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页岩气-最终版本

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项目名称页岩气开采压裂液循环使用及排放对区域环境影响研究编 写 单 位 : 国家地质实验测试中心项目负责人: 编 写 人: 单位负责人:庄育勋提 交 单 位 :国家地质实验测试中心提 交 时 间 :2012 年 5 月 31 日第一章 前 言一、项目概况1.项目名称、承担单位项目名称:页岩气开采压裂液循环使用及排放对区域环境影响研究承担单位:国家地质实验测试中心2.项目所属的计划项目名称、实施单位计划项目名称: 实施单位:国家地质实验测试中心3.项目起止时间20 1 月至 20 12 月4.项目所属计划项目的工作周期三年二、目标任务本研究的主要目的是结合国家对页岩气资源开发的需求,对页岩气开采压裂液循环使用及排放过程所引起的区域环境影响进行评价,围绕其在水、大气及土壤环境尺度中的迁移、蓄 积和转化过程,借助 现代分析表征手段和方法,研究其区域生态地球化学行为, 为区域环境安全和页岩气资源的可持续开采服务。弥补国土资源系统在此领域的空白,为未来的页岩气资源调查做前期准备工作。第二章 研究现状一、国内研究概况及进展页岩气是在页岩孔隙和天然裂缝中以游离方式存在、在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在,甚至在干酪根和沥青质中还可能以溶解状态存在的天然气。作为从页岩层中开采出来的天然气, 页岩气是一种重要的非常规天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。 较常规天然气相比, 页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点,大部分产气页岩分布范围广、厚度大,且普遍含气,这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。作为一种新型的能源来源,页岩气的开发和利用技术成为国际热门的研究领域。水力压裂技术是目前 进行页岩气开发最成熟的技术,美国和加拿大主要采取这种技术进行开采。所谓 水力压裂就是通过将压裂液压入油井中,将岩层压裂,产生高导流能力的裂缝通道,再注入支撑剂(主要是石英砂)撑住裂缝,进而提高油气采收率的一种石油开采工艺。与此同时,一些新型环保的页岩气开采技术也逐渐出现。 2011 年,加拿大 司在无水压裂技术上取得突破—化石油气)压裂。裂在地下的表现完全与水力压裂不同,其在压裂过程中会因为压力和高温而气化,因此会与天然气一起被重新抽回地面,进行分离并最终做到重复利用。这种压裂手段相比于传统的水力压裂技术来说基本不需要水,也无需投入成本处理废水,极大地缓解了对环境和水资源的压力,但这项技术由于成本和安全性等原因在推广上还存在一定的难度。在我国,科研人员试图采用另一种无水压裂技术—超临界 裂技术带来的环境污染和水资源问题,但该研究还处 于实验室阶段,有一些技术难点有待克服。页岩气开采所使用的压裂液中,98%都是水,剩下 2%的成分是化学添加剂。在压裂结束后,约有 30%~70%的压裂液会被抽回地面,称之为“返排水” 。其中不仅含有用于保证水力压裂液流畅通、保护管道和杀死细菌的化学物质,还含有来自地下岩层的放射性物质和盐类,而且在开采不同类型页岩时所采取的压裂液的化学成分各不相同,如美国 2010 年 4 月的一份研究报告中指出,美国 14 家油气公司过去五年的页岩开采中使用的压裂添加剂中包括 750 种化学产品,以及有毒物质苯和铅等。表 1 为 岩水力压裂液的配方。这些返排上来的压裂液通常会有四种处理方式:循环利用、处理后排放到河流中、注入地下水以及储存在露天的蓄水池中。表 1 页岩气井水力压裂添加剂类型及作用表添加剂类型 主要化合物 作用酸 盐酸 有助于溶解矿物和造缝抗菌剂 戊二醛 清除生成腐蚀性产物的细菌破乳剂 过硫酸铵 使凝胶剂延迟破裂缓蚀剂 甲酰胺 防止套管腐蚀交联剂 硼酸盐 当温度升高时保持压裂液的黏度减阻剂 原油馏出物 减小压裂液与套管的摩擦力,减小 压力损失凝胶 瓜胶或羟乙基纤维素 增加清水的浓度以便携砂金属控制剂 柠檬酸 防止金属氧化物沉淀防塌剂 氯化钾 使携砂液卤化以防止流体与地层黏土反应酸钠或碳酸钾 保持其他成分的有效性,如交联剂防垢剂 乙二醇 防止管道内结垢表面活性剂 异丙醇 减小压裂液的表面张力并提高其返液率支撑剂 石英砂、二氧化硅 支撑裂缝2011 年,获得奥斯卡奖的纪录片 “天然气之地”(述了美国页岩气开发给环境带来的诸多负面影响,尤其是页岩气开采所采用的水力压裂技术可能导致开采地域的饮用水源受到污染,如一些从居民家水龙头里流出的水可以被直接点燃,饮用水也变得 浑浊不清,流 经开采地块 的河流里鱼虾绝迹。 2011 年美国环境保护署(展了针对水力压裂对水环 境影响调查,其中包括取水、压裂液溢出、对饮用水的影响、返排液的影响、 废水 处理五个方面。这个研究的最终结果预计将于 2014 年公布。2011 年,经国务院批准,页岩气作为一种非常规能源成为我国第 172 个独立矿种。在我国, 页岩气的开发处于起步阶段,目前主要是利用水力压裂技术进行页岩气的开发。在看到页岩气开发带来的巨大油气资源前景和商业利润的同时,我们必须要考虑页岩气开发所带来的环境问题,如所采用的水力压裂技术不仅要消耗大量水资源,大规模地开发页岩气会加剧水资源不足的矛盾,而且由于向地下注入裂解液可能导致地下水污染,同时还会带来大量可挥发性有机化合物及其他有害空气污染物的排放,从而对环境造成危害。工厂化作业除了对地表植被产生破坏,压裂液对地下水、土壤和地表水的污染外,开采过程对空气质量也会造成不良影响。据报道美国怀俄明州天然气开采造成臭氧超标十数倍。杜克大学对新泽西的页岩气开采的空气质量变化指出,氧化物和臭氧均有影响。页岩气勘探开发中造成的大气污染问题包括常规空气质量指标的污染和非常规空气指标的污染。我国《环境空气质量标准》中提及的空气污染物基本项目有硫氧化物、氮氧化物、臭氧、一氧化碳和颗粒物(包括 除了上述常 规空气质 量指标外,页岩气勘探开发中,会有甲烷、丙烷、丁烷和苯等挥发性有机污染物的释放。甲 烷作为一种温室气体,其温室气体效应强度至少是二氧化碳的 20 倍。一直以来,学者认为页岩气的碳排放是煤的一半,属于“环境友好燃料”,但 人的研究指出,学者们都低估了页岩气开采中的甲烷排放量及其长期的生态效应。认为, 近地史时期气候变化和甲烷的排放过程是一致的, 即甲烷在气候变化中扮演了重要角色。页岩气的勘探开采时排放的包括甲烷在内的上述挥发性有机污染物会对人类健康造成有害影响。考虑到我国是个缺水严重、水污染严重的国家,尤其是中国页岩气勘探的有利区域恰恰基本处于华北平原(黄淮海平原)、四川盆地、辽宁、山西、天山及河西走廊等重点缺水地区,这 就决定了除页岩气勘探开发技术外,我国页岩气资源开发的同时还需解决地理环境局限、潜在环境影响等问题。尽管美国已经着手对页岩气开发使用的水力压裂液对环境影响的调查评估,但不同的地质环境、地质构造以及页岩类型将导致中国页岩气开发所引起的环境问题具有中国自身的特点,在页岩气勘探开发过程的环境问题也不能照搬国外已有的数据。最重要的是,我国页岩气开发造成的环境污染方面尚没有数据支撑。因此,在我国页岩气大规模开采前,开展页岩气开采压裂液循环使用及排放对区域环境影响的评价工作对保护我国页岩气开发区域的环境资源安全具有重要的战略意义。三、项目组研究基础十一五期间本课题组成员承担了地质调查项目“不同景观城市环境地球化学调查方法技术应用研究”, 对长江三角洲、珠江三角洲地区土壤、水体和主要作物开展了环境地球化学调查,遥感波谱技术研究与 息处理等工作,基本确定了崇明岛、上海新江湾城以及珠江三角洲地区城市群土壤中典型持久性有机污染物的种类与区域空间分布特征,初步总结建立了一套环境地球化学评价的野外工作方法和室内实验测试技术,包括对多介质样品中有机氯农药、多环芳烃、多氯联苯、二恶英/呋喃、多氯萘等持久性有机污染物的研究,取得一定的研究成果,较好地揭示了所研究地区存在污染物的地球化学行为及分布特征。项目组还曾承担了“ 东北重工 业城市地球化学环境生态安全监测与修复治理技术研究”,对东北重工业区域(包括油田体系)内的有机 污染物和无机污染物的生态环境行为及环境影响进行了相关的研究工作,取得了较好的成果。第三章 研究内容及关键技术一、研究内容内容一 页岩气开采压裂液循环使用及排放对区域环境影响评价开展页岩气开采压裂液的循环使用及排放过程对区域环境影响的评价工作,研究压裂液中的化学添加剂、随钻流体中产生的可挥发性有机污染物以及地下岩层的放射性物质在压裂液循环使用和排放过程中物种种类及含量变化规律,对其在不同环境介质间的迁移分配规律、污染来源解析以及相应的生态环境风险进行评估。内容二 黔西北页岩气勘探开发中大气变化特征和空气质量评估调查黔西北地区页岩气勘探开发中甲烷、丙烷、苯等挥发性有机污染物的排放量,并对页岩气开采过程中排放量进行估算。研究黔西北地区页岩气勘探开发区大气中的微粒物质( 时间变化和空间分布特征;研究该区域臭氧、硫氧化物和氮氧化物的时空变化特征, 评价页 岩气的开采对该地区空气质量的影响。计算页岩气开采 对大气中甲烷、二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物的 贡献以及周边空气质量的影响, 对其进行进行综合环境评估。内容三 页岩气勘探开发水体中重金属变化研究为查明页岩气开采过程对周边水体质量的影响,本课题拟开展页岩气开发过程中地表水及地下水中重金属含量及形态变化趋势研究,弥补此领域国内研究空白。内容四 页岩气勘探开发水文地质及表层生态环境变化研究调查页岩气开采区域地下水的径流改变状况及其对表层生态环境影响,包括水体流量、植被破坏以及农业生产的影响, 为大规 模页岩气勘探开发提供生态环境领域基础数据。二、关键技术与技术创新本项目采用的关键技术如下:(1)减阻剂原油馏出物采用多维色谱2)水中有机污染物用固相微萃取或固相萃取法进行富集;(3)大气样品的采样将根据不同区域的地质环境分别采用主动和被动模式;(4)金属控制剂柠檬酸采用 S 进行分析;(5)抗菌剂戊二醛和缓蚀剂甲酰胺等在化学衍生基础上采用化学离子源 及离子阱串联质谱 (S)进行分析。 (6)页岩气勘探开发中甲烷、丙烷、苯等 挥发性有机污染物排放量的计算(7)微粒物质( 采集与检测本项目的技术创新如下:(1)页岩气压裂液中有机污染物环境影响的评价方法技术(2)高分辨有机质谱仪(定页岩气压裂液中未知复杂有机污染物(3)场区空气质量的综合评价指标和评价体系的建立第四章 技术路线本研究的技术路线详述如下:(1)文献调研,野外踏勘和研究区的选定。 选取典型页岩气开采地区作为研究区域,进行文献调研,野外踏勘;收集拟研究区域的地质、 环境及地球化学基本数据与相关资料,筛选重点研究区域。(2)采样方法采集研究区域内页岩气开采矿井压裂液初液、不同循环次数或时间后的返排液样本;同时,采集研究区域内不同深度地下水样本,水中有机污染物用固相萃取法进行富集。如果研究区域内的压裂液属于直排或处理后排放方式,则需要采集研究区域内的地表水和土壤样本,采集方法参照《区域生态地球化学评价技术要求》的规定。采集地表水 样本的采样点位置布设时尽量均匀分布在工作区域内,要兼顾河流的主干和支流,在主干河流和主要支流均布置采样点。当研究流经中等以上城市的河流时在该城市上、下游分别布置采样点。土壤样品的采样点也要均匀分布在研究区域内,用金属铲取土壤表层(0~5近表层(5~20一件,弃去生物碎片和粗颗粒物,取 样品重量约 2 做 实验室分析使用。另外还要采集研究区域内一定数量的土壤剖面样本进行研究。大气样品的采样将根据不同区域的地质环境分别采用主动和被动模式。(3)分析方法的选取与建立研究需要采集压裂液初液、不同循环次数或时间后的返排液样本、矿井周边不同深度地下水、土壤样本以及周边大气样本进行分析测试工作。对水、土壤或大气样品的萃取可根据基质的不同采用索氏抽提法、固相微萃取、固相萃取以及加速溶剂萃取法等。分离纯 化步骤可采用氧化铝效液相等分离方法。减阻剂原油馏出物采用多维色谱菌剂戊二醛和缓蚀剂甲酰胺等在化学衍生基础上采用化学离子源 及离子阱串联质谱(S)进行分析;金属控制 剂柠檬酸采用 使用的仪器包括高分辨质谱仪(高效液相瓦里安离子阱质谱仪(240气相色 谱仪(岛津 1100)等仪器。在 样品前处理时,针对不同介质的样品,采取不同方案:对土壤样品采用 式进行处理;水样品采用 式。(4)生态地球化学研究方法利用压裂液初液、不同循环次数或时间后的返排液样本以及矿井周边不同深度地下水、土壤样本中相关 污染物种类、含量的 变 异状况,建立 环境多介质样品中压裂液内相关污染物的源解析、迁移转化规律方面的研究。(5)生态风险评价方法技术采用实验室评价和实地应用评价方法,评估页岩气压裂液循环使用或排放对周边地下水、土壤的生态风险。包括利用半渗透膜采样技术(富集疏水性有机污染物模拟生物吸收过程、利用化合物的物理化学性质、环境行为特征及毒性当量建立生态风险评估方法。第五章 预期成果预期成果将以论文、论著、成果报告、培养研究生的形式呈现。1) 建立和完善压裂液内化学添加剂及相关污染物的分析方法。2) 提交研究区域中压裂液中相关污染物种类、含量的变异状况、源解析以及迁移转化规律方面的研究报告。3)提交页岩气开采对大气中甲烷、二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物的贡献以及周边空气质量的影响综合环境评估报告。4) 培养 硕士研究生 2 名、博士研究生 1 名。5) 在国内核心期刊及国际 录期刊发表 论文 3。
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