四川盆地页岩气开发的环境压力及对策

林科君，熊军，向启贵

(1.四川天宇石油环保安全技术咨询服务有限公司，四川成都 610041；2.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，四川成都 610041)

四川盆地页岩气开发的环境压力及对策

林科君1,2，熊军1,2，向启贵1,2

(1.四川天宇石油环保安全技术咨询服务有限公司，四川成都 610041；2.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，四川成都 610041)

与常规气藏相比，页岩气储层渗透率低，水敏性强，吸附气解析产出难度大、气井自然产量低，因而产气层需要采用油基钻井液钻井、大规模水力压裂进行储层改造等有别于常规气开发的技术进行开发，致使产生含油岩屑、用水量和压裂返排液量增大、占地量大等，环境保护任务艰巨。目前，四川盆地页岩气开发实施的工厂化作业技术、压裂返排液处理技术和钻井固体废弃物资源化利用等环保措施效果显著，在成功开发页岩气的同时有效地保护了环境。

页岩气；环境保护；环境管理

我国页岩气资源丰富，根据2015年国土资源部资源评价最新结果，全国页岩气技术可采资源量21.8万亿m3，其中海相13.0万亿m3、海陆过渡相5.1万亿m3、陆相3.7万亿m3[1]。自2011年国土资源部将页岩气作为独立矿种进行探矿权招标以来，我国的页岩气开发进入了加速发展的阶段，国家发改委陆续批复了长宁-威远、昭通、重庆涪陵等国家级页岩气示范区。截至2016年9月，全国累计探明页岩气地质储量5441亿m3，2015年全国页岩气产量45亿m3。

通过不断摸索实践，我国页岩气开发逐步实现了规模效益开发，勘探开发技术也日趋成熟。根据国家能源局发布的《页岩气发展规划(2016—2020年)》，页岩气将成为我国天然气供应的重要组成部分，到2020年力争实现页岩气产量300亿m3，2030年实现页岩气产量800亿～1000亿m3[1]。

1 四川盆地页岩气开发的现状

根据我国《页岩气发展规划(2016—2020年)》，目前页岩气5大重点建产区中有3个分布在四川盆地，总地质资源量约6.3万亿m3。从2006年开展地质评价以来，2009年12月18日，位于四川省内江市威远县的中国第一口页岩气评价井——威201井开钻，标志着中国页岩气进入实质性的勘探开发阶段。

经过近10年的探索与攻关，2015—2016年，涪陵、长宁-威远和昭通等国家级示范区相继建成，标志着我国已经基本掌握了3500 m以浅海相页岩气勘探开发主体技术，实现了埋深3500 m以浅资源规模效益开发，并在3500～4000 m技术攻关取得重要进展。根据中国石油西南页岩气发展相关规划，“十三五”期间将重点加大页岩气勘探开发力度，动用埋深3500 m以浅区块，新钻一批页岩气井，进一步扩大页岩气生产规模，预计到2020年，四川盆地南部页岩气年产量将达到100亿立方m3。

2 页岩气开发面临的环境压力

四川盆地页岩气资源储量丰富，区域经济欠发达，页岩气有利区多位于农业生产区，人口密度较大，部分地区环境相对敏感，气田开发环保要求高。与常规天然气相比，页岩气储层分布范围广、普遍含气，但渗透率低，水敏性强，吸附气解析产出难度大、时间长，气井自然产量低。这些特点决定了页岩气开发不得不采用油基钻井液、大规模水力压裂等有别于常规气开发的技术进行开发，致使含油岩屑产生、用水量和压裂返排液量增大、规模开发井多导致用地量大、压裂作业噪声等，而在盆地内进行页岩气大规模开发面临着更多的环境压力。

2.1 耗费土地资源

由于页岩低孔低渗的基本赋存特征，页岩气单井产量普遍较低，尽管使用了分段体积压裂技术，要实现规模效益开发，仍然需比常规气田开发部署更多的单井。四川盆地页岩气有利区多处于丘陵-低山地区，农业较发达，人口密度大，人均耕地面积有限。根据盆地南部页岩气区块开发产能建设勘探开发方案，“十三五”期间预计将新钻评价井和建产井700余口，单井数量高于常规天然气田，规模开发占用的土地资源也将高于常规天然气开采。

2.2 水资源需求大

页岩气开发由于采用了大规模体积压裂工艺，对水资源的需求比常规天然气开发过程更大。目前大部分压裂返排液均实现了高效回用，但新鲜水用量仍然较大。根据盆地南部页岩气区块的水平井压裂施工参数统计，页岩气单井储层改造段数大多设计为15～20段，全部采用工区河流或水库供水，水资源需求量总体较大。但根据水资源论证报告显示，上述区域开发最大取水量仅占取水河流取水口断面多年平均流量的0.015%～7.07%[2]，不会对当地生产生活用水产生明显影响。

另一方面，体积压裂作业完成后，压入地层的水将逐渐返排，返排周期可长达几年。经统计，试油期间，单井压裂液返排率约15%～30%；生产期间大部分气井日返排量在 180 m3/d以下[2]，并随着返排周期的延长逐渐递减。

2.3 废气排放增加

页岩气开发过程对大气环境的影响主要包括甲烷的排放与泄漏、动力机械的无组织排放等。其中动力机械的无组织排放与常规天然气开发并无不同，而甲烷溢散和排放则略高于常规天然气，其排放的主要来源为压裂施工作业完后，初期随返排液带至地面的少部分页岩气逸散至大气中。

2.4 施工噪声叠加

与常规气田开发类似，页岩气开发的噪声源主要来自施工作业机械，如钻机、振动筛、离心机、挖掘机、压裂车、放空系统等。钻井过程中的噪声主要来源于正常生产过程中的柴油发电机组、泥浆循环系统，通常是各种钻井设备协调工作，高、中频噪声叠加形成的复合稳态噪声，此外，还有压裂作业噪声。

2.5 钻井固废增加

页岩气田单井数量高于常规气田开发，钻井固体废弃物产生量也相应增加。为尽可能降低对储层的伤害，通常采用水基泥浆和油基泥浆循序钻进，钻井过程产生的泥浆和岩屑全部采用不落地处理技术，在井场进行离心甩干分离处理后，进行无害化处理和资源化利用，无废油基泥浆产生。从盆地南部区块钻井现场实际情况看，单井水基岩屑产生量约为660～1200 m3，废油基岩屑的产生量约为130～300 m3。

3 现阶段采取的主要环保措施

页岩气开发作为国内的新领域，配套的安全环保技术标准正在制定和陆续发布中。在缺乏统一标准规范的情况下，四川盆地国家级页岩气示范区在建设过程中充分借鉴了美国页岩气开发的成功经验和做法，建立了页岩气生产作业的安全环保管理体系和三级环境管理部门，在页岩气开发区域设置了专业的安全环保监督站，在气田开发中广泛采用了与美国标准一致的勘探开发、压裂用水等成熟技术，执行了比常规天然气开发更严格的海上作业环保标准，采取了多项环保措施以满足环境保护要求。[3-5]

3.1 土地资源保护措施

页岩气藏的低孔低渗特性和四川盆地页岩气富集区域地形条件决定了页岩气开发不能简单按照常规天然气单井模式开发。目前盆地内页岩气开发普遍采取了“工厂化”作业模式，采用丛式平台钻井工艺，每个平台6口井左右，大大减少了井场数量，井场、施工道路和其他配套工程占地也相应减少，较常规天然气单井部署减少土地占用可达70%以上，较好地解决了用地多的问题。同时，对生产不需长期占用的土地，严格按相关要求及时复垦。另外，项目平台钻井时大多采用两部钻机同时施工的方式，待所有井全部施工完成后再依次进行体积压裂作业，有利于施工期的环境管理。

3.2 水资源保护措施

(1)水资源论证。对气田开发区域开展水资源论证，对项目区域的水资源状况和区域特征开展调查分析，对区域水资源分布情况、水资源配置和利用情况、项目取水影响范围、最大取水量等进行充分论证，确定取水方案，最大限度避免项目取水对当地水资源的时空分布和流态等产生影响。

(2)取水管网建设。建立专门的供水系统和共计约112 km的专用输水管道用于大江、大河取水，灵活调节用水时段和取水方式，避免了对取水口上下游的工业、农业生产和生活用水产生影响。

(3)压裂返排液回用。通过技术攻关就地对压裂返排液及时进行处理回用，处理后的返排液排入井场清水池，然后通过罐车送至其他平台储水池储存备用。采用压裂返排液处理技术处理出水SS浓度小于20 mg/L，整体水质达到压裂返排液回用标准，总体回用率达到85%以上，极大地减少了废水产生量和新鲜水用量。

(4)地下水保护。井位部署时远离大断裂，从源头减少井漏风险；浅层钻井过程中应用气体钻井、清水钻井技术，并采用套管封堵，有效防止了钻井液对地下饮用水的污染；使用环境友好型压裂液体系，由90%以上的清水、9%左右的支撑剂和低于1%的添加剂组成，添加剂主要成分为氯化钠、瓜胶、羟乙基纤维素等无毒物质，避免污染地层。储层改造过程中，目的层埋深大于2500 m，采用微地震监测技术确保体积压裂缝高度不超过20 m，压裂前采用多层套管水泥封堵，确保压裂和生产过程中不发生窜漏。

3.3 废气与温室气体减排

页岩气开采的废气排放与常规天然气开发大体相同，对于在压裂返排初期随返排液排出的甲烷等气体，通过优化作业流程、强化施工过程管理等措施以减少废气排放。通过采输作业撬装化、组织管理一体化及“绿色完井”措施，强化页岩气开发各环节的有机衔接，第一时间将气井生产的页岩气倒入生产流程，基本实现零放空，节约资源的同时也使温室气体排放得到有效控制。

3.4 声环境保护措施

采取多种手段降低噪声影响：优化井位选址，合理井场布局，避开声环境敏感点；钻井平台、压裂车采取隔声措施，作业场所设置隔声屏；压裂作业采用分时操作，白天施工，夜间停工；施工期间对可能受影响的居民采取临时撤离等措施，降低作业噪声对当地居民生产生活的影响。

3.5 固废处理与回用

四川盆地页岩气开发区域通过推广应用新技术、新工艺防止固体废弃物污染。采取了钻井废弃物不落地、随钻实时处理技术和防渗处理工艺，钻井泥浆尽可能循环利用，从源头上减少固废的产生量。

对于水基泥浆及岩屑，采用泥浆不落地技术后，水基钻井固废采取无害化填埋方式，目前正试验推广制免烧砖、烧结砖、水泥窑协同处理等多种措施，将经过清洁化生产、无害化治理后形成的固化体转运至合作砖厂或水泥厂，实现资源化利用。其中，烧结砖技术已在盆地南部区块进行了先导试验，并陆续在该区块5个平台进行规模实施，烧结砖性能达到《烧结普通砖》(GB 5101—2003)和《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)中各项性能指标要求，较好地解决了山地页岩气钻井废弃物综合治理的难题；对于油基泥浆及岩屑，经收集传输至钻井液回收装置进行固液分离，全面回收油基钻井液以循环使用，固体部分通过叉车或其他传输装置输送至油基钻屑处理系统，采用热解或萃取工艺进行集中处理，处理后的岩屑含油率小于1%，污染物大幅减少，减轻了地方处理能力不足的压力。目前正攻关和试验水基钻井液和纯生物无污染油基钻井液，以替代油基钻井液。

3.6 环境监测与管理

为进一步了解页岩气开发对环境的影响，在部分环境相对敏感的区域开展了持续的环境监测，包括地下水监测、作业振动监测，并与四川省地震局、地方政府相关部门及科研院校合作开展页岩气开发区域地震监测研究。目前的监测结果未发现压裂作业对地面构筑物造成影响，地下水污染监测井和居民饮用地下水监测点迄今未发现异常。监测和相关研究正在持续开展过程中。

4 结语

四川盆地是我国页岩气储量最为丰富的地区之一，大力发展页岩气有利于改善我国能源供给结构、保障国家能源战略安全、促进区域经济发展。同时，页岩气作为一种清洁能源，对污染减排及防治雾霾也具有极重要的意义。

目前的页岩气开发实践证明，在加大环保投入、采取严格的环境管理和切实可行的污染物处理及减排措施后，页岩气对环境的影响得到了有效防控，但在地下水环境风险防控及固废处理等方面仍然面临着环境压力。一方面，页岩气开发企业需要进一步加大科研攻关力度，探索环境友好程度更高的页岩气开发方式和环保技术。另一方面，政府管理部门也需要及时出台相关的国家环保标准或规范性文件，从国家层面进一步明确页岩气开发污染物的排放和管理依据，推动页岩气环保技术发展和规范化实施，从而实现经济社会和环境的和谐发展。

[1] 国家能源局. 页岩气发展规划(2016—2020年)[Z]. 2016.

[2] 张庆等. 长宁、威远、昭通三个区块页岩气开发产能建设项目环境影响报告书[R].成都：中国石油集团安全环保技术研究院、北京中油建设项目劳动安全卫生预评价有限公司，2015.

[3] 梅绪东, 张思兰, 熊德明, 等. 涪陵页岩气开发的生态环境影响及保护对策[J]. 西南石油大学学报(社会科学版), 2016, 18(6): 7- 12.

[4] 汪军, 袁胜, 陈刚才, 等. 中国页岩气开发过程环境管理开发现状与对策分析研究[J]. 环境科学与管理, 2016, 41(6): 18- 21.

[5] 刘鹏鸽, 孙仁金, 苟永平. 我国页岩气开发环境问题及对策[J]. 环境工程, 2016, 34(1): 141- 144.

Discussion on Main Environmental Pressure and Countermeasures of Shale Gas Development in Sichuan Basin

LIN Ke-jun1,2, XIONG Jun1,2，XIANG Qi-gui1,2

(1. Sichuan Tianyu Petroleum Environmental Protection & Safety Technology Consulting Services Co., Ltd., Chengdu 610041, China; 2. China Petroleum Southwest Oil and Gas Field Company Safety, Environmental Protection and Technical Supervision Research Institute, Chengdu 610041, China)

Compared with the conventional gas reservoir, shale gas reservoir has the characteristics of low permeability, strong water sensitivity, and difficult for desorption. The oil-base drilling fluid and large-scale hydraulic fracturing, which are different from the conventional gas reservoir reconstruction, were applied to shale gas well production, which could generate oily cuttings, and increase the water consumption and amount of flow-back fracturing fluid. This paper introduced the development of shale gas in Sichuan basin on the implementation of factory operation technology, flow-back fracturing fluid processing technology, and environmental protection measures such as resource utilization of drilling solid waste. The effects of these measures were analyzed in this paper, which have effectively protected the environment while facilitating the successful development of shale gas.

shale gas; environmental protection; environmental management

2017-02-20

林科君(1982—)，女，四川成都人，工程师，硕士，主要研究方向为油气田安全环保技术，E-mail：linkj@sc-tianyu.com

10.14068/j.ceia.2017.03.003

X37

A

2095-6444(2017)03-0008-03