水力压裂法在页岩气开发应用时的诱震分析

成昌帅(山东科技大学，山东 青岛 266000)

0 引言

多年来，由于技术、水源和地质特点等原因，页岩气的开采一直受到很大的挑战。随着开采技术的不断成熟，水力压裂法在页岩气开采中扮演着重要的角色。而水力压裂所产生的水源浪费，诱发地震等问题也被凸显出来。鉴于目前水力压裂法对于页岩气开采中不可或缺的作用，研究其诱发地震可能性对于页岩气的开采具有重要作用。

1 水力压裂法的特点及介绍

水力压裂法是页岩气的主要开发方式。由于美国页岩气开发的成功，水力压裂法在世界上越来越流行起来。

水力压裂技术是指将压裂液(包括水、化学物质和沙子等)用加压方法通过钻井注入地下，造成油、气层附近的岩层开裂，并使沙子或其他物质支撑裂口，增大油、气开采聚集的通道的一种技术。在开采页岩气时候，该技术有着广泛的应用。

1.1 压力与裂缝

在具有天然裂缝的页岩层中，页岩气具有极低的渗透率。而水力压裂技术通过高压加压使岩石产生较大应力差，导致岩石失稳，生成人工裂缝。此时的人工裂缝与天然裂缝便构成新的裂缝网络[1]。同时，流体形态也发生改变，并且裂缝将更多的油气聚集带给相互贯通起来，实现产能的飞跃。水力压裂产生的微裂缝所影响的岩体空间范围尺度在地壳内是很小的，而且这些微裂缝的位移是毫米级的。在裂缝的形成过程中所产生的微震通常是零级以下，这与常见的构造地震相差甚远。

1.2 压裂液

压裂液是水力压裂技术实现压力传递的载体，通常是由水、化学物质和沙子等混合而成。压裂液包括造缝的前置液、支撑的携砂液和顶替的顶替液三种。液压时都会用到大量的水，压裂后将减少液压，让部分注入液体返排，然而大多数返排液都会灌注到地下处理。值得注意的是，虽然在高压压裂液的作用下，只是在管道的邻近小范围区域内产生微裂缝，但是由于流体的可压缩性较低，实际上压裂液的超高压力可以传播的更远，进而改变其它区域的地应力状态。

2 水压致裂的问题

2.1 水污染

施工过程中，压裂液会不可避免通过断裂处渗入到地下水中，其中的各种化学添加剂会造成严重的地下水污染。在压裂液的返排过程中，也会携带部分页岩地层的盐水。不经处理便排入地表水系内的返排液将会对当地地表水系造成危害。一些通过地下灌注井来废弃处理返排液的手段，并不是一种安全可靠的方法，甚至可能会由于液体的灌注而降低岩石强度，加速断裂的生长。

2.2 大气污染

页岩气的主要成分是以甲烷为主的烷烃。利用水压致裂法开采过程中，难免会导致部分甲烷气体的释放。即使泄露的甲烷只是少量，但鉴于甲烷强烈的温室效应，它所带来的危害不可忽略[2]。而且，甲烷对于大气平流层中臭氧层的破坏力也是不容小觑的，它会渐渐使得臭氧层失去对太阳紫外线侵袭的防护作用，从而危害人类健康。

2.3 可用水资源匮乏

水力压裂技术所使用的压裂液主要以水为主，每次的压裂作业都会消耗大量的水资源[3]。在美国，通常一口页岩井就需要一到两万吨水，其中绝大部分都是用于压裂阶段。在不同的开采作业区，返排液中压裂作业用水和其它物质的占比在3%～80%之间不等。而大部分均会灌注到地下作废弃处理。

2.4 诱发地震

随着页岩气开发过程中各种频发地震现象的出现，水力压裂法是否会诱发地震这一争论得到了越来越多研究人员的关注。不可否认，在运用水力压裂技术进行页岩气开发的过程中，会伴随一系列微地震活动的产生。然而，对于这些地震是否的确为资源开发过程中产生的，水力压裂技术又是如何导致地震的发生，以及我们该如何判断及防治此类问题，目前还没有得出统一的科学定论。

3 诱震浅析

水力压裂法本身引起地震的可能性不太高，但是水力压裂和废水处理过程加快了自然地震进程，使其在比自然条件下更容易发生地震。当然，在一定的条件下，开采的过程亦可能诱发地震。目前所发生的地震绝大部分属于构造地震，构造地震通常有着大量的余震，但前震比较罕见[4]。然而，注水诱发地震本身不易触发余震。这也表明了开采过程与地震的发生存在着某种关联。

由于地壳的拉伸与挤压碰撞，岩层中往往聚集了巨大的能量。当这种能量达到一定程度，地壳中某些相对薄弱的地带或者破碎带，便会突然发生破裂，或者引发原有断层的错动，这就是地震。总的来说，地震的发生由于岩石无法承受过高的应力水平而导致的，也就是现阶段岩石所储存的能量与岩石的强度之间的比较关系。

3.1 岩石的强度

在施工过程中，不论是通过高压压裂岩石还是后期的废水处理过程，都会向地下注入大量以水为主的压裂液。当其进入到岩石的孔隙或裂隙中时，会使得岩石产生更高的孔隙水压力。由有效应力原理可知，此时岩石固体颗粒间所承受的压力便会得到释放，岩石的强度也随之降低，岩层也会在比自然压力更低的水平下发生地震。

特别的，对于存在断裂的施工区，水的注入无疑会起到“润滑”断层线的作用，使得断层更容易发生滑移。当外界施加的压力较大时，就容易引发地震。

3.2 岩石现阶段所储存的能量

3.2.1 构造应力场

由于所注入水的自重和超高的流体压力，会使得岩层的应力状态发生调整。进行应力的重新分配，得到新的构造应力场。应力的集中在岩层的薄弱区便显得尤为重要。岩层自身所储存的能量越来越大，直至达到其破坏强度，进行应力的释放，进而产生地震

3.2.2 差异应力

水压致裂向地下注入的高压流体会制造出新的裂缝网络。由于压裂液的高压作用，裂缝的顶端位置便会产生较大的差异应力，岩石的部分特定位置所存储的能量快速增长，极易使得岩石失稳，产生新的破裂。如此周而复始，直至流体的高压力完全释放。

3.2.3 流体的低压缩性

我们知道，流体有着较低的可压缩性，流体超压力的增加可以使得压力比其自身传播更远的距离。当然，距离压裂区越 远，高压流体所带来的压力影响越小，直至消失。因此，压力的增加与岩体内能量的聚集是一个较大的岩石体，注入地下的流体无需接触到断层，也有诱发地震的可能。

3.3 诱震判断

由此我们可知，采用水力压裂法进行页岩气的开发，无疑会增大地震发生的可能性，加快地震产生的进程。但是，在判断某地区进行页岩气开发是否会诱发地震时候，还要综合考量该地区实际的地质条件，包括岩性、岩石强度和岩层应力分布特征等，特别要关注是否存在断裂带以及断裂带的发育情况。同时，还应该考虑到水力压裂所采用的压裂液特性、注入的持续时间、注入的压裂液体积、所加压力大小以及废水处理的手段，不同的压裂液对于岩石的软化程度不尽相同，不合理的废水处理有更大的可能会引发地质活动。

4 新技术的展望

4.1 超临界二氧化碳压裂技术

超临界二氧化碳压裂技术是一种将压裂液替换为超临界态二氧化碳的无水压裂技术[5]。常温常压下二氧化碳为正常气体，当将其增温及加压至一定程度时候，二氧化碳就会达到超临界状态，成为超临界二氧化碳流体。此状态下的二氧化碳拥有着奇特的特性—密度接近于水；粘度接近于气体；表面张力接近于零。运用超临界二氧化碳压裂技术进行资源开发作业时候，有着很多优点，如：化学稳定性高；对储层既没有伤害又没有任何污染；溶解能力强、增强油气通道的渗流能力等。

4.2 LPG压裂技术

采用以甲烷为主要成分的LPG(即液化石油气)为压裂液[6]。此技术避免了在压裂过程中大量使用水的弊端，当然，后续也无需进行飞废水处理，有效的降低了资源开采的成本。LGP在地下与水力压裂有着作用相同的作用，它可以与页岩气一起返排至地面，对地层没有任何伤害。LPG 压裂液技术相比于二氧化碳压裂技术有着更好的优势：摩阻较低、粘度高。然而，液化石油气具有较强的可燃性，使用时有一定的危险性，因此，在开发过程中防火问题至关重要。

5 结语

随着我国资源的不断开发与利用，页岩气作为一种清洁能源和化工原料，在人们日常的生产生活中扮演着越来越重要的角色。水力压裂技术作为关键的开采技术之一，虽然仍存在着类如水资源浪费、诱发地震等诸多问题，但可有效的增加页岩气的开采量。为了进一步提高水力压裂法的可行性与安全性，应当进一步探究该技术与诱发地震之间的关系，建立完备的风险防治办法。同时，为响应国家节能减排的号召，应大力推动新技术在页岩气开发中的研发和运用。