可持续页岩气开发面临的机遇与挑战

来源:中国地质图书馆《非常规能源信息》2015年第10期(总第46期) 作者:向 锂 发布时间:2016-07-08

一、引言

天然气的好处众所周知,然而,当务之急是资源开发应与有效的环境保障措施并举,以减少对水资源、空气质量、生态系统和附近社区发展的影响。同样重要的是,当继续开发和部署可再生能源时,世界各国实行鼓励页岩气资源环境可持续发展的能源政策。

地质学家们早就知道,大量的有机物和天然气被圈闭在低渗透率、富含有机质的页岩建造(通常是粘土和其他细粒矿物)中。由于页岩的渗透率极低(平均大约比常规天然气储层低6数量级),只有通过使用水平钻井和多级水力压裂,才能生产出商业规模的天然气。

正如King所评述,典型的页岩气开发业务操作按如下步骤进行:首先,运营商钻一个垂直孔到页岩附近,深度通常约23千米。钻进后,在孔中下入钢套管以稳定井身周围的岩石,并防止钻井液污染已被钻通的地质建造。这对于保护浅部含水层不受污染尤为重要。接下来,当垂直井几乎到达页岩的深度,井逐渐偏离,直到它的轨迹是接近水平的,并位于含天然气的页岩层之内。水平段的平均长度约1.5千米,但因地区而异。钻进之后,井的横截面通常被充分套管和用水泥胶结。接着使用小爆炸装置通过套管和水泥进行射孔,使井处于水力压裂阶段,开始在井的“脚趾”(最远的部分),向后朝向“脚跟”(最接近垂直部分)推进。井眼侧向延伸1.5千米可能进行1020个阶段水力压裂,沿其长度或多或少被均匀地间隔。水力压裂期间,建造被加压,以延伸穿过页岩的裂缝。用于页岩气建造的压裂液通常是99的水和砂(后者被用作支撑剂,在井投产后保持水力压裂缝张开)。压裂焦点网站(www.fracfocus.org)列出了许多常用的水力压裂液和化学添加剂。

台式钻进(pad drilling)是多个孔(通常为412个,但多达75个)在同一地点钻进,优化钻进和水力压裂作业效率的普遍做法。在给定的机台条件下,钻进,下套管和用水泥胶结依次进行。在钻探完成,并且钻机及钻井设备从场地拆除后,水力压裂设备被带到场地开始操作。这种类型的操作,通常是在一个指定现场内经过数月完成,大大减少了钻探、新的道路和管道建设等所需的土地数量,从而减少了页岩气开发对社会和生态系统的整体影响。

二、机遇

从北美页岩气资源的广泛开发来看,许多收益已经显现出来。这些收益包括就业机会、纳税,与开发活动相关的整体的经济刺激以及矿产权益所有者交纳特许使用金所创造的直接经济效益。据IHS2014)消息,2015年美国非常规天然气的发展预计将提供约150万个就业岗位,联邦、州和地方500亿美元的税收,对美国经济总共贡献2000亿。就业机会和经济收益二者的数量到2020年预计将翻一番。

使用天然气替代煤炭用于发电,将可能使燃烧后的二氧化碳排放量减少约50%。美国在过去的6年里,从煤炭向天然气转变,连同其他因素,如节能措施的累积效应以及可再生电力使用量的增加,导致了二氧化碳排放量显著下降。从煤炭大幅度过渡到天然气,特别是考虑到中国、澳大利亚、南非、阿根廷及欧洲各国的巨大储量,可能会导致全球二氧化碳排放量的显著减少。在中国,目前煤炭发电每年生产约70亿吨二氧化碳(超过美国排放量的3倍)。在接下来25年,如果不加控制的话,中国的能源消费预计的增长可能会比这些排放量增加一倍。因为使用天然气来发电产生微乎其微的氮氧化物、硫氧化物、汞和微颗粒,从煤炭到天然气的转变会导致显著的和立竿见影的健康和生活质量改善,特别是在像中国和印度这样国家的大型中心城市。

三、减小页岩气开发对环境的影响

大量页岩气资源的生产是一个大规模的工业过程,随着时间的推移,将涉及数以万计的钻井、开展几十万个的水力压裂作业、建设大量的道路和管线。环境问题一般分为四大类——空气、土壤、水和社会,页岩气开发可能会影响到它们全部。我们简单的谈谈3个一直被广泛关注的问题:钻井和水力压裂作业对地下水的潜在污染、甲烷泄漏以及注入水力压裂返排液引发的地震。

许多研究已经解决了页岩气开发区周围的水问题;这些问题包括生产水的可用性、数量、运输和处理,以及地下甲烷泄漏对局部含水层的污染。在对页岩气开发地区已经发生地下水污染的深入研究一向表明,水力压裂本身不是污染源。相反,污染似乎来自于较差的钻井施工或较差的钻探习惯。King2012)和SEAB2011)讨论了防止含水层污染和甲烷泄漏的重要性,并确定了需要密切关注的达到符合建设的许多操作问题。在工业界、学术界、非政府组织和政府监管部门等专家的调查中,Krupnick2013)也发现了良好的施工是最重要的。

与页岩气开发相关的另一个水问题涉及到水力压裂后,从页岩地层返排的废水的处置。返排水通常含有大量的盐,不同数量的硒、砷和铁,以及少量的天然存在的放射性物质,所有这些都来自生产天然气的页岩建造。有关水的使用和处理的实践正在迅速发展和提高。例如,在宾夕法尼亚州,几乎所有的返排水会再次利用于随后井的水力压裂,从而将污染物返回到它们发源的页岩地层。这既减少了对新水源的需要,也减少了与卡车交通和污水处理相关的担忧。在其他方面,微咸水或盐水可用于钻探和水力压裂,从而最大限度地减少了淡水的使用。

受到明显关注(和争论)的另一个环境问题是在钻进、水力压裂、成井、天然气输送和分配过程中出现的甲烷排放。因为甲烷是一种比二氧化碳更强效的温室气体GHG),如果在井点处甲烷泄漏,或所谓的无组织的甲烷排放是明显的,它可以抵消使用天然气发电比煤炭的固有优势。

科学界必须开展围绕甲烷泄漏的诸多问题的综合研究,其途径是通过详细的数据收集和分析。然而,两个最近发表的综合研究表明,甲烷泄漏不足以抵消煤炭改天然气发电的明显优点。首先,Heath等对标准化的比较显示,通过生命周期评估,天然气衍生能力产生的温室气体排放强度平均是煤炭衍生能力的约50%,因为天然气从常规油储层和页岩气建造中产生,但作者们警告说,仍然需要大量的基本数据以减少不确定性。在第二项研究中,Brandt等指出,虽然大气中甲烷的现有水平普遍高于此前估计,不能将这种差异归因于页岩气开发,也不能忽视这一增加的甲烷来源,它没有抵消煤炭改天然气发电的固有优势。本研究的另一个重要的发现是,大多数的甲烷泄漏是由于次数相对较少的,但量大的管道和分配系统中的泄漏,而不是来自建设不佳的井或钻进和水力压裂过程。

最后,还有近年来观察到在美国中部和东部,页岩气开发和地震活动显著增加的明显关联。自从20世纪60年代就已经知道,由于流体注入而增加的孔隙压力可能会导致地震,因为降低了潜在的活跃的、先前存在的断层的正常应力。由于在深处的孔隙压力的变化相比于周围应力通常是相当小的,孔隙压力可被认为是触发了长时间自然地质过程储存弹性应变能量的释放。实际上,流体注入使孔隙压力增加,推进了总有一天会作为天然地质过程发生的地震的时间。

水力压裂作业很少会引发能被人类感觉到的地震,主要是因为在很短的时间周期内加压,影响的岩石体积相对较小。然而,废水注入井已操作多年,有时注入的废水量巨大,可能影响大面积的大量岩石。一些简单的步骤可以降低与污水处理相关的触发地震的可能性。返排水可以在随后的水力压裂作业中将其注回到页岩中以循环使用。此外,应高度重视建立足够的地震监测网络以探测和定位触发的地震,提高频率、注入的彻底性和压力,并建立规定如何修改可能会引发地震活动的操作情况的协议。最重要的是避免在附近有潜在活动断层的地方注入,或在靠近结晶基底上方建造的注入,在这种情况下,注入区的压力变化可能会影响潜在的基底活动断层。

从根本上说,不论人们是否在解决与地震触发和由于不良施工或甲烷泄漏引起的污染有关的潜在风险,该解决方案都意味着所有的利益相关方——石油和天然气运营商、监管部门、公用事业和公众——要积极主动地处理相关的环境影响。正如我们一开始所说,煤改天然气发电可以有深远而广泛的好处;然而,要实现这些好处,页岩气资源必须以对环境负责的方式进行开发。

 

感谢宋学信研究员对本文提出的宝贵意见。本文受中国地质调查“非常规能源信息集成与热点专题调查(12120114049401)”项目支持。

 

资料来源:Mark D. Zoback, Douglas J. Arent. The opportunities and challenges of sustainable shale gas development. Elements, 2014, 251~253.

 

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