王禮恒,董艷輝,張 倩,段瑞琪

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)是保障我國(guó)天然氣供給、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和促進(jìn)能源清潔發(fā)展的重要戰(zhàn)略。與常規(guī)能源不同，對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)主要采用水力壓裂技術(shù)，即利用高壓泵通過(guò)水平井向深部頁(yè)巖儲(chǔ)層注入成分復(fù)雜的壓裂液，將孔隙度與滲透率極低的致密頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂生成人工縫網(wǎng)，通過(guò)增滲獲得工業(yè)氣流。隨著水平井與水力壓裂技術(shù)的進(jìn)步及其規(guī)?；茝V應(yīng)用，頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入到快速發(fā)展的階段。同時(shí)，采用水力壓裂技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行規(guī)?；_(kāi)發(fā)可能引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題，主要包括地表水與地下水污染、淡水資源消耗、誘發(fā)地震、大氣污染等。其中，頁(yè)巖氣開(kāi)采前后水力壓裂液及深部地層鹵水是否會(huì)穿過(guò)上覆地層向上遷移而污染淺層地下淡水資源，已成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中環(huán)境影響研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。

目前針對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)存在較大爭(zhēng)議，有學(xué)者認(rèn)為深部頁(yè)巖與淺部含水層之間原本僅存在微弱的水力聯(lián)系，但水力壓裂形成的新生裂隙或激活斷層將兩者貫通，從而造成壓裂液或深部地層鹵水會(huì)在短時(shí)間內(nèi)向上遷移而污染淺層地下水。如：Myers采用頂?shù)拙鶠槎▔毫吔鐥l件的簡(jiǎn)化手段構(gòu)建了壓裂液遷移模型，結(jié)果表明頁(yè)巖上覆地層中的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道導(dǎo)致壓裂液和地層水會(huì)在10 a時(shí)間內(nèi)遷移至淺層含水層中；Taherdangkoo等以North German Basin為例，研究了壓裂液沿廢棄井向上遷移的風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為僅有少量壓裂液會(huì)在大于15 a的時(shí)間內(nèi)向上污染淺層含水層；Flewelling等通過(guò)總結(jié)已有研究成果后認(rèn)為，水文地質(zhì)概念模型認(rèn)知的差異，如驅(qū)動(dòng)力來(lái)源、地層滲透率與盆地演化關(guān)系等，導(dǎo)致了上述分歧；隨后，Wang等從水文地質(zhì)學(xué)原理出發(fā)，構(gòu)建了在地形與油氣層超高壓聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下考慮斷裂與壓裂縫網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)通道的雙重介質(zhì)模型，預(yù)測(cè)分析了壓裂液在地層中的遷移規(guī)律。

評(píng)估頁(yè)巖儲(chǔ)層中壓裂液是否會(huì)向上遷移而污染淺層含水層，實(shí)際上是一個(gè)典型的預(yù)測(cè)溶質(zhì)隨地下流體運(yùn)移的問(wèn)題。地下流體運(yùn)動(dòng)的控制因素不明確、規(guī)律不清晰是認(rèn)知出現(xiàn)分歧和爭(zhēng)論的根本原因。因此，本文試圖從地下流體滲流機(jī)理出發(fā)，分析頁(yè)巖氣儲(chǔ)層上覆地層的滲透率特征、驅(qū)動(dòng)深部流體向上遷移的持續(xù)水力梯度、水力壓裂過(guò)程對(duì)深部地層的改造程度，闡明壓裂液及深部地層水向上遷移的物理機(jī)制，建立水力壓裂液向上遷移的概念模型，并以我國(guó)四川盆地、鄂爾多斯盆地等為例，分析了非工程事故條件下壓裂液對(duì)淺層地下水環(huán)境的影響。

1 頁(yè)巖氣沉積盆地地質(zhì)與水文地質(zhì)背景

20世紀(jì)60年代以來(lái)，在我國(guó)松遼、渤海灣、四川、鄂爾多斯、柴達(dá)木等幾乎所有陸上含油氣沉積盆地中都發(fā)現(xiàn)了頁(yè)巖氣或泥頁(yè)巖裂縫性油氣藏。2010年我國(guó)第一口頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)井——威201井在四川威遠(yuǎn)上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖中獲工業(yè)氣流，并建立了國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣工業(yè)化開(kāi)發(fā)先導(dǎo)示范區(qū)，標(biāo)志著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。目前積累的油氣沉積盆地地質(zhì)資料，包括了頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的沉積特征和上覆巖層的分布特征，為開(kāi)展頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 沉積盆地的地質(zhì)背景

在多旋回構(gòu)造與多沉積環(huán)境演變過(guò)程中，我國(guó)含油氣沉積盆地發(fā)育有海相、海陸過(guò)渡相和陸相3種富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖，都具備頁(yè)巖氣成藏的基本地質(zhì)條件。其中，海相頁(yè)巖主要發(fā)育在寒武系—奧陶系地層中，多分布在揚(yáng)子地區(qū)的沉積盆地中，海相沉積環(huán)境造就了多種滲透率極低的巖石(如泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r等)疊覆沉積，在盆地中形成了厚度極大的致密蓋層，如四川盆地的焦石壩區(qū)塊，頁(yè)巖氣層(五峰組—龍馬溪組)埋深分布在2 000～3 000 m處，上覆有志留系、石炭系、二疊系和三疊系的泥巖、灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖等地層；我國(guó)中生代—新生代盆地多為陸相沉積，深湖和半深湖相形成的富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁(yè)巖是盆地的主力烴源巖，隨構(gòu)造演化埋入大型凹陷區(qū)后繼續(xù)以河湖相沉積，上覆巖石仍以低滲透性為顯著特點(diǎn)(泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等)，如渤海灣盆地、松遼盆地等；海陸過(guò)渡相同時(shí)兼具上述兩種頁(yè)巖沉積埋藏的特點(diǎn)。因此，我國(guó)頁(yè)巖氣藏呈現(xiàn)埋深大(普遍>1 500 m)、上覆巖層滲透率低的顯著特點(diǎn)。

1.2 沉積盆地的水文地質(zhì)特征

大型油氣沉積盆地中往往賦存有多種流體，在不同深度上分布著淡水、咸水、鹵水、油氣資源等。天然條件下，大氣降水深入、廣泛地參與著淺地表(地下水循環(huán)深度約為100～500 m)水文循環(huán)過(guò)程，促使其快速循環(huán)交替，形成礦化度較低的地下淡水資源供生物圈利用；部分地下淡水在勢(shì)能作用下向地層深部遷移，與含水層不斷發(fā)生水-巖相互作用導(dǎo)致其礦化度不斷升高，演化為咸水(礦化度>1 g/L)甚至鹵水(礦化度>50 g/L)，地下水循環(huán)深度達(dá)到1～5 km的范圍，基本能夠貫穿整個(gè)沉積盆地；而沉積盆地深部地層在地質(zhì)歷史時(shí)期保存下來(lái)的油氣資源類(lèi)流體往往處于封閉空間內(nèi)很難運(yùn)動(dòng)或遷移。

目前，能夠描述油氣沉積盆地流體遷移規(guī)律與分布特征的理論主要是Tóth所提出的沉積盆地地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論。盡管依照該理論淺層地下水會(huì)在地形驅(qū)動(dòng)力下發(fā)生貫穿全盆地的運(yùn)動(dòng)，但淺層地下水在向深部穿層運(yùn)動(dòng)時(shí)，受多個(gè)地層滲透率共同約束使其運(yùn)動(dòng)速度非常緩慢，且能夠進(jìn)入深部地層參與水循環(huán)的流體數(shù)量也相對(duì)較少。以鄂爾多斯盆地為例，雖然其沉積厚度達(dá)5 km，但1 km深處的地下水(年齡大于6萬(wàn)a)幾乎處于滯流狀態(tài)，活躍的地下水循環(huán)僅發(fā)生在200 m深度范圍以?xún)?nèi)。

因此可以認(rèn)為，沉積盆地中的流體運(yùn)動(dòng)存在共性：積極活躍的地下水循環(huán)僅發(fā)生在淺層滲透性較好的地層中，深部流體幾乎處在滯流狀態(tài)而難以遷移；沉積盆地的層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成流體在平行于地層方向上的運(yùn)動(dòng)相對(duì)容易，卻很難垂直于地層方向產(chǎn)生穿層運(yùn)動(dòng)，更難以穿越多個(gè)地層向深部流動(dòng)。

2 頁(yè)巖氣沉積盆地地層滲透率特征

2.1 層狀地層滲透率計(jì)算

頁(yè)巖儲(chǔ)層上覆沉積地層的滲透率直接決定了壓裂液及深部地層水向上遷移的速率，而沉積盆地中地層的滲透率具有典型的各向異性特征，對(duì)于一個(gè)理想的多層結(jié)構(gòu)地質(zhì)體，其水平和垂向有效滲透率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：

L

和

k

分別為相應(yīng)地層的厚度(m)和滲透率(m)。顯然平行于地層方向地質(zhì)體的水平滲透率

k

最大，而垂直于地層方向的地質(zhì)體垂向滲透率

k

最小，有效地阻滯了壓裂液及深部地層水的向上遷移。以20 m厚度的泥巖(滲透率為1×10m)和980 m厚的砂巖(滲透率為1×10m)形成1 000 m疊覆地層為例，按照公式(1)計(jì)算，該疊覆地層的水平滲透率約為9.8×10m，垂向滲透率僅為4.8×10m。很明顯，盡管滲透性較好的砂巖厚度占據(jù)了地層總厚度的98%，但地層垂向有效滲透率僅為砂巖的5%。

事實(shí)上，包括四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地等大型沉積盆地在內(nèi)，頁(yè)巖儲(chǔ)層上覆沉積地層中普遍有泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，它們約占頁(yè)巖儲(chǔ)層埋藏厚度的10%～15%，且具有顆粒細(xì)、滲透率低等典型特征，這些低滲透率地層極大地限制了流體在垂向上的運(yùn)動(dòng)。也正是由于存在這種低滲透率地層所形成的“蓋層”，才得以在百萬(wàn)年時(shí)間尺度上圈閉并保存油氣資源。

2.2 深部地層滲透率特征

影響巖石滲透率的因素很多，除自身礦物組成外，還包括有效應(yīng)力、地層飽和度(水)、巖石壓實(shí)膠結(jié)程度等。其中，有效應(yīng)力直接控制著地層的壓實(shí)程度及裂隙隙寬，導(dǎo)致其成為滲透率的主要控制因素之一。巖石空隙及連通率都會(huì)隨著有效應(yīng)力的增加而降低，從而限制流體流動(dòng)。Kwon等利用瞬態(tài)脈沖衰減法測(cè)試了Wilcox地層中頁(yè)巖的水平滲透率，當(dāng)有效應(yīng)力從3 MPa增加至12 MPa時(shí)，其水平滲透率則從大于300×10m下降至3×10m，并基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)給出了地層滲透率

k

與有效應(yīng)力之間的關(guān)系式如下：

k=k

[

1-

(P

/

P

)

]

(2)

式中：

k

為有效應(yīng)力為零時(shí)的地層滲透率(m)，約在10×10m數(shù)量級(jí)；

P

為(19.3±1.6) MPa

;m

為擬合參數(shù)，其值為0.159±0.007

;P

為有效應(yīng)力

(

MPa

)

?？梢?jiàn)

,

隨著有效應(yīng)力的增加，地層滲透率將會(huì)顯著降低。此外，多孔介質(zhì)中的多相流體(石油、天然氣、水等)的共存也會(huì)顯著降低地層滲透率。常見(jiàn)的地層相對(duì)滲透率(

K

)與飽和度(

S

)之間的關(guān)系式如下13：

(3)

式中

:n

為擬合參數(shù)，對(duì)于水而言

n

值分布在1.5～3.5之間。

當(dāng)介質(zhì)中的流體僅以殘留水的形式被束縛在基質(zhì)顆粒表面上時(shí)，束縛水只能以非達(dá)西流動(dòng)形式遷移，這是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，因此可以認(rèn)為地層的滲透率幾乎為零。

勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)，我國(guó)絕大多數(shù)頁(yè)巖儲(chǔ)層都具有超低含水飽和度的特點(diǎn)，導(dǎo)致其滲透率極低。這是由于一方面烴源巖生烴過(guò)程中水分參與了生烴反應(yīng)，另一方面頁(yè)巖氣生成過(guò)程中烴類(lèi)的排出攜帶了大量水分，從而造成地層中的水分大大降低。如果沒(méi)有后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的地層水的再次進(jìn)入，頁(yè)巖的超低含水飽和度將得以延續(xù)，從而形成富含天然氣的頁(yè)巖，成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的有利目標(biāo)。國(guó)內(nèi)鉆探評(píng)價(jià)的100多口頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)井頁(yè)巖含水飽和度數(shù)據(jù)顯示，川南地區(qū)普遍為含水飽和度極低的鉆井，如威201、寧201，其含水飽和度一般都低于30%～45%；而在黔北一帶存在含水飽和度相對(duì)較高的鉆井，如昭101、YQ01等，其含水飽和度達(dá)到了45%～60%，這些井一般位于斷裂或構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈的部位，如斷裂發(fā)育的背斜核部等。

此外，壓實(shí)膠結(jié)過(guò)程也會(huì)顯著降低地層的滲透率。一方面在壓實(shí)膠結(jié)過(guò)程中會(huì)有基質(zhì)的“生長(zhǎng)”現(xiàn)象，它將會(huì)在孔隙內(nèi)部“搭橋”逐步阻塞孔隙；另一方面在裂隙中膠結(jié)物將會(huì)大量充填，將原本可以成為優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道的裂隙面封閉，大大阻礙了流體的運(yùn)動(dòng)。

總之，沉積盆地的層狀結(jié)構(gòu)及細(xì)顆粒巖石(如頁(yè)巖、粉砂巖及泥巖等)的自身屬性等都大大限制了地層垂向滲透率，加之受有效應(yīng)力、超低含水飽和度和壓實(shí)膠結(jié)等因素的影響，造成沉積盆地深部地層低滲透率成為了一個(gè)普遍規(guī)律。

3 深部流體向上遷移機(jī)制及概念模型

3.1 天然條件下深部流體向上遷移的驅(qū)動(dòng)力

油氣沉積盆地中深部流體向地表遷移的先決條件之一是需要有持續(xù)的、自下而上的水力梯度,而能夠產(chǎn)生這種水力梯度的機(jī)制有地形驅(qū)動(dòng)力和深部地層超高壓驅(qū)動(dòng)力兩種。

3.1.1 地形驅(qū)動(dòng)力

按照Tóth提出的地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論，地形驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)流體形成貫穿整個(gè)沉積盆地的區(qū)域尺度流動(dòng)時(shí)，其路徑為從地表補(bǔ)給進(jìn)入深部地層徑流再返回地表排泄。在此過(guò)程中，地形所造成的勢(shì)能差成為驅(qū)動(dòng)深部流體向上運(yùn)移的持久性驅(qū)動(dòng)力，其大小取決于補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)地形勢(shì)差。

3.1.2 深部地層超高壓驅(qū)動(dòng)力

另一種向上驅(qū)動(dòng)力是存在于油氣沉積盆地深部地層中的超高壓，它廣泛地存在于世界上絕大多數(shù)沉積盆地中。不平衡壓實(shí)和油到氣的裂解過(guò)程是產(chǎn)生超高壓的兩個(gè)重要過(guò)程。

不平衡壓實(shí)是地層中孔隙水壓力的產(chǎn)生超過(guò)了耗散的速度所造成的一種不平衡狀態(tài)。油氣沉積盆地快速埋藏初期，埋藏應(yīng)力隨上覆沉積物不斷累積逐漸增大，地層進(jìn)入壓實(shí)排水過(guò)程。若地層滲透率高，孔隙水被及時(shí)排出，地層壓力隨之耗散，也就無(wú)法形成超高壓；反之，若地層滲透率較低，則孔隙水很難自由排出，那么捕獲的流體將會(huì)導(dǎo)致地層應(yīng)力不斷增加，從而形成超高壓。

此外，油氣沉積盆地演化后期深部地層中從油到氣的裂解過(guò)程是造成超高壓的另一個(gè)重要過(guò)程。單位體積的油類(lèi)裂解為氣體后，體積將增大550倍，因此僅有很少量的油發(fā)生裂解時(shí)，其產(chǎn)生的高壓甚至能夠壓裂其附近的基巖。四川盆地(威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、涪陵區(qū)塊)的龍馬溪組頁(yè)巖氣主要為油型裂解氣，因此裂解過(guò)程也是形成四川盆地深部超高壓的原因之一。

油氣沉積盆地內(nèi)的超高壓得以從地質(zhì)歷史時(shí)期保存至今，表明沉積地層的滲透率已低至足以保證在百萬(wàn)年時(shí)間尺度內(nèi)地層壓力難以耗散。Deming提出的一個(gè)方程能夠表達(dá)它們之間的關(guān)系，即：

k=z

αμ

/4

t

(4)

式中：

k

為地層滲透率

(

m

)

；

z

為埋藏深度(m);

α

為巖石壓縮率(Pa);

μ

為水的黏滯系數(shù)(Pa·s);

t

為地層壓力耗散的時(shí)間(Ma)。該公式適用于均質(zhì)、非均質(zhì)巖層以及滲透率受控于裂隙或基質(zhì)的巖層。通過(guò)公式(4)可知，當(dāng)時(shí)間尺度為10～100 Ma、埋藏深度為1 000～5 000 m(頁(yè)巖常規(guī)埋藏深度)、

α

=10Pa、

μ

=0.000 5 Pa·s時(shí)，地層滲透率

k

約為1×10m到1×10m，與大部分深部頁(yè)巖滲透率的數(shù)量級(jí)一致。油氣沉積盆地深部超高壓所產(chǎn)生的水力梯度具有一個(gè)極值，因?yàn)槿绻洚a(chǎn)生的水力梯度太大將會(huì)破壞上覆巖石，那么下部積聚的壓力得以釋放也就不存在超高壓狀態(tài)了。因此，水力梯度的最大值也就受限于巖石本身的機(jī)械性能，保證巖石恰好不會(huì)被壓裂。當(dāng)孔隙水壓力超過(guò)了保持巖石裂隙閉合的最小壓應(yīng)力(

σ

)時(shí)，巖石將會(huì)發(fā)生破裂。Engelder認(rèn)為

σ

的上限近似為上覆地層應(yīng)力，即：d

h

/d

z=

-

(ρ

-

ρ

)

/

ρ

(5)

式中：

ρ

為上覆巖石顆粒密度(kg/m);

ρ

為水的密度(kg/m,負(fù)號(hào)表示向上流動(dòng))，

h

為極限水頭值(m)。

ρ

近似為2 300 kg/m，對(duì)于地層鹵水

ρ

近似為1 200 kg/m(假定鹽度為350 000 ppm，溫度為100℃、壓力為20 MPa時(shí))，上式表明油氣沉積盆地深部超高壓所產(chǎn)生的最大向上水力梯度極限是1。

3.2 水力壓裂對(duì)壓裂液上移的影響

對(duì)于水力壓裂過(guò)程中一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題是壓裂所產(chǎn)生的新生裂隙是否會(huì)顯著地增大上覆地層的垂向滲透率以及壓裂時(shí)的瞬時(shí)壓力是否會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的水力梯度。

3.2.1 水力壓裂新生優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道

目前，通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)已獲取到的水力壓裂新生裂隙的分布范圍在90～200 m不等，平均值為170 m。北美地區(qū)該數(shù)據(jù)平均值為100 m，最大值500 m出現(xiàn)在Marcellus地區(qū)。需要注意的是，目前進(jìn)行頁(yè)巖氣開(kāi)采的目標(biāo)層位均在1 500～3 000 m處，因此新生裂隙的分布范圍遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到上覆完整基巖的厚度。另外，Rutqvist等也通過(guò)微震監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)，水力壓裂過(guò)程并不會(huì)造成先存斷層活化。因此，水力壓裂難以創(chuàng)造出流體遷移的優(yōu)勢(shì)通道。

3.2.2 瞬時(shí)壓力傳播的極限

水力壓裂過(guò)程中向深部注入壓裂液將會(huì)在頁(yè)巖層產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)壓力脈沖并傳播到新生裂隙網(wǎng)絡(luò)之外，該瞬時(shí)壓力脈沖的傳播依賴(lài)于巖石介質(zhì)及流體的屬性，可通過(guò)下式變形后估算由壓裂液壓入引起的裂隙網(wǎng)絡(luò)以外孔隙水壓力傳遞的距離

s

：

(6)

目前一次壓裂將會(huì)持續(xù)1～2 h，假定地層垂向有效滲透率為1×10～1×10m，由壓裂液壓入引起的裂隙網(wǎng)絡(luò)以外孔隙水壓力傳遞的距離

s

分布在0.017 m到2.400 m之間。因此，壓力傳遞只是在短時(shí)間內(nèi)局限在新生裂隙附近，不會(huì)導(dǎo)致向上水力梯度的突變。至產(chǎn)氣階段反而形成持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、大尺度的釋壓過(guò)程，造成水力梯度轉(zhuǎn)為自上而下。

3.3 水力壓裂前后深部流體向上遷移的概念模型

綜合我國(guó)大型油氣沉積盆地地質(zhì)與水文地質(zhì)背景，本文從地下流體滲流機(jī)理的角度建立了壓裂液在深部地層向上遷移的概念模型(見(jiàn)圖1)：油氣沉積盆地中存在著固有的來(lái)自地形勢(shì)能差和儲(chǔ)層超高壓這兩種自下而上的驅(qū)動(dòng)力，此外還包括水力壓裂操作所帶來(lái)的僅局限于壓裂區(qū)附近的、短時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，它們共同構(gòu)成了壓裂液污染淺層含水層的驅(qū)動(dòng)力；運(yùn)移通道則包括直接穿越上覆地層、斷層活化后形成貫穿深部?jī)?chǔ)層與淺層含水層的優(yōu)勢(shì)通道、壓裂裂隙形成的高滲縫網(wǎng)。

圖1 壓裂液在深部地層向上遷移的概念模型圖Fig.1 Conceptual model of hydraulic fracturing fluid upward migration①地形驅(qū)動(dòng)力；②超高壓驅(qū)動(dòng)力；③壓裂液潛在運(yùn)移通道；④頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井；⑤廢棄油氣井； ⑥地下水流向；⑦水力壓裂區(qū)；⑧淺層含水層

然而，水力梯度的極限為1，頁(yè)巖儲(chǔ)層上覆地層的有效滲透率一般低于1×10m，在此條件下壓裂液向上遷移的速度小于1 cm/a。此外，水力壓裂后的油氣開(kāi)采過(guò)程是一個(gè)釋壓過(guò)程，將會(huì)在深部地層中形成一個(gè)低壓區(qū)，導(dǎo)致水力梯度翻轉(zhuǎn)成自上而下，壓裂液將失去向上的驅(qū)動(dòng)力。因此，總體上看壓裂液很難短時(shí)間穿越上覆地層污染淺層地下淡水資源。由于油氣沉積盆地超高壓已被保存百萬(wàn)年時(shí)間尺度，表明不存在貫穿于超高壓儲(chǔ)層與淺部含水層的導(dǎo)水?dāng)嗔?，但水力壓裂新生裂隙是否?huì)擴(kuò)展至導(dǎo)水?dāng)嗔褟亩斐蓧毫岩嚎焖傧蛏线w移仍有待進(jìn)一步研究。此外，已有研究表明在短時(shí)間尺度內(nèi)，壓裂液可能會(huì)沿廢棄油氣井向上遷移而污染淺層含水層。

4 典型頁(yè)巖氣沉積盆地壓裂液向上遷移的預(yù)測(cè)分析

盡管目前我國(guó)四川盆地和鄂爾多斯盆地已有頁(yè)巖氣田進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段，但對(duì)于各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取仍十分困難，如水力壓裂過(guò)程中新生裂隙分布范圍、壓裂前后深部地層壓力變化等，因此本文從各沉積盆地地層分布來(lái)評(píng)價(jià)壓裂液及地層鹵水向上遷移的可能性。

4.1 四川盆地壓裂液向上遷移的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

四川盆地地表水資源豐沛，淺層地下水多作為當(dāng)?shù)鼐用耧嬘盟难a(bǔ)充水源，但由于其積極參與著水文循環(huán)過(guò)程，仍是一種十分敏感的環(huán)境因子。

目前四川盆地頁(yè)巖氣重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)主要分布在川東、川南—黔北一帶，包括威遠(yuǎn)、富順、長(zhǎng)寧、涪陵等地區(qū)，富氣目標(biāo)層位為志留系龍馬溪組與寒武系筇竹寺組，其普遍埋深在1 500～4 500 m不等，區(qū)域地表出露多為三疊系—白堊系的砂巖、泥巖等地層，它們與河谷內(nèi)零星分布的第四系松散堆積物共同構(gòu)成區(qū)內(nèi)淺層主要含水層。其中，基巖裂隙水主要分布在淺部砂巖裂隙孔隙中，富水性差，厚度小于300 m；而第四系松散堆積物中主要賦存孔隙水，厚度小于50 m。

本文以川東涪陵焦石壩區(qū)塊焦頁(yè)1井為例，從定性的角度看，志留系龍馬溪組一段中上部的頁(yè)巖層是產(chǎn)氣層的直接上覆地層，中下三疊統(tǒng)的膏鹽巖及泥巖則構(gòu)成了區(qū)域間接蓋層，從而保證了區(qū)域壓力封閉，使得志留系龍馬溪組—五峰組頁(yè)巖氣有效富集與保存，同時(shí)圈閉高壓-超高壓不至于散失；從定量的角度看，志留系龍馬溪組頁(yè)巖埋深為2 150.5 m，其上覆的志留系小河壩組泥巖夾粉砂質(zhì)泥巖(厚度為219 m)與韓家店組泥巖(厚度為508 m)，其釋壓后水平滲透率約在10m數(shù)量級(jí)，前述直接上覆地層組合后的滲透率為2.74×10m，該數(shù)據(jù)是取水平滲透率計(jì)算所得，若考慮垂向滲透率其結(jié)果則更低。

類(lèi)似地，川南地區(qū)(威遠(yuǎn)—富順—長(zhǎng)寧)、黔北地區(qū)(昭通)的志留系龍馬溪組頁(yè)巖埋深在2 000～3 500 m之間，其直接蓋層為上覆的志留系石牛欄組泥質(zhì)粉砂巖(150～350 m)與韓家店組頁(yè)巖(厚度200～872 m)，它們均具有較低的地層滲透率(小于10m數(shù)量級(jí))。與區(qū)域上普遍發(fā)育的三疊系膏鹽巖及泥巖所構(gòu)成的區(qū)域蓋層疊覆，為四川盆地頁(yè)巖氣的保存提供了良好的環(huán)境，同時(shí)也極大地約束了壓裂液及地層鹵水向上遷移的可能性。

4.2 鄂爾多斯盆地壓裂液向上遷移的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

鄂爾多斯盆地是我國(guó)重要的能源化工基地，受制于降水稀少、地表水資源短缺等因素，地下水成為保障當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本供水水源。目前鄂爾多斯盆地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主要在南部的延長(zhǎng)探區(qū)，目標(biāo)頁(yè)巖層為上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組，其普遍埋深在700～1 600 m之間，上覆地層依次為侏羅系、白堊系及第四系地層。其中，侏羅系地層主要為泥巖、砂巖及煤層互層，厚度分布在320～570 m之間，屬于良好隔水層；而白堊系砂巖(150～600 m)與第四系風(fēng)積砂等則構(gòu)成了鄂爾多斯盆地的主要含水層，其中賦存的地下水是該地區(qū)主要供水水源。

因此，對(duì)于延長(zhǎng)探區(qū)頁(yè)巖氣藏而言，上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組上部(第三段至第五段)地層是其直接上覆地層，巖性以泥巖為主，夾細(xì)砂巖與頁(yè)巖，厚度分布在484～575 m之間，其滲透率小于10m數(shù)量級(jí)；間接蓋層則為盆地內(nèi)普遍發(fā)育的侏羅系泥巖夾砂巖、煤層，其滲透率小于10m數(shù)量級(jí)。因此蓋層組合后總體滲透率仍在10m數(shù)量級(jí)，為鄂爾多斯盆地頁(yè)巖氣藏提供了良好的封閉空間，也阻斷了深部壓裂液及地層鹵水向上遷移的可能性。

4.3 其他盆地壓裂液向上遷移的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

對(duì)于我國(guó)其他尚未進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的頁(yè)巖氣沉積盆地，頁(yè)巖氣勘探有利層位地層分布情況見(jiàn)表1?？傮w而言，無(wú)論是海相沉積環(huán)境還是陸相沉積環(huán)境，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的地層分布十分類(lèi)似：地層埋深分布在1 000 m及以上，儲(chǔ)層直接上覆地層多為滲透率極低的泥巖或頁(yè)巖，區(qū)域上往往存在低滲透率的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖等作為區(qū)域蓋層，兩者共同提供了一個(gè)良好的封閉環(huán)境，為頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集提供了有利條件；而淺層地下水往往賦存在第四系松散堆積物中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，積極參與水文循環(huán)過(guò)程。頁(yè)巖儲(chǔ)層與淺層含水層之間的距離均大于1 000 m且由滲透性極差的組合地層相隔，因此深部壓裂液及深部地層鹵水幾乎不可能向上遷移。

表1 典型油氣沉積盆地頁(yè)巖氣目標(biāo)層分布一覽表Table 1 Shale gas reservoir in oil and gas basin in China

5 結(jié) 論

壓裂液是否會(huì)向上遷移污染淺層含水層這一爭(zhēng)議的關(guān)鍵在于對(duì)深部地下流體運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)理不明確。本文結(jié)合我國(guó)油氣沉積盆地地質(zhì)與水文地質(zhì)背景，從地下流體滲流機(jī)理出發(fā)，分析了頁(yè)巖氣沉積盆地地層低滲透率的典型特點(diǎn)及形成機(jī)理，建立了壓裂液向上遷移的概念模型，主要獲得以下認(rèn)識(shí)：

(1) 頁(yè)巖氣沉積盆地層狀地層垂向有效滲透率受到滲透率最低的地層控制，且頁(yè)巖氣儲(chǔ)層上覆地層多由滲透率低的細(xì)顆粒巖石組成(如泥巖、頁(yè)巖等)，加之有效應(yīng)力、超低含水飽和度(多相)和壓實(shí)膠結(jié)等因素的影響，導(dǎo)致上覆地層總體滲透率極低(<1×10m)。

(2) 無(wú)論是來(lái)自地形的驅(qū)動(dòng)力或是油氣沉積盆地深部的超高壓驅(qū)動(dòng)力，其產(chǎn)生的自下而上的水力梯度上限為1，該水力梯度下壓裂液向上遷移速率小于1 cm/a。

(3) 水力壓裂過(guò)程持續(xù)的時(shí)間非常短(幾小時(shí))，其形成的裂隙帶厚度遠(yuǎn)小于頁(yè)巖儲(chǔ)層上覆地層，同時(shí)上覆巖層性質(zhì)也極大地約束了深部壓力向上的傳播與耗散，因此水力壓裂過(guò)程難以改變天然狀態(tài)下地層滲透率與向上的水力梯度；但在新生裂隙若貫通壓裂區(qū)與導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛴捎诠こ檀胧┎划?dāng)造成壓裂液進(jìn)入廢棄油氣井的情況下，不排除造成淺層含水層被污染的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 結(jié)合我國(guó)四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等油氣沉積盆地實(shí)際地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析，受限于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層上覆地層的滲透率及自下而上的水力梯度，水力壓裂前后壓裂液及深部地層鹵水都很難向上遷移并對(duì)淺層地下水造成污染。