气钻打井的工作原理(页岩气开采诱发地震？这里有四川和北美的差异)

重庆涪陵的一处页岩气平台，施工中的钻井工人。图/视觉中国

美国“页岩气革命”的成功，让贫油少气的中国，将纾解自身巨大能源需求的希望寄托在页岩气上。各种数据显示，中国的页岩气储藏量位居世界第一，中国也一度对页岩气开发前景非常乐观，制定了很多宏伟目标。

但高储量并不意味着高产量，究其原因，中国复杂的地质地貌条件、水资源约束、开采成本与技术瓶颈都成了页岩气开发之路上的障碍。

与美国页岩气产区的大平原地貌相比，中国页岩气的开采大多分布在崎岖不平的西南山区，只能平整出大约足球场大小的作业空间，大型装备很难进入。而美国页岩气储层埋深仅在一两千米，中国四川盆地的页岩气储层埋深为三四千米甚至更深，构造变形和断层发育也比美国复杂得多。

不一样的自然环境不仅抬高了中国页岩气的开采成本，还让页岩气与地震的关系成为一个亟待中国自己开展研究的新课题。

能否诱发地震尚无定论

由美国扩展至全球的“页岩气革命”，得益于水平井水力压裂技术的突破，这也是目前全世界开采页岩气的最主要方法。

水力压裂的原理并不复杂：先是从地面向下打井，进入储藏页岩气的地层里，再在其中水平打井；再用高压泵将99％是水的压裂液顺井筒打入储层之中。巨大的压力使岩石产生一系列裂缝，将封闭在岩石孔隙中的页岩气联通起来，压裂液中的石英砂和陶粒随水进入这些裂隙，将裂隙撑开。随后，这些压裂液会被抽回地表，页岩气就会从裂缝中释放并顺着井筒被采集出来。

“水力压裂制造微裂隙的过程中，一定会伴随微地震的活动，但这种微地震与天然的构造地震不可同日而语。”澳大利亚昆士兰大学地球科学与环境学院的赵争光博士告诉《中国新闻周刊》：“水力压裂产生的这种地震，震级一般都会在零级以下，相当于放鞭炮释放的能量，在地面上的人是没有感觉的。”

中石油东方物探水力压裂微地震监测专家余刚在接受《中国新闻周刊》采访时解释说：“我们在四川做了大量的实际数据采集，水力压裂产生的微裂缝水平方向延伸一两百米，高度一般延伸几十米，整个被改造体积在地壳尺度上范围很小。这些微破裂的位移都是毫米级的，压裂的应力也很有限。而4级地震这么大的破坏，错位都是几十个厘米，起码得好多个原子弹的能量才能引发这一场地震。”余刚还指出，四川页岩气开采的水力压裂位置在地下两三千米，而天然地震的震源往往深得多。

由人类活动所引发的地震即“人工地震”，包括人工激发地震和人工诱发地震。前者是指用人工爆炸的方法制造的地震，如核爆炸和炸药爆破等；后者是指由于矿山开发、油气开采或水库蓄水等导致构造应力场变化而诱发的地震，往往事发区域内有先存断层分布。由于页岩气开采的水力压裂作业强度比常规油气田大得多，故水力压裂诱发地震的问题在北美页岩气产区已得到了很多关注。

2016年，在加拿大卡尔加里大学做博士后的鲍学伟在《科学》杂志上发表了题为《加拿大西部水力压裂引起断层活化》的文章。该研究对比了加拿大西部的地震数据与水力压裂数据，表明地震在时空上都集中在水力压裂点附近，水力压裂作业引起的地应力变化可以使天然断层滑动超过1000米；水力压裂的施工压力作用于天然断层，可产生持续数月的地震。记者联系上如今已是浙江大学地球科学学院研究员的鲍学伟，他表示不便接受采访。

但另一篇文章的观点正好与之相左。2017年，加拿大阿尔伯塔大学教授Mirko Van der Baan课题组在美国地球物理学会期刊《地球化学、地球物理学、地球系统》发表了《美国与加拿大的人工诱发地震与大规模油气开采》一文。该研究统计了北美两国油气开采最活跃地区近50年的地震发生频率，发现日益增加的油气开采活动与地震没有相关性。不过，令人关注的是，Baan团队的资助方有壳牌、雪弗龙和赫斯基等国际石油巨头的背景，而鲍学伟的研究经费则来自加拿大自然科学与工程研究理事会及卡尔加里大学。

就北美地区的情况来说，水力压裂诱发地震仍属少数案例。英国杜伦大学能源学院2013年公布的统计资料显示，在自1929年以来的198例公开发表的研究案例中，水力压裂诱发的地震仅3例，震级为2~4级。鲍学伟也在上述文章中提到：在加拿大西部，大于三级的诱发地震中仅仅与0.3％的水力压裂井有关。

不过，赵争光同时指出，“页岩气开采会有两次注水，第一次是在产出页岩气之前，即水力压裂。这些水还要抽出来，由车运到另一个地方集中，再回灌到地下，称为‘废水回注’。这是油气田常用的废水处理方法，如果注水区存在天然断层，废水进入后就会产生高孔隙压，对断层起到润滑作用。例如，美国俄克拉荷马州的小型地震就是由废水回注诱发的，已经发表了很多论文，美国地质调查局都承认这一结论。”

但余刚认为，这一情况并不适用于中国。中国的页岩气开采井场大都在山上，需要把水拉上去，成本很贵，不像美国那边河流多，没有什么山，也不需要长途运输，所以中国页岩气开采的用水都要严格控制，水要循环利用。

一位不愿透露姓名的地震研究专家强调说：“页岩气开采和地震的关系问题需要在具体地区进行具体研究，因为不同的岩石与地质结构的实验结果可能差别很大。即使知道一般原理，还需要得到具体的观测数据。”

2018年4月，页岩气开采队的队员们在云贵高原乌蒙山深处山路上前行。图/视觉中国

数据难寻

检索国内外文献发现，中国页岩气开采与地震的相关性的研究数量远远少于美国和加拿大。在为数不多的中国案例研究中，期刊影响因子最高的是日本产业技术综合研究所上级研究员雷兴林2017年发表在《科学报道》（Scientific Report）的《中国四川盆地页岩气水力压裂导致断层再活化并诱发MW4.7级地震》。该研究地区位于四川盆地上罗及其周边页岩气区块，研究认为，在地下2.3~3公里深度范围内的水力压裂短期（每个井数月）注水过程，可以诱发一系列最高可达MW4.7级的地震。

文章呼吁：“因为四川盆地中的水力压裂作业正如火如荼展开，研究也将有利于地球科学、天然气公司、管理部门和学术界共同探讨显著的注水诱发地震的地区因素，以确保页岩气水力压裂有效进行和安全实施。”

该论文第一作者雷兴林2013年在接受媒体采访时表示，由于相关企业对油气开采和注水作业数据讳莫如深，研究者往往等到频繁的小震活动或中级规模地震发生后才介入研究。

地震专家在接受澎湃新闻采访时曾指出，目前中国暂时没有相关机制，保证科研人员可以从油田单位获得这些数据。国内页岩气的开采主要由“三桶油”（中石油、中石化和中海油）承担，地震局往往显得弱势。此前某地发生地震后，地震局出面去油田单位查询数据，也遭到拒绝。报道称，目前仅有重庆市地震局与相关页岩气勘探单位建立了协调机制，共享数据以研究页岩气开采和地震之间的关系。

“在北美，石油公司的钻井、压裂数据和地震数据都是公开的，可以通过加拿大地震局或美国地质调查局等部门下载这些数据，很多科学研究都可以申请和利用这些数据。但国内这些数据全部都在石油公司手中，任何机构，包括中国地质调查局都拿不到这些数据。”赵争光说。

一位从事页岩气开采的油气公司人员告诉《中国新闻周刊》，美国石油公司的资料须交给政府，这些数据可以共享和买卖；但在国内，这些数据是每个油田的资产，是保密数据，只能内部使用或共享给合作单位。“对于页岩气开采与地震的关系，国家应该立项研究，让油田把数据拿出来。”

法规待完善

2015年8月17日，加拿大英属哥伦比亚省发生里氏4.4级地震，震中距离一个页岩气井场仅3公里，该公司立即暂停了压裂作业。根据该省法律规定，如果作业时发生的地震震级超过4.0级，必须停止一切压裂作业，直到减灾预案到位才能恢复施工。英属哥伦比亚省石油和天然气委员会随即着手调查油气公司压裂作业与此次地震之间的相关性。

赵争光解释说，北美的石油公司与压裂服务公司在井场作业时，有一套“红绿灯系统”的操作规范。比如在水力压裂过程中，如果现场监测到微地震事件大于等于0.5级时，就应该立即停止压裂；介于0到0.5级时，应谨慎注水，减小排量；小于0级时按原计划进行。“这个规范是公司自己需要遵循的操作规程，不是政府强行规定。”英国2015年1月的一次3.9级地震，使该国也很快采用了这套“红绿灯系统”制度。

然而，据四川石油天然气发展研究中心办公室主任温馨2017年12月在《中国国土资源经济》发表的文章，目前，中国还没有专门的油气监管机构，监管力量分散，实行的是“企业自律监管为主，政府监管为辅”。

目前由于国内缺乏专门针对页岩气勘探开发的管理政策，许多实践环节仍参考传统油气的操作规程，但实际上，传统油气开采的相关管理政策已不能满足页岩气开采的需要。

例如，在环境评价方面，温馨在文中指出：“我国国家层面尚未制定专门针对页岩气开发建设项目的环境影响评价技术导则，在实践中环评机构多参考采用《环境影响评价技术导则：陆地石油天然气开发建设项目（HJ/T 349-2007）》，对于页岩气滚动开采存在的环境风险及其对应的环保措施未能充分反映。”

国土资源部矿产资源储量评审中心原主任张大伟向《中国新闻周刊》透露，生态环境部将计划参考四川涪陵页岩气田的标准来制定，只是这套标准目前尚未出台。

3月1日，自然资源部油气资源战略研究中心召开2019年工作会议。会议透露，中国首个生态约束性油气资源指标将在今年年底出炉。（文/李斯洋）

原标题：《页岩气开发诱发地震？来看看四川和北美的差异》