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我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂開采與環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀論文
0引言
能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全和人類發(fā)展中具有重要的地位，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。當(dāng)今世界能源日益短缺，要想提高中國(guó)的油氣資源保障能力十分困難，開發(fā)并合理利用新能源已迫在眉睫。頁(yè)巖氣為產(chǎn)自極低孔滲、富有機(jī)質(zhì)暗色頁(yè)巖地層系統(tǒng)中的天然氣，是近期可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模勘探開發(fā)、資源豐富的非常規(guī)天然氣資源。頁(yè)巖氣具資源潛力大、開采壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。在20世紀(jì)70年代中期之前曾被歸入非經(jīng)濟(jì)可采資源，我國(guó)頁(yè)巖氣資源量約占全球頁(yè)巖氣資源量的5.7%，頁(yè)巖氣資源巨大的潛力和顯著的經(jīng)濟(jì)效益受到我國(guó)政府及能源公司的高度重視。但是，頁(yè)巖氣的開采也面臨著嚴(yán)峻的環(huán)保挑戰(zhàn)，比如：水資源的不當(dāng)利用，油氣管道鋪設(shè)環(huán)境污染，相法律法規(guī)不完善等。因此，了解北美地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)、開發(fā)技術(shù)和環(huán)境保護(hù)措施，加快開采和環(huán)保技術(shù)研發(fā)，盡快形成和配套適應(yīng)我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)理論與技術(shù)系列，對(duì)于加快我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)步伐具有現(xiàn)實(shí)意義。
1我國(guó)頁(yè)巖氣的資源分布現(xiàn)狀
據(jù)預(yù)測(cè)，世界范圍內(nèi)頁(yè)巖氣資源量相當(dāng)于煤層氣與致密砂巖氣資源量的總和，占3種非常規(guī)天然氣(煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣）總資源量的50%左右，頁(yè)巖氣分布廣泛，開發(fā)潛力巨大，是常規(guī)石油天然氣的理想接替能源。我國(guó)頁(yè)巖氣資源量約為26萬(wàn)億m2，約占全球頁(yè)巖氣資源量的5.7%，與美國(guó)相當(dāng)。
根據(jù)頁(yè)巖氣發(fā)育的地質(zhì)背景，一般把我國(guó)的頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)大致劃分為四大區(qū)域，即西北、南方、華北一東北及青藏等四大地區(qū)。在西北部地區(qū)，頁(yè)巖平均有機(jī)碳含量普遍較高，成熟度變化范圍較大。雖然青藏地區(qū)的地表環(huán)境較差，但泥頁(yè)巖地層厚度大，有機(jī)質(zhì)含量高，有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中，也是頁(yè)巖氣發(fā)育的有前景地區(qū)。我國(guó)南方發(fā)育了面積達(dá)200X104km2的海相地層，并且最大厚度超過了10km。南方的海相地層分布廣、厚度大，有機(jī)質(zhì)含量高，是南方最有利的頁(yè)巖氣勘探層位。但是，中國(guó)南方頁(yè)巖普遍為有機(jī)質(zhì)含量高的黑色頁(yè)巖，具有埋深淺、面積大、層厚等特點(diǎn)，最大厚度超過1400m。在華北一東北地區(qū)，頁(yè)巖氣多發(fā)生在主力產(chǎn)油氣層位的底部或下部，泥頁(yè)巖累計(jì)厚度為50?2000m，平均有機(jī)碳含量為1.0%?2.0%，局部平均值可達(dá)4.0%以上，對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)成熟度變化較大。
總體來(lái)說我國(guó)古生代地層分布范圍廣、有機(jī)質(zhì)含量普遍較髙、地層厚度大，為有利的勘探區(qū)域。
2現(xiàn)階段我國(guó)頁(yè)巖氣開采和環(huán)保問題
與北美的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)成就相比，中國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)起步較晚，而與全球其他地區(qū)相比，中國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)則處于領(lǐng)先地位，為全球除北美以外地區(qū)率先進(jìn)人頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)突破和工業(yè)化開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)的國(guó)家。
2013年，頻頻出臺(tái)的新政策為頁(yè)巖氣的開發(fā)提供了新動(dòng)力。5月16日，國(guó)務(wù)院取消頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣領(lǐng)域合同審批，減少對(duì)外合作的程序，對(duì)外開放的力度進(jìn)一步加大；10月22日，綱領(lǐng)性文件《頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)政策》印發(fā)，首次將頁(yè)巖氣作為單獨(dú)產(chǎn)業(yè)給予政策扶持，并提出將頁(yè)巖氣納人戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)頁(yè)巖氣開采企業(yè)減免礦產(chǎn)資源補(bǔ)償費(fèi)、礦權(quán)使用費(fèi)，頁(yè)巖氣勘探開發(fā)等鼓勵(lì)類項(xiàng)目下進(jìn)口的國(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)的自用設(shè)備免征關(guān)稅，《頁(yè)巖氣“十二五”規(guī)劃》進(jìn)入操作層面；同時(shí)，頁(yè)巖氣開發(fā)進(jìn)一步向民營(yíng)企業(yè)敞開大門。
在技術(shù)方面，經(jīng)過3年多攻關(guān)，中國(guó)石化工程院承擔(dān)的“頁(yè)巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂機(jī)理及設(shè)計(jì)方法研究”成功在不同應(yīng)力、完井等參數(shù)條件下裂縫的起裂機(jī)理和延伸路徑，研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，該成果巳應(yīng)用于焦石壩、彭水、南川等24口頁(yè)巖氣井296段壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工，施工成功率97.2%，創(chuàng)壓裂規(guī)模、加砂量等多項(xiàng)紀(jì)錄。
頁(yè)巖氣開采過程中都會(huì)產(chǎn)生噪聲、廢水、廢氣及開采事故災(zāi)害等污染問題。根據(jù)現(xiàn)有資料和實(shí)例分析，頁(yè)巖氣開采會(huì)引發(fā)水資源的大量消耗、甲烷泄漏、污染地下水層以及引發(fā)地震等諸多問題[9]。眾多專家和環(huán)保人士認(rèn)為頁(yè)巖氣開采將加重對(duì)環(huán)境的污染。法國(guó)和保加利亞政府發(fā)布禁令，在目前技術(shù)條件下禁止水力壓裂法開采頁(yè)巖氣；2011年，水力壓裂法開采頁(yè)巖氣也是美國(guó)最熱門的環(huán)境問題。目前為止，在我國(guó)并沒有政府部門出臺(tái)的相應(yīng)頁(yè)巖氣開采污染環(huán)境方面制定相關(guān)的政策和法令，以致我國(guó)頁(yè)巖氣開采存在有嚴(yán)重環(huán)境污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
現(xiàn)階段我國(guó)頁(yè)巖氣開采的相關(guān)政策比較完善，技術(shù)研發(fā)有序推進(jìn)，政府扶持力度進(jìn)一步擴(kuò)大，但是與之相匹配的環(huán)保政策并沒有適時(shí)出臺(tái)，礦產(chǎn)開發(fā)引起的環(huán)境污染，相應(yīng)的環(huán)境治理技術(shù)不完善都會(huì)限制頁(yè)巖氣開發(fā)的進(jìn)度和引起連鎖環(huán)境污染。
3頁(yè)巖氣開采壓裂技術(shù)與污染治理
由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特點(diǎn)，勘探開發(fā)難度大，大多數(shù)頁(yè)巖氣井需要儲(chǔ)層改造才能獲得比較理想的產(chǎn)量。目前世界上在頁(yè)巖氣開發(fā)中使用的壓裂技術(shù)可以分為清水壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂、多級(jí)壓裂和泡沫壓裂。
清水壓裂即在清水中添加一定減阻劑制成壓裂液。這種壓裂液主要成分是水、很少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑。美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)表明：增產(chǎn)技術(shù)尤其是水力壓裂技術(shù)，對(duì)于頁(yè)巖氣的開發(fā)是至關(guān)重要的。重復(fù)壓裂是指當(dāng)頁(yè)巖氣井初始?jí)毫烟幚硪呀?jīng)無(wú)效或現(xiàn)有的支撐劑因時(shí)間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時(shí)，采用對(duì)氣井進(jìn)行重新壓裂增產(chǎn)的壓裂工藝。同步壓裂采用使壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運(yùn)移距離最短的方法，來(lái)增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度和表面積,利用井間連通的優(yōu)勢(shì)來(lái)增大工作區(qū)裂縫的程度和強(qiáng)度，最大限度地連通天然裂縫。多級(jí)壓裂是利用封堵球或限流技術(shù)分隔儲(chǔ)層不同層位進(jìn)行分段壓裂的技術(shù)。泡沫壓裂作為一種新型的壓裂方式，具有氮?dú)馀菽瓑毫岩汉统Ｒ?guī)水基壓裂液相比只有固體支撐劑和少量壓裂液進(jìn)人地層，減輕壓裂液對(duì)地層的傷害，返排效果好等優(yōu)點(diǎn)。
水平鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣開發(fā)成功的兩大關(guān)鍵核心技術(shù)，也是目前頁(yè)巖氣開發(fā)無(wú)可替代的成熟技術(shù)。在這兩項(xiàng)技術(shù)中，由于頁(yè)巖氣藏巖石特點(diǎn)，需要用油基泥漿完成特殊巖層的鉆采，同時(shí)釋放頁(yè)巖氣需要將摻有沙石和化學(xué)物質(zhì)的高壓水注人平行井來(lái)沖破頁(yè)巖層，最終達(dá)到頁(yè)巖氣開發(fā)的目的。在此過程中，這些循環(huán)使用后廢棄的含油鉆屑、壓裂后的返排液、壓裂液剩余殘液如若得不到有效處理，將會(huì)對(duì)土壤、水資源造成二次污染。目前，針對(duì)含油鉆屑主要有熱解析處理技術(shù)、直接焚燒處理技術(shù)、隨鉆處理、微生物法修復(fù)處理等技術(shù)，相應(yīng)的熱解析設(shè)備、技術(shù)在重慶、四川等地得到應(yīng)用，使用效果良好。壓裂液殘液及返排液的回收再利用設(shè)備在四川、內(nèi)蒙等地也得到了初步應(yīng)用，避免了油田現(xiàn)場(chǎng)的二次污染。
與美國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)育盆地對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中國(guó)存在區(qū)域發(fā)育頁(yè)巖氣的地質(zhì)背景和條件，在借鑒國(guó)外頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選適應(yīng)性強(qiáng)的頁(yè)巖氣開發(fā)壓裂技術(shù)。
4我國(guó)頁(yè)巖氣開采壓裂技術(shù)面臨的環(huán)保挑戰(zhàn)
4.1水資源挑戰(zhàn)
據(jù)國(guó)土資源部專家張大偉估計(jì)，中國(guó)要完成《巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》中提出的600億?1000億m3的產(chǎn)量，需要打2萬(wàn)口生產(chǎn)井。如果以單井用水量19000m3計(jì)算，預(yù)計(jì)中國(guó)將需要3.8億m3的水，相當(dāng)于1266萬(wàn)城市人口一年的用水量。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的人均可再生水資源為2060m3，僅為美國(guó)的1/10，加拿大的1/42。中國(guó)大部分地區(qū)受季風(fēng)氣候影響，年度降水不均，即便是在年均降水相對(duì)豐沛的重慶和四川等地，也會(huì)出現(xiàn)久旱不雨的情況。然而問題在于，中國(guó)的主要頁(yè)巖氣礦區(qū)多分布在人口相對(duì)密集的區(qū)域，如四川盆地或者是嚴(yán)重缺水的地區(qū)，如塔里木盆地。而且中國(guó)頁(yè)巖氣藏埋深小于3000m的范圍相對(duì)較少，部分頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深可超過5000m，埋藏深度進(jìn)一步加大了開采難度。頁(yè)巖氣開采將會(huì)給礦區(qū)帶來(lái)一系列的問題，如搶占農(nóng)業(yè)用水和居民生活用水，危及脆弱的生態(tài)環(huán)境。
美國(guó)方面的研究發(fā)現(xiàn)，雖然水力壓裂作業(yè)后留在頁(yè)巖層的壓裂液不會(huì)對(duì)地下水層造成污染，但是壓裂過程中的回流液可能會(huì)污染地表水。另外在鉆井施工中的不當(dāng)操作也會(huì)造成地下水資源的污染。美國(guó)賓夕法尼亞州一所大學(xué)的研究顯示，水力壓裂法產(chǎn)生的回流液中包含了高濃度的礦物鹽、重金屬、壓裂液中的添加藥劑和來(lái)自地層深處的放射性物質(zhì)，如鋇和鐳。另外在鉆井施工中的不當(dāng)操作也會(huì)造成地下水資源的污染。水資源管理可能是我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)中最大的核心問題。
在頁(yè)巖氣的生產(chǎn)中大量用水、產(chǎn)生的廢水以及廢棄物管理等都會(huì)引起環(huán)境污染，應(yīng)該引起注意。
4.2監(jiān)管和環(huán)保治理的缺失
目前我國(guó)尚無(wú)針對(duì)頁(yè)巖油氣生產(chǎn)的法律法規(guī)，環(huán)境保護(hù)法規(guī)也偏向于監(jiān)督傳統(tǒng)的油氣生產(chǎn)，而僅有的政策文件無(wú)法對(duì)頁(yè)巖氣的生產(chǎn)進(jìn)行有效監(jiān)管。目前美國(guó)使用的是州和聯(lián)邦的兩級(jí)管理體系。聯(lián)邦政府的法規(guī)覆蓋了整個(gè)生產(chǎn)過程，對(duì)空氣和水的質(zhì)量，危險(xiǎn)物的管理，公眾的知情權(quán)，污染物的管理都有明確的規(guī)定。州政府則根據(jù)本地的情況對(duì)頁(yè)巖氣的生產(chǎn)提出了更為具體的要求，如井管深度、壓裂液成分、蓄水、廢水和廢棄物管理、以及地震監(jiān)測(cè)。正是這樣的兩級(jí)管理體制迫使美國(guó)企業(yè)將7%的生產(chǎn)成本運(yùn)用到對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)的控制上。美國(guó)官方認(rèn)為，只要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，對(duì)壓裂液的使用和回收進(jìn)行妥善的管理，水污染風(fēng)險(xiǎn)是完全可控的，但是相比于監(jiān)管體系健全的美國(guó)，中國(guó)尚處無(wú)專門法規(guī)可依的狀態(tài)。中美之間的頁(yè)巖氣開發(fā)交流不能僅限于開采技術(shù)層面，而應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深人到管理領(lǐng)域。對(duì)于已經(jīng)將頁(yè)巖氣開發(fā)提上日程的我國(guó)來(lái)說，充分吸收美國(guó)在頁(yè)巖氣開發(fā)方面的管理經(jīng)驗(yàn)，制定有針對(duì)性的法律和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)才是當(dāng)務(wù)之急。
5我國(guó)頁(yè)巖氣開采壓裂技術(shù)的應(yīng)用和環(huán)保前景分析
中國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣的開采經(jīng)歷了實(shí)質(zhì)性的探討、實(shí)驗(yàn)和成功實(shí)施階段，并取得了良好的效果。環(huán)境問題與美國(guó)頁(yè)巖氣蓬勃發(fā)展相伴而來(lái)，但是美國(guó)已著手完善頁(yè)巖氣開采相關(guān)的環(huán)境法律和政策。但是中國(guó)目前實(shí)施以及正在制定的環(huán)境保護(hù)法律都沒有考慮頁(yè)巖氣開采引起的環(huán)境問題。這點(diǎn)應(yīng)該引起行業(yè)思考。無(wú)論是從地質(zhì)資源量還是技術(shù)可采資源量上看，我國(guó)頁(yè)巖氣資源都具備良好發(fā)展基礎(chǔ)。但是在尋求高效經(jīng)濟(jì)時(shí)，我們不能忽視頁(yè)巖氣開采可能帶來(lái)的巨大環(huán)境問題。我國(guó)政府要高度重視頁(yè)巖氣開采過程中潛在的環(huán)境污染，建立相應(yīng)的污染機(jī)制評(píng)估，探討并發(fā)展相應(yīng)的環(huán)保技術(shù)和環(huán)環(huán)保立法。同時(shí)，在政府政策、技術(shù)開發(fā)和環(huán)境保護(hù)方面達(dá)成協(xié)調(diào)性，能夠從根本上解決頁(yè)巖氣壓裂開采造成的環(huán)境污染。根據(jù)相關(guān)研究?jī)?nèi)容和方法，結(jié)合國(guó)外在頁(yè)巖氣壓裂開采方面的優(yōu)勢(shì)做法和經(jīng)驗(yàn)，具體建議如下：
�、僭谡畬用嬷贫A(yù)防我國(guó)頁(yè)巖氣資源開采所造成的潛在環(huán)境污染，建立健全頁(yè)巖氣開采環(huán)境影響評(píng)價(jià)機(jī)制；
�、谡块T加強(qiáng)頁(yè)巖氣項(xiàng)目的環(huán)境監(jiān)管，完善頁(yè)巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目的環(huán)境管理規(guī)定；
�、郾M快制定頁(yè)巖氣壓裂開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)規(guī)范。
未來(lái)5?10年需要堅(jiān)持深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)與技術(shù)攻關(guān)，突出基礎(chǔ)地質(zhì)研究、核心區(qū)評(píng)價(jià)和先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)。將頁(yè)巖氣開采、技術(shù)開發(fā)與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，尋求可持續(xù)發(fā)展的新模式，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)中國(guó)頁(yè)巖氣持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。
6結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)起步較晚，但在全球?yàn)楸泵酪酝獾貐^(qū)率先進(jìn)人頁(yè)巖氣勘探突破和工業(yè)化開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)的國(guó)家。中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件研究與關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)儲(chǔ)備已有較好基礎(chǔ)，正進(jìn)人快速開采建設(shè)階段。我國(guó)頁(yè)巖氣分布廣泛，儲(chǔ)量較大，但是多集中于山地、丘陵和缺水的沙漠地帶，為開采用水以及設(shè)備油氣運(yùn)輸增加了難度，進(jìn)一步增大了頁(yè)巖氣開采成本，而且中國(guó)沒有較為健全的法律體系，在我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂開采的同時(shí)面臨著水資源的污染和浪費(fèi)等相關(guān)問題。在未來(lái)發(fā)展中需要借鑒北美的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)中國(guó)的特點(diǎn)，加強(qiáng)基礎(chǔ)地質(zhì)條件和關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)攻關(guān)，努力尋求環(huán)境友好低成本的開發(fā)技術(shù)和管理模式。為加快我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂開采，當(dāng)前應(yīng)當(dāng)做好礦權(quán)秩序維護(hù)，通過科技創(chuàng)新和國(guó)家政策幫扶，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，探索重要的成熟技術(shù)和管理模式及經(jīng)驗(yàn)非常必要。
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