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摘 要：页岩气是赋存于页岩中的一种重要的天然气资源。近年来，美国和加拿大、中国等不少国家在页岩气开发上取得了较大突破，。我国在华南地区寒武系-志留系、四川盆地三叠系-侏罗系、鄂尔多斯盆地三叠系等层系均探测到页岩气藏的富集。虽然有着良好的发展前景，但页岩气产业高速发展所带来的环境问题也日益严峻。目前在国际上技术最成熟，使用最广泛的页岩气强化开采方法是水力压裂法，使用该方法进行页岩气开采已知将会引起严重的环境问题。本文对国内外页岩气勘探开发中水力压裂注井、完井后出现的各类环境问题进行了总结，并通过对比借鉴现有监管法规政策，提出了我国页岩气环保监管建议。
关键词：页岩气；水力压裂；环境污染
中图分类号：TE37 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0332-01
页岩具有结构致密、渗透率低的特点。虽然具有一定得天然裂缝，但实际生产中90%以上的页岩气井都需要通过压裂手段辅助生产。水力压裂就是利用地面高压泵对压裂液加压，向储层注入具有高密度的压裂液来增加井底压力来撑开页岩自然裂缝或刺激其产生新的裂缝。然后向储层注入带有支撑剂的携砂液，使已经撑开的裂缝保持张开状态并使裂缝继续向前延伸。至此油气储层层与井筒之间建立新的油气通道。压裂之后，油气井的产量获得大幅度增长。目前，水平钻井和水力压裂技术因其使用成本低、开发难度较小，成为页岩气开发主要手段。本文根据美国等国家压裂液泄露造成污染问题的先例和我国页岩气产地的特殊性，总结了一下几大问题：
1 页岩气开发水力压裂加剧贫水地区缺水问题
以美国密歇根Antrim页岩气田为例，该地区一个传统的井一次需要190m3的水。如果采用目前比较先进的水平钻井，一个水力压裂井一次需要1.9×104m3水，大约是一个1×109W煤电站12h的用水量。页岩气开发中所需的用水量总体与页岩埋深成正比的。我国页岩气埋藏深度普遍较深，在这些地区进行水力压裂开采页岩气所需求的用水量比普通油气井的开采用水多50倍以上。水力压裂作业所使用的压裂液在回收后因为除污成本过高一般不会进行再利用。而后期页岩气的存储和运输过程都会对水资源进行消耗，这将加剧生产地区贫水问题。
2 水力压裂存在污染地下水的风险
水资源污染是目前页岩气开发中后果最严重也最具争议的问题。首先，压裂液在地层中撑开储层裂缝的过程中有进入储层附近地下水的风险。有研究指出，在美国已开发运营部分的页岩气井周边地下水中探测到压裂液添加剂成分，虽然出现泄露的井眼只占很小的比率，但压裂液中所用化学物质成分十分复杂且大多对人体有害。因此，其风险不容小视。此外，水平井和竖井钻进所使用的套管和固井缺陷也会造成流体泄漏，导致地下水污染，其主要原因是套管损伤导致流体泄漏、固井不完善使套管和储集层间存在流体流动空间。Jackson等分析144口浅层饮用水井发现距离页岩气井1km范围内的饮用水井中的甲烷浓度是1km范围外的6倍。地下水具有运移速度快、流域分布广的特点。一旦发生上述污染事件，后果不堪设想。
3 大型水力压裂造成土地破坏与污染
大型水力压裂施工在改造储层同时会破坏原有土体结构，储层新生的裂隙会影响该地层岩石强度，如果作用岩层足够厚，很可能造成地层下陷问题。压裂井周围土壤中的营养元素随压裂液流失，这最终会导致地表植被被破坏形成“人工裸地”，同时会加剧西北地区水土流失的发生。因为水力压裂作业的目的层井底具有较高压力系数，如果井底流体压力调整不当将会造成压裂液不受控地回流，最后发生井喷事故。2011年4月美国切萨皮克公司开发的一口气井发生井喷事故，数千加仑压裂液喷出后灌入周围土地，造成严重的污染事故。水力压裂作业中井底迅速升高的压力所导致的地层应力瞬间变化会诱发微震。压裂作业前储层描述存在很多不确定性，美国多处页岩气开采点发生的一连串轻微地震也被学者们认为与水力压裂技术的使用有关。现有技术难以准确预测压裂裂缝发展，需要进一步研究裂缝的扩展的机理、对压裂液运移和井底流体温、密度进行建模。
4 其他环境问题
大型水力压裂运转所需的大量重型机械难免带来较大噪音。由于页岩气开采的特性，多台压裂设备同时工作会对周围的居民造成影响，我国四川地区就出现过开采点周边居民抱怨开采施工噪音过大不而让工程设备进村的事件。页岩气开发结束后遗弃的废弃泥浆包含各种无机盐、烃类及其聚合物、重金属离子等危害人体健康的成分，这些污染物也需要在完井后统一妥善处理。
在资源开发的同时减少对自然环境的影响已经成为全球能源公司开发作业的共识。为了尽量降低水力压裂作业对环境的污染和破坏，提出以下环保建议：
①要建立完善的页岩气开发环境评价模型与开采方法评价体系，因地制宜的選择开采方法，不能一味追求低成本而一律使用大型水力压裂作为增产手段。②要积极探索页岩气增产的新技术，如各类无水压裂技术。以目前研究较多的超临界CO2压裂为例。因为其作为压裂液不含水相和固相，因此从根本上杜绝了污染地下水的问题。无水压裂技术具有更环保、对储层损伤较低等特点，应该结合国情因地制宜使用新技术，减少在开发过程中的污染问题。③要完善井场突发事件应急方案，气体泄露、井喷、地下水污染等事件建立完善的预防和应急处理方案，使施工单位能第一时间发现并解决突发问题。页岩气的开发是我国能源改革的新机遇，应结合资源现状完善开采前监督、开采中控制和开采善后工作，争取新的突破。
参考文献
[1]王彦昌，刘福云，谷风桦，等.页岩气开发水力压裂水循环对水环境的潜在影响[J].油气田环境保护，2017，27（2）：6～10.
[2]李颖虹，魏 凤.欧美页岩气水力压裂技术环境风险及管理措施剖析[J].环境科学与技术，2016，39（12）：194～199.
[3]谭 茜，宋福忠，张代钧，等.页岩气开发水力压裂活动的环境监管对策[J].环境影响评价，2015，37（6）：68～73.
[4]张东晓，杨婷云.美国页岩气水力压裂开发对环境的影响[J].石油勘探与开发，2015，42（6）：801～807.
[5]蔡仁平，敖丽英.环境风险在页岩气勘探开发的探究[J].工程建设与设计，2017（12）：33～34.
收稿日期：2018-4-24
关键词：页岩气；水力压裂；环境污染
中图分类号：TE37 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0332-01
页岩具有结构致密、渗透率低的特点。虽然具有一定得天然裂缝，但实际生产中90%以上的页岩气井都需要通过压裂手段辅助生产。水力压裂就是利用地面高压泵对压裂液加压，向储层注入具有高密度的压裂液来增加井底压力来撑开页岩自然裂缝或刺激其产生新的裂缝。然后向储层注入带有支撑剂的携砂液，使已经撑开的裂缝保持张开状态并使裂缝继续向前延伸。至此油气储层层与井筒之间建立新的油气通道。压裂之后，油气井的产量获得大幅度增长。目前，水平钻井和水力压裂技术因其使用成本低、开发难度较小，成为页岩气开发主要手段。本文根据美国等国家压裂液泄露造成污染问题的先例和我国页岩气产地的特殊性，总结了一下几大问题：
1 页岩气开发水力压裂加剧贫水地区缺水问题
以美国密歇根Antrim页岩气田为例，该地区一个传统的井一次需要190m3的水。如果采用目前比较先进的水平钻井，一个水力压裂井一次需要1.9×104m3水，大约是一个1×109W煤电站12h的用水量。页岩气开发中所需的用水量总体与页岩埋深成正比的。我国页岩气埋藏深度普遍较深，在这些地区进行水力压裂开采页岩气所需求的用水量比普通油气井的开采用水多50倍以上。水力压裂作业所使用的压裂液在回收后因为除污成本过高一般不会进行再利用。而后期页岩气的存储和运输过程都会对水资源进行消耗，这将加剧生产地区贫水问题。
2 水力压裂存在污染地下水的风险
水资源污染是目前页岩气开发中后果最严重也最具争议的问题。首先，压裂液在地层中撑开储层裂缝的过程中有进入储层附近地下水的风险。有研究指出，在美国已开发运营部分的页岩气井周边地下水中探测到压裂液添加剂成分，虽然出现泄露的井眼只占很小的比率，但压裂液中所用化学物质成分十分复杂且大多对人体有害。因此，其风险不容小视。此外，水平井和竖井钻进所使用的套管和固井缺陷也会造成流体泄漏，导致地下水污染，其主要原因是套管损伤导致流体泄漏、固井不完善使套管和储集层间存在流体流动空间。Jackson等分析144口浅层饮用水井发现距离页岩气井1km范围内的饮用水井中的甲烷浓度是1km范围外的6倍。地下水具有运移速度快、流域分布广的特点。一旦发生上述污染事件，后果不堪设想。
3 大型水力压裂造成土地破坏与污染
大型水力压裂施工在改造储层同时会破坏原有土体结构，储层新生的裂隙会影响该地层岩石强度，如果作用岩层足够厚，很可能造成地层下陷问题。压裂井周围土壤中的营养元素随压裂液流失，这最终会导致地表植被被破坏形成“人工裸地”，同时会加剧西北地区水土流失的发生。因为水力压裂作业的目的层井底具有较高压力系数，如果井底流体压力调整不当将会造成压裂液不受控地回流，最后发生井喷事故。2011年4月美国切萨皮克公司开发的一口气井发生井喷事故，数千加仑压裂液喷出后灌入周围土地，造成严重的污染事故。水力压裂作业中井底迅速升高的压力所导致的地层应力瞬间变化会诱发微震。压裂作业前储层描述存在很多不确定性，美国多处页岩气开采点发生的一连串轻微地震也被学者们认为与水力压裂技术的使用有关。现有技术难以准确预测压裂裂缝发展，需要进一步研究裂缝的扩展的机理、对压裂液运移和井底流体温、密度进行建模。
4 其他环境问题
大型水力压裂运转所需的大量重型机械难免带来较大噪音。由于页岩气开采的特性，多台压裂设备同时工作会对周围的居民造成影响，我国四川地区就出现过开采点周边居民抱怨开采施工噪音过大不而让工程设备进村的事件。页岩气开发结束后遗弃的废弃泥浆包含各种无机盐、烃类及其聚合物、重金属离子等危害人体健康的成分，这些污染物也需要在完井后统一妥善处理。
在资源开发的同时减少对自然环境的影响已经成为全球能源公司开发作业的共识。为了尽量降低水力压裂作业对环境的污染和破坏，提出以下环保建议：
①要建立完善的页岩气开发环境评价模型与开采方法评价体系，因地制宜的選择开采方法，不能一味追求低成本而一律使用大型水力压裂作为增产手段。②要积极探索页岩气增产的新技术，如各类无水压裂技术。以目前研究较多的超临界CO2压裂为例。因为其作为压裂液不含水相和固相，因此从根本上杜绝了污染地下水的问题。无水压裂技术具有更环保、对储层损伤较低等特点，应该结合国情因地制宜使用新技术，减少在开发过程中的污染问题。③要完善井场突发事件应急方案，气体泄露、井喷、地下水污染等事件建立完善的预防和应急处理方案，使施工单位能第一时间发现并解决突发问题。页岩气的开发是我国能源改革的新机遇，应结合资源现状完善开采前监督、开采中控制和开采善后工作，争取新的突破。
参考文献
[1]王彦昌，刘福云，谷风桦，等.页岩气开发水力压裂水循环对水环境的潜在影响[J].油气田环境保护，2017，27（2）：6～10.
[2]李颖虹，魏 凤.欧美页岩气水力压裂技术环境风险及管理措施剖析[J].环境科学与技术，2016，39（12）：194～199.
[3]谭 茜，宋福忠，张代钧，等.页岩气开发水力压裂活动的环境监管对策[J].环境影响评价，2015，37（6）：68～73.
[4]张东晓，杨婷云.美国页岩气水力压裂开发对环境的影响[J].石油勘探与开发，2015，42（6）：801～807.
[5]蔡仁平，敖丽英.环境风险在页岩气勘探开发的探究[J].工程建设与设计，2017（12）：33～34.
收稿日期：2018-4-24