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谈谈页岩气开采与四川盆地地震的关系

作者:范晓 来源:河山无言 本网发布日期:7/1/2019 10:03:00 PM

2019年6月17日,四川长宁发生6级地震,这是该地区自有历史地震记录以来,首次发生6级强震。由于长宁所在的四川盆地,是近年来页岩气高强度开发的区域,因此长宁地震以及四川盆地近年来较为频繁的中强震与页岩气开发的关系,成为业界及社会关注的焦点。

实际上,地震学界的专家自2011年以来,在四川、重庆境内对此问题已有较多案例的研究。本文主要综述这些专家的研究成果,以期公众对此问题有一个基本了解,同时也对政府及有关企业的减灾防灾工作提出建议。

首先谈谈页岩气开采的原理以及为什么它会诱发地震。

页岩,是由泥质或粘土质成份构成的沉积岩,由于它比较致密,或者说岩石中的孔隙较小较少,所以它具有隔水隔气的性能。不过,在地质历史中,由于页岩的形成常常伴随着有机质的沉积,所以它也是生成油气的重要岩层,但由于它的岩石结构特征,页岩中的油气往往都呈极为分散的状态,很难被开采出来,不像砂岩、石灰岩等孔隙、裂隙很发育的岩层那样可以形成很集中、也比较容易开采的油气藏。

2006年至2010年,由美国引领的“页岩气革命”,通过技术进步,破解了页岩天然气开发的难题,使美国页岩气的产量增加了20倍,在美国天然气总产量中,页岩气占比由2%提升到了20%。2009年美国超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国。2017年,美国天然气产量中已有超过一半来自页岩气。

“页岩气革命”的技术思路,简单地说,就是页岩不是很致密、其中的天然气很分散吗?那就通过人工使页岩在地下深处碎裂,让页岩中分散的天然气释放出来、集中起来,使其便于开采。具体做法是,通过钻井钻进到页岩中,然后把水、沙、化学药剂混合的液体通过高压注入到页岩层中,促使页岩碎裂,把其中的天然气驱赶出来,并利用水重气轻的原理,促使天然气向上运移、集聚,然后对其开采。以前的钻探都是由地表向下垂直打孔,现在发展的水平钻探技术,可以使钻井到了页岩层后,井孔进行弯转,顺着页岩层的水平方向钻进,以便更充分地对页岩层实施压裂。

地跨宾夕法尼亚州、俄亥俄州、西弗吉尼亚州,位于美国东北部阿巴拉契亚山脉西侧的马塞鲁斯盆地,是美国页岩气储量和产量最丰的地区。2017年,仅马塞鲁斯盆地的页岩气产量就达1775亿立方米,比当年中国的天然气总产量还要多285亿立方米。有意思的是,地质构造条件与马塞鲁斯盆地相近的四川盆地,也是中国页岩气储藏最丰富的地区,其资源量在中国的占比超过20%,资源量和可采资源量均居全国第一。因此,在中国近年来兴起的页岩气开发热潮中,四川盆地自然成为重中之重。

在得益获利的同时,“页岩气革命”也像一把双刃剑,带来了诱发地震、地下水污染、大量消耗水资源等环境与社会问题。页岩气开采之所以会诱发地震,是因为在注水压裂的过程中,不仅页岩会碎裂,地下岩层中的断层也会因为高压注水产生的压力、以及注水渗入断层产生的孔隙压力而被激活或激化,产生破裂和位移,从而导致地震。在美国、加拿大、法国、德国、英国等国的页岩气开采中,诱发地震的案例屡见不鲜。在加拿大的魁北克省,以及法国、德国、英国等地,出于环境与社会影响及其代价的考虑,一些水力压裂作业已被禁止。

四川盆地的页岩气开发中,的确也出现了诱发地震的案例。

重庆涪陵焦石坝地区是中国页岩气开采的先导区,自2013年该地区开始注水压裂以来,微小地震活动明显增强,据唐茂云等(2018)研究,这些微震小震的震源比较集中,主要分布于页岩气开采区边界断层以上,深度集中于3至8公里,与该地区页岩气开采注水压裂层位较为吻合,这些地震的时间与该区页岩气开采存在明显滞后效应。推测这些地震的出现可能为注水压裂后流体渗透扩散,使得边界上断层活化所致。不排除在页岩气开采过程中,引起“地震成核”(指地震孕育过程中,断层的错动在某一空间位置集中,形成较强地震的震源)的可能性。

重庆荣昌地区的案例可作为注水诱发地震机理的一个实证。据王小龙等(2011)研究,虽然不是页岩气开发注水压裂,而是对天然气开采过程中产生的污水通过几口深2至3公里的废井回灌,也使得荣昌地区地震活动显著增强,震级逐渐增大,发生5级以上地震2次,4级以上地震近20次,成为重庆地震活动最强地区之一。这种废水回灌在四川盆地的天然气采区普遍存在,例如张致伟等(2012)对四川自贡—隆昌地区注水诱发地震的研究;此外还有因盐矿开采注水诱发地震,例如朱航等(2014)对四川长宁盐矿注水诱发地震的研究,它们是页岩气开采之外,同样重要的注水诱发地震的活动。

据雷兴林(2017)的研究,四川盆地尤其是川南地区,随着废水回注的增加和页岩气开发的迅速发展,诱发地震活动明显增强,发生了数次震级在5级以上的中强地震。雷兴林认为,注水诱发地震活动受已有断层控制,这些断层多发育在沉积岩层内,而且川南地区具有较高的断层密度、并接近临界的构造应力,注水活动可以在几公里范围引起重要应力变化,这些因素构成了四川盆地的油气田容易发生注水诱发地震的必要条件。

据雷兴林等(2018)对宜宾珙县上罗及周边的页岩气开采地区的研究,有5次大于4级的地震与注水压裂同时发生,其中在2017年1月28日发生了4.7级地震。珙县上罗一带页岩气开采的注水压裂地层是志留系的泥页岩,埋藏深度约为2.3至3公里。该处水平钻井开始于2011年,而这些水平钻井系统性地注水压裂开始于2014年。自2014年12月开始,钻井平台周围局部地区地震发生率急剧增加。在上罗这个区域,每个注水压裂的井台通常包括4至8口井,水平方向延伸的井长约2500米,相邻的两口水平井的间隔距离通常在300至400米,两三口井之间交叉注水,平均单次压裂注水超过1800立方米,平均地表泵压约60至70兆帕(MPa),约相当于600至700个标准大气压,所有井在各个阶段的注水压裂中采用的平均注水速率约每分钟11至12立方米,对于含有6口井的单个平台,总注水体积超过15万立方米,在一些情况下可以达到20万立方米,注水压裂时间也通常超过2个月。上面提到的4.7级地震,造成距震中2公里范围内的两个村庄的23间房屋坍塌,548间房屋严重破坏。雷兴林等还指出,注水压裂地震并没有像天然构造地震那样产生明显的余震。通常,地震活动速率在注水压裂结束后会迅速降低到一个非常低的水平。但是,在大多情况下,一致的地震活动在注水压裂结束后会持续数十天。

雷兴林等(2018)还认为,与美国、英国、加拿大等地记录到的由页岩气开采诱发的2.0至4.6级的地震相比较,四川盆地与注水压裂有关的地震震级是如此之高。这是因为四川盆地从震旦系至三叠系的海相沉积地层以白云岩、石灰岩为主,岩石的强度很高,它可以吸收和积累更高水平的应力后才导致破裂,而且许多断层并不限于被注水压裂的页岩层之内,这些断层可以切穿震旦系至三叠系的地层,并延伸至震旦系之下的结晶基底。因此震源也不一定限于被注水压裂的页岩层内。

四川盆地的威远地区也是中国页岩气开采示范区,据王向腾等(2016)的研究,近年来这一地区页岩气开采之后,地震活动性显著增加,分别于2016年1月7日和7月27日发生两次3.5级左右的地震。雷兴林等(2018)也指出,四川盆地中央隆起区的威远页岩气开发区,表现出较强的注水诱发地震,威远注水压裂的地层也是志留系的泥页岩,但它的埋藏深度更大,其流体压力也比珙县上罗要高。这一地区在2018年7月23日发生3.6级、4.2级两次地震,2019年2月12日发生3.3级地震。

在被美国地震学会引述的一项最新研究成果中,雷兴林等(2019)等认为,他们有“完整的证据链”表明,2018年12月16日的兴文5.7级地震、2019年1月3日的珙县5.3级地震,是由于水力压裂作业诱发的。这主要指地震在时间与空间上与附近的注水压裂钻井群密切相关,而且2至10公里的震源深度也符合诱发地震的预期深度。

值得注意的是,四川盆地页岩气开发诱发的地震,无论强度和频度都超过了当地天然地震的历史记录,而且与同级别、震源深度相近的天然地震比较,它们的震感似乎更为强烈,极震区的地表破坏程度似乎也更大。

目前还没有研究成果证实长宁6级地震与页岩气开采有关,但这种可能性不能排除,这种风险需要警惕。长宁地震有一些新的特点,例如震级达到该区域创纪录的6级,余震十分频繁且震级较高。长宁地震究竟是注水压裂诱发地震,还是天然的构造地震?拟或是在注水压裂频频诱发地震的背景下,活化激发形成的构造地震?需要作进一步的研究。

由于页岩气开采诱发地震是一个客观存在的事实,因此对它的风险不能回避。为了更有效地防灾减灾,维护社会稳定,并使能源开发能够在对环境友好的、有序的条件下,可持续的进行,应该加强对四川盆地页岩气开发的环境管理与风险防范。在页岩气勘查与开发之前,应按照《环境影响评价法》进行严格的、有公众参与的、信息公开的环境影响评价;在勘探和开采过程中,应完善相关的监测、预警和应急措施;在有可能因注水压裂诱发地震受到严重影响的区域,建议进行建筑安全排查,对达不到设防烈度要求的房屋进行加固,避免因建筑坍塌造成重大伤亡;对确因页岩气开发诱发地震导致的损失,建议由相关企业和政府给予适当补偿。

参考文献

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张致伟、程万正、梁明剑等,2012,四川自贡—隆昌地区注水诱发地震研究,地球物理学报,55(5):1635-1645.

雷兴林、李霞颖、李琦等,2014,沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例,地震地质,36(3):625-643.

朱航、何畅,2014,注水诱发地震序列的震源机制变化特征:以四川长宁序列为例,地球科学—中国地质大学学报,39(12):1776-1782.

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