頁巖氣開發(fā)中的水資源利用對策：以重慶地區(qū)為例

游聲剛，郭 茜，吳艷婷，曾春林

（1．中國礦業(yè)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2．國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室 （重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶400042；3．重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心 （重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶400042）

頁巖氣是以游離、吸附或溶解態(tài)賦存于富有機質(zhì)頁巖中的一種非常規(guī)天然氣。近年來，隨著水平井鉆完井技術(shù)及水力壓裂技術(shù)的突破，頁巖氣的產(chǎn)量在北美呈井噴式的增長。2007年，美國頁巖氣總產(chǎn)量近500億m3，占美國天然氣總產(chǎn)量達(dá)到8%以上；2009年，美國頁巖氣產(chǎn)量超過我國天然氣總產(chǎn)量，達(dá)到1000億 m3，占美國天然氣總產(chǎn)量的14%［1］；2011年，美國頁巖氣產(chǎn)量為1700億 m3［2］；2013年，美國頁巖氣產(chǎn)量更是突破3368億m3［3］。水力壓裂是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)面臨著水資源消耗大、短時間用水量大、環(huán)境破壞的問題。美國Barnett頁巖氣田每口水平井壓裂用水量約為7000～18000m3。在頁巖氣開發(fā)中，水資源風(fēng)險是最重要的但是被低估的挑戰(zhàn)之一。如何更好的處理水資源利用與清潔能源高效開發(fā)之間的矛盾成為擺在政府和企業(yè)面前的一個難題。

1 研究區(qū)概況

重慶位于中國內(nèi)陸西南部，處于青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶，是長江上游地區(qū)的經(jīng)濟中心和金融中心。截至2014年，重慶市幅員面積8．24萬km2，下轄38個縣級行政區(qū)。重慶境內(nèi)江河縱橫，水網(wǎng)密布，水資源十分豐富，重慶市年平均水資源總量5000億m3，其中地表水資源占絕大部分。流經(jīng)重慶的主要河流有長江、嘉陵江、烏江、涪江、綦江、大寧河、阿蓬江、酉水河等。長江干流自西向東橫貫全境，流程長達(dá)665km。

2 重慶市及頁巖氣區(qū)塊周邊水資源分布情況

2．1 重慶市水資源分布情況

重慶位于四川盆地東部，北有嘉陵江，南有烏江，境內(nèi)流域面積大于100km2的河流有274條，其中流域面積大于1000km2的河流有42條。全區(qū)年降水量大，2013年全市平均降水量1063．6mm，折合年降水量876．43億m3，但水資源在空間和時間上分布不均，東南山地水資源豐富，西部丘陵缺水，渝東南地區(qū)人均占有水資源量為3500～5500m3，渝東北地區(qū)人均占有水資源量為2000～5000m3，渝西地區(qū)人均水資源量僅為450～600m3［4］；雨季主要集中在6～9月份，其余8個月的降水量不到全年降水量的一半［5］，水資源時間上的分布不均容易造成夏季水患和冬春的干旱災(zāi)害。2013年全市地表水資源量為474．34億m3，2013年全市常住人口為2970萬人，人均水資源量為1597m3，同年全國人均水資源量為1937m3，重慶市人均水資源量低于全國平均水平。從目前國際公布的水資源緊缺程度指標(biāo)來看，重慶屬于中度缺水地區(qū)。

2．2 各區(qū)塊水資源分布情況

重慶地區(qū)非油公司正在進行頁巖氣勘探作業(yè)的主要有四個區(qū)塊，分別是國土資源部第一輪招標(biāo)出讓的秀山區(qū)塊以及第二輪招標(biāo)出讓的城口區(qū)塊、酉陽區(qū)塊、黔江區(qū)塊。其中城口區(qū)塊位于渝東北地區(qū)，其余三個區(qū)塊位于渝東南地區(qū)。前文介紹了整個重慶地區(qū)的水資源分布特征及規(guī)律，但具體到各個區(qū)塊的地表水系及水資源分布情況又具有其特殊性。

城口縣頁巖氣區(qū)基本涵蓋了城口縣中部地區(qū)仁河流域兩岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)，如修齊鎮(zhèn)、厚坪鄉(xiāng)等。城口地表水系發(fā)育，河網(wǎng)密布。所有河流都屬長江水系。北部為漢江流域的仁河水系，南部為嘉陵江流域的前河水系。流域面積100km2以上的河流13條，50～100km2的6條，10～50km2的26條。區(qū)塊周邊的仁河、前河為境內(nèi)兩條主要河流。

酉陽區(qū)塊屬酉陽自治縣內(nèi)，酉陽自治縣屬武陵山區(qū)，地勢中部高、東西兩側(cè)低。全縣以毛壩蓋山脈為分水嶺，形成兩大水系；東部的酉水河、龍?zhí)逗訛殂浣担晃鞑康男『印⑴罱葹闉踅怠^(qū)塊周邊的水源有梅江、酉水、龍?zhí)逗印?/p>

秀山區(qū)塊位于秀山縣境內(nèi)，其主要水系除隘口鎮(zhèn)的貴郎溝屬烏江水系外，其余屬沅江水系，其中龍?zhí)逗樱ㄌ购印⒂纤訉龠^境河，集水面積大于50km2的河流有13條，流域面積大于1000km2的河流有：梅江河、酉水河、龍?zhí)逗雍突ㄌ购印ｍ搸r氣開發(fā)可利用的周邊主要水源有梅江、甘龍河等。

黔江區(qū)流域面積大于50km2的河流有15條，主要河流有阿蓬江、郁江、諸佛江，均屬烏江水系。頁巖氣開發(fā)可利用的周邊水源有唐巖河。

各頁巖氣區(qū)塊所在的行政區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，河流眾多，水源分布廣泛，但地形地貌復(fù)雜，以山地為主，地勢起伏大，山地和丘陵面積占幅員面積的94%［6］，受地貌的限制，給實際的引水工程帶來挑戰(zhàn)。

3 各區(qū)塊地表水資源量及水資源承載能力

3．1 各區(qū)塊地表水資源量

地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當(dāng)?shù)亟邓纬傻摹⒖梢灾鹉旮碌膭討B(tài)水量。依據(jù)重慶市水資源公報的數(shù)據(jù)整理得出四個頁巖氣勘探區(qū)塊所在的行政區(qū)近五年的地表水資源量（表1），秀山縣可能統(tǒng)計數(shù)據(jù)有異常，近五年的數(shù)據(jù)沒有變化；酉陽縣的地表水資源量不穩(wěn)定，年最大地表水資源量和最小地表水資源量相差23億m3以上；黔江區(qū)的地表水資源量最為穩(wěn)定，但是該區(qū)近五年平均地表水資源量最少。

3．2 研究區(qū)水資源承載能力分析

研究區(qū)用水量主要包括生活用水量、生產(chǎn)用水量和生態(tài)環(huán)境用水量。生活用水量指城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村人口維持日常生活的用水量；生產(chǎn)用水量是指經(jīng)濟產(chǎn)出的各類生產(chǎn)活動所需的水量，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的用水量；生態(tài)環(huán)境用水量指維持生態(tài)與環(huán)境功能和進行生態(tài)環(huán)境建設(shè)所需的最小用水量。2010年重慶地區(qū)城鎮(zhèn)生活用水定額為125L／d，農(nóng)村生活用水定額為75L／d，各行政區(qū)的城市人口和農(nóng)村人口可通過各區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展公報查出，通過這兩項數(shù)據(jù)可以得到各區(qū)生活用水量。農(nóng)業(yè)用水中水田以330m3／畝·a，水澆地為140m3／畝·a作為標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)用水以120m3／萬元作為標(biāo)準(zhǔn)；建筑業(yè)萬元增加值用水量為20m3；第三產(chǎn)業(yè)萬元增加值用水量為10m3。根據(jù)重慶市水資源公報的統(tǒng)計結(jié)果，近幾年來重慶市生態(tài)環(huán)境用水量為城鄉(xiāng)居民生活用水量的1／10～1／15，而且有逐年減少的趨勢，本文按生態(tài)用水量占生活用水量的1／15來計算生態(tài)用水量。通過上述計算方法可得到各區(qū)塊生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境的需水量（表2）。從表中可看出生產(chǎn)用水占的比重最大，城口由于人少地多，導(dǎo)致生活用水少，生產(chǎn)用水多。

表1 區(qū)塊所在行政區(qū)域地表水資源量統(tǒng)計表

表2 水資源承載能力分析

頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是水力壓裂，水力壓裂需要消耗大量的水資源。據(jù)美國能源信息署的統(tǒng)計［7］，Marcellus頁巖氣田每口井平均用水量為1．5×104m3，Barnett氣 田 每 口 鉆 井 需 水 1×104m3，F(xiàn)ayetteville頁巖氣田每口鉆井需水1．2×104m3，Haynesville頁巖氣田每口鉆井需水1．4×104m3。美國典型頁巖氣田Fort Worth盆地Barnett頁巖覆蓋面積約1．29×104km2，截止到2009年Barnett頁巖氣田已完成鉆井13740口，其中95%以上是水平井，平均每平方公里一口水平井［8］，國際能源署的統(tǒng)計也認(rèn)為通常陸上頁巖氣田沒平方公里鉆井?dāng)?shù)不超過1口［9］。以每井消耗1．5×104m3水資源計算頁巖氣開采耗水量，由于各區(qū)塊是全區(qū)被頁巖覆蓋，所以頁巖覆蓋面積以各區(qū)塊的行政面積為標(biāo)準(zhǔn)，按每平方公里一口頁巖氣井來計算頁巖氣開發(fā)所需要的水資源量，從開發(fā)所需用水量可看出用水量最大的是酉陽區(qū)塊，其次是城口區(qū)塊，黔江區(qū)塊和秀山區(qū)塊用水量相當(dāng)（表2）。以近五年各區(qū)的平均地表水資源量作為可用水資源量，計算頁巖氣開采用水量占可用水資源量的比例，從結(jié)果看出，各區(qū)塊頁巖氣開采所占比均不大，占比在1．54%～2．09%。雖然頁巖氣開采占可用水的比例不大，但是占總用水量的比例比較大，占總用水量的比例在19．69%～37．11%。頁巖氣開發(fā)中主要是壓裂用水量比較大，而且壓裂作業(yè)的時間一般較短，分段壓裂中，2～3個壓裂層段一般在一天之內(nèi)就可完成［10］，對于頁巖氣井多段水力壓裂一般在一個星期內(nèi)可以完工。短期內(nèi)如此高強度的用水量對當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟凸I(yè)用水必然會造成一定影響，同時對當(dāng)?shù)氐墓┧O(shè)備來說也是一個很大的挑戰(zhàn)。考慮到重慶地區(qū)為季節(jié)性的缺水區(qū)，秋冬季缺水較嚴(yán)重，如果壓裂作業(yè)在秋冬季施工將會對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會生活用水造成更大的威脅。

4 頁巖氣開發(fā)水資源利用管理對策

根據(jù)前述對各區(qū)塊地理位置、水資源量、水資源供需平衡和頁巖氣需水特點的分析結(jié)果，結(jié)合目前頁巖氣水平井壓裂液處理的最新技術(shù)，從取水方案、用水對策和水資源管理等方面制定出了研究區(qū)塊頁巖氣開發(fā)的水資源利用方案。

1）嚴(yán)禁在附近中小河流中取水。各區(qū)塊嚴(yán)禁在附件的小河小溪中取水，應(yīng)從當(dāng)?shù)氐闹饕恿髦腥∷@些河流流量大，取水對河流生態(tài)用水和其他社會、經(jīng)濟用水影響不大；而當(dāng)?shù)氐闹行∠鳎髁啃。∷畬Ξ?dāng)?shù)鼐用裼盟吧鷳B(tài)環(huán)境會造成較大影響。

2）頁巖氣開發(fā)應(yīng)多渠道解決水源短缺的問題。首先，加強返排液處理技術(shù)的研發(fā)，使返排液達(dá)到回用的標(biāo)準(zhǔn)，頁巖氣井實施水力壓裂后有15%～85%的壓裂液會返排至地表，這些返排液中含有各種化學(xué)添加劑［11］，不能直接用于壓裂液不能直接外排，可以通過各種處理工藝使返排液達(dá)到循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)，將處理后的返排液用于附近井區(qū)的壓裂作業(yè)；其次，在臨近城鎮(zhèn)地區(qū)可使用城鎮(zhèn)污水處理廠的出水；另外，在氣田內(nèi)可選擇合適地點建設(shè)大型儲水池，存儲豐水期的水資源用于旱季頁巖氣田開發(fā)，國外已有成功的經(jīng)驗［8］。各類水源水質(zhì)都應(yīng)滿足頁巖氣水力壓裂要求，不能滿足時應(yīng)設(shè)水處理裝置。根據(jù)頁巖氣的開發(fā)特點，水處理裝置宜采用移動式。

3）優(yōu)化水資源配置。水資源的輸送過程中，合理采用物流運輸或管道輸送的方式，采用系統(tǒng)優(yōu)化方法，選擇最佳運輸路線和管線優(yōu)化配置，節(jié)省用水成本；壓裂進行時避開河流枯水期和當(dāng)?shù)氐挠盟叻鍟r間。

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