涪陵页岩气勘探开发环保现状分析

熊德明张思兰冯斌，王朝强梅绪东张春

(1.重庆市页岩气开发环境保护工程技术研究中心，重庆 408000；2.重庆涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆 408000；3.中煤科工集团 重庆设计研究院有限公司，重庆 400016)



涪陵页岩气勘探开发环保现状分析

熊德明1，2，张思兰1，2，冯斌3，王朝强1，2，梅绪东1，2，张春1，2

(1.重庆市页岩气开发环境保护工程技术研究中心，重庆 408000；2.重庆涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆 408000；3.中煤科工集团 重庆设计研究院有限公司，重庆 400016)

为了推动页岩气产业的可持续发展，了解涪陵地区页岩气开发的环保现状，对生态环境、水资源消耗、水污染防控、固废处理等环境问题做了系统调研。通过调研发现中石化已建立页岩气开发环境保护管理体系，对大气、水、噪声、钻井液和固体废物等易污染领域进行了严密排查和防控，对环保措施落实情况进行了严格监督。在分析了页岩气勘探开发现有环保措施后，提出了一些对策和建议，如加强地质灾害的防控和预警、提高压裂液返排率、研发高效经济的废水处理技术、钻井液处理技术、钻屑处理技术和钻屑综合利用技术研究等。

涪陵气田；页岩气开发；环境保护；建议

熊德明，张思兰，冯斌，等.涪陵页岩气勘探开发环保现状分析[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(6)：48-53.

XIONG Deming,ZHANG Silan,FENG Bin,et al.Present status analysis of environmental protection in exploration and development of Fuling shale gas[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):48-53.

引 言

众所周知，页岩气开采技术革新使得美国页岩气产量呈现爆炸式增长，从1.96×1010m3(2005年)增加到1.70×1011m3(2011年)[1-3]，基本实现了天然气自给自足。中国也拥有丰富的页岩气资源。由2014年国际能源署发布的天然气专题报告可知，中国和中亚地区页岩气资源量为9.98×1013m3，其中中国含有页岩气资源量2.5×1013m3[3]。为此，中国也加快了页岩气的勘探开发步伐，于2012年在重庆涪陵钻获了具有商业价值的页岩气气藏——焦石坝龙马溪组海相页岩气藏。从此拉开了中国页岩气商业开发的序幕。随着页岩气产业的快速发展，也产生了诸多环境问题，这引起了社会的广泛关注。因此，国家在“十二五”规划中提出了“坚持开发与生态保护并重”的原则，中央及环保部的领导也要求“研究页岩气开发技术及其对环境的影响、抓紧制定技术规范和环境保护法规、加强页岩气开发的环境管理”。重庆涪陵作为页岩气开发的主战场，其环境保护工作更应该走在全国前列，为了了解页岩气开发对环境的影响情况，笔者对涪陵页岩气开发现场进行了系统的调研，并根据现场情况提出了一些对策和建议。

1 涪陵区块地质概况

涪陵页岩气田焦石坝区块位于重庆市涪陵区东南部，西、北临长江，南跨乌江，东到涪陵区边界，属喀斯特地貌，地形以山地、丘陵为主，地面海拔300～1 000 m(如图1)。其构造为川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带焦石坝构造，主体构造为被大耳山西、石门、吊水岩、天台场等断层所夹持的断背斜构造，表现为南宽北窄、中部宽缓的特点，总体为北东走向[4-6]。其沉积相为深水陆棚相沉积，呈北东向展布，向北西方向逐渐过渡为浅水陆棚相-滨岸相，沉积水体从下到上逐渐变浅，发育富含有机质的页岩层，地层厚度横向展布稳定[5]。

图1 涪陵页岩气田焦石坝区块位置图[7]Fig.1 Location of Jiaoshiba block in Fuling shale gasfield

2 涪陵页岩气勘探开发现状

从2009年开始，中石化开始在重庆市南川、涪陵、万州等九区县开展了页岩气勘探评价工作。于2012年11月，在涪陵的焦页1HF井钻获高产页岩气流。初步评价涪陵页岩气田埋深小于4 500 m的有利区面积近4 000 km2。2013年9月，国家能源局正式批准设立“涪陵国家级页岩气示范区”；同年11月，中石化启动示范区建设。2014年4月，国土资源部、重庆市政府、中石化协商设立“重庆涪陵页岩气勘探开发示范基地”[6-10]。此后，中石化制定了涪陵页岩气田一期开发方案，并于2013年11月批准实施。一期开发方案共计部署面积262.7 km2，储量1 951.1×108m3，实际动用面积229.4 km2，动用储量1 697.9×108m3；计划到2015年末部署63个钻井平台，完钻253口井，预计2015年末建成产能50×108m3，在2017年建成国内首个百亿方页岩气田[6-10]。

3 页岩气开发对环境的影响及相应防范措施

焦石坝页岩气开发正如火如荼地进行。目前，制约焦石坝页岩气勘探开发的不是资源、资金和技术，而是生态破坏、水资源大量消耗、地下水污染等环境问题。

3.1 生态环境现状

在页岩气勘探开发过程中，开辟道路、建设井场和铺设管道等均需要占用大量的土地，而页岩气井的水力压裂又大幅增加了对土地的需求量(压裂储液池、罐车及压裂车设备的布置等)。从目前的统计资料来看，在焦石坝地区，中石化已经设立了65个钻井平台，仅平台就征用土地1.49×106m2，单个井场面积为(0.50～2.50)×104m2，平均值为1.50×104m2(如图2)，这和美国Marcellus页岩气田的单个井场面积(1.20～ 2.80)×104m2差不多[11]，大于常规油气开采的井场面积。虽然征集的土地主要是旱地，但是在规划区周围有磨盘沟桫椤自然保护区、小溪省级风景名胜区、乌江省级森林公园、大木山省级自然保护区和小田溪省级文物保护单位等5个敏感区，同时还临近御泉河旅游区、雨台山景区、石夹沟风景区、大溪风景区等旅游区。在这些地区周边进行页岩气开发，对野生动植物的生存环境有一定影响。另外焦石坝地区为中亚热带湿润季风气候，年平均气温18.2 ℃，常年降雨量为1 200～1 400 mm，所以页岩气开发容易导致局部滑坡或泥石流等地质灾害。

图2 涪陵页岩气田钻井平台占地面积图Fig.2 Area statistics of drilling platforms in Fuling shale gasfield

针对页岩气开发导致的生态问题，中石化按照国家法规要求，组织编写了相应生态环境保护报告，明确了生态环境保护目标和要求；在项目设计时尽量避开生态敏感区，施工过程中尽量减少树木砍伐、植被破坏；施工结束后严格按照复垦方案进行复垦。同时为降低土地征用面积，采用井工厂模式钻井、标准化场站设计无人值守井场等措施，单井土地征用面积减少30%以上。

3.2 水资源消耗现状

与常规天然气开发相比，水平井和水力压裂技术是页岩气开发的两把钥匙。在焦石坝地区，主要采用大斜度井方式进行页岩气开采，其中单井垂向深度为2 500 ～6 500 m，单井平均垂向深度为4 500 m；单井水平段长度为800～2 100 m，平均为1 500 m；压裂主要采用分段压裂，段数为18～22段(如图3)。在钻井过程中消耗了大量的新鲜水资源，单井钻井耗水量在(1.49～3.58)×104m3(如图4)，约为美国单井耗水量(0.75～1.50)×104m3的2倍[11]；单井压裂耗水量(2.00～3.60)×104m3(如图5)，是美国单井压裂耗水量1.14×104m3的2倍多[12-13]。从统计资料来看，钻井耗水量占42.69%～49.86%，而美国只有30%，这可能与涪陵地区喀斯特地貌有关。

图3 页岩气开发区井深统计图Fig.3 Well depth statistics of Fuling shale gasfield

图4 页岩气开发钻井水资源消耗图Fig.4 Drilling water consumption statistics in Fuling shale gas development

针对水资源消耗的问题，中石化钻井压裂用水取自地方工业园区的生产用水，经中石化自建专用管线集输至施工平台，避免对平台周边居民用水产生影响；其次对钻井废水、压裂废水和采气伴生水进行处理，检测合格后按照一定配比配置钻井液和压裂液，减少水资源消耗。

3.3 水污染控制现状

涪陵焦石坝地区地理和地质条件复杂，在页岩气开发过程中，时常会出现井漏现象；加之大型水力压裂技术的应用，使得水污染的预防和控制难度加大。从焦石坝的调研情况来看，页岩气开发单井钻井耗水量均值为3×104m3，单井钻井废水量均值为600 m3(如图4)；在压裂过程中，单井压裂耗水量均值为3×104m3，单井压裂废水量在0.15×104m3，其返排率非常低，平均只有5%，即95%的压裂液滞留在地层中(如图5，图6)。这些漏失的钻井液、暂存在页岩层压裂液、钻井废水和压裂废水中均含有多种化学药剂，某些还具有一定的毒性，如果出现泄漏，将会对地下水或地表水产生不可逆转的影响。其可能污染方式有：①钻井废水或压裂废水可能渗入地下饮用水层或随雨季到来外溢，进而污染区域水环境；②漏失的钻井液通过裂缝渗透到地下水层，污染地下水。在页岩气商业化开发的美国，已经出现了地下水污染现象，且这种水污染可能是永久性的，很难被清理干净。此外，在页岩气开发过程中，水力压裂偏离目的层和固井质量等问题均会对地下水产生一定影响。

图5 页岩气开发压裂水资源消耗图Fig.5 Fracturing water consumption statistics in Fuling shale gas development

图6 页岩气开发压裂返排率统计图Fig.6 Fracturing fluid flowback rate statistics in Fuling shale gas development

为了防止页岩气勘探开发过程中的水污染，中石化在源头防控、过程防护、循环利用等方面加强了页岩气勘探开发过程的水污染防控：

(1)在钻井方面，采用高密度电位法探明地下暗河溶洞分布情况，选定平台位置；修建废水池、放喷池、油基岩屑暂存池、清污分流沟等环保设施；钻井施工中，在1 500 m以内采用清水钻井液，无任何添加剂，避免钻井作业污染浅层地下水；在钻井设计上，选用“导管+三段式”井身结构，4层套管固井，确保所钻井眼完全与水体、浅层岩体隔离开；所有钻井液(清水钻井液、水基钻井液和油基钻井液)都在密闭循环系统中经回收处理后，循环使用。

(2)在压裂方面，压裂施工前选用自主研发、不含重金属和高危物质、容易降解的压裂液；在试气压裂的前期、中期和后期，对套管、井口及整体进行高压试压测试，确保压裂液不会漏失；在压裂结束后，对压裂废水进行循环使用。

(3)生活污水方面，各个平台设置污水收集池，集中密闭储存，定期由专业公司收集运输至当地污水处理厂处理。

3.4 钻井液及固废处理现状

页岩气开发必然产生大量的废弃物，如废弃的钻井水基泥浆、水基钻屑、油基钻屑和化工塑料桶等，其中部分废弃物属于危险废物，如果处理不当，将会对环境产生不可逆的影响。在焦石坝地区，目前单井废弃钻井水基泥浆量为50～800 m3，单井水基钻屑均值为1 000 m3，单井油基钻屑均值为200 m3(如图7，图8)。钻井泥浆目前均采用循环利用的方式进行处理，但是在钻井作业结束后，水基泥浆和处理后的油基泥浆将采用固化填埋方式处理。而钻屑主要采用3种方式进行处理：清水钻屑直接用于井场铺路；水基钻屑采用固化填埋方式处理；油基钻屑属于危险废物，先是在油基钻屑处理点处理，处理达标后进行固化填埋(含油率<2%)。由此可见，在焦石坝地区处理后的钻井泥浆、水基钻屑和处理后油基钻屑均采用固化填埋方式进行处理。这种固化填埋方式不仅浪费土地资源，而且增加了监管和维护成本，特别是其中的COD等对固化池周围的水体和土壤构成潜在污染。

图7 页岩气开发废弃泥浆统计图Fig.7 Waste mud statistics in Fuling shale gas development

图8 页岩气开发区钻屑产生量统计图Fig.8 Drill cuttings statistics in Fuling shale gas development

为了防止出现固体废物污染，中石化对水基钻屑和油基钻屑进行了严格控制和管理。水基钻屑按照《川东北地区天然气勘探开发环保规范——钻井与井下作业》(Q/SH 0099.1-2009)固化标准进行固化填埋。油基钻屑从收集、转运、存放到无害化处理全过程实施监管，确保“三防”措施到位，随后采用离心分离、热解析等工艺进行无害化处理，处理后油基钻屑含油率小于2%后进行固化填埋处理。钻井压裂过程中使用的化工原料桶由厂家或专业公司回收。工区生活垃圾按环卫规范统一回收处置。

3.5 其他方面环境影响的防控

(1)大气污染防控

在页岩气开发过程中，空气污染来源主要为甲烷气泄漏和柴油机组废气。甲烷气泄漏不可忽视，因为它容易导致2个问题：一是甲烷逸散产生温室效应；二是甲烷气进入地下水造成地下水污染。Howarth等[14]研究表明美国页岩气开发单井泄漏量约占单井总产量的3.6%～7.9%，比天然气至少高出30%；且同等条件下甲烷所产生的温室效应是二氧化碳产生温室效应的20倍以上。

为了应对大气污染，中石化采取了3项措施进行防范：①采用密闭集输流程，对含气返排液进行气液分离，分离后的气体进入管网输送，有效避免甲烷气体排放；②改进试气求产进站测试流程，加装背压阀，实现“边测试，边进站生产”，最大限度减少放喷时间。目前，“页岩气地面流程测试系统”已获得国家知识产权局实用新型专利授权；③实施钻机“油改电”方案，用网电钻机替代柴油驱动钻机，降低能耗，也相应减少了温室气体、固体颗粒物等废气的排放量。

(2)噪声污染防控

在页岩气勘探开发过程中，噪声污染不可忽视，尤其是靠近居民点以及城镇的平台。噪声污染主要来源于井场建设中重型机械运作和开发过程中钻井和压裂施工。研究[11]表明噪声对人体身心健康造成不利影响，特别是对患有高血压、冠心病、偏头疼等人群，病情有加剧的风险。

为了保护平台附近老百姓的身体健康，对噪声进行了严格的防控：①严格控制钻前土方施工机具作息时间和试气压裂求产时间；②选用自带消声器的固定机械设备(柴油动力机、发电机组)，并加装减震基座，有效控制噪声；③对集气站进行技术改造，将水套炉换热系统改为两级节流换热系统，并用吸声棉包裹管网降低噪声；④推广应用网电钻机，有效控制噪音。实际噪音监测数据显示，网电钻机场界噪音基本符合国家工业场界噪音排放标准。

4 页岩气开发环保管理措施

页岩气属于非常规油气，在产业发展初期必然会遇到很多问题，这是由产业发展自身规律决定的，有些问题需要多方联合才能解决。为此，中石化涪陵页岩气勘探开发公司采取了相应的管理措施：

(1)建立了页岩气开发环保管理体系。

由于我国页岩气产业正处于起步阶段，在很多方面制度很不完善。中石化页岩气开发公司在借鉴国外页岩气开发的环保管理经验的同时，结合以往石油勘探开发的环境保护管理经验，于2014年形成了中石化环境管理体系。相继出台了10余项环境保护管理制度，组织编制了国内首套页岩气勘探开发井控实施细则，研究制定了20余项页岩气开发企业标准规范。

(2)建立了页岩气开发环境监管体系。

中石化页岩气公司坚持开门办企业、开放办企业的宗旨，形成了企业自主监管、第三方监管、政府监管和社会监督的多方联合监管体系，有效规范了现场操作，预防环保事件发生。

(3)建立了页岩气开发环境保护保障体系。

中石化采取了逐级动态的排查方式对关键作业环节和部位进行检查，查找隐患风险，而后制定针对性整改和保障措施，防范或消除隐患。其次加强对施工队伍的监督，将那些环保业绩或表现不佳的施工队列入“黑名单”，取消其参与下一轮竞标的资格。

5 建 议

(1)加强涪陵地区地质灾害的防控和预警，避免因山体滑坡、泥石流等地质灾害导致的污染现象。涪陵地区属于丘陵地带，其中山地丘陵占81.97%，台地平坝占18.03%，年平均降水量为800.5～1 072.2 mm,加上钻井作业导致的地表松动，这些因素容易导致山体滑坡、泥石流等地质灾害。因此需要加强页岩气开发与地质灾害之间的风险评估，避免因地质灾害而出现的污染现象。

(2)提高压裂液返排率，并研发高效、经济的废水处理技术。焦石坝地区页岩气开发压裂液返排率非常低，绝大多数压裂液储存在页岩层中。这些暂存在页岩层中的压裂液对地下水构成潜在威胁。所以需要提高压裂液的返排率，减少这种威胁。但是，随着返排率提高，地表的压裂废水越来越多，其处理成本又非常高,所以在研究提高返排率的同时，需加强压裂废水处理技术的研究，协调好返排率和废水处理成本的矛盾。

(3)加强钻井液处理技术、钻屑处理技术和钻屑综合利用技术研究。在焦石坝地区，目前采用的泥浆有清水泥浆、水基泥浆和油基泥浆。在钻井作业结束后，这些处理后的钻井泥浆、水基钻屑和处理后的油基钻屑以钻井现场收集、固化填埋方式处理。这种方式存在一定隐患，所以需要加强钻井液处理技术研究、钻屑处理技术研究和资源化利用技术研究，并建立相应环保标准，促进页岩气产业的可持续发展。

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责任编辑：董 瑾

Present Status Analysis of Environmental Protection in Exploration and Development of Fuling Shale Gas

XIONG Deming1,2,ZHANG Silan1,2,FENG Bin3,WANG Chaoqiang1,2,MEI Xudong1,2,ZHANG Chun1,2

(1.Chongqing Environmental Protection Engineering Technology Research Center for Shale Gas Development,Chongqing 408000,China;2.Chongqing Environmental Protection Research and Technical Service Center for Fuling Shale Gas Development,Chongqing 408000,China;3.Chongqing Design & Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology & Engineering Group Corpration,Chongqing 400016,China)

To promote the sustainable development of shale gas industry and understand the environmental protection status in the shale gas development of Fuling area,the writers make an investigation on ecological environment,water consumption,water pollution control and prevention,solid waste disposal,and so on.It is found that Sinopec has built an environmental management system for the shale gas development of Fuling area,the air pollution and water pollution caused by drilling fluid and waste solid,and noise pollution are controlled,and some environmental protection measures are well implemented.Some countermeasures and suggestions are proposed after analyzing the existing environmental protection measures,such as strengthening the prevention and early warning of geological disasters,improving the return ratio of fracturing fluid,researching and developing the efficient economic wastewater treatment technology,the drilling fluid treatment technology,the drilling cuttings treatment technology and the comprehensive utilization technology of drilling cuttings,etc.

Fuling gas field;shale gas development;environmental protection;suggestion

2015-11-03

熊德明(1984-)，男，博士，主要从事油气地球化学、注气提高采收率和油气田开发环境保护等方面研究。 E-mail：xiongdeming2004@126.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.007

TE991

1673-064X(2016)06-0048-06

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