頁巖氣開采中的安全技術和環境影響的規避方法探討

劉龍斌

（山西省地質礦產研究院，太原 030001）

頁巖氣開發是我國能源開發的重要內容，我國頁巖氣儲量豐富，但是由于開發起步時間較晚，我國正處于頁巖氣開發的試驗階段，開發技術還不夠成熟。當前，在頁巖氣開采過程中，出現的地質問題、環境問題也比較嚴重，尤其是環境污染問題，如大氣污染、水資源污染和土壤污染等[1]。為了進一步控制頁巖氣開發過程，人們必須不斷改進開發技術，加強開發過程管理，提高各種環境污染的控制水平，減少開發帶來的環境問題。

1 頁巖氣開采過程中的問題

我國頁巖氣開采起步較晚，但頁巖氣儲量十分豐富，因此開展頁巖氣開采利用具有十分廣闊的前景。當前，我國在頁巖氣開發過程中主要遇到以下問題。第一，開發經驗匱乏。頁巖氣開發需要較高的技術，但是我國頁巖氣開發才剛剛起步，加上我國的常規天然氣開發正處于蓬勃發展時期，所以人們無法用大量人力、財力、物力去研究頁巖氣開發的問題。第二，頁巖氣開采的綜合難度較大。頁巖氣儲集層是由巖化的黏土有機物質和礦物質混合而成的，雖然巖層中的有機質可以產生豐富的頁巖氣，但是這些巖石的空隙很小，滲透率較低，開采頁巖氣的天然阻力比常規天然氣要大很多，因此頁巖氣的開采率較低。第三，地質環境的影響。我國頁巖氣主要分布于四川盆地，由于地理環境限制，四川盆地的頁巖氣深度基本在2 000～35 000 m，而美國的頁巖氣深度一般為800～2 600 m[2]。所以，國外的開采技術并不完全適用于我國的地質環境，地質環境的限制增加了頁巖氣的開采難度。

2 頁巖氣開采的安全技術

2.1 地震勘探技術

地震勘探技術主要包括三維地震技術和井中地震技術，前者有助于準確地認識到頁巖氣復雜的儲層結構以及巖層中的非均質性和裂縫發育帶，從而提高頁巖氣開采過程中的探井成功率。由于泥頁巖地層和上下圍巖的地震傳播速度不同，因此人們在開采過程中可以結合錄井測井等資料，對泥頁巖構造進行描述，并且可以利用三維地震的反射特征差異來識別各種裂縫，從而減少開采過程中的地質裂縫災害。另外，井中地震技術也是頁巖氣開采過程中的一種重要技術，這種技術是在地面地震技術基礎上發展起來的一種新技術，具有較高的分辨率、信噪比、保真效果，可以將鉆井測井和地震技術結合起來，從而實現對頁巖氣地層的綜合分析，減少頁巖氣開采過程中的壓裂效果。

2.2 水力壓裂法

水力壓裂法是頁巖氣開采過程中的一種常用技術，這種方法是指將水注入到油井中，使得油井的巖石層斷裂，然后將圈閉在巖層中的油和天然氣釋放出來，注入巖石中的水通常含有化學物質，比如，混合了降阻劑、抗菌劑、鹽酸等物質。水力壓裂法是當前頁巖氣開發過程中比較常見的一種方法，在美國頁巖氣開發過程中十分常用。

2.3 鉆井技術

鉆井技術是1821年美國最先開發出來的石油氣體開采技術，經過多年發展，頁巖氣鉆井經歷了直井單支水平井、多分支水平井、叢式水平井等發展過程。實踐發現，在頁巖氣開采過程中，使用叢式水平井可以有效地降低開采成本，節約時間，因此叢式水平井在頁巖氣開采過程中的應用變得越來越廣泛[3]。另外，當前國外的頁巖氣開發鉆完井中主要采用的相關技術有：旋轉導向技術，這種技術可以用于地層引導和評價，確保鉆井目標得以實現；控壓或欠平衡鉆井技術，用于提高防漏水平，提高鉆速和儲層保護，采用空氣作為循環介質在頁巖中鉆進；泡沫固井技術，其主要用于解決鉆井過程中出現的低壓易漏問題，提高鉆井開發的安全性。

2.4 儲層改造技術

儲層改造技術是頁巖氣開采過程中的安全技術，其包括水力壓裂和酸化兩種，改造之后的技術可以利用常規的油管或者連續的油管進行施工。在國外開發過程中，人們經常在新井或者老井的開發中使用連續油管作業，這樣可以降低開采成本，達到增產的目的。壓裂改進主要采用以下措施，如氮氣泡沫壓裂凝膠壓裂、多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂、重復壓裂等。

2.4.1 多級壓裂技術

多級壓裂技術指的是利用封堵球或限流技術對頁巖儲層的不同層位進行分隔，然后進行分段壓裂。分段壓裂技術有兩種，一種是滑套封隔器分段壓裂，另一種是可鉆式橋塞分段壓裂。

2.4.2 清水壓裂

清水壓裂技術指的是使用清水加上少量減阻劑、穩定劑、表面活性劑等添加物作為壓裂漿，達到壓裂目的，對頁巖氣進行開采，減少對環境的污染和危害。

2.4.3 同步壓裂技術

同步壓裂技術指的是同時對兩口或者更多的頁巖氣井進行開采的技術。最初，人們對兩口深度比較接近的水平井進行同時壓裂，隨著技術不斷成熟，其逐漸發展成為對三口或者四口距離接近和深度相似的水平井進行同時壓裂。同時，壓裂可以使壓裂液和支撐劑在高壓條件下從一口井向另一口井移動，從而提高水力壓裂的裂縫網絡密度和表面積的利用水平，實現頁巖氣短期內的明顯增產，節省頁巖氣開采的成本。

2.4.4 重復壓裂

重復壓裂指的是在頁巖氣初始壓裂處理無效或者原來的支撐劑損壞的情況下對氣井進行重新壓裂增產的過程。在重復壓裂的過程中，人們只要按照以前的操作步驟進行重復壓裂操作即可，重復壓裂可以將頁巖氣的采收率提高8%～10%，可以使頁巖氣的采儲量增加60%。

3 頁巖氣開采過程中的環境問題控制

在頁巖氣開采過程中，環境問題是一個十分顯著的問題，加強環境問題控制是頁巖氣開采過程中的重點內容。當前，頁巖氣開采過程中的環境問題主要有水資源問題，如水資源浪費、水資源污染等。此外，還有大氣污染，其以甲烷泄露為主。頁巖氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種對大氣污染十分嚴重的氣體，也是導致全球氣候變暖的主要溫室氣體之一[4]。甲烷在空氣中的停留時間是二氧化碳的十分之一，但是在相同質量的情況下，甲烷產生的溫室效應比二氧化碳要嚴重很多，其燃燒還會導致其他污染出現。另外，甲烷泄漏還會破壞當地生態環境，改變當地的自然條件，破壞當地植被，破壞動物的棲息地，影響生態系統的平衡。因此，加強頁巖氣開采過程中的環境保護具有十分重要的意義，人們可以從以下幾個方面著手。

3.1 制定環境保護規范

在頁巖氣開采過程中，人們應該重視環境保護工作，制定相關環境保護規范，控制相關環境問題。國家相關部門應制定措施，要求人們在頁巖氣開采過程中必須做好環境監測工作。一旦出現環境污染問題，人們必須立即停止開采。

3.2 加強對技術和開采原料的研究

在頁巖氣開發過程中，一般進入大規模開發階段后，人們就必須對開發過程中的水資源工作進行論證，防止水資源使用量過高，造成水資源短缺。另外，壓裂過程中使用的化學物質對環境的污染比較嚴重，所以人們要加強對各種新型開采原料的研究，用清潔、無毒的物質替代有害的化學添加劑，使得整個開采過程變得更加清潔。

4 結語

頁巖氣開發是我國非常規能源開發體系的重要部分，頁巖氣是一種清潔、無污染的新型非常規天然氣，可以有效緩解我國的能源危機，而我國頁巖氣資源十分豐富，所以人們必須積極開展頁巖氣開發研究。在頁巖氣開發過程中，我國可以借鑒發達國家的頁巖氣開發技術，并結合我國的實際情況，綜合應用各種新技術，提高頁巖氣開發水平，保護好生態環境。

1 李 佳，王 馳，田慧穎.頁巖氣開發中應關注的環境問題[J].油氣田環境保護，2012，22（6）：42-43.

2 王 楠.頁巖氣開發環境問題研究[J].當代經濟，2013，（1）：62-65.

3 鐘 異，胥 峰，林孟雄.頁巖氣開發環境及安全風險管控研究[J].工業，2015（2）：185.

4 李 朋，肖亞昆，莫 勇，等.頁巖氣開采對環境的影響及規避方法探討[J].中國環境管理干部學院學報，2015，（3）：70-73.