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页岩气开采需谨慎

最近一段时间,由美国刮起的页岩气开采热潮已经涌入中国,由于出现了可以将这种蕴藏在致密岩层中的天然气开采出来的技术,一向缺气,到处找气的中国,天然气储量一跃成为世界第二,与美国页岩气资源量大体相当。

但是,特殊的资源,需要特殊的技术,开采页岩气所需要的水力压裂技术,不仅需要消耗大量的水,而且废水的处理也是严重的问题,这已经在美国引发了广泛的争论。

在纪录片《天然气国度》中,由于Exco能源公司的钻井机无意中造成了浅层天然气的泄露。甲烷已经渗入到当地的饮用水几位当地的居民在接受采访时,就在镜头前点燃了从家中水龙头中渗出的甲烷气体。

目前,美国国会已经着手从立法上防止页岩气开采所可能带来的环境危害。但是中国在环境立法上原本就滞后,在页岩气这一新生事物面前,就更显得力不从心。

在今年8月底到9月初的一周时间里,我们几位中国记者走访了壳牌公司在加拿大的非常规气开采基地,在每个钻井场地上,都矗立着十几个硕大的储水罐,开采工作对水的饥渴是不争的事实,对地下水的威胁也并未完全消除。

但是通过在环境上不惜成本的投入,非常规气开采与自然环境的和谐相处是有可能的,这也为即将大规模开采页岩气,却又面临着比北美更严重环境问题的中国提供了一个答案。

2008年,壳牌以62亿美元的代价,收购了Duvernay公司在位于加拿大俾诗省(British Columbia)东北部的“桦树场”项目及其相邻的土地权益,当时的估计是拥有6万亿立方英尺的资源量。按照原定计划,他们准备在20年内打下3000口井,从2008年到现在已经打了近200口井,主要集中在北部区块,根据现在的评估,桦树场的估计资源量又上调了30%,达到8万亿立方英尺。

桦树场的主要开采区域位于上芒特尼地层,中性目标深度在2200-3000米,属于浅水陆架沉积体系,主要是从微细纹状的页岩和粉砂岩中开采生产。这两种岩石非常致密,孔隙度和渗透率都非常低。

在没有发明水平井和水力压裂技术的时候,这里只能生产少量的酸气,之所以被命名为“酸气”(sour gas),是因为这种天然气含硫量比较高。在这里还保留着一个废弃的几十年前的酸气竖井。现在开采出来的页岩气、致密气都基本不含硫,因为处理工艺简单,经济价值就更高,所以他们就把这种气叫做“甜气”(sweat gas)。

在桦树场的一个开采平台上,这里有5个气井正在生产,钻井队正在开掘更多的气井。为减少对地面的占用,他们在这里使用丛式井技术,每个井丛有4组各6口井,或两组各13口井。这样不需要在地面上占用太多的土地,就可以在地面上把许多口井像章鱼的触角一样,深入3000米地下的储气岩层。

在进行压裂时,需要将生产井关闭,每天可以进行四次压裂,每次包括射孔和注水两个步骤,需要两天时间才能完成一口井的压裂工作。

水力压裂的目的,是为了增加井孔与气藏岩层的接触,为油气提供一个向井孔流动的高渗透通道。高压液体被注入钻井使岩层裂开后,高压液体中的支撑剂可以把裂缝保持住,成为油气导向钻井的高速通道。

一般来说水平井分为8-10个分段进行压裂。每个分段有200米左右。承担这一任务的Calfrac油井服务公司首先用电驱动的射孔弹在水平井上下打出40厘米深的射孔,然后将高压水打入射孔,这样就可以在岩层中打出树枝状的裂缝。天然气就可以从裂缝中溢出,进入气井。

每口井压裂需要5000-8000立方米的水,桦树场目前的水源主要是来自当地的皮斯河、水井以及回收自桦树场已经完成的生产井的水。大约需要200辆卡车才可以把一口井中用完的废水运走。这些水相当于一个3.2米深,50乘50米的游泳池。

完成压裂后,水会自动出来,一开始比较多,后面会越来越少,大约要3年时间,才会完全排空。废水回收后,大部分是可以再利用的,多余的部分需要注入地下空井。

水力压裂技术,是目前唯一可以开启页岩气矿藏的金钥匙,但也是一把双刃剑。这种消耗大量水源、并且将地下岩层打出裂缝的开采方法,已经在环境标准非常严格,目前已经有32个州用来开采页岩气的美国引起争议。

对于美国在地下水中发现甲烷的问题,这一方面可能是那里的水井本身就穿过了煤层,因此有甲烷进入,另一方面可能是在气井的隔离手段上做的不足。

壳牌在桦树场气井的隔离手段,包括水泥和钢管的双保险。首先,需要打一个600米深,30厘米宽的竖井,这个竖井的深度要超过地下水层150米以上,而后插入一根22厘米宽的钢管,然后在钢管中注入水泥,用水将水泥推入钢管壁和气井壁之间,在完成这一竖井的加固后,再在钢管中继续向下打井,直径20厘米,深度要达到2300-3000米。

在竖井完成后,需要在水平钻井的启动点更换为可以调节方向的MWD钻头,钻头上的伽马射线、超声波和密度波监测设备,可以给操作人员实时反映钻头的部位和方向。

水平段的钻井长度在1800米左右,整个气井长度一般在4300-5000米,钻井时间需要10-20天。钻井完成后,要在井中加入一根11.4厘米宽的钢管,并以和竖井中同样的方法,在内层钢管和井壁之间注入水泥加固。

在壳牌,每个气井完成后都要经过气密性检验,检验通不过的话不会开始生产。

水力压裂液中的复杂成分,也是引起环境争议的问题之一。一般来说,每个射孔都需要打入几十吨砂子和树脂,将岩层变成疏松的结构,压裂液的成分中99%是水和砂子,1%是添加剂,包括润滑剂、杀菌剂和防腐剂。每口井的压裂需要7000吨水和1200吨砂子。

在桦树场项目中,目前并未发现污染地下水的情况,因为一方面压裂的位置要比地下水低150米左右,另一方面气井管道也与岩层有钢管和水泥层的双重隔离。

通常一个水平井需要进行8-9次压裂。每次压裂后回收的水,都在静置沉淀后重新进入储水罐,再添加一些杀菌剂后进行下一步的压裂工作。这一场地的压裂工作完全结束后,回收的压裂液将经过管道送到几公里外的一个蓄水池。

这里有两个2万立方米容量的蓄水池,一个用来储存废水,一个用来储存来自当地的皮斯河和水井的新鲜水,每天当地政府只允许他们从自然水源抽取几百吨新鲜水,而进行一口井的压裂就需要6000-8000吨水。大部分的压裂液只能使用回收的废水。

由于废水中含有盐分、还含有凝析油,需要在废水池下面垫上防渗膜,并且在废水池上面覆盖铁丝网,以防鸟类来喝水。光建这个网就花了35万美元,两个池子的花费近200万美元。

2010年,壳牌中标了桦树场附近的道森克里克市的一个污水处理项目,这个项目就包含了为桦树场项目的水源和废水处理提供解决方案。壳牌提出的方案是利用处理过的城市废水作为桦树场的水源,桦树场的废水也可以送到这里进行处理,这个项目就包括了一条49公里长的输水管道,这也可以避免使用卡车运水导致的噪音和扬尘问题。

道森克里克再生水设施,壳牌出资975万加元,每天可产出再生水4000立方米,再生水可通过管道输送至气田备用,将被主要用于压裂;预计2012年初投入运营。

城市废水和压裂废水在道森克里克市处理后,虽然不能喝,不仅可以作为压裂用水,还可以作为市政用水,也可以给体育场浇水用。一年后,他们就不用从河里、井里取水了。实际上现在也已经不用从皮斯河取水了,只是从水井中取少量的水作为压裂水的补充。

实际上,他们的作业场地,就在居民的牧场中间,这里的300多居民,被壳牌称为“第一民族”,在做任何作业的时候,都需要跟他们解释是否有危害。每年还要和他们开一次茶话会,听取他们的意见和要求。这里还有居民们饲养的8000多头牛,每个到卑诗省旅游的人,不仅要吃这里著名的鲑鱼,还有鲜嫩的牛排。

而且,通过和污水处理厂建立合作关系,对壳牌来说也具备长期的经济效益,因为从自然水源取水的话,加上运输费用,每吨需要20美元,不仅污染环境、而且价格昂贵。通过与道森克里克市合作的方式,可以实现环境、社区和长期经济效益的三赢。

针对页岩气的水问题,美国地质调查局提出了需要着重注意的3个前提,包括钻探用水不能给当地的水资源带来冲击,应避免小流域和河流的退化,评估选定合适的处理方法处置含有污染物质的大量钻探回收水。

而美国能源部则强调,页岩气是否能够成功开发,取决于在不干扰当地工农业正常用水的前提下,当地水资源的供水能力是否能够满足页岩气井的钻探与水力压裂用水。

对于中国来说,当务之急是认清页岩气的巨大利益和潜在风险,对页岩气的开发,要量水量力而行。

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