頁(yè)巖氣開采過程風(fēng)險(xiǎn)因素分析及其安全對(duì)策

馮 晨

（山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，太原 030001）

頁(yè)巖氣是一種儲(chǔ)存含量較高、分布廣泛的非常規(guī)天然氣，主要以游離或者吸附的狀態(tài)存在于頁(yè)巖中，是世界上公認(rèn)的清潔能源和高效能源。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)的重視程度不斷提升，頁(yè)巖氣開發(fā)的計(jì)劃也不斷加速。在常規(guī)能源不斷消耗的過程中，加強(qiáng)頁(yè)巖氣開發(fā)是緩解能源危機(jī)、克服天然氣缺口壓力的一個(gè)重要途徑，可以有效地保障國(guó)家能源安全，改善能源供給結(jié)構(gòu)。由于頁(yè)巖氣開發(fā)屬于一個(gè)全新的領(lǐng)域，其在開發(fā)過程中對(duì)技術(shù)要求較高，出現(xiàn)的安全隱患較多[1]。當(dāng)前，頁(yè)巖氣開發(fā)中的常見安全隱患有環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、甲烷泄露風(fēng)險(xiǎn)等。所以，人們必須積極加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)中的各種危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，并加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)的研究，不斷提高頁(yè)巖氣開發(fā)水平。

1 我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

頁(yè)巖氣是一種十分清潔的能源，對(duì)環(huán)境污染很小，在能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重的時(shí)代，加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣的開發(fā)和利用具有十分重要的意義。頁(yè)巖氣在我國(guó)能源建設(shè)過程中具有十分重要的地位，為了進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣的利用水平，人們必須積極加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的研究，針對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境問題進(jìn)行分析，提高環(huán)境保護(hù)水平。我國(guó)的頁(yè)巖氣含量十分豐富，目前我國(guó)探測(cè)到的非常規(guī)天然氣大約有190萬(wàn)億m3，其中頁(yè)巖氣達(dá)100萬(wàn)億m3，可以開采的頁(yè)巖氣含量大約有26萬(wàn)億m3，是美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量的1.6倍。重慶涪陵地區(qū)是頁(yè)巖氣開發(fā)的示范地區(qū)，對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣的規(guī)模化商業(yè)發(fā)展帶來(lái)很大促進(jìn)作用[2]。

2 頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素

頁(yè)巖氣開采是我國(guó)能源建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，在開采過程中，其主要存在三種風(fēng)險(xiǎn)，即環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和鉆井設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

頁(yè)巖氣開發(fā)雖然可以緩解我國(guó)的能源危機(jī)，但是在開發(fā)過程中，開發(fā)技術(shù)不成熟、操作不規(guī)范會(huì)引發(fā)環(huán)境問題。環(huán)境保護(hù)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中的基本原則，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)不僅要注重經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還要重視環(huán)境保護(hù)，將環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)目標(biāo)結(jié)合起來(lái)。頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

一是對(duì)水資源造成大量浪費(fèi)。在頁(yè)巖氣開發(fā)過程中，最常用的技術(shù)是水力壓裂技術(shù)，這種技術(shù)通過將水注入巖石中，讓頁(yè)巖氣從巖層中逸散出來(lái)。該技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的開發(fā)，但是其在水力壓裂過程中會(huì)消耗大量水資源。我國(guó)頁(yè)巖氣主要分布在水資源比較匱乏的地區(qū)，注入地下以及巖層中的水資源并不能完全回收起來(lái)，對(duì)于水資源本來(lái)就比較匱乏的地區(qū)來(lái)講，水資源浪費(fèi)是一個(gè)十分嚴(yán)重的問題。二是對(duì)地下水資源造成污染。產(chǎn)生的很多有毒有害物質(zhì)會(huì)污染地下水，導(dǎo)致地下水不能正常使用，帶來(lái)水資源危機(jī)。三是對(duì)空氣造成污染。在頁(yè)巖氣開發(fā)過程中，一些有害氣體可能進(jìn)入空氣中，在空氣中大量存在，會(huì)加重溫室效應(yīng)，帶來(lái)全球氣候問題[3]。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

在頁(yè)巖氣開發(fā)過程中，最常見的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是地震和滑坡。由于頁(yè)巖氣的埋藏深度不同，其開采需要使用不同的技術(shù)，比如，鉆豎直井、水平井水力壓裂方法，都是頁(yè)巖氣開發(fā)的主要技術(shù)。開采必然會(huì)對(duì)頁(yè)巖層中的應(yīng)力狀態(tài)造成破壞，使得頁(yè)巖層受到的外部應(yīng)力迅速釋放出來(lái)，引起不同程度的微型地震，過度的開采開會(huì)加重地震災(zāi)害的程度。另外，開采也會(huì)破壞開采區(qū)域周圍的植被，很多植被無(wú)法再生長(zhǎng)，這也是泥石流、地質(zhì)滑坡、地陷災(zāi)害等事故的誘因。

2.3 鉆井設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)

頁(yè)巖氣開采使用的設(shè)備主要是各種常規(guī)的氣藏開采設(shè)備，在開采過程中，機(jī)械設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性是影響開采效率的主要因素。由于設(shè)備穩(wěn)定性較低，所以在開采時(shí)，設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，這會(huì)給開采帶來(lái)極大危害。套管和鉆具失效是頁(yè)巖氣開采過程中最常見的問題，其主要原因是設(shè)備磨損、銹蝕等導(dǎo)致設(shè)備的力學(xué)性能減弱，出現(xiàn)疲勞斷裂等現(xiàn)象。例如，鉆具出現(xiàn)粘吸卡鉆、鍵槽卡鉆等事故，或者在開采過程中一些泥漿進(jìn)入設(shè)備導(dǎo)致卡鉆等，卡鉆事故會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，尤其是對(duì)于進(jìn)行操作的技術(shù)人員來(lái)講，卡鉆很有可能引發(fā)其他更大的危害。

3 頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的安全對(duì)策

針對(duì)當(dāng)前頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀以及頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的危險(xiǎn)因素，人們必須積極分析開發(fā)過程中的各種危險(xiǎn)問題，并采取以下措施提高頁(yè)巖氣開發(fā)的安全性[4]。

3.1 對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制

頁(yè)巖氣開采過程中的環(huán)境問題不可避免，只能盡量減少其對(duì)環(huán)境帶來(lái)的威脅。具體來(lái)講，人們可以從以下幾個(gè)方面著手。

3.1.1 要加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)的研究

為了減少頁(yè)巖氣開采過程中對(duì)水資源的浪費(fèi)，人們要加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣開采技術(shù)的研究。例如，可以加強(qiáng)壓裂返排液系統(tǒng)的循環(huán)利用技術(shù)研究，積極推廣新技術(shù)，如低分子可回收壓裂體系技術(shù)、常規(guī)瓜爾膠壓裂返排液再利用體系等，可以增強(qiáng)水資源的重復(fù)利用，減少對(duì)水資源的浪費(fèi)；還可以開發(fā)更多清潔的新技術(shù)，如低毒油基鉆井液體系，它是一種更加清潔的開采體系，可以減少頁(yè)巖氣開采過程中化學(xué)添加劑的使用量，降低開采廢水的循環(huán)處理難度。

3.1.2 控制和減少大氣污染

在頁(yè)巖氣開采過程中，人們要注重對(duì)空氣污染的控制，積極監(jiān)測(cè)有害氣體的含量。人們可以利用二氧化硫感應(yīng)器、甲烷紅外氣體分析儀等設(shè)備對(duì)有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)有害氣體超過一定程度時(shí)儀器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，相關(guān)技術(shù)人員要立即停止開采，對(duì)開發(fā)方案進(jìn)行重新研究和設(shè)計(jì)，提高開發(fā)水平，減少環(huán)境污染。

3.1.3 定期檢測(cè)相關(guān)設(shè)備

在輸送過程中，頁(yè)巖氣可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。因此，人們要提前對(duì)輸送設(shè)備進(jìn)行試壓和嚴(yán)密性檢測(cè)，確保各種設(shè)備的性能完好。此外，人們要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，及時(shí)檢查設(shè)備的防腐涂層，防止輸送設(shè)備出現(xiàn)問題而造成氣體泄漏。

3.2 加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防范

地質(zhì)災(zāi)害是頁(yè)巖氣開采過程中的重要危害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)T發(fā)地震。所以，在頁(yè)巖氣開采過程中，人們必須要積極加強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定性、頁(yè)巖氣鉆井儲(chǔ)層傷害機(jī)理等方面的研究，在現(xiàn)有的石油地震地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)上開發(fā)出更適合頁(yè)巖氣開發(fā)的鉆井液體系，降低頁(yè)巖氣開采過程中各種技術(shù)對(duì)頁(yè)巖層帶來(lái)的傷害。另外，還要積極做好地質(zhì)勘察，尤其是在頁(yè)巖氣開采之前，必須要對(duì)開采區(qū)域以及周邊地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的頁(yè)巖氣開采方案，同時(shí)在開采過程中做好監(jiān)管，減少頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響。對(duì)于地質(zhì)比較脆弱的地區(qū)，如容易爆發(fā)泥石流的地區(qū)，可以多種植植被，加強(qiáng)防護(hù)建設(shè)；對(duì)于山體滑坡比較嚴(yán)重的區(qū)域，則可以采用錨固、固結(jié)灌漿等技術(shù)進(jìn)行加固，減少滑坡危害。

3.3 加強(qiáng)對(duì)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的防范

設(shè)備使用過程中的失效問題是引起安全問題的重要因素，很多設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)都是可以人為控制的，人們?cè)陧?yè)巖氣開采過程中應(yīng)該積極加強(qiáng)對(duì)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的防范。第一，要加強(qiáng)對(duì)操作人員安全意識(shí)的培養(yǎng)，不斷提高技術(shù)人員的安全意識(shí)，在開采之前必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備有任何風(fēng)險(xiǎn)，要及時(shí)進(jìn)行處理。第二，要建立安全責(zé)任體系，在開采過程中要設(shè)置專門的安全監(jiān)管崗位，對(duì)開采過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控，使得技術(shù)人員按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，減少開采過程中的不規(guī)范行為帶來(lái)的設(shè)備安全問題。第三，對(duì)卡鉆事故進(jìn)行控制，卡鉆是最常見的事故，為了減少卡鉆事故，人們必須改進(jìn)鉆井技術(shù)，保證鉆井體系具有優(yōu)良的井身結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，并且要使用合適的鉆井液，定期對(duì)井口工具進(jìn)行檢查，防止異物掉落其中而引發(fā)安全事故。

4 結(jié)語(yǔ)

頁(yè)巖氣開發(fā)是我國(guó)能源建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，目前其在開發(fā)過程中仍存在一些風(fēng)險(xiǎn)因素，如環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害和設(shè)備故障等[5]。對(duì)此，人們要積極探究并解決這些問題，從而提高頁(yè)巖氣開發(fā)的安全性。

1 王文和，補(bǔ) 艷，蔡治勇.頁(yè)巖氣開采過程風(fēng)險(xiǎn)因素分析及其安全對(duì)策[J].安全與環(huán)境工程，2016，23（1）：133-139.

2 汪 軍，袁 勝，陳剛才.中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)過程環(huán)境管理現(xiàn)狀與對(duì)策分析研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2016，41（6）：18-21.

3 張東曉，楊婷云，吳天昊.頁(yè)巖氣開發(fā)機(jī)理和關(guān)鍵問題[J].科學(xué)通報(bào)，2016，（1）：62-71

4 陸爭(zhēng)光，高 鵬.頁(yè)巖氣開采環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析及安全管理對(duì)策[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2016，32（4）：49-54.

5 熊運(yùn)實(shí)，王彥昌，吳軍濤，等.我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境保護(hù)面臨的形勢(shì)及對(duì)策[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2015，25（6）：1-4.