美國頁巖開發(fā)導(dǎo)致地震頻發(fā) 敲響頁巖氣警鐘

2013年4月16日的美國地質(zhì)學(xué)年會上，美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey）發(fā)布一份報告，稱美國中西部地區(qū)近十年來的地震頻發(fā)現(xiàn)象，“幾乎可以肯定是人為的”。

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計，2001年以來，美國中西部阿拉巴馬州到北方落基山脈地區(qū)地震頻發(fā)。僅2009年，該地區(qū)就發(fā)生了50次3級及以上地震；2010年，3級及以上地震達到87次；2011年則達到驚人的134次，為上世紀同期的6倍。

前述報告認為，石油和天然氣鉆探活動是該地區(qū)地震頻發(fā)的主要貢獻者。其中，頁巖氣開發(fā)使用的水力壓裂法及該方法涉及的廢水處理井，尤其值得人們關(guān)注。

這份報告是全球迄今為止對水力壓裂法和地震關(guān)聯(lián)的最權(quán)威解讀。報告公布后，美國民眾再次就頁巖氣水力壓裂法的環(huán)境地質(zhì)影響展開激烈辯論。此前，對頁巖氣開發(fā)的主要批判是針對淡水消耗和水體污染。

開采頁巖氣引發(fā)地震盡管遠在美國，但并非與中國無關(guān)。

中國近年正在效仿美國，試圖發(fā)動一場“頁巖氣革命”。根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》，中國力圖實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化產(chǎn)值從零至1000億立方米的跨越。被美國地質(zhì)調(diào)查局認為可引發(fā)地震的水力壓裂法，正是中國未來開采頁巖氣的主流技術(shù)方向。

值得注意的是，中國近四成頁巖氣資源儲存在包括四川盆地、云貴高原在內(nèi)的中國西南地區(qū)。過去幾年間，頻發(fā)的地震災(zāi)害已給這一地區(qū)百姓的生活蒙上陰影。

一些地質(zhì)學(xué)家也因此對中國政府的頁巖氣開采規(guī)劃表示出謹慎的擔憂：一旦人口稠密、地質(zhì)活動活躍的西南地區(qū)開始大規(guī)模頁巖氣開發(fā)，將不得不面對潛在的地震風(fēng)險。

業(yè)內(nèi)人士則透露，對地震風(fēng)險的評估尚未進入中國頁巖氣商業(yè)開發(fā)可行性評估的視野。

危險并不遙遠，未雨綢繆已當時。

地震國際爭議

水力壓裂法，是將壓裂液（99%為水，另含有少量添加劑）高壓灌入油氣儲備層，由此壓裂巖石層，從而獲得油氣資源的油氣開采方法。

1948年，美國俄克拉荷馬州進行了全球首次壓裂實驗。此后，水力壓裂技術(shù)被廣泛用于工業(yè)。然而，直到2000年，美國才開始正式對水力壓裂作業(yè)進行監(jiān)管，對其環(huán)境影響的研究則更晚。

截至目前，水力壓裂法仍是獲取頁巖氣的惟一渠道。

頁巖氣（shale gas）是儲存在地殼的頁巖層中的天然氣。由于頁巖區(qū)塊的滲透性有限，限制了氣體流向井筒。要釋放頁巖內(nèi)所含氣體，只能通過水力壓裂創(chuàng)造有效滲透性。

從原理上講，水力壓裂作業(yè)在井下將頁巖打碎，本身即會引發(fā)微小型地震。不過，這些地震震級很小，一般在3級以下，對地表建筑不會產(chǎn)生多少直接影響，亦不易被人察覺。

美國俄克拉荷馬州地質(zhì)調(diào)查局研究員奧斯丁•霍蘭德（Austin Holland）告訴財新記者，水力壓裂法引發(fā)小型地震，已經(jīng)在一些國家被證實。

位于加拿大西部的大不列顛哥倫比亞省的霍恩河流域，水力壓裂法曾造成了一系列3級及以上地震，最大震級達到3.8級。

2011年4月和5月在英國蘭開夏郡分別發(fā)生2.3級和1.5級地震。根據(jù)英國地質(zhì)調(diào)查局（British Geological Survey）發(fā)布的調(diào)查報告，兩起地震均系夸德里拉資源公司在頁巖氣開采的水力壓裂作業(yè)過程中高壓灌注壓裂液所引發(fā)的。

2011年5月起，英國政府決定暫停采用水力壓裂法技術(shù)開采頁巖氣，英國民眾亦就是否應(yīng)繼續(xù)頁巖氣開發(fā)開展了激烈的辯論。

出于對未知風(fēng)險的謹慎立場，一些國家和地區(qū)的政府目前仍暫停境內(nèi)的頁巖氣開采活動，這包括法國、瑞士、保加利亞和美國新澤西州等。

不過，對于水力壓裂和地下注水引發(fā)地震的風(fēng)險，科學(xué)界一直存在爭議。波蘭國家地質(zhì)研究院于2012年公布的一份關(guān)于頁巖氣鉆井和水力壓裂法的環(huán)境影響評估報告稱，除導(dǎo)致可容許范圍內(nèi)的噪聲臨時升高，水力壓裂不會產(chǎn)生空氣污染，也不會影響地表水和地下水的質(zhì)量，更不會引發(fā)地震。

2013年12月，英國能源與氣候變化部(DECC)在警示未來仍存在更多地震風(fēng)險的同時，也批準重啟頁巖氣開采。

中國注水地震

中國的頁巖氣目前尚處試采階段，還未進入商業(yè)開采。不過，中國學(xué)者對高壓地下注水誘發(fā)地震的問題并不陌生，此種人為地震與水力壓裂法開采頁巖氣引發(fā)地震的原理，極為類似。

20世紀70年代以來，中國研究者已觀測到華北任丘油田、山東勝利油田、重慶榮昌地區(qū)采氣注水及四川長寧鹽礦井注水等工業(yè)活動誘發(fā)地震的現(xiàn)象。

在位于四川盆地上的自貢和榮昌兩地，研究者已對注水活動誘發(fā)的地震進行了較詳細的研究。

據(jù)四川省地震局張致偉等人2012年5月發(fā)表在《地球物理學(xué)報》上的論文，2009年1月，位于四川省自貢市大安區(qū)牛佛鎮(zhèn)與隆昌縣黃江昌鎮(zhèn)交界的天然氣采空廢井“家33井”在人為加壓注入廢水后，注水井周邊地區(qū)立即出現(xiàn)顯著的小震增強的異常現(xiàn)象，隨著注水壓力的增加，注水井周邊先后發(fā)生4.4級和4.2級地震，每月可觀測到的小型地震也達到160余次。

在地方政府的介入下，“家33井”的注水量開始下降，隨后兩月，地震頻次與震級大小均出現(xiàn)回落。

分析顯示，在注水壓力持續(xù)升高的背景下，注水井周邊地區(qū)地震活動強度、頻次與注水量呈現(xiàn)出較好的對應(yīng)關(guān)系，加壓注水是誘發(fā)上述地震的主要原因。

張致偉等指出，注水井持續(xù)加壓導(dǎo)致地下巖層節(jié)理、裂隙擴張，在水的潤滑作用下，產(chǎn)生了更多微破裂，致使小震增加。這些地震均為淺源地震，即便是兩起4級以上地震，其震源深度也僅為5公里和4公里。

在位于四川盆地東緣的重慶榮昌地區(qū)，研究者也對注水地震進行了研究。

榮昌的地震活動原本很弱，歷史上本無5級以上地震記載，但自20世紀80年代末期開始，隨著工業(yè)部門將天然氣開采生產(chǎn)的廢水通過廢井進行回灌，該地區(qū)的地震活動開始明顯增強，震級亦逐漸增大。

根據(jù)重慶市地震局、中國地震局地質(zhì)研究所和日本地質(zhì)調(diào)查所進行的聯(lián)合研究，近20年來，榮昌地區(qū)共觀測到3萬多次地震，其中5級以上2次，4級以上近20次。

榮昌地區(qū)成為重慶市地震活動最強的地區(qū)之一。其中，在1997年和2010年，在注水活動集中的廢水回灌井附近，分別發(fā)生5.4級和5.1級地震。

這些地震也呈現(xiàn)淺源特征，震源多數(shù)在2000-3000米左右，一些微震的震源甚至小于1公里。

在榮昌縣的昌元、昌州等多個地區(qū)，當?shù)鼐用窠?jīng)常能夠感受到震感，地震時伴有房屋門窗發(fā)響。其中幾次4級以上地震，還導(dǎo)致廣順街道、安富鎮(zhèn)房屋倒塌、跳閘斷電。部分群眾還聽到轟隆作響的地聲。

參與榮昌地區(qū)注水地震研究的日本地質(zhì)調(diào)查所研究員雷興林告訴財新記者，水力壓裂肯定會產(chǎn)生微震，但是微震還是大震，取決于當?shù)厥欠裼邪l(fā)生大地震的地質(zhì)條件。

雷興林指出，水力壓裂與地下注水誘發(fā)地震的原理實際是一樣的，無論是水力壓裂還是地下注水，是否觸發(fā)較大地震取決于在其壓力影響范圍內(nèi)是否存在具有產(chǎn)生較大地震的結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面尺寸、應(yīng)力狀態(tài)和注水導(dǎo)致的壓力變化，是影響地震震級的主要因素。

他強調(diào)，雖然頁巖本身是低滲透、塑性相對較強的巖石，其壓裂本身不會導(dǎo)致太大地震，但如果有斷層切斷或抵達水壓致裂頁巖層，則仍有觸發(fā)或誘發(fā)較大地震可能，且誘發(fā)地震的震級是沒有上限的。

也就是說，雖然頁巖本身破碎不至于產(chǎn)生大地震，但如果有斷層貫穿這些頁巖，水力壓裂產(chǎn)生的壓力就會沿著斷層擴散到其他地區(qū)。

一般而言，注水壓力越大，注水時間越長，注水的影響范圍越大，觸及較大斷層可能性便越大，發(fā)生高震級地震的風(fēng)險也就越大。

前述美國地質(zhì)學(xué)者奧斯丁•霍蘭德也指出，誘發(fā)地震的最大因素是所在地原本的地質(zhì)和應(yīng)力狀況，因此，在地質(zhì)構(gòu)造活躍地帶進行水力壓裂和高壓注水活動時，應(yīng)更加謹慎，水力壓裂井與廢水處理井均應(yīng)盡量避免斷層。

“從四川盆地、云南、貴州、廣西等油氣底層及構(gòu)造特征來看，總體上大規(guī)模開采時發(fā)生較高震級的誘發(fā)地震的風(fēng)險較大。若在這些地區(qū)進行深井回灌或地下注水，無疑將增大誘發(fā)地震風(fēng)險。”雷興林說。

頁巖氣警鐘

根據(jù)美國能源信息署2011年估計，中國擁有1275萬億立方英尺（約36.1萬億立方米）的技術(shù)可及的頁巖氣資源，超過美國和加拿大的總和。

不過，中國近四成頁巖氣資源分布在西南地區(qū)，覆蓋四川、重慶、云南、貴州、廣西等省市區(qū)。這些地方約儲存有10萬億立方米的頁巖氣。

與美國頁巖氣資源大多儲于深度不足3000米的海系頁巖層的情況不同，中國西南地區(qū)的優(yōu)質(zhì)頁巖氣資源主要儲存在地下3000-5000米之間的陸系頁巖層。

美國頁巖氣資源分布地區(qū)地表條件優(yōu)越、地勢平坦、地廣人稀，中國西南地區(qū)則地形復(fù)雜、地勢高差大、人口密集，大規(guī)模鉆井不僅會對人口密集地區(qū)產(chǎn)生干擾，還會增加當?shù)貙A(chǔ)設(shè)施的需求，更容易誘發(fā)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)國際能源署（International Energy Agency）的統(tǒng)計，頁巖氣開發(fā)所需的壓裂井數(shù)量是傳統(tǒng)油氣資源的10倍，且鉆井和生產(chǎn)作業(yè)對地面影響較大。

奧斯丁•霍蘭德告訴財新記者，雖然水力壓裂和高壓注水活動導(dǎo)致大地震是小概率事件，但這并不代表沒有發(fā)生的可能性。因此，對這些可能的地震風(fēng)險進行充分論證和監(jiān)控是有必要的。

據(jù)雷興林介紹，對于人為地震活動，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行實時概率預(yù)測是可行的。多數(shù)情況下，停止注水后，地震活動會迅速衰減和消失，這在四川南部尤其明顯。

不過，雷興林指出，由于相關(guān)企業(yè)對油氣開采和注水作業(yè)數(shù)據(jù)諱莫如深，研究者往往等到頻繁的小震活動或中級規(guī)模地震發(fā)生后才介入研究。

“如果可以提前合作，研究者對水力壓裂井和注水井周圍的地震活動進行加密觀測，跟蹤注入液去向，評估壓力是否向大斷層擴散，并通過統(tǒng)計方式預(yù)測發(fā)生大地震的可能性；當判斷存在誘發(fā)大地震危險時，企業(yè)可及時通過改變注水壓力、注水方式，預(yù)防大地震的發(fā)生。”雷興林說。

財新記者獲悉，截至目前，中國頁巖氣開發(fā)尚未采用地下注水方式處理廢水。在重慶和陜西進行的小規(guī)模頁巖氣試開采活動，均通過水處理方式處理廢水。不過，對于日后大規(guī)模開采后的頁巖氣廢水處理方法，業(yè)界也沒有定論。

一位外資頁巖氣運營商顧問向財新記者坦陳，頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響本身就是一個很敏感的話題，公開討論不多。其原因，乃是國內(nèi)頁巖氣開發(fā)規(guī)模有限，環(huán)境影響尚不突出。“但這并不是說沒有問題，只是規(guī)模還不到。”他補充道。

一位中石化內(nèi)部人士告訴財新記者，目前，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的確還沒有把頁巖氣開采誘發(fā)地震作為一個問題正式討論過。他認為，即便是剛剛發(fā)生雅安地震的四川省，也不至于“談?wù)鹕?rdquo;。

“美國每年新增一到兩萬口井，都是用水力壓裂。如果（地震）問題那么嚴重，也不會繼續(xù)這樣大規(guī)模的開采。”上述人士稱。

中石化石油勘探開發(fā)研究院高級工程師包書景坦陳，現(xiàn)階段對頁巖氣商用開采的環(huán)境影響評估，的確還未將地震風(fēng)險考慮進去，主要原因是主流觀點認為人工壓裂量與自然的壓力差得很遠。不過，包書景表示，“如果說水力壓裂是（引發(fā)）地震的最后一根稻草，這種可能性也是有的。”

包書景認為，提示可能的地震風(fēng)險，將地震風(fēng)險納入頁巖氣開采環(huán)境影響評估，是應(yīng)該的。

雷興林建議，油氣企業(yè)的地下作業(yè)和注水活動的環(huán)境影響評價應(yīng)由中立的第三方機構(gòu)進行；在國家和政府層面，也應(yīng)該有相應(yīng)的監(jiān)管機制，對這些具有產(chǎn)生地震風(fēng)險的作業(yè)活動的安全性進行有效監(jiān)控。

“在經(jīng)濟優(yōu)先的大前提下，中國在上述方面有些滯后，這可以理解。但（相關(guān)工作）一定要做。”雷興林說。