美国页岩开发导致地震频发 敲响页岩气警钟

2013年4月16日的美国地质学年会上，美国地质调查局（United States Geological Survey）发布一份报告，称美国中西部地区近十年来的地震频发现象，“几乎可以肯定是人为的”。

据美国地质调查局统计，2001年以来，美国中西部阿拉巴马州到北方落基山脉地区地震频发。仅2009年，该地区就发生了50次3级及以上地震；2010年，3级及以上地震达到87次；2011年则达到惊人的134次，为上世纪同期的6倍。

前述报告认为，石油和天然气钻探活动是该地区地震频发的主要贡献者。其中，页岩气开发使用的水力压裂法及该方法涉及的废水处理井，尤其值得人们关注。

这份报告是全球迄今为止对水力压裂法和地震关联的最权威解读。报告公布后，美国民众再次就页岩气水力压裂法的环境地质影响展开激烈辩论。此前，对页岩气开发的主要批判是针对淡水消耗和水体污染。

开采页岩气引发地震尽管远在美国，但并非与中国无关。

中国近年正在效仿美国，试图发动一场“页岩气革命”。根据国家发改委发布的《页岩气发展规划（2011-2015年）》，中国力图实现页岩气商业化产值从零至1000亿立方米的跨越。被美国地质调查局认为可引发地震的水力压裂法，正是中国未来开采页岩气的主流技术方向。

值得注意的是，中国近四成页岩气资源储存在包括四川盆地、云贵高原在内的中国西南地区。过去几年间，频发的地震灾害已给这一地区百姓的生活蒙上阴影。

一些地质学家也因此对中国政府的页岩气开采规划表示出谨慎的担忧：一旦人口稠密、地质活动活跃的西南地区开始大规模页岩气开发，将不得不面对潜在的地震风险。

业内人士则透露，对地震风险的评估尚未进入中国页岩气商业开发可行性评估的视野。

危险并不遥远，未雨绸缪已当时。

地震国际争议

水力压裂法，是将压裂液（99%为水，另含有少量添加剂）高压灌入油气储备层，由此压裂岩石层，从而获得油气资源的油气开采方法。

1948年，美国俄克拉荷马州进行了全球首次压裂实验。此后，水力压裂技术被广泛用于工业。然而，直到2000年，美国才开始正式对水力压裂作业进行监管，对其环境影响的研究则更晚。

截至目前，水力压裂法仍是获取页岩气的惟一渠道。

页岩气（shale gas）是储存在地壳的页岩层中的天然气。由于页岩区块的渗透性有限，限制了气体流向井筒。要释放页岩内所含气体，只能通过水力压裂创造有效渗透性。

从原理上讲，水力压裂作业在井下将页岩打碎，本身即会引发微小型地震。不过，这些地震震级很小，一般在3级以下，对地表建筑不会产生多少直接影响，亦不易被人察觉。

美国俄克拉荷马州地质调查局研究员奥斯丁•霍兰德（Austin Holland）告诉财新记者，水力压裂法引发小型地震，已经在一些国家被证实。

位于加拿大西部的大不列颠哥伦比亚省的霍恩河流域，水力压裂法曾造成了一系列3级及以上地震，最大震级达到3.8级。

2011年4月和5月在英国兰开夏郡分别发生2.3级和1.5级地震。根据英国地质调查局（British Geological Survey）发布的调查报告，两起地震均系夸德里拉资源公司在页岩气开采的水力压裂作业过程中高压灌注压裂液所引发的。

2011年5月起，英国政府决定暂停采用水力压裂法技术开采页岩气，英国民众亦就是否应继续页岩气开发开展了激烈的辩论。

出于对未知风险的谨慎立场，一些国家和地区的政府目前仍暂停境内的页岩气开采活动，这包括法国、瑞士、保加利亚和美国新泽西州等。

不过，对于水力压裂和地下注水引发地震的风险，科学界一直存在争议。波兰国家地质研究院于2012年公布的一份关于页岩气钻井和水力压裂法的环境影响评估报告称，除导致可容许范围内的噪声临时升高，水力压裂不会产生空气污染，也不会影响地表水和地下水的质量，更不会引发地震。

2013年12月，英国能源与气候变化部(DECC)在警示未来仍存在更多地震风险的同时，也批准重启页岩气开采。

中国注水地震

中国的页岩气目前尚处试采阶段，还未进入商业开采。不过，中国学者对高压地下注水诱发地震的问题并不陌生，此种人为地震与水力压裂法开采页岩气引发地震的原理，极为类似。

20世纪70年代以来，中国研究者已观测到华北任丘油田、山东胜利油田、重庆荣昌地区采气注水及四川长宁盐矿井注水等工业活动诱发地震的现象。

在位于四川盆地上的自贡和荣昌两地，研究者已对注水活动诱发的地震进行了较详细的研究。

据四川省地震局张致伟等人2012年5月发表在《地球物理学报》上的论文，2009年1月，位于四川省自贡市大安区牛佛镇与隆昌县黄江昌镇交界的天然气采空废井“家33井”在人为加压注入废水后，注水井周边地区立即出现显著的小震增强的异常现象，随着注水压力的增加，注水井周边先后发生4.4级和4.2级地震，每月可观测到的小型地震也达到160余次。

在地方政府的介入下，“家33井”的注水量开始下降，随后两月，地震频次与震级大小均出现回落。

分析显示，在注水压力持续升高的背景下，注水井周边地区地震活动强度、频次与注水量呈现出较好的对应关系，加压注水是诱发上述地震的主要原因。

张致伟等指出，注水井持续加压导致地下岩层节理、裂隙扩张，在水的润滑作用下，产生了更多微破裂，致使小震增加。这些地震均为浅源地震，即便是两起4级以上地震，其震源深度也仅为5公里和4公里。

在位于四川盆地东缘的重庆荣昌地区，研究者也对注水地震进行了研究。

荣昌的地震活动原本很弱，历史上本无5级以上地震记载，但自20世纪80年代末期开始，随着工业部门将天然气开采生产的废水通过废井进行回灌，该地区的地震活动开始明显增强，震级亦逐渐增大。

根据重庆市地震局、中国地震局地质研究所和日本地质调查所进行的联合研究，近20年来，荣昌地区共观测到3万多次地震，其中5级以上2次，4级以上近20次。

荣昌地区成为重庆市地震活动最强的地区之一。其中，在1997年和2010年，在注水活动集中的废水回灌井附近，分别发生5.4级和5.1级地震。

这些地震也呈现浅源特征，震源多数在2000-3000米左右，一些微震的震源甚至小于1公里。

在荣昌县的昌元、昌州等多个地区，当地居民经常能够感受到震感，地震时伴有房屋门窗发响。其中几次4级以上地震，还导致广顺街道、安富镇房屋倒塌、跳闸断电。部分群众还听到轰隆作响的地声。

参与荣昌地区注水地震研究的日本地质调查所研究员雷兴林告诉财新记者，水力压裂肯定会产生微震，但是微震还是大震，取决于当地是否有发生大地震的地质条件。

雷兴林指出，水力压裂与地下注水诱发地震的原理实际是一样的，无论是水力压裂还是地下注水，是否触发较大地震取决于在其压力影响范围内是否存在具有产生较大地震的结构面。结构面尺寸、应力状态和注水导致的压力变化，是影响地震震级的主要因素。

他强调，虽然页岩本身是低渗透、塑性相对较强的岩石，其压裂本身不会导致太大地震，但如果有断层切断或抵达水压致裂页岩层，则仍有触发或诱发较大地震可能，且诱发地震的震级是没有上限的。

也就是说，虽然页岩本身破碎不至于产生大地震，但如果有断层贯穿这些页岩，水力压裂产生的压力就会沿着断层扩散到其他地区。

一般而言，注水压力越大，注水时间越长，注水的影响范围越大，触及较大断层可能性便越大，发生高震级地震的风险也就越大。

前述美国地质学者奥斯丁•霍兰德也指出，诱发地震的最大因素是所在地原本的地质和应力状况，因此，在地质构造活跃地带进行水力压裂和高压注水活动时，应更加谨慎，水力压裂井与废水处理井均应尽量避免断层。

“从四川盆地、云南、贵州、广西等油气底层及构造特征来看，总体上大规模开采时发生较高震级的诱发地震的风险较大。若在这些地区进行深井回灌或地下注水，无疑将增大诱发地震风险。”雷兴林说。

页岩气警钟

根据美国能源信息署2011年估计，中国拥有1275万亿立方英尺（约36.1万亿立方米）的技术可及的页岩气资源，超过美国和加拿大的总和。

不过，中国近四成页岩气资源分布在西南地区，覆盖四川、重庆、云南、贵州、广西等省市区。这些地方约储存有10万亿立方米的页岩气。

与美国页岩气资源大多储于深度不足3000米的海系页岩层的情况不同，中国西南地区的优质页岩气资源主要储存在地下3000-5000米之间的陆系页岩层。

美国页岩气资源分布地区地表条件优越、地势平坦、地广人稀，中国西南地区则地形复杂、地势高差大、人口密集，大规模钻井不仅会对人口密集地区产生干扰，还会增加当地对基础设施的需求，更容易诱发山体滑坡等地质灾害。

根据国际能源署（International Energy Agency）的统计，页岩气开发所需的压裂井数量是传统油气资源的10倍，且钻井和生产作业对地面影响较大。

奥斯丁•霍兰德告诉财新记者，虽然水力压裂和高压注水活动导致大地震是小概率事件，但这并不代表没有发生的可能性。因此，对这些可能的地震风险进行充分论证和监控是有必要的。

据雷兴林介绍，对于人为地震活动，根据检测数据进行实时概率预测是可行的。多数情况下，停止注水后，地震活动会迅速衰减和消失，这在四川南部尤其明显。

不过，雷兴林指出，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。

“如果可以提前合作，研究者对水力压裂井和注水井周围的地震活动进行加密观测，跟踪注入液去向，评估压力是否向大断层扩散，并通过统计方式预测发生大地震的可能性；当判断存在诱发大地震危险时，企业可及时通过改变注水压力、注水方式，预防大地震的发生。”雷兴林说。

财新记者获悉，截至目前，中国页岩气开发尚未采用地下注水方式处理废水。在重庆和陕西进行的小规模页岩气试开采活动，均通过水处理方式处理废水。不过，对于日后大规模开采后的页岩气废水处理方法，业界也没有定论。

一位外资页岩气运营商顾问向财新记者坦陈，页岩气开发对环境的影响本身就是一个很敏感的话题，公开讨论不多。其原因，乃是国内页岩气开发规模有限，环境影响尚不突出。“但这并不是说没有问题，只是规模还不到。”他补充道。

一位中石化内部人士告诉财新记者，目前，国内相关企业的确还没有把页岩气开采诱发地震作为一个问题正式讨论过。他认为，即便是刚刚发生雅安地震的四川省，也不至于“谈震色变”。

“美国每年新增一到两万口井，都是用水力压裂。如果（地震）问题那么严重，也不会继续这样大规模的开采。”上述人士称。

中石化石油勘探开发研究院高级工程师包书景坦陈，现阶段对页岩气商用开采的环境影响评估，的确还未将地震风险考虑进去，主要原因是主流观点认为人工压裂量与自然的压力差得很远。不过，包书景表示，“如果说水力压裂是（引发）地震的最后一根稻草，这种可能性也是有的。”

包书景认为，提示可能的地震风险，将地震风险纳入页岩气开采环境影响评估，是应该的。

雷兴林建议，油气企业的地下作业和注水活动的环境影响评价应由中立的第三方机构进行；在国家和政府层面，也应该有相应的监管机制，对这些具有产生地震风险的作业活动的安全性进行有效监控。

“在经济优先的大前提下，中国在上述方面有些滞后，这可以理解。但（相关工作）一定要做。”雷兴林说。