外地区率先进人页岩气勘探评价突破和工业化开发先导性试验的国家。

　　2013年，频频出台的新政策为页岩气的开发提供了新动力。5月16日，国务院取消页岩气等非常规油气领域合同审批，减少对外合作的程序，对外开放的力度进一步加大；10月22日，纲领性文件《页岩气产业政策》印发，首次将页岩气作为单独产业给予政策扶持，并提出将页岩气纳人战略性新兴产业，对页岩气开采企业减免矿产资源补偿费、矿权使用费，页岩气勘探开发等鼓励类项目下进口的国内不能生产的自用设备免征关税，《页岩气“十二五”规划》进入操作层面；同时，页岩气开发进一步向民营企业敞开大门。

　　在技术方面，经过3年多攻关，中国石化工程院承担的“页岩气网络压裂机理及设计方法研究”成功在不同应力、完井等参数条件下裂缝的起裂机理和延伸路径，研究成果达到国际领先水平，该成果巳应用于焦石坝、彭水、南川等24口页岩气井296段压裂优化设计和施工，施工成功率97.2%，创压裂规模、加砂量等多项纪录。

　　页岩气开采过程中都会产生噪声、废水、废气及开采事故灾害等污染问题。根据现有资料和实例分析，页岩气开采会引发水资源的大量消耗、甲烷泄漏、污染地下水层以及引发地震等诸多问题[9]。众多专家和环保人士认为页岩气开采将加重对环境的污染。法国和保加利亚政府发布禁令，在目前技术条件下禁止水力压裂法开采页岩气；2011年，水力压裂法开采页岩气也是美国最热门的环境问题。目前为止，在我国并没有政府部门出台的相应页岩气开采污染环境方面制定相关的政策和法令，以致我国页岩气开采存在有严重环境污染的潜在风险。

　　现阶段我国页岩气开采的相关政策比较完善，技术研发有序推进，政府扶持力度进一步扩大，但是与之相匹配的环保政策并没有适时出台，矿产开发引起的环境污染，相应的环境治理技术不完善都会限制页岩气开发的进度和引起连锁环境污染。

　　3页岩气开采压裂技术与污染治理

　　由于页岩气储层具有低孔、低渗的特点，勘探开发难度大，大多数页岩气井需要储层改造才能获得比较理想的产量。目前世界上在页岩气开发中使用的压裂技术可以分为清水压裂、重复压裂、同步压裂、多级压裂和泡沫压裂。

　　清水压裂即在清水中添加一定减阻剂制成压裂液。这种压裂液主要成分是水、很少量的减阻剂、黏土稳定剂和表面活性剂。美国页岩气开发的经验表明：增产技术尤其是水力压裂技术，对于页岩气的开发是至关重要的。重复压裂是指当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，采用对气井进行重新压裂增产的压裂工艺。同步压裂采用使压裂液和支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法，来增加水力压裂裂缝网络的密度和表面积,利用井间连通的优势来增大工作区裂缝的程度和强度，最大限度地连通天然裂缝。多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术。泡沫压裂作为一种新型的压裂方式，具有氮气泡沫压裂液和常规水基压裂液相比只有固体支撑剂和少量压裂液进人地层，减轻压裂液对地层的伤害，返排效果好等优点。

　　水平钻井技术和水力压裂技术是页岩气开发成功的两大关键核心技术，也是目前页岩气开发无可替代的成熟技术。在这两项技术中，由于页岩气藏岩石特点，需要用油基泥浆完成特殊岩层的钻采，同时释放页岩气需要将掺有沙石和化学物质的高压水注人平行井来冲破页岩层，最终达到页岩气开发的目的。在此过程中，这些循环使用后废弃的含油钻屑、压裂后的返排液、压裂液剩余残液如若得不到有效处理，将会对土壤、水资源造成二次污染。目前，针对含油钻屑主要有热解析处理技术、直接焚烧处理技术、随钻处理、微生物法修复处理等技术，相应的热解析设备、技术在重庆、四川等地得到应用，使用效果良好。压裂液残液及返排液的回收再利用设备在四川、内蒙等地也得到了初步应用，避免了油田现场的二次污染。

　　与美国页岩气发育盆地对比发现，中国存在区域发育页岩气的地质背景和条件，在借鉴国外页岩气压裂技术的基础上，优选适应性强的页岩气开发压裂技术。

　　4我国页岩气开采压裂技术面临的环保挑战

　　4.1水资源挑战

　　据国土资源部专家张大伟估计，中国要完成《岩气发展规划（2011-2015年）》中提出的600亿?1000亿m3的产量，需要打2万口生产井。如果以单井用水量19000m3计算，预计中国将需要3.8亿m3的水，相当于1266万城市人口一年的用水量。联合国粮农组织的数据显示，中国的人均可再生水资源为2060m3，仅为美国的1/10，加拿大的1/42。中国大部分地区受季风气候影响，年度降水不均，即便是在年均降水相对丰沛的重庆和四川等地，也会出现久旱不雨的情况。然而问题在于，中国的主要页岩气矿区多分布在人口相对密集的区域，如四川盆地或者是严重缺水的地区，如塔里木盆地。而且中国页岩气藏埋深小于3000m的范围相对较少，部分页岩储层埋深可超过5000m，埋藏深度进一步加大了开采难度。页岩气开采将会给矿区带来一系列的问题，如抢占农业用水和居民生活用水，危及脆弱的生态环境。

　　美国方面的研究发现，虽然水力压裂作业后留在页岩层的压裂液不会对地下水层造成污染，但是压裂过程中的回流液可能会污染地表水。另外在钻井施工中的不当操作也会造成地下水资源的污染。美国宾夕法尼亚州一所大学的研究显示，水力压裂法产生的回流液中包含了高浓度的矿物盐、重金属、压裂液中的添加药剂和来自地层深处的放射性物质，如钡和镭。另外在钻井施工中的不当操作也会造成地下水资源的污染。水资源管理可能是我国页岩气开发中最大的核心问题。

　　在页岩气的生产中大量用水、产生的废水以及废弃物管理等都会引起环境污染，应该引起注意。

　　4.2监管和环保治理的缺失

　　目前我国尚无针对页岩油气生产的法律法规，环境保护法规也偏向于监督传统的油气生产，而仅有的政策文件无法对页岩气的生产进行有效监管。目前美国使用的是州和联邦的两级管理体系。联邦政府的法规覆盖了整个生产过程，对空气和水的质量，危险物的管理，公众的知情权，污染物的管理都有明确的规定。州政府则根据本地的情况对页岩气的生产提出了更为具体的要求，如井管深度、压裂液成分、蓄水、废水和废弃物管理、以及地震监测。正是这样的两级管理体制迫使美国企业将7%的生产成本运用到对污染风险的控制上。美国官方认为，只要按照标准进行操作，对压裂液的使用和回收进行妥善的管理，水污染风险是完全可控的，但是相比于监管体系健全的美国，中国尚处无专门法规可依的状态。中美之间的页岩气开发交流不能仅限于开采技术层面，而应当进一步深人到管理领域。对于已经将页岩气开发提上日程的我国来说，充分吸收美国在页岩气开发方面的管理经验，制定有针对性的法律和行业标准才是当务之急。

　　5我国页岩气开采压裂技术的应用和环保前景分析

　　中国对页岩气的开采经历了实质性的探讨、实验和成功实施阶段，并取得了良好的效果。环境问题与美国页岩气蓬勃发展相伴而来，但是美国已着手完善页岩气开采相关的环境法律和政策。但是中国目前实施以及正在制定的环境保护法律都没有考虑页岩气开采引起的环境问题。这点应该引起行业思考。无论是从地质资源量还是技术可采资源量上看，我国页岩气资源都具备良好发展基础。但是在寻求高效经济时，我们不能忽视页岩气开采可能带来的巨大环境问题。我国政府要高度重视页岩气开采过程中潜在的环境污染，建立相应的污染机制评估，探讨并发展相应的环保技术和环环保立法。同时，在政府政策、技术开发和环境保护方面达成协调性，能够从根本上解决页岩气压裂开采造成的环境污染。根据相关研究内容和方法，结合国外在页岩气压裂开采方面的优势做法和经验，具体建议如下：

　　①在政府层面制定预防我国页岩气资源开采所造成的潜在环境污染，建立健全页岩气开采环境影响评价机制；

　　②政府部门加强页岩气项目的环境监管，完善页岩气勘探开发项目的环境管理规定；

　　③尽快制定页岩气压裂开采技术标准和开发规范。

　　未来5?10年需要坚持深化地质认识与技术攻关，突出基础地质研究、核心区评价和先导试验区建设。将页岩气开采、技术开发与环境保护相结合，寻求可持续发展的新模式，从本质上实现中国页岩气持续稳定发展。

　　6结束语

　　我国页岩气勘探开发起步较晚，但在全球为北美以外地区率先进人页岩气勘探突破和工业化开发先导性试验的国家。中国页岩气地质条件研究与关键开发技术储备已有较好基础，正进人快速开采建设阶段。我国页岩气分布广泛，储量较大，但是多集中于山地、丘陵和缺水的沙漠地带，为开采用水以及设备油气运输增加了难度，进一步增大了页岩气开采成本，而且中国没有较为健全的法律体系，在我国页岩气压裂开采的同时面临着水资源的污染和浪费等相关问题。在未来发展中需要借鉴北美的成功经验，针对中国的特点，加强基础地质条件和关键开发技术攻关，努力寻求环境友好低成本的开发技术和管理模式。为加快我国页岩气压裂开采，当前应当做好矿权秩序维护，通过科技创新和国家政策帮扶，制定统一标准，建立先导试验区，探索重要的成熟技术和管理模式及经验非常必要。

　                    　                    李磊1，张晓光，王成彪，房明浩，吴小文，刘艳改，黄朝晖

(1.中国地质大学（北京）工程技术学院；2.地质超深钻探技术国土资源部重点实验室；3.中国地质大学（北京）材料科学与工程学院；4.非金属矿物和固废资源材料化利用北京市重点实验室）