頁巖氣開發(fā)水資源利用分析
——以恩施州為例

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(1.長江科學院 水資源綜合利用研究所， 武漢　430010；2.湖北省武漢市水文水資源勘測局，武漢　430073)

1　研究背景

頁巖氣是蘊藏于頁巖層中的一種天然氣，主要成分是甲烷，是一種清潔、低碳能源。近年來，水平鉆井和水力壓裂技術(shù)的運用，推動了美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，促使美國能源依存度拐點的出現(xiàn)[1]。近10 a，美國通過“頁巖氣革命”迅速從能源進口大國轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)大國，天然氣自給自足，還完成了從能源進口到能源出口的轉(zhuǎn)變[2]。

我國自2009年已超越美國成為世界第一能源生產(chǎn)和消費大國[3]，當前面臨嚴重的能源短缺危機，且不合理的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)已經(jīng)引發(fā)了嚴重的環(huán)境危機。然而我國頁巖氣資源潛力巨大，2013年美國能源局評價結(jié)果顯示，中國頁巖氣儲量36.1萬億m3，穩(wěn)居世界第一[4]。我國頁巖氣資源優(yōu)勢明顯，資源豐富、相對集中、開發(fā)潛力大。

2004年，我國著手進行頁巖氣資源評價，頁巖氣開始進入國家能源戰(zhàn)略視野。2011年國家將頁巖氣列為重要礦產(chǎn)、獨立礦種以來，國家明確提出加快頁巖氣勘查開發(fā)，同時出臺一系列的補貼政策，促進頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，我國能源對外依存度大，能源結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀依然存在。頁巖氣有望成為石油天然氣的重要補充，可以極大地優(yōu)化中國目前的能源結(jié)構(gòu)。

然而頁巖氣有別于常規(guī)天然氣。頁巖氣由于其自生、自儲、自保的特性[5]，需要運用水平鉆井和水力壓裂技術(shù)才能有效開采。水力壓裂是利用高壓泵將混合有支撐劑和添加劑的壓裂液注入井底進行液壓碎裂，通過支撐劑填充裂縫，使得天然氣從裂縫向外匯集的一種增產(chǎn)方法。頁巖氣開采過程中需要運用大量的水資源，且返排水的不完善處理會對環(huán)境造成巨大影響。根據(jù)美國經(jīng)驗[6]，一口井水力壓裂平均消耗1.5萬m3的水，且要在短時間內(nèi)注入。壓裂液中還要添加大概500種化學添加劑，壓裂結(jié)束后，隨著地層壓力釋放，30%～70%的污水將返排地表[7]，處理不當會污染地表水資源。除了耗水量大，污染水源外[8-9]，開發(fā)頁巖氣還會引發(fā)地震[10]，占用土地，破壞生物棲息地[11]等。

我國頁巖氣開發(fā)起步晚，開采方面存在開發(fā)技術(shù)不成熟、開采難度大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、水資源短缺等特征。且由于區(qū)域水資源分布不均和日益嚴重的水污染，頁巖氣開采過程中水資源利用是我國頁巖氣開發(fā)面臨的主要問題之一。

2　頁巖氣開發(fā)對水資源利用的影響

頁巖氣開發(fā)是高度密集型用水的過程，其使用的水力壓裂法開采需要大量的水資源作為支撐。在頁巖氣開采過程中，頁巖氣的開發(fā)生命周期包括井場準備、鉆井、完井壓裂、壓裂液返排和處理、氣體生產(chǎn)5個環(huán)節(jié)[12]，如表1所示。頁巖氣勘探、開發(fā)和生產(chǎn)過程中，面臨的水資源利用問題主要表現(xiàn)在2個方面：一是水資源消耗；二是水體污染。

表1　頁巖氣生命周期及對水資源的影響

2.1　水資源消耗

據(jù)美國能源局統(tǒng)計[13]，一個典型的頁巖氣開采過程中，鉆探和完井壓裂過程中大概要用1.5×104m3的水，而其中50%～70%的水會在此階段被消耗。壓裂過程需要大量的淡水配制壓裂液，用水量最大；鉆井過程除配置鉆井液外，清潔設(shè)備都僅需少量用水，美國主要頁巖氣田壓裂需水及占比見表2。

表2　美國主要頁巖氣田壓裂需水及占比

注：數(shù)據(jù)來源于文獻[8]

根據(jù)四川油氣田長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)5口水平井的經(jīng)驗，單段壓裂液量1 800～2 400 m3，全井共計壓裂12段，總用水量2.16×104～2.88×104m3[14]。我國現(xiàn)行頁巖氣開采技術(shù)主要直接采用美國的技術(shù)，但由于我國頁巖氣地質(zhì)條件更復(fù)雜、開采經(jīng)驗不足等問題存在，使我國頁巖氣開采耗水明顯高于美國。我國頁巖氣資源富集區(qū)主要處于水資源短缺的地區(qū)，頁巖氣開發(fā)勢必會加重當?shù)厮Y源利用負擔，威脅開采區(qū)的水資源可持續(xù)利用和發(fā)展[15]。

2.2　水體污染

水力壓裂法開采頁巖氣過程中，配置壓裂液的化學藥劑是水污染的主要來源。壓裂液由水、固體支撐劑(石英砂)和化學添加劑組成，水和砂占比達到99.5%以上，化學添加劑占比不到0.5%[12]，如圖1所示。

圖1　水力壓裂液成分示意圖[12]

除了有害化學添加劑外，返排液中還含有一定量的烴類化合物、地層產(chǎn)出物、重金屬和鹽類等。壓裂完成后，大量的返排水和生產(chǎn)水需回收集中處理，其儲存和處理負擔主要取決于壓裂階段注井用水量，注水越多返排越多，相應(yīng)處理難度將是極大的考驗，如若處理不當，勢必造成水體污染。

3　恩施州概況及水資源的基本特征

3.1　研究區(qū)概況

恩施土家族苗族自治州(簡稱恩施州)，位于湖北省西南部，地處鄂、湘、渝三省(市)交匯處，國土面積2.4萬km2，總?cè)丝?03萬，轄恩施、利川2市和建始、巴東、宣恩、來鳳、咸豐、鶴峰6個縣。恩施州屬中亞熱帶山地季風氣候地區(qū)，雨量充沛，空氣濕潤，豐沛的地表徑流，蘊含著豐富的水資源。全州多年平均降水量1 543.7 mm，多年平均水資源總量224.2億m3。全州河網(wǎng)密布，河長在5 000 m以上的河流382條，主要有清江、溇水、酉水、唐崖河、馬水河、忠建河、郁江、野三河、沿渡河等[15]。

3.2　水資源量及利用率

2015年全州平均降水量1 177 mm，水資源總量166.83億m3，位居全省首位(詳見表3)。全州產(chǎn)水總量占降水總量的52.7%，平均每平方公里產(chǎn)水量為69.7萬m3，與其他地市相比,水資源量相對豐富，人均、畝均水資源量僅次于神龍架，位居全省第二。2015年恩施州水資源利用率3.31%，遠低于全省平均利用率29.66%，水資源利用率偏低。

3.3　水資源州域分布

根據(jù)2015年恩施市水資源公報數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從降水量、地表水、地下水、總水資源、人均、畝均占有量上看(見表4)，恩施州水資源地理分布極不均勻。人均水資源量最高的鶴峰縣是最低的恩施市的3.9倍，且遠高于全州5 015 m3的水平。

3.4　水資源時空分布及年際變化

恩施州雨量充沛，但雨季主要集中在5—9月份，降水年內(nèi)分配不均，年際變化較大。根據(jù)恩施州2006—2015年水資源公報數(shù)據(jù)計算，降雨量、地表水資源量、地下水資源量、水資源總量、人均、畝均變異系數(shù)Cv值處于0.05～0.17之間(詳見表5)，說明除畝均占有量年際變化比較穩(wěn)定外，其余項目年際變化較大。

表3　2015年湖北行政分區(qū)水資源量

注：數(shù)據(jù)來源于文獻[16]

表4　2015年恩施州行政分區(qū)水資源量

表5　恩施州2006—2015年水資源量年際變化

4　頁巖氣開發(fā)水資源利用分析

根據(jù)國土資源部頁巖氣資源潛力評價結(jié)論，湖北省頁巖氣資源豐富、頁巖氣層多、面廣，潛在資源量9.48萬億m3，在國內(nèi)居第5位[17]。其中，恩施州頁巖氣資源約占全省一半，且鶴峰區(qū)塊、來鳳區(qū)塊、咸豐區(qū)塊為頁巖氣勘探有利區(qū)塊，目前已完成資源潛力評價工作。本文以2015年為研究水平年，研究頁巖氣開發(fā)對恩施州境內(nèi)3個頁巖氣開采區(qū)塊的影響，并分析區(qū)塊內(nèi)的水資源可用性。

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)用水量。根據(jù)恩施州2015年水資源公報得到各區(qū)塊現(xiàn)狀生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境的用水量。從圖2中可看出3個區(qū)塊生產(chǎn)用水占的比重最大，分別占80.72%,81.67%,79.92%；生活用水量次之，分別占18.88%,17.97%,19.72%；生態(tài)環(huán)境用水量占比都非常小，分別占0.4%,0.36%,0.36%。

圖2　恩施州3個區(qū)塊用水組成

頁巖氣開發(fā)需要消耗大量水資源。根據(jù)國際能源署統(tǒng)計，頁巖氣田平均每1 km2鉆井數(shù)<1口[18]。運用水力壓裂生產(chǎn)頁巖氣，平均每口井的耗水量，美國為1.5萬m3，國內(nèi)為2.5萬m3。由于國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，開采耗水量不斷減少，本文選取國際能源署公布的成熟頁巖氣田水力壓裂耗水數(shù)據(jù)作為耗水標準來計算頁巖氣開采需水量。擬認為3個區(qū)塊全部被頁巖覆蓋，以行政區(qū)塊面積為標準估算頁巖氣開采需水量，以2015年水資源總量作為水資源可利用量，計算頁巖氣開采水量占比，見表6。結(jié)果表明3個區(qū)塊的頁巖氣開采占比在1.64%～2.53%，均不大。然而3個區(qū)塊總用水量占可利用水資源量比例也只在1.38%～5.37%之間，頁巖氣開采用水占總用水量比例卻非常大，均大于生活用水量，其中鶴峰區(qū)塊頁巖氣開采需水甚至超過總用水量。頁巖氣開發(fā)需要大量消耗淡水資源，且要在短時間內(nèi)完成，此高強度且量大的用水勢必會對開采區(qū)造成一定影響。恩施州水資源雖然相對豐富，但是州域分布不均、時空分布不均等特點存在，如在未妥善安排水資源供給的情況下開采，將會對當?shù)厣钤斐珊艽蟮耐{。

表6　各區(qū)塊頁巖氣開發(fā)開采用水量占比統(tǒng)計

5　結(jié)論與建議

恩施州降雨量充足，水資源相對豐富，現(xiàn)有的水資源利用率只有3.31%，處于相對較低的水平，還有足夠充沛的水資源可供利用，因此開發(fā)頁巖氣資源對當?shù)氐乃Y源利用影響很小。但是由于考慮到供水能力等的影響，如果頁巖氣集中在相對較小的區(qū)域大規(guī)模且短時間內(nèi)取水，仍會對開采區(qū)造成一定的負擔。

頁巖氣作為一種清潔能源，在未來有很大的開發(fā)價值，積極開發(fā)頁巖氣對緩解我國能源對外依存過高、保障我國能源安全有重要意義。然而頁巖氣開發(fā)會消耗大量的水資源，在進行頁巖氣開發(fā)之前，應(yīng)加大評估力度，結(jié)合當?shù)厮馁Y料，探明開采區(qū)的水資源可用性，使頁巖氣開發(fā)真正服務(wù)于社會，不至于對水資源及生態(tài)環(huán)境等造成影響。結(jié)合目前頁巖氣開發(fā)需水分析，為減少對開采區(qū)水資源的影響，提出如下建議:

(1)合理規(guī)劃開發(fā)的層次，優(yōu)化水資源配置，有序進行頁巖氣開采，避免將耗水巨大的壓裂工序安排在枯水期，并且避免取水時間過于集中與當?shù)赜盟叻鍫幩?/p>

(2)重視生態(tài)環(huán)境保護，禁止在較小河流取水。當過量取水后，較小河流可能面臨干枯風險，極大地威脅當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

(3)探尋多渠道解決水資源短缺的方式。研發(fā)水資源循環(huán)利用技術(shù)，在減少壓裂液對環(huán)境污染的同時，回收再利用返排液可減少水資源的新取用量，從而減少水資源的消耗。建設(shè)蓄水設(shè)施，蓄積雨水、存續(xù)豐水期多余水量用于枯水期等。