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        頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的水資源利用對(duì)策:以重慶地區(qū)為例

        2015-03-05 07:51:30游聲剛吳艷婷曾春林
        中國(guó)礦業(yè) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:水資源量資源量氣田

        游聲剛,郭 茜,吳艷婷,曾春林

        (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京100083;2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院),重慶400042;3.重慶市頁(yè)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(yè)巖氣是以游離、吸附或溶解態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中的一種非常規(guī)天然氣。近年來(lái),隨著水平井鉆完井技術(shù)及水力壓裂技術(shù)的突破,頁(yè)巖氣的產(chǎn)量在北美呈井噴式的增長(zhǎng)。2007年,美國(guó)頁(yè)巖氣總產(chǎn)量近500億m3,占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量達(dá)到8%以上;2009年,美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量超過(guò)我國(guó)天然氣總產(chǎn)量,達(dá)到1000億 m3,占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的14%[1];2011年,美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量為1700億 m3[2];2013年,美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量更是突破3368億m3[3]。水力壓裂是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)面臨著水資源消耗大、短時(shí)間用水量大、環(huán)境破壞的問(wèn)題。美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣田每口水平井壓裂用水量約為7000~18000m3。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中,水資源風(fēng)險(xiǎn)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(kāi)發(fā)之間的矛盾成為擺在政府和企業(yè)面前的一個(gè)難題。

        1 研究區(qū)概況

        重慶位于中國(guó)內(nèi)陸西南部,處于青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原的過(guò)渡地帶,是長(zhǎng)江上游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心和金融中心。截至2014年,重慶市幅員面積8.24萬(wàn)km2,下轄38個(gè)縣級(jí)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(zhǎng)江、嘉陵江、烏江、涪江、綦江、大寧河、阿蓬江、酉水河等。長(zhǎng)江干流自西向東橫貫全境,流程長(zhǎng)達(dá)665km。

        2 重慶市及頁(yè)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(shí)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?jī)H為450~600m3[4];雨季主要集中在6~9月份,其余8個(gè)月的降水量不到全年降水量的一半[5],水資源時(shí)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(wàn)人,人均水資源量為1597m3,同年全國(guó)人均水資源量為1937m3,重慶市人均水資源量低于全國(guó)平均水平。從目前國(guó)際公布的水資源緊缺程度指標(biāo)來(lái)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(jìn)行頁(yè)巖氣勘探作業(yè)的主要有四個(gè)區(qū)塊,分別是國(guó)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(yáng)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(gè)區(qū)塊位于渝東南地區(qū)。前文介紹了整個(gè)重慶地區(qū)的水資源分布特征及規(guī)律,但具體到各個(gè)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(yè)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(zhǎng)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(yáng)區(qū)塊屬酉陽(yáng)自治縣內(nèi),酉陽(yáng)自治縣屬武陵山區(qū),地勢(shì)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?;西部的小河、阿蓬江等為烏江水系。區(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?,花坦河、酉水河屬過(guò)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?。?yè)巖氣開(kāi)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(yè)巖氣開(kāi)發(fā)可利用的周邊水源有唐巖河。

        各頁(yè)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(shì)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(shí)際的引水工程帶來(lái)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?、可以逐年更新的?dòng)態(tài)水量。依據(jù)重慶市水資源公報(bào)的數(shù)據(jù)整理得出四個(gè)頁(yè)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(jì)數(shù)據(jù)有異常,近五年的數(shù)據(jù)沒(méi)有變化;酉陽(yáng)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(jì)產(chǎn)出的各類生產(chǎn)活動(dòng)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(jìn)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(guò)各區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)查出,通過(guò)這兩項(xiàng)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(wàn)元作為標(biāo)準(zhǔn);建筑業(yè)萬(wàn)元增加值用水量為20m3;第三產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元增加值用水量為10m3。根據(jù)重慶市水資源公報(bào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,近幾年來(lái)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(shì),本文按生態(tài)用水量占生活用水量的1/15來(lái)計(jì)算生態(tài)用水量。通過(guò)上述計(jì)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(jì)表

        表2 水資源承載能力分析

        頁(yè)巖氣開(kāi)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(guó)能源信息署的統(tǒng)計(jì)[7],Marcellus頁(yè)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(yè)巖氣田每口鉆井需水1.2×104m3,Haynesville頁(yè)巖氣田每口鉆井需水1.4×104m3。美國(guó)典型頁(yè)巖氣田Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖覆蓋面積約1.29×104km2,截止到2009年Barnett頁(yè)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(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì)也認(rèn)為通常陸上頁(yè)巖氣田沒(méi)平方公里鉆井?dāng)?shù)不超過(guò)1口[9]。以每井消耗1.5×104m3水資源計(jì)算頁(yè)巖氣開(kāi)采耗水量,由于各區(qū)塊是全區(qū)被頁(yè)巖覆蓋,所以頁(yè)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(yè)巖氣井來(lái)計(jì)算頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)所需要的水資源量,從開(kāi)發(fā)所需用水量可看出用水量最大的是酉陽(yáng)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(jì)算頁(yè)巖氣開(kāi)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(yè)巖氣開(kāi)采所占比均不大,占比在1.54%~2.09%。雖然頁(yè)巖氣開(kāi)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(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中主要是壓裂用水量比較大,而且壓裂作業(yè)的時(shí)間一般較短,分段壓裂中,2~3個(gè)壓裂層段一般在一天之內(nèi)就可完成[10],對(duì)于頁(yè)巖氣井多段水力壓裂一般在一個(gè)星期內(nèi)可以完工。短期內(nèi)如此高強(qiáng)度的用水量對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟凸I(yè)用水必然會(huì)造成一定影響,同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)氐墓┧O(shè)備來(lái)說(shuō)也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)??紤]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(huì)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)生活用水造成更大的威脅。

        4 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)水資源利用管理對(duì)策

        根據(jù)前述對(duì)各區(qū)塊地理位置、水資源量、水資源供需平衡和頁(yè)巖氣需水特點(diǎn)的分析結(jié)果,結(jié)合目前頁(yè)巖氣水平井壓裂液處理的最新技術(shù),從取水方案、用水對(duì)策和水資源管理等方面制定出了研究區(qū)塊頁(yè)巖氣開(kāi)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∷?,這些河流流量大,取水對(duì)河流生態(tài)用水和其他社會(huì)、經(jīng)濟(jì)用水影響不大;而當(dāng)?shù)氐闹行∠?,流量小,取水?duì)當(dāng)?shù)鼐用裼盟吧鷳B(tài)環(huán)境會(huì)造成較大影響。

        2)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)應(yīng)多渠道解決水源短缺的問(wèn)題。首先,加強(qiáng)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(yè)巖氣井實(shí)施水力壓裂后有15%~85%的壓裂液會(huì)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(guò)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(diǎn)建設(shè)大型儲(chǔ)水池,存儲(chǔ)豐水期的水資源用于旱季頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā),國(guó)外已有成功的經(jīng)驗(yàn)[8]。各類水源水質(zhì)都應(yīng)滿足頁(yè)巖氣水力壓裂要求,不能滿足時(shí)應(yīng)設(shè)水處理裝置。根據(jù)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)特點(diǎn),水處理裝置宜采用移動(dòng)式。

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

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