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頁岩氣開發誘發地震?來看看四川和北美的差異

http://dailynews.sina.com   2019年03月17日 16:41   北京新浪網

  原標題:頁岩氣開發誘發地震?來看看四川和北美的差異

  來源:中國新聞週刊

  油氣公司需要將相關數據向全社會公開

 2018年4月,頁岩氣開採隊的隊員們在雲貴高原烏蒙山深處山路上前行。圖/視覺中國 2018年4月,頁岩氣開採隊的隊員們在雲貴高原烏蒙山深處山路上前行。圖/視覺中國

  頁岩氣開發能否誘發地震

  文/李斯洋

  本文首發於總第891期《中國新聞週刊》

  美國“頁岩氣革命”的成功,讓貧油少氣的中國,將紓解自身巨大能源需求的希望寄託在頁岩氣上。各種數據顯示,中國的頁岩氣儲藏量位居世界第一,中國也一度對頁岩氣開發前景非常樂觀,制定了很多宏偉目標。

  但高儲量並不意味着高產量,究其原因,中國複雜的地質地貌條件、水資源約束、開採成本與技術瓶頸都成了頁岩氣開發之路上的障礙。

  與美國頁岩氣產區的大平原地貌相比,中國頁岩氣的開採大多分佈在崎嶇不平的西南山區,只能平整出大約足球場大小的作業空間,大型裝備很難進入。而美國頁岩氣儲層埋深僅在一兩千米,中國四川盆地的頁岩氣儲層埋深爲三四千米甚至更深,構造變形和斷層發育也比美國複雜得多。

  不一樣的自然環境不僅擡高了中國頁岩氣的開採成本,還讓頁岩氣與地震的關係成爲一個亟待中國自己開展研究的新課題。

  能否誘發地震尚無定論

  由美國擴展至全球的“頁岩氣革命”,得益於水平井水力壓裂技術的突破,這也是目前全世界開採頁岩氣的最主要方法。

  水力壓裂的原理並不複雜:先是從地面向下打井,進入儲藏頁岩氣的地層裏,再在其中水平打井;再用高壓泵將99%是水的壓裂液順井筒打入儲層之中。巨大的壓力使岩石產生一系列裂縫,將封閉在岩石孔隙中的頁岩氣聯通起來,壓裂液中的石英砂和陶粒隨水進入這些裂隙,將裂隙撐開。隨後,這些壓裂液會被抽回地表,頁岩氣就會從裂縫中釋放並順着井筒被採集出來。

  “水力壓裂製造微裂隙的過程中,一定會伴隨微地震的活動,但這種微地震與天然的構造地震不可同日而語。”澳大利亞昆士蘭大學地球科學與環境學院的趙爭光博士告訴《中國新聞週刊》:“水力壓裂產生的這種地震,震級一般都會在零級以下,相當於放鞭炮釋放的能量,在地面上的人是沒有感覺的。”

  中石油東方物探水力壓裂微地震監測專家餘剛在接受《中國新聞週刊》採訪時解釋說:“我們在四川做了大量的實際數據採集,水力壓裂產生的微裂縫水平方向延伸一兩百米,高度一般延伸幾十米,整個被改造體積在地殼尺度上範圍很小。這些微破裂的位移都是毫米級的,壓裂的應力也很有限。而4級地震這麼大的破壞,錯位都是幾十個釐米,起碼得好多個原子彈的能量才能引發這一場地震。”餘剛還指出,四川頁岩氣開採的水力壓裂位置在地下兩三千米,而天然地震的震源往往深得多。

  由人類活動所引發的地震即“人工地震”,包括人工激發地震和人工誘發地震。前者是指用人工爆炸的方法制造的地震,如核爆炸和炸藥爆破等;後者是指由於礦山開發、油氣開採或水庫蓄水等導致構造應力場變化而誘發的地震,往往事發區域內有先存斷層分佈。由於頁岩氣開採的水力壓裂作業強度比常規油氣田大得多,故水力壓裂誘發地震的問題在北美頁岩氣產區已得到了很多關注。

  2016年,在加拿大卡爾加里大學做博士後的鮑學偉在《科學》雜誌上發表了題爲《加拿大西部水力壓裂引起斷層活化》的文章。該研究對比了加拿大西部的地震數據與水力壓裂數據,表明地震在時空上都集中在水力壓裂點附近,水力壓裂作業引起的地應力變化可以使天然斷層滑動超過1000米;水力壓裂的施工壓力作用於天然斷層,可產生持續數月的地震。記者聯繫上如今已是浙江大學地球科學學院研究員的鮑學偉,他表示不便接受採訪。

  但另一篇文章的觀點正好與之相左。2017年,加拿大阿爾伯塔大學教授Mirko Van der Baan課題組在美國地球物理學會期刊《地球化學、地球物理學、地球系統》發表了《美國與加拿大的人工誘發地震與大規模油氣開採》一文。該研究統計了北美兩國油氣開採最活躍地區近50年的地震發生頻率,發現日益增加的油氣開採活動與地震沒有相關性。不過,令人關注的是,Baan團隊的資助方有殼牌、雪弗龍和赫斯基等國際石油巨頭的背景,而鮑學偉的研究經費則來自加拿大自然科學與工程研究理事會及卡爾加里大學。

  就北美地區的情況來說,水力壓裂誘發地震仍屬少數案例。英國杜倫大學能源學院2013年公佈的統計資料顯示,在自1929年以來的198例公開發表的研究案例中,水力壓裂誘發的地震僅3例,震級爲2~4級。鮑學偉也在上述文章中提到:在加拿大西部,大於三級的誘發地震中僅僅與0.3%的水力壓裂井有關。

  不過,趙爭光同時指出,“頁岩氣開採會有兩次注水,第一次是在產出頁岩氣之前,即水力壓裂。這些水還要抽出來,由車運到另一個地方集中,再回灌到地下,稱爲‘廢水回注’。這是油氣田常用的廢水處理方法,如果注水區存在天然斷層,廢水進入後就會產生高孔隙壓,對斷層起到潤滑作用。例如,美國俄克拉荷馬州的小型地震就是由廢水回注誘發的,已經發表了很多論文,美國地質調查局都承認這一結論。”

  但餘剛認爲,這一情況並不適用於中國。中國的頁岩氣開採井場大都在山上,需要把水拉上去,成本很貴,不像美國那邊河流多,沒有什麼山,也不需要長途運輸,所以中國頁岩氣開採的用水都要嚴格控制,水要循環利用。

  一位不願透露姓名的地震研究專家強調說:“頁岩氣開採和地震的關係問題需要在具體地區進行具體研究,因爲不同的岩石與地質結構的實驗結果可能差別很大。即使知道一般原理,還需要得到具體的觀測數據。”

 重慶涪陵的一處頁岩氣平臺,施工中的鑽井工人。圖/視覺中國 重慶涪陵的一處頁岩氣平臺,施工中的鑽井工人。圖/視覺中國

  數據難尋

  檢索國內外文獻發現,中國頁岩氣開採與地震的相關性的研究數量遠遠少於美國和加拿大。在爲數不多的中國案例研究中,期刊影響因子最高的是日本產業技術綜合研究所上級研究員雷興林2017年發表在《科學報道》(Scientific Report)的《中國四川盆地頁岩氣水力壓裂導致斷層再活化並誘發MW4.7級地震》。該研究地區位於四川盆地上羅及其周邊頁岩氣區塊,研究認爲,在地下2.3~3公里深度範圍內的水力壓裂短期(每個井數月)注水過程,可以誘發一系列最高可達MW4.7級的地震。

  文章呼籲:“因爲四川盆地中的水力壓裂作業正如火如荼展開,研究也將有利於地球科學、天然氣公司、管理部門和學術界共同探討顯著的注水誘發地震的地區因素,以確保頁岩氣水力壓裂有效進行和安全實施。”

  該論文第一作者雷興林2013年在接受媒體採訪時表示,由於相關企業對油氣開採和注水作業數據諱莫如深,研究者往往等到頻繁的小震活動或中級規模地震發生後才介入研究。

  地震專家在接受澎湃新聞採訪時曾指出,目前中國暫時沒有相關機制,保證科研人員可以從油田單位獲得這些數據。國內頁岩氣的開採主要由“三桶油”(中石油、中石化和中海油)承擔,地震局往往顯得弱勢。此前某地發生地震後,地震局出面去油田單位查詢數據,也遭到拒絕。報道稱,目前僅有重慶市地震局與相關頁岩氣勘探單位建立了協調機制,共享數據以研究頁岩氣開採和地震之間的關係。

  “在北美,石油公司的鑽井、壓裂數據和地震數據都是公開的,可以通過加拿大地震局或美國地質調查局等部門下載這些數據,很多科學研究都可以申請和利用這些數據。但國內這些數據全部都在石油公司手中,任何機構,包括中國地質調查局都拿不到這些數據。”趙爭光說。

  一位從事頁岩氣開採的油氣公司人員告訴《中國新聞週刊》,美國石油公司的資料須交給政府,這些數據可以共享和買賣;但在國內,這些數據是每個油田的資產,是保密數據,只能內部使用或共享給合作單位。“對於頁岩氣開採與地震的關係,國家應該立項研究,讓油田把數據拿出來。”

  法規待完善

  2015年8月17日,加拿大英屬哥倫比亞省發生里氏4.4級地震,震中距離一個頁岩氣井場僅3公里,該公司立即暫停了壓裂作業。根據該省法律規定,如果作業時發生的地震震級超過4.0級,必須停止一切壓裂作業,直到減災預案到位才能恢復施工。英屬哥倫比亞省石油和天然氣委員會隨即着手調查油氣公司壓裂作業與此次地震之間的相關性。

  趙爭光解釋說,北美的石油公司與壓裂服務公司在井場作業時,有一套“紅綠燈系統”的操作規範。比如在水力壓裂過程中,如果現場監測到微地震事件大於等於0.5級時,就應該立即停止壓裂;介於0到0.5級時,應謹慎注水,減小排量;小於0級時按原計劃進行。“這個規範是公司自己需要遵循的操作規程,不是政府強行規定。”英國2015年1月的一次3.9級地震,使該國也很快採用了這套“紅綠燈系統”制度。

  然而,據四川石油天然氣發展研究中心辦公室主任溫馨2017年12月在《中國國土資源經濟》發表的文章,目前,中國還沒有專門的油氣監管機構,監管力量分散,實行的是“企業自律監管爲主,政府監管爲輔”。

  目前由於國內缺乏專門針對頁岩氣勘探開發的管理政策,許多實踐環節仍參考傳統油氣的操作規程,但實際上,傳統油氣開採的相關管理政策已不能滿足頁岩氣開採的需要。

  例如,在環境評價方面,溫馨在文中指出:“我國國家層面尚未制定專門針對頁岩氣開發建設項目的環境影響評價技術導則,在實踐中環評機構多參考採用《環境影響評價技術導則:陸地石油天然氣開發建設項目(HJ/T 349-2007)》,對於頁岩氣滾動開採存在的環境風險及其對應的環保措施未能充分反映。”

  國土資源部礦產資源儲量評審中心原主任張大偉向《中國新聞週刊》透露,生態環境部將計劃參考四川涪陵頁岩氣田的標準來制定,只是這套標準目前尚未出臺。

  3月1日,自然資源部油氣資源戰略研究中心召開2019年工作會議。會議透露,中國首個生態約束性油氣資源指標將在今年年底出爐。

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