美國頁(yè)巖開(kāi)發(fā)導致地震頻發(fā) 敲響頁(yè)巖氣警鐘

2013年4月16日的美國地質(zhì)學(xué)年會(huì )上，美國地質(zhì)調查局（United States Geological Survey）發(fā)布一份報告，稱(chēng)美國中西部地區近十年來(lái)的地震頻發(fā)現象，“幾乎可以肯定是人為的”。

據美國地質(zhì)調查局統計，2001年以來(lái)，美國中西部阿拉巴馬州到北方落基山脈地區地震頻發(fā)。僅2009年，該地區就發(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(dòng)是該地區地震頻發(fā)的主要貢獻者。其中，頁(yè)巖氣開(kāi)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)的最權威解讀。報告公布后，美國民眾再次就頁(yè)巖氣水力壓裂法的環(huán)境地質(zhì)影響展開(kāi)激烈辯論。此前，對頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要批判是針對淡水消耗和水體污染。

開(kāi)采頁(yè)巖氣引發(fā)地震盡管遠在美國，但并非與中國無(wú)關(guān)。

中國近年正在效仿美國，試圖發(fā)動(dòng)一場(chǎng)“頁(yè)巖氣革命”。根據國家發(fā)改委發(fā)布的《頁(yè)巖氣發(fā)展規劃（2011-2015年）》，中國力圖實(shí)現頁(yè)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)調查局認為可引發(fā)地震的水力壓裂法，正是中國未來(lái)開(kāi)采頁(yè)巖氣的主流技術(shù)方向。

值得注意的是，中國近四成頁(yè)巖氣資源儲存在包括四川盆地、云貴高原在內的中國西南地區。過(guò)去幾年間，頻發(fā)的地震災害已給這一地區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(yè)巖氣開(kāi)采規劃表示出謹慎的擔憂(yōu)：一旦人口稠密、地質(zhì)活動(dòng)活躍的西南地區開(kāi)始大規模頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，將不得不面對潛在的地震風(fēng)險。

業(yè)內人士則透露，對地震風(fēng)險的評估尚未進(jìn)入中國頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)可行性評估的視野。

危險并不遙遠，未雨綢繆已當時(shí)。

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(kāi)采方法。

1948年，美國俄克拉荷馬州進(jìn)行了全球首次壓裂實(shí)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(kāi)始正式對水力壓裂作業(yè)進(jìn)行監管，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(yè)巖氣的惟一渠道。

頁(yè)巖氣（shale gas）是儲存在地殼的頁(yè)巖層中的天然氣。由于頁(yè)巖區塊的滲透性有限，限制了氣體流向井筒。要釋放頁(yè)巖內所含氣體，只能通過(guò)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(yè)巖打碎，本身即會(huì )引發(fā)微小型地震。不過(guò)，這些地震震級很小，一般在3級以下，對地表建筑不會(huì )產(chǎn)生多少直接影響，亦不易被人察覺(jué)。

美國俄克拉荷馬州地質(zhì)調查局研究員奧斯丁•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(shí)。

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(kāi)夏郡分別發(fā)生2.3級和1.5級地震。根據英國地質(zhì)調查局（British Geological Survey）發(fā)布的調查報告，兩起地震均系夸德里拉資源公司在頁(yè)巖氣開(kāi)采的水力壓裂作業(yè)過(guò)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(kāi)采頁(yè)巖氣，英國民眾亦就是否應繼續頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)開(kāi)展了激烈的辯論。

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

不過(guò)，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(yè)巖氣鉆井和水力壓裂法的環(huán)境影響評估報告稱(chēng)，除導致可容許范圍內的噪聲臨時(shí)升高，水力壓裂不會(huì )產(chǎn)生空氣污染，也不會(huì )影響地表水和地下水的質(zhì)量，更不會(huì )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(lái)仍存在更多地震風(fēng)險的同時(shí)，也批準重啟頁(yè)巖氣開(kāi)采。

中國注水地震

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

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

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(dòng)誘發(fā)的地震進(jìn)行了較詳細的研究。

據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牛佛鎮與隆昌縣黃江昌鎮交界的天然氣采空廢井“家33井”在人為加壓注入廢水后，注水井周邊地區立即出現顯著(zhù)的小震增強的異?，F象，隨著(zhù)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(guān)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(kāi)始下降，隨后兩月，地震頻次與震級大小均出現回落。

分析顯示，在注水壓力持續升高的背景下，注水井周邊地區地震活動(dòng)強度、頻次與注水量呈現出較好的對應關(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，注水井持續加壓導致地下巖層節理、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，研究者也對注水地震進(jìn)行了研究。

榮昌的地震活動(dòng)原本很弱，歷史上本無(wú)5級以上地震記載，但自20世紀80年代末期開(kāi)始，隨著(zhù)工業(yè)部門(mén)將天然氣開(kāi)采生產(chǎn)的廢水通過(guò)廢井進(jìn)行回灌，該地區的地震活動(dòng)開(kāi)始明顯增強，震級亦逐漸增大。

根據重慶市地震局、中國地震局地質(zhì)研究所和日本地質(zhì)調查所進(jìn)行的聯(lián)合研究，近20年來(lái)，榮昌地區共觀(guān)測到3萬(wàn)多次地震，其中5級以上2次，4級以上近20次。

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

這些地震也呈現淺源特征，震源多數在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(gè)地區，當地居民經(jīng)常能夠感受到震感，地震時(shí)伴有房屋門(mén)窗發(fā)響。其中幾次4級以上地震，還導致廣順街道、安富鎮房屋倒塌、跳閘斷電。部分群眾還聽(tīng)到轟隆作響的地聲。

參與榮昌地區注水地震研究的日本地質(zhì)調查所研究員雷興林告訴財新記者，水力壓裂肯定會(huì )產(chǎn)生微震，但是微震還是大震，取決于當地是否有發(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(shí)際是一樣的，無(wú)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是否存在具有產(chǎn)生較大地震的結構面。結構面尺寸、應力狀態(tài)和注水導致的壓力變化，是影響地震震級的主要因素。

他強調，雖然頁(yè)巖本身是低滲透、塑性相對較強的巖石，其壓裂本身不會(huì )導致太大地震，但如果有斷層切斷或抵達水壓致裂頁(yè)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(méi)有上限的。

也就是說(shuō)，雖然頁(yè)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(yè)巖，水力壓裂產(chǎn)生的壓力就會(huì )沿著(zhù)斷層擴散到其他地區。

一般而言，注水壓力越大，注水時(shí)間越長(cháng)，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)和應力狀況，因此，在地質(zhì)構造活躍地帶進(jìn)行水力壓裂和高壓注水活動(dòng)時(shí)，應更加謹慎，水力壓裂井與廢水處理井均應盡量避免斷層。

“從四川盆地、云南、貴州、廣西等油氣底層及構造特征來(lái)看，總體上大規模開(kāi)采時(shí)發(fā)生較高震級的誘發(fā)地震的風(fēng)險較大。若在這些地區進(jìn)行深井回灌或地下注水，無(wú)疑將增大誘發(fā)地震風(fēng)險。”雷興林說(shuō)。

頁(yè)巖氣警鐘

根據美國能源信息署2011年估計，中國擁有1275萬(wàn)億立方英尺（約36.1萬(wàn)億立方米）的技術(shù)可及的頁(yè)巖氣資源，超過(guò)美國和加拿大的總和。

不過(guò)，中國近四成頁(yè)巖氣資源分布在西南地區，覆蓋四川、重慶、云南、貴州、廣西等省市區。這些地方約儲存有10萬(wàn)億立方米的頁(yè)巖氣。

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

美國頁(yè)巖氣資源分布地區地表條件優(yōu)越、地勢平坦、地廣人稀，中國西南地區則地形復雜、地勢高差大、人口密集，大規模鉆井不僅會(huì )對人口密集地區產(chǎn)生干擾，還會(huì )增加當地對基礎設施的需求，更容易誘發(fā)山體滑坡等地質(zhì)災害。

根據國際能源署（International Energy Agency）的統計，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)所需的壓裂井數量是傳統油氣資源的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(dòng)導致大地震是小概率事件，但這并不代表沒(méi)有發(fā)生的可能性。因此，對這些可能的地震風(fēng)險進(jìn)行充分論證和監控是有必要的。

據雷興林介紹，對于人為地震活動(dòng)，根據檢測數據進(jìn)行實(shí)時(shí)概率預測是可行的。多數情況下，停止注水后，地震活動(dòng)會(huì )迅速衰減和消失，這在四川南部尤其明顯。

不過(guò)，雷興林指出，由于相關(guān)企業(yè)對油氣開(kāi)采和注水作業(yè)數據諱莫如深，研究者往往等到頻繁的小震活動(dòng)或中級規模地震發(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?chē)牡卣鸹顒?dòng)進(jìn)行加密觀(guān)測，跟蹤注入液去向，評估壓力是否向大斷層擴散，并通過(guò)統計方式預測發(fā)生大地震的可能性；當判斷存在誘發(fā)大地震危險時(shí)，企業(yè)可及時(shí)通過(guò)改變注水壓力、注水方式，預防大地震的發(fā)生。”雷興林說(shuō)。

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

一位外資頁(yè)巖氣運營(yíng)商顧問(wèn)向財新記者坦陳，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對環(huán)境的影響本身就是一個(gè)很敏感的話(huà)題，公開(kāi)討論不多。其原因，乃是國內頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)規模有限，環(huán)境影響尚不突出。“但這并不是說(shuō)沒(méi)有問(wèn)題，只是規模還不到。”他補充道。

一位中石化內部人士告訴財新記者，目前，國內相關(guān)企業(yè)的確還沒(méi)有把頁(yè)巖氣開(kāi)采誘發(fā)地震作為一個(gè)問(wèn)題正式討論過(guò)。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(wàn)口井，都是用水力壓裂。如果（地震）問(wèn)題那么嚴重，也不會(huì )繼續這樣大規模的開(kāi)采。”上述人士稱(chēng)。

中石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院高級工程師包書(shū)景坦陳，現階段對頁(yè)巖氣商用開(kāi)采的環(huán)境影響評估，的確還未將地震風(fēng)險考慮進(jìn)去，主要原因是主流觀(guān)點(diǎn)認為人工壓裂量與自然的壓力差得很遠。不過(guò)，包書(shū)景表示，“如果說(shuō)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(shū)景認為，提示可能的地震風(fēng)險，將地震風(fēng)險納入頁(yè)巖氣開(kāi)采環(huán)境影響評估，是應該的。

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

“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(shuō)。