黄天明-中国同位素水文论坛-共享版本.pdf

《第一届中国同位素水文学论坛》 页岩气水力压裂中地球化学过程的同位素示踪 黄天明 中国科学院地质与地球物理研究所 2020年11月3日，北京 页岩气革命 中美页岩气产量对比图 美国：7160 2019年 中国：150 EIA, 2020 •美国历尽20余年攻关，2006年水平钻井和水力压裂技术获得重大突破，使页岩气产量急剧增加， 2011年成为世界第一大产气国，价格持续减低，引发了页岩气革命，并改变了美国能源结构，影响 了世界能源格局，消除了人们对油气稀缺性的担心 •由于美国页岩气革命的成功，中国、英国、波兰等国拟大力发展页岩气 页岩气开发的环境问题 环境问题是制约页岩气开发的主要因素，由于担心地下水污染和诱发地震，一些欧洲国家 （如法国、德国、保加利亚）、美国和澳大利亚一些州都禁止水力压裂和页岩气开发，英国2019 年11月叫停水力压裂 “世界上尚无人能证明使用这种技术进行开采不会给环境和健康带来严重危害”-法国生态、可持续发展与能源部部长 Tollefson (2013, Nature) Vidic et al. (2013, Science) 科学问题 追踪水力压裂中水足迹及刻画地球化学过程， 对于： ➢解低渗油气储层水岩相互作用 ➢改善水力压裂效果等具有重要意义 ➢追溯地下水污染 返排液水源组成 160 g/L Haluszczak et al., 2013, AG 页岩中没有自由移动水，返排液及生 产水是均是压裂液 Balashov et al., 2015, AAPG Bull 页岩中存在大量地层水，返排液及生 产水是两者混合，且返排后期以地层 水为主 Kondash et al., 2018, Science Advances 返排液溶质来源（或地球化学过程） 除了混合，还有地球化学反应 目前尚未对压裂及返排中的地球化学过程进行全面刻画，一 些重要的地球化学作用（如黄铁矿氧化）是否发生也不明确 C=观测值 C*=混合值 主要原因： •返排液分辨率不高不足以刻画 •室内水岩反应实验和野外结果 不匹配 野外试验 现场试验 室内水岩反应实验 贵州习水 704米，垂直井 返排初期小时尺度取样 室内水岩反应实验 主要成果 地层水 返排液中，初期主要是压裂液；地层水第4天占50%、2周后80% 主要离子演化特征：Na vs. Ca+Mg 红色线条为混合线 •Na增加 •Ca+Mg减少 CEC=54 meq/kg Ca (mg/L) Mg (mg/L) Na (mg/L) K (mg/L) 压裂液 106 8.1 38 4 5 min 26 5.2 235 112 1h 27 5.9 255 118 1d 27 8.4 235 117 3d 35 11.1 251 124 7d 43 14.8 253 126 水岩反应时间 主要离子演化特征 •SO4在混合线 •Ba减少 •NH4增加 •B增加 主要离子演化特征：NO3 现象：NO3含量先减少后降低 原因：先吸附后解吸附 分馏效应：N同位素分馏不明显 主要离子演化特征：SO4 尚未进行很好地刻画 Owen et al., 2020 Engle & Rowan, 2014 Phan et al., 2020 Zolfaghari et al., 2016 Paukert Vankeuren et al., 2017 期待发生并改善储层 FeS2+15/2O2+7/2H2O+4CaxMg1-xCO3→ Fe(OH)3+2SO42-+4xCa2++(4-4x)Mg2++4HCO3- 研究意义 原来认为是压裂液是重要污染源，目前看虽然压裂及返排过 程中发生了众多地球化学反应，但返排液整体的水化学组成仍 受控于高盐度地层水，因此地层水的水化学、同位素及毒性研 究对于页岩气开发的地下水水质监测及污染示踪具有重要意义 地下水污染示踪 （一）系统性地建立了中国首个大型页岩气田（焦石坝）地下水环境背景值 120组地下水数据 •常量组分 •微量组分 •放射性 •水中溶解气体 •同位素 Schloemer et al., 2018 Huang T, Pang Z, Tian J, Li Y, Yang S, Luo L (2017) Methane content and isotopic composition of shallow groundwater: implications for environmental monitoring related to shale gas exploitation. JRNC 312: 577-585 地下水污染示踪 （二）提出了地下水敏感性监测指标的确定框架 （1）基于浅层地下水和地层水两个端元；（2）对比分析；（3）通用框架 0.05% Huang T, Pang Z, Li Z, Li Y, Hao Y (2020) A framework to determine sensitive inorganic monitoring indicators for tracing groundwater contamination by produced formation water from shale gas development in the Fuling Gasfield, SW China. Journal of Hydrology 581, 124403 地下水污染示踪 （二）提出了地下水敏感性监测指标的确定框架 基于环境背景值数据库及地下水敏感性监测指标，开发了《焦石坝区块页岩气开 发地下水污染识别软件》，并被当地环境管理部门成功应用 地下水污染示踪 （三）引入惰性气体帮助识别气体污染 Huang T, Pang Z, Tian J, Li Y, Yang S, Luo L (2017) Methane content and isotopic composition of shallow groundwater: implications for environmental monitoring related to shale gas exploitation. JRNC 312: 577-585 Li Z, Huang T, Ma B, Long Y, Zhang F, Tian J, Li Y, Pang Z (2020) Baseline groundwater quality before shale gas development in Xishui, Southwest China: Analyses of hydrochemistry and multiple environmental isotopes (2H, 18O, 13C, 87Sr/86Sr, 11B, and noble gas isotopes). Water 12, 1741 相关论文