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我國頁巖氣壓裂開采與環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀論文
0引言
能源在國民經(jīng)濟、國家安全和人類發(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，也是我國社會經(jīng)濟發(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。頁巖氣為產(chǎn)自極低孔滲、富有機質(zhì)暗色頁巖地層系統(tǒng)中的天然氣，是近期可實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)�？碧介_發(fā)、資源豐富的非常規(guī)天然氣資源。頁巖氣具資源潛力大、開采壽命長等優(yōu)勢。在20世紀(jì)70年代中期之前曾被歸入非經(jīng)濟可采資源，我國頁巖氣資源量約占全球頁巖氣資源量的5.7%，頁巖氣資源巨大的潛力和顯著的經(jīng)濟效益受到我國政府及能源公司的高度重視。但是，頁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)頁巖氣儲層特點、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)我國頁巖氣壓裂技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)理論與技術(shù)系列，對于加快我國頁巖氣勘探開發(fā)步伐具有現(xiàn)實意義。
1我國頁巖氣的資源分布現(xiàn)狀
據(jù)預(yù)測，世界范圍內(nèi)頁巖氣資源量相當(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、頁巖氣）總資源量的50%左右，頁巖氣分布廣泛，開發(fā)潛力巨大，是常規(guī)石油天然氣的理想接替能源。我國頁巖氣資源量約為26萬億m2，約占全球頁巖氣資源量的5.7%，與美國相當(dāng)。
根據(jù)頁巖氣發(fā)育的地質(zhì)背景，一般把我國的頁巖氣發(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)，頁巖平均有機碳含量普遍較高，成熟度變化范圍較大。雖然青藏地區(qū)的地表環(huán)境較差，但泥頁巖地層厚度大，有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)熱演化程度適中，也是頁巖氣發(fā)育的有前景地區(qū)。我國南方發(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，有機質(zhì)含量高，是南方最有利的頁巖氣勘探層位。但是，中國南方頁巖普遍為有機質(zhì)含量高的黑色頁巖，具有埋深淺、面積大、層厚等特點，最大厚度超過1400m。在華北一東北地區(qū)，頁巖氣多發(fā)生在主力產(chǎn)油氣層位的底部或下部，泥頁巖累計厚度為50?2000m，平均有機碳含量為1.0%?2.0%，局部平均值可達(dá)4.0%以上，對應(yīng)有機質(zhì)成熟度變化較大。
總體來說我國古生代地層分布范圍廣、有機質(zhì)含量普遍較髙、地層厚度大，為有利的勘探區(qū)域。
2現(xiàn)階段我國頁巖氣開采和環(huán)保問題
與北美的頁巖氣勘探開發(fā)成就相比，中國的頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，而與全球其他地區(qū)相比，中國的頁巖氣勘探開發(fā)則處于領(lǐng)先地位，為全球除北美以外地區(qū)率先進(jìn)人頁巖氣勘探評價突破和工業(yè)化開發(fā)先導(dǎo)性試驗的國家。
2013年，頻頻出臺的新政策為頁巖氣的開發(fā)提供了新動力。5月16日，國務(wù)院取消頁巖氣等非常規(guī)油氣領(lǐng)域合同審批，減少對外合作的程序，對外開放的力度進(jìn)一步加大；10月22日，綱領(lǐng)性文件《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》印發(fā)，首次將頁巖氣作為單獨產(chǎn)業(yè)給予政策扶持，并提出將頁巖氣納人戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對頁巖氣開采企業(yè)減免礦產(chǎn)資源補償費、礦權(quán)使用費，頁巖氣勘探開發(fā)等鼓勵類項目下進(jìn)口的國內(nèi)不能生產(chǎn)的自用設(shè)備免征關(guān)稅，《頁巖氣“十二五”規(guī)劃》進(jìn)入操作層面；同時，頁巖氣開發(fā)進(jìn)一步向民營企業(yè)敞開大門。
在技術(shù)方面，經(jīng)過3年多攻關(guān)，中國石化工程院承擔(dān)的“頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂機理及設(shè)計方法研究”成功在不同應(yīng)力、完井等參數(shù)條件下裂縫的起裂機理和延伸路徑，研究成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平，該成果巳應(yīng)用于焦石壩、彭水、南川等24口頁巖氣井296段壓裂優(yōu)化設(shè)計和施工，施工成功率97.2%，創(chuàng)壓裂規(guī)模、加砂量等多項紀(jì)錄。
頁巖氣開采過程中都會產(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)有資料和實例分析，頁巖氣開采會引發(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)為頁巖氣開采將加重對環(huán)境的污染。法國和保加利亞政府發(fā)布禁令，在目前技術(shù)條件下禁止水力壓裂法開采頁巖氣；2011年，水力壓裂法開采頁巖氣也是美國最熱門的環(huán)境問題。目前為止，在我國并沒有政府部門出臺的相應(yīng)頁巖氣開采污染環(huán)境方面制定相關(guān)的政策和法令，以致我國頁巖氣開采存在有嚴(yán)重環(huán)境污染的潛在風(fēng)險。
現(xiàn)階段我國頁巖氣開采的相關(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)一步擴大，但是與之相匹配的環(huán)保政策并沒有適時出臺，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)不完善都會限制頁巖氣開發(fā)的進(jìn)度和引起連鎖環(huán)境污染。
3頁巖氣開采壓裂技術(shù)與污染治理
由于頁巖氣儲層具有低孔、低滲的特點，勘探開發(fā)難度大，大多數(shù)頁巖氣井需要儲層改造才能獲得比較理想的產(chǎn)量。目前世界上在頁巖氣開發(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。美國頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗表明：增產(chǎn)技術(shù)尤其是水力壓裂技術(shù)，對于頁巖氣的開發(fā)是至關(guān)重要的。重復(fù)壓裂是指當(dāng)頁巖氣井初始壓裂處理已經(jīng)無效或現(xiàn)有的支撐劑因時間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時，采用對氣井進(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移距離最短的方法，來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)勢來增大工作區(qū)裂縫的程度和強度，最大限度地連通天然裂縫。多級壓裂是利用封堵球或限流技術(shù)分隔儲層不同層位進(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，具有氮氣泡沫壓裂液和常規(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，減輕壓裂液對地層的傷害，返排效果好等優(yōu)點。
水平鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)成功的兩大關(guān)鍵核心技術(shù)，也是目前頁巖氣開發(fā)無可替代的成熟技術(shù)。在這兩項技術(shù)中，由于頁巖氣藏巖石特點，需要用油基泥漿完成特殊巖層的鉆采，同時釋放頁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沖破頁巖層，最終達(dá)到頁巖氣開發(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，將會對土壤、水資源造成二次污染。目前，針對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)場的二次污染。
與美國頁巖氣發(fā)育盆地對比發(fā)現(xiàn)，中國存在區(qū)域發(fā)育頁巖氣的地質(zhì)背景和條件，在借鑒國外頁巖氣壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選適應(yīng)性強的頁巖氣開發(fā)壓裂技術(shù)。
4我國頁巖氣開采壓裂技術(shù)面臨的環(huán)保挑戰(zhàn)
4.1水資源挑戰(zhàn)
據(jù)國土資源部專家張大偉估計，中國要完成《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2萬口生產(chǎn)井。如果以單井用水量19000m3計算，預(yù)計中國將需要3.8億m3的水，相當(dāng)于1266萬城市人口一年的用水量。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)顯示，中國的人均可再生水資源為2060m3，僅為美國的1/10，加拿大的1/42。中國大部分地區(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豐沛的重慶和四川等地，也會出現(xiàn)久旱不雨的情況。然而問題在于，中國的主要頁巖氣礦區(qū)多分布在人口相對密集的區(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。而且中國頁巖氣藏埋深小于3000m的范圍相對較少，部分頁巖儲層埋深可超過5000m，埋藏深度進(jìn)一步加大了開采難度。頁巖氣開采將會給礦區(qū)帶來一系列的問題，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。
美國方面的研究發(fā)現(xiàn)，雖然水力壓裂作業(yè)后留在頁巖層的壓裂液不會對地下水層造成污染，但是壓裂過程中的回流液可能會污染地表水。另外在鉆井施工中的不當(dāng)操作也會造成地下水資源的污染。美國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)操作也會造成地下水資源的污染。水資源管理可能是我國頁巖氣開發(fā)中最大的核心問題。
在頁巖氣的生產(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
目前我國尚無針對頁巖油氣生產(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法對頁巖氣的生產(chǎn)進(jìn)行有效監(jiān)管。目前美國使用的是州和聯(lián)邦的兩級管理體系。聯(lián)邦政府的法規(guī)覆蓋了整個生產(chǎn)過程，對空氣和水的質(zhì)量，危險物的管理，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)本地的情況對頁巖氣的生產(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。正是這樣的兩級管理體制迫使美國企業(yè)將7%的生產(chǎn)成本運用到對污染風(fēng)險的控制上。美國官方認(rèn)為，只要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，對壓裂液的使用和回收進(jìn)行妥善的管理，水污染風(fēng)險是完全可控的，但是相比于監(jiān)管體系健全的美國，中國尚處無專門法規(guī)可依的狀態(tài)。中美之間的頁巖氣開發(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。對于已經(jīng)將頁巖氣開發(fā)提上日程的我國來說，充分吸收美國在頁巖氣開發(fā)方面的管理經(jīng)驗，制定有針對性的法律和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)才是當(dāng)務(wù)之急。
5我國頁巖氣開采壓裂技術(shù)的應(yīng)用和環(huán)保前景分析
中國對頁巖氣的開采經(jīng)歷了實質(zhì)性的探討、實驗和成功實施階段，并取得了良好的效果。環(huán)境問題與美國頁巖氣蓬勃發(fā)展相伴而來，但是美國已著手完善頁巖氣開采相關(guān)的環(huán)境法律和政策。但是中國目前實施以及正在制定的環(huán)境保護(hù)法律都沒有考慮頁巖氣開采引起的環(huán)境問題。這點應(yīng)該引起行業(yè)思考。無論是從地質(zhì)資源量還是技術(shù)可采資源量上看，我國頁巖氣資源都具備良好發(fā)展基礎(chǔ)。但是在尋求高效經(jīng)濟時，我們不能忽視頁巖氣開采可能帶來的巨大環(huán)境問題。我國政府要高度重視頁巖氣開采過程中潛在的環(huán)境污染，建立相應(yīng)的污染機制評估，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，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巖氣壓裂開采造成的環(huán)境污染。根據(jù)相關(guān)研究內(nèi)容和方法，結(jié)合國外在頁巖氣壓裂開采方面的優(yōu)勢做法和經(jīng)驗，具體建議如下：
�、僭谡畬用嬷贫A(yù)防我國頁巖氣資源開采所造成的潛在環(huán)境污染，建立健全頁巖氣開采環(huán)境影響評價機制；
�、谡块T加強頁巖氣項目的環(huán)境監(jiān)管，完善頁巖氣勘探開發(fā)項目的環(huán)境管理規(guī)定；
③盡快制定頁巖氣壓裂開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)規(guī)范。
未來5?10年需要堅持深化地質(zhì)認(rèn)識與技術(shù)攻關(guān)，突出基礎(chǔ)地質(zhì)研究、核心區(qū)評價和先導(dǎo)試驗區(qū)建設(shè)。將頁巖氣開采、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)上實現(xiàn)中國頁巖氣持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。
6結(jié)束語
我國頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，但在全球為北美以外地區(qū)率先進(jìn)人頁巖氣勘探突破和工業(yè)化開發(fā)先導(dǎo)性試驗的國家。中國頁巖氣地質(zhì)條件研究與關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)儲備已有較好基礎(chǔ)，正進(jìn)人快速開采建設(shè)階段。我國頁巖氣分布廣泛，儲量較大，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)備油氣運輸增加了難度，進(jìn)一步增大了頁巖氣開采成本，而且中國沒有較為健全的法律體系，在我國頁巖氣壓裂開采的同時面臨著水資源的污染和浪費等相關(guān)問題。在未來發(fā)展中需要借鑒北美的成功經(jīng)驗，針對中國的特點，加強基礎(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。為加快我國頁巖氣壓裂開采，當(dāng)前應(yīng)當(dāng)做好礦權(quán)秩序維護(hù)，通過科技創(chuàng)新和國家政策幫扶，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立先導(dǎo)試驗區(qū)，探索重要的成熟技術(shù)和管理模式及經(jīng)驗非常必要。
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