劉堯文

(中國石化江漢油田分公司頁巖氣勘探開發(fā)管理部，湖北潛江 433124)

自開發(fā)頁巖氣以來，美國、加拿大等國家出臺了一系列經(jīng)濟和環(huán)保政策來規(guī)范管理頁巖氣開發(fā)，但環(huán)境問題仍然是頁巖氣開發(fā)過程中的短板，如美國在開發(fā)初期的環(huán)保立法落后于技術(shù)創(chuàng)新，導致近年來環(huán)境問題集中出現(xiàn)，延緩了開發(fā)步伐。我國對頁巖氣田開發(fā)中的環(huán)境保護非常重視，綠色開發(fā)工作穩(wěn)步推進，在地下水保護、水資源利用、廢棄物處理和大氣污染物防控等方面的技術(shù)水平與美國相當，具有中國特色的土地集約化利用技術(shù)甚至處于領(lǐng)先水平[1_3]。

目前，我國頁巖氣開發(fā)主要集中在涪陵頁巖氣示范區(qū)、長寧_威遠頁巖氣示范區(qū)、云南昭通頁巖氣示范區(qū)和延安陸相頁巖氣示范區(qū)等4個國家級示范區(qū)。其中，長寧_威遠頁巖氣示范區(qū)進行了以“減量化、無害化、資源化”為重點的清潔生產(chǎn)技術(shù)探索和應用，取得了較好的效果；云南昭通頁巖氣示范區(qū)和延安陸相頁巖氣示范區(qū)也進行了高效開發(fā)模式的有益探索。以上3個示范區(qū)在綠色開發(fā)方面做了積極的探索和實踐，取得了較好的效果，但對綠色開發(fā)進行系統(tǒng)總結(jié)的報道很少[4]。截至目前，涪陵頁巖氣田是我國規(guī)模最大、首個實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的整裝海相頁巖氣田，自2013年初啟動產(chǎn)能建設(shè)以來，始終以保護青山綠水為宗旨，以環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以環(huán)境管理體系和技術(shù)體系為保障，較好地保護了當?shù)氐沫h(huán)境，極大地推動了我國頁巖氣開發(fā)行業(yè)的綠色健康發(fā)展和商業(yè)化進程。為此，筆者深入總結(jié)分析了該氣田綠色開發(fā)實踐及取得的成效和經(jīng)驗，以期為其他區(qū)塊的頁巖氣田綠色高效開發(fā)提供有益借鑒。

1 頁巖氣田開發(fā)面臨的環(huán)境保護問題

涪陵頁巖氣田地處武陵山脈，山體植被茂盛，地表溝壑縱橫，地下暗河、溶洞發(fā)達，區(qū)內(nèi)人口分布密集，開發(fā)中存在的潛在環(huán)境風險，會影響生態(tài)及居民生活。

1.1 土地占用

一般情況下，頁巖氣井單井產(chǎn)量比常規(guī)天然氣井低，建成同等產(chǎn)能的頁巖氣田所需氣井數(shù)量比常規(guī)氣田多，占用土地資源多。據(jù)統(tǒng)計，美國頁巖氣田的單個井場面積為12 000～28 000 m2[10]。目前，涪陵頁巖氣田單個井場的占地面積約為7 800～12 000 m2。涪陵地處山區(qū)，人口密集，土地資源緊張，可能會加劇人地矛盾，導致土地資源更加緊張[9]。

1.2 水資源消耗與污染

頁巖氣田開發(fā)采用水平井大型水力分段壓裂技術(shù)，用水量是常規(guī)天然氣直井壓裂的5倍左右，因此，消耗大量水資源會對當?shù)鼐用裼盟斐捎绊慬5_6]。涪陵頁巖氣田地處山區(qū)，水資源匱乏，而每口井壓裂平均用水量達到3.5×104m3。大量消耗水資源，不僅給周邊或區(qū)域水資源供應提出挑戰(zhàn)，而且對當?shù)刂脖缓统青l(xiāng)生活與工業(yè)用水產(chǎn)生較大影響。

另外，涪陵地區(qū)地下裂縫發(fā)育，存在暗河溶洞，鉆井過程中易發(fā)生井漏，若鉆井液大量漏失將污染地下水；同時，如果控制不當，還存在井噴風險，不僅造成井眼報廢、人員傷亡的惡性事故，還會破壞地面植被、嚴重污染水資源。頁巖氣開發(fā)采用水力壓裂技術(shù)，試氣過程中返排污水量大，水質(zhì)復雜，處理難度較大。

1.3 油基鉆屑污染

頁巖地層黏土含量高，遇水易發(fā)生水化膨脹，導致井眼失穩(wěn)。目前頁巖地層主要采用油基鉆井液鉆進，由此產(chǎn)生的鉆屑含油量大，處理難度大;并且頁巖氣田開發(fā)鉆井數(shù)量多、水平段長，油基鉆屑產(chǎn)生量大。涪陵頁巖氣田開發(fā)之前，國內(nèi)無成熟可靠的處理技術(shù)。

1.4 溫室氣體排放

頁巖氣的主要成分為甲烷，其進入大氣層產(chǎn)生的溫室效應遠高于二氧化碳。研究認為，頁巖氣井壓裂液返排和采氣過程甲烷泄露比較嚴重，約占頁巖氣產(chǎn)量的3.6%～7.0%[7]。據(jù)統(tǒng)計，測試排液階段頁巖氣的平均排放量約占預測總產(chǎn)量的1.6%，儲層壓力越高，逸散量越大[8]。由于頁巖氣水平井鉆完井和分段壓裂作業(yè)過程耗時較長，導致甲烷泄露量較大，一般是常規(guī)天然氣開發(fā)的30%～100%。

1.5 噪聲

頁巖氣田開發(fā)時，鉆機、壓裂車等重型機械設(shè)備運行時會產(chǎn)生高分貝噪聲污染；頁巖氣集輸系統(tǒng)中的空氣壓縮機長期運行也會持續(xù)產(chǎn)生噪聲污染，嚴重影響周邊居民的身心健康[9]。

2 頁巖氣田綠色開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 土地集約化利用技術(shù)

頁巖氣田開發(fā)鉆井數(shù)量多、占地面積大，研究采用叢式水平井布局優(yōu)化設(shè)計、土地復墾等技術(shù)，形成了頁巖氣田土地集約化利用技術(shù)，并在涪陵頁巖氣田全面推廣應用，減小了用地面積，緩解了人地矛盾。

2.1.1 叢式水平井布局優(yōu)化

傳統(tǒng)鉆井采用單井平臺，占地面積約7 920 m2，占地很大,為此通過數(shù)學模擬研究優(yōu)選了叢式井布井方式，并對鉆井平臺修建方案進行了優(yōu)化?，F(xiàn)場試驗中，涪陵頁巖氣田實現(xiàn)了4～9口的叢式井布井方式，并結(jié)合山地“井工廠”技術(shù)，最大程度節(jié)約了土地使用面積、縮短了鉆井周期，降低了對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響[10_11]。

2.1.2 井場分區(qū)防滲保護土壤技術(shù)

為保護井場平臺周邊土壤，根據(jù)井場鉆井工程要求并結(jié)合地下水防滲要求，對井場采取分區(qū)防滲措施。井口區(qū)采用厚度為800.0 mm的鋼筋砼；機房、油罐、泵基礎(chǔ)采用厚度為200.0 mm的C30砼；循環(huán)罐、儲備罐基礎(chǔ)采用厚度為300.0 mm的C30砼；排污溝底部澆筑厚度為250.0 mm的C20砼，溝壁澆筑厚度為400.0 mm的C20砼，污水溝均采用P6防滲砼；井場污水池、清水池及放噴池均采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)防滲。以上措施有效避免了鉆井過程中滲漏對土地造成的污染。

2.1.3 土地復墾

按照集約用地原則，氣井完鉆后僅將井口外擴30.00 m范圍、集氣站、保留的清水池及污水池和1座放噴池占地作為永久征地使用，對井場外圍用地、1座放噴池、管線施工臨時用地等臨時擾動區(qū)域進行土地復墾，盡可能地減少永久占地面積，增加復墾區(qū)域。根據(jù)涪陵頁巖氣田的開發(fā)特點及社會經(jīng)濟實際情況，建立了完善的復墾評價機制，選擇地表改造難易程度、地面坡度、土源保證率、社會因素和土壤有害物質(zhì)含量作為評價指標，結(jié)合相關(guān)規(guī)程和標準，制定了適宜性土地復墾評價標準(見表1)。

表1 土地復墾評價指標劃分標準Table 1 Criterion of evaluation indicators about land reclamation

2.2 水資源節(jié)約與污染防控技術(shù)

遵循“減量化—再利用—再循環(huán)”的原則，從源頭防控、過程保護和循環(huán)利用等方面入手，選用綠色化工原料，實現(xiàn)了工業(yè)污水的全部回收利用，萬元產(chǎn)值耗水量僅0.63 m3/萬元，遠低于其他行業(yè)。

2.2.1 鉆井過程水污染防控

1) 井位優(yōu)選防污技術(shù)。按照“工程服從地質(zhì)、地面服從地下；地質(zhì)兼顧工程、地下兼顧地面”的原則，在三維地形地貌圖上整體部署平臺位置后，嚴格按照安全、環(huán)保、土地、林業(yè)、水利、交通和規(guī)劃等法律法規(guī)進行野外踏勘選址，適當調(diào)整井位，避開自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)、森林公園等環(huán)境敏感區(qū)，避開滑坡、泥石流等地質(zhì)災害區(qū)域。

采用以探測巖石介質(zhì)的導電性差異為基礎(chǔ)的高密度電阻率法，對平臺近地表進行勘查，進行安全評估，井眼軌跡避開地下暗河、溶洞、巖溶大泉區(qū)等地下水敏感區(qū)域，防止鉆井過程中鉆井液漏失污染地下水。以焦頁X號平臺為例，其高密度電阻率法成果如圖1所示。

圖1 焦頁X號平臺高密度電阻率法成果Fig.1 Results of high density resistivity method survey on Jiaoye X platform

2) 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。針對涪陵頁巖氣田區(qū)域裂縫巖溶發(fā)育、鉆井易漏失等問題，充分考慮地下水保護，創(chuàng)新設(shè)計了“導管+三段式”井身結(jié)構(gòu)(見圖2)。一開封固飛仙關(guān)組，及早封隔了淺層水系，避免后續(xù)鉆井時鉆井液對淺層地下水的污染；二開封固龍馬溪組頁巖地層之上的易漏、易垮塌層，確保井眼不漏失。采用高鋼級套管、固井水泥返至地面等措施，確保井筒密封完整，徹底隔離淺層水系。

3) 環(huán)保鉆井液體系。為了防止鉆井液污染淺層地下水，井深1 500.00 m以淺選用只含膨潤土、無化學添加劑的清水鉆井液體系，確保不污染地下水;1 500.00～2 500.00 m直井段采用環(huán)保型水基鉆井液體系，其主要添加劑為天然礦物(植物)類和改性天然高分子等綠色化工藥劑；2 500.00 m以深井段采用可回收再利用的油基鉆井液體系，主要成分為無毒或低毒材料。

圖2 “導管+三段式”井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Casing program of “conductor and three sections”

2.2.2 壓裂試氣過程水污染防控

壓裂前對井下套管、地面管線及作業(yè)裝置進行高壓密封測試，確保壓裂過程中地面不滲漏、井眼無漏失。為避免影響當?shù)厝罕姷纳a(chǎn)生活用水，壓裂用水均取自烏江工業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)用水，通過密閉管線系統(tǒng)集輸至各壓裂施工平臺。壓裂液體系不含重金屬、有毒有害有機物，具有無腐蝕、無殘渣和低傷害的特性。壓裂液進入地層后會隨著溫度升高和時間延長自動破膠變成水溶液，并隨著采氣返排地面，避免了對地下水資源的污染。

2.2.3 污水處理及循環(huán)利用技術(shù)

為了減少污水產(chǎn)出，鉆井完井和開發(fā)過程中嚴格控制鉆井、壓裂和采氣污水的總量，平均單井產(chǎn)生鉆井污水約500 m3、試氣污水低于1 200 m3(返排率約4%)、采氣污水2 m3/d。為了節(jié)約用水，有效利用污水，研究了鉆井污水、壓裂廢液的處理、檢測和循環(huán)利用技術(shù)(如圖3所示)，污水經(jīng)處理檢測合格后，按一定量加入壓裂液進行混配，實現(xiàn)了工業(yè)污水零排放，利用率達到100%，同時降低了壓裂作業(yè)成本。

圖3 涪陵頁巖氣田污水循環(huán)利用示意Fig.3 Diagram of waste water recycling in Fuling Shale Gas Field

2.3 油基鉆屑處理與資源化利用技術(shù)

涪陵頁巖氣水平井采用以柴油為基液的油基鉆井液鉆進儲層，其鉆屑屬于高污染廢棄物，不能直接固化填埋。為此，基于油基鉆屑處理“不落地、無害化”原則，研究了油基鉆屑熱解吸處理技術(shù)，研制了油基鉆屑熱解吸裝置?，F(xiàn)場應用后，鉆屑含油率由10.0%～20.0%降至0.3%以下，遠低于北美2.0%的行業(yè)標準。處理后的鉆屑殘渣固化后集中填埋封存，實現(xiàn)資源回收和環(huán)境保護的雙重效益，達到了油基鉆屑的“資源化、減量化、無害化”處理目的，油基鉆屑無害化處置率達到100 %，油的回收率接近100%。研制了巖屑資源化利用裝備，處理后的巖屑可制備免燒磚、混凝土等，已建成免燒磚5 000塊/d、混凝土100 m3/d的生產(chǎn)能力，替代了傳統(tǒng)的就地固化處理工藝，實現(xiàn)了鉆屑的資源化利用。

2.4 大氣污染防控技術(shù)

2.4.1 試氣和采氣過程中的氣體減排控制

為了減少試氣過程中井口放噴時頁巖氣燃燒產(chǎn)生的廢氣，開發(fā)了可回收利用型地面測試系統(tǒng)，研制了配套的自力式調(diào)節(jié)閥，研究了試氣與采氣一體化減排技術(shù)，形成了“邊測試、邊進站生產(chǎn)”工藝，大大減少了頁巖氣放噴燃燒時產(chǎn)生的廢氣量。

在15:00～17:00之間,站內(nèi)負荷達到最大值,但光伏發(fā)電量減少,此時電動汽車進行放電,SOC下降較快;17:00以后以儲能電池為主,電動汽車為輔,以維持站內(nèi)負荷需求。

采氣過程中采用密閉集輸流程，對含氣返排液進行氣液分離，氣體進入管網(wǎng)輸送；采用撬裝式、快裝式地面CNG裝置，確保單井探井產(chǎn)出氣及時充裝外銷；制定集輸設(shè)備檢漏維修程序，避免異常泄露；集輸管網(wǎng)、場站設(shè)置放空燃燒塔，可實現(xiàn)快速自動點火，避免甲烷氣體排放。

2.4.2 柴油機組廢氣減排控制

鉆機一般采用柴油機或柴油機發(fā)電機組作為動力源，使用過程中能耗比較高，能量轉(zhuǎn)換率較低，排出的CO2等溫室氣體污染大氣環(huán)境，且機械傳動產(chǎn)生的噪聲比較大，影響當?shù)鼐用竦纳?。通過鉆機改造，可將鉆機的動力來源由柴油改為電能，使用高壓網(wǎng)電替代柴油為鉆機提供動力，從而減少能量消耗和二氧化碳排放。鉆機實施網(wǎng)電改造需要解決以下問題：1)動力模塊替代，就是把原來的柴油機驅(qū)動替換為電機驅(qū)動；2)網(wǎng)電接入變壓和調(diào)整控制問題。根據(jù)井隊實際情況進行設(shè)備對接，優(yōu)化配置，網(wǎng)電設(shè)備達到安全可靠平穩(wěn)運行，實現(xiàn)利用高壓網(wǎng)電進行鉆井作業(yè)。

2.5 噪聲污染防控措施

為減少噪聲，嚴格控制鉆前施工機具作息時間和試氣壓裂求產(chǎn)時間，每天22∶00—6∶00期間嚴禁動用高噪聲機具作業(yè)；選用自帶消聲器的固定機械設(shè)備并加裝減震基座；集氣站的水套爐換熱系統(tǒng)改為兩級節(jié)流換熱系統(tǒng)，用吸聲棉包裹管網(wǎng)，噪聲降低5～10 dB；大力推廣網(wǎng)電鉆機，鉆機井場噪聲基本符合國家工業(yè)場界噪聲排放標準。

3 應用效果分析

3.1 土地集約化與復墾

涪陵頁巖氣田全面推廣應用叢式水平井模式，減小占地面積。以ZJ50型鉆機井場為例，采用單井模式所需井場面積為7 920 m2，采用叢式水平井平臺技術(shù)后單井面積為3 000 m2,同比減小占地面積62.1%。此外，對涪陵頁巖氣田具備復墾條件的平臺及集輸管線開展了土地復墾技術(shù)應用，復墾土地面積61.04×104m2，其中平臺區(qū)復墾面積8.44×104m2，集輸管線復墾面積52.60×104m2。

3.2 水資源節(jié)約與污染防控

頁巖氣田開發(fā)涉及鉆井、壓裂、試氣和采氣等多個工序，產(chǎn)生的污水主要包括鉆井污水、壓裂返排液和氣井采出水。采用清水鉆進技術(shù)，累計減少水基鉆井液使用量20 000 m3；應用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，累計減少鉆屑產(chǎn)生量26 666.4 m3，減少清水使用量約271 000 m3，節(jié)約了大量的水資源，同時避免了地下水污染，取得了較好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益。污水重復利用技術(shù)實現(xiàn)了污水循環(huán)利用率100%，累計重復利用污水119×104m3，節(jié)約水費1 300萬元，減少了水消耗，實現(xiàn)了工業(yè)污水零排放。

3.3 廢棄物處理

3.4 大氣污染防控

為了減少鉆井過程中柴油機組的燃油廢氣對大氣造成的污染，實施了網(wǎng)電改造，動力由“油”變“電”。截至2017年底，涪陵頁巖氣田41部鉆機進行了網(wǎng)電改造并投入使用，現(xiàn)場施工363口井，節(jié)省成品油14.91×104t，減少CO2排放量62.70×104t，取得良好的經(jīng)濟和社會效益。

為減少試氣投產(chǎn)過程中的碳排放量，在涪陵頁巖氣田推廣應用了可回收利用型頁巖氣井地面測試技術(shù)，成功率100%，累計回收頁巖氣960×104m3。例如，焦頁X井采用可回收利用型頁巖氣井地面測試系統(tǒng)進行放噴測試，累計進站回收頁巖氣49.7×104m3，二氧化碳減排量達914.48 t。應用大氣污染防控技術(shù)以來，累計減少頁巖氣放空燃燒量960×104m3，減少二氧化碳排放量1.77×104t。

3.5 噪聲污染防控

柴油在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的碳煙微粒和氮氧化物，實施網(wǎng)電鉆機改造后，提高了清潔能源利用率，減少了鉆井作業(yè)現(xiàn)場柴油燃燒廢氣，同時降低了施工噪聲，噪聲聲壓由93.1～94.3 dB降至76.1 dB，改善了現(xiàn)場施工環(huán)境，減輕了施工噪聲對周邊居民的影響。

4 結(jié)論與建議

1) 涪陵頁巖氣田開發(fā)采用了系列綠色清潔開發(fā)生產(chǎn)技術(shù)，制定了管理體系，實現(xiàn)了資源開發(fā)與環(huán)境保護并重的目標。

2) 涪陵頁巖氣田應用綠色開發(fā)技術(shù)后，油基鉆屑含油率降至0.3%，二氧化碳排放量、井場占地面積、水資源消耗和污染均大幅減小,對國內(nèi)頁巖氣田綠色環(huán)保開發(fā)具有較好的示范作用和借鑒價值。

3) 建議盡快建立、健全和完善頁巖氣田開發(fā)環(huán)保行業(yè)標準、持續(xù)加強油基鉆屑處理技術(shù)、裝備和標準規(guī)范研究攻關(guān)，實現(xiàn)集中處理，為頁巖氣田綠色清潔開發(fā)提供標準和技術(shù)支持。