引言

页岩气作为非常规天然气，是一种清洁、高效的新兴能源。我国页岩气资源丰富，可采资源量达2.508×10¹³m³，居世界首位。党中央、国务院高度重视页岩气勘探开发工作，已将页岩气纳入我国重大能源战略，“十二五”期间我国页岩气勘探开发取得重大突破^[1]，成为继北美之外全球第二个实现大规模商业化开发的国家。页岩气开发利用为经济社会发展注入了强劲动力，但同时也带来了生态环境保护的巨大压力和严峻挑战^[2-6]。党的十八大以来，国家把生态文明建设和环境保护提到了前所未有的战略高度，强调全面推动工业绿色转型。因此，在国家大力推进生态文明建设的大背景下，页岩气开发应突破传统的重开发轻保护的倾向，从绿色发展理念出发^[7]，坚持开发与环境保护同步，把绿色发展融入开发建设中，实现我国页岩气行业健康可持续发展。

目前我国页岩气开发主要集中在4个国家级示范区，分别为中石化涪陵页岩气示范区、中石油长宁威远示范区、云南昭通示范区和延长石油延安陆相页岩气示范区。其中，中石油的长宁—威远示范区进行了以“减量化、无害化、资源化”为重点的清洁生产技术探索和应用，取得了较好的环境效益^[8]；云南昭通示范区进行了高效开发模式的有益探索^[9]；延长石油的延安陆相示范区进行了陆相页岩气超临界二氧化碳压裂试验并取得成功，有望开辟一条绿色、环保、高效的陆相页岩气开发新途径。以上三个示范区在绿色开发方面做了积极的探索和实践，得到了很多收获，但对绿色开发进行系统的总结和梳理尚未见报道。涪陵示范区是目前为止我国规模最大、首个实现大规模商业化开发的整装海相页岩气田，自2013年初启动产能建设以来，开展了绿色开发技术攻关及实践，短短三年建成了5×10⁹m³/年的产能，并较好地保护了当地的环境，极大地推动了我国页岩气开发行业的绿色健康发展和商业化进程。笔者通过调查涪陵页岩气区域环境概况及勘探开发实际，分析涪陵区块页岩气开发面临的环保挑战，从“节能、降耗、减污、增效”方面总结分析涪陵示范区绿色开发实践及取得的成效和经验，以期为其他区块的页岩气绿色高效开发提供有益借鉴。

1 涪陵页岩气开发面临的环保难题

涪陵页岩气田位于四川盆地川东高陡褶皱带^[10]，与北美页岩气田多处平原相比，涪陵页岩气田近表地质条件复杂、生态环境敏感、区域人口密集、土地资源紧张（图 1）。我国页岩气绿色开发技术研究起步较晚，国内没有成功开发的先例，涪陵页岩气开发环境保护面临诸多挑战。

1.1 人地矛盾问题

北美页岩气勘探开发实践表明，页岩气单井产量低、递减速度快，要维持气田总体产量稳定需持续大量钻井；与常规天然气开发相比，页岩气开发井的密度大、钻井数量多。涪陵页岩气田地处山区地带，主要以耕地和林地为主，受山区地形限制，井场建设需占用耕地和林地的面积大。同时，涪陵页岩气示范区属于喀斯特地貌，地表碎石繁多、土层浅薄、土壤缺乏，平台建设完工后施工迹地生态恢复需购买土壤，复垦复绿的难度大、成本高，区域可用耕地将逐渐减少，人地矛盾突出。

1.2 水污染与控制问题

涪陵页岩气田地质条件复杂，地质年代古老，经历多期构造运动，断层发育，岩溶分布广泛，地下水与地表水交替频繁，是当地居民主要的饮用水和灌溉用水来源。钻井区域浅层地表溶洞多、暗河多、裂缝多，呈不规则分布，布置导管和开钻过程中极易发生钻井液漏失，对浅层地下水有较大影响，气田开发初期发生过钻井液漏失污染地下水事件。同时，气田地处长江和乌江流域，水资源保护压力大。

1.3 固体废物处理问题

页岩气开发产生固体废物种类多、数量大，包括钻屑（清水钻屑、水基钻屑、油基钻屑）、废弃水基泥浆和废水絮凝物、废油、化工料筒等，钻井固废的安全环保处置是当前页岩气开发环境保护的重点和难点。由于页岩气开发在我国才起步，基础薄弱，技术可行、经济合理的环保治理技术仍在探索中，特别是油基钻屑处理技术难以突破；另外，钻井固废采取传统的固化填埋方式已不能满足当前生态文明建设和绿色发展需求。

1.4 废水处理问题

页岩气开发产生的工艺废水包括钻井废水、洗井废水、压裂返排液和采气分离水，废水种类多、量大且分散，水质复杂，环境风险高，处理难度大；特别是采气废水具有中高含盐、中高有机浓度、低可生化性等特点，处理成本和处理难度大。

1.5 环境监管问题

页岩气开发涉及多环节作业施工，各工艺环节相辅相成且由不同施工队伍作业，施工面广，施工队伍和人数多，环境管理缺乏可借鉴的经验、模式和技术规范，监管难度大。

2 涪陵页岩气的绿色开发实践

针对涪陵页岩气开发面临的环保难题，中国石化以“节能、降耗、减污、增效”为目标，通过三年多的攻关，形成了以“土地集约化利用、绿色钻井工艺、环境友好型压裂试采、钻屑无害化处理及资源化利用、废水循环利用”为核心的绿色开发技术集成，取得了良好的现场应用成效。

2.1 土地集约化利用 2.1.1 平台集约化用地

涪陵页岩气田坚持少布平台、多打井、少占地的原则，通过平台布局优化与丛式水平井轨道设计模型选择、丛式水平井井眼轨道优化设计、防碰设计确立丛式水平井布井方式和“井工厂”钻井模式^[11-12]，优化钻井平台修建方案，实现了一个平台布置4~8口井。与单钻机单井平台平均占地7.92×10³m²相比，四井式“井工厂”平台占地6.6×10³m²，单井平均占地1.65×10³m²，单井节约土地率达79.2%。

2.1.2 实施土地复垦

对已完井平台和完工的管线工程，制定涪陵页岩气田土地复垦技术标准，按照统一规划，保护土壤资源原则，开展土地复垦设计，合理规划实施涪陵页岩气田施工迹地土地复垦，减少永久占地范围，增加复垦区域，累计复垦土地8.44公顷，维护了区域土地生产能力，缓解人地矛盾，促进页岩气开发与当地社会和谐发展。

2.2 绿色钻井工艺 2.2.1 岩溶地层防污钻井

针对涪陵页岩气田浅层裂缝、溶洞发育，地质条件复杂，井漏频发影响地下水的问题，形成了井位优选技术和岩溶地层清水钻井技术^[13]，并在现场进行了规模应用。以井场和井位优选为目标的高密度点法水文勘探技术，有效规避了钻遇裂缝、溶洞和暗河的环境风险。多次优化钻井液体系，1.5×10³m以浅采用清水钻井液钻井（图 2），截至2016年底，推广应用了271口井，减少水基钻井液使用量1.355×10⁴m³，节约资金1 897万元，同时有效地保护了当地水源，取得了较好的经济效益和环保效益。

2.2.2 基于源头减排的井身结构优化

形成以井筒瘦身为核心的“导管+三段式”井身结构。导管钻头6.604×10²mm改成6.094×10²mm，一开钻头由4.45×10²mm改成4.06×10²mm，单井钻屑产生量由1.597×10²m³减少到1.3267×10²m³，钻井废弃物同比减少了17%，从源头实现了钻屑等固体废物的减排。

2.2.3 山地“井工厂”作业模式

“井工厂”是将传统的单井作业改为多口井联合作业，以生产或装配流水线作业的方式进行钻井和完井的一种高效、低成本、低资源消耗的作业模式。针对涪陵页岩气田地表条件复杂、钻井工程建设周期长、成本高的问题，在对涪陵山地井场地貌综合分析的基础上，通过“井工厂”钻井平台布井与轨道优化设计、“井工厂”钻井作业流程设计等研究，形成了山地“井工厂”高效钻井技术^[14]。通过现场30个平台的应用，累计节约水基钻井液2.184×10⁴m³，节约油基钻井液1.830 4×10⁴m³，累计节约资金11 209.5万元，大幅提高了钻井液循环利用率，废物减排效果好，经济效益和环保效益显著。

2.2.4 废气减排与降噪的网电钻井

传统钻井多采用柴油发电机组提供动力，能耗高、CO₂等废气排放量大，产生的噪音大，影响当地居民的生产生活。结合涪陵页岩气田实际，研究网电钻机改造技术，解决动力模块替代、变压和调整的控制问题，实现利用网电进行钻井作业^[15]。涪陵区块81%钻机实现了网电钻井作业，网电施工钻井171口，替代成品油5.47×10⁴t，减少CO₂排放1.705×10⁵t，设备噪声由93.1~94.3dB（A）降低至76.1 dB（A），经济和环保效益显著。

2.3 环境友好型压裂试采 2.3.1 环保型压裂液体系

结合页岩气储层特征和压裂工艺要求，研发了“新型高效清洁压裂液体系”，形成了一套适合涪陵地区页岩气储层，具有低摩阻、低膨胀、低伤害、易返排、性能稳定，均为环保型有机化合物的压裂液体系，累计用于276口井，在取得很好压裂效果的同时，也体现了很好的环境友好性。

2.3.2 减少碳排放的试—采一体化

针对涪陵页岩气田测试放喷燃烧过程中页岩气资源的浪费问题，研发了可回收利用型页岩气井地面测试系统^[16]，研制了配套的自力式调节阀，实现了测试过程中页岩气的回收收集，减少了页岩气开发工艺中CH₄燃烧产生的碳排放，并在涪陵页岩气田32口井中进行了应用，单井减少页岩气燃烧量3.0×10⁵m³，累计回收页岩气9.60×10⁶m³。

2.4 钻屑无害化处理及资源化利用 2.4.1 清水、水基钻屑资源化利用

为解决钻屑传统的固化填埋方式占用土地和存在潜在环境污染隐患问题，创新了清水、水基钻屑预处理装备，实现清水、水基钻屑随钻处理。开展了水基钻屑建材利用技术研究和实践^[17]，通过分析清水、水基钻屑理化性质及污染物情况，将清水、水基钻屑含水率降至16%~20%后，清水钻屑可用作井场消防沙或者铺设井场，水基钻屑拌和胶凝材料用作井场和道路垫层和混凝土（图 3），在保障资源化利用环境安全的前提下，尽可能地实现资源化利用。

2.4.2 油基钻屑综合利用

针对油基钻屑处理的难题，通过开展不同处理工艺的研究攻关，形成了高效、稳定的油基钻屑热脱附技术及装备（图 4），并在涪陵页岩气田实现了规模化应用，处理规模达1.5×10²m³/d，累计处理油基钻屑7.2×10⁴m³；分离后的油回收利用，处理后灰渣的含油率控制在0.3%以内；通过对处理后灰渣的理化性质和污染物分析，研发了灰渣建材利用技术^[18-19]，将灰渣用作替代细沙制作混凝土和免烧砖用于气田地面工程建设，实现了对油基钻屑的减量化、无害化及资源化处理。

2.5 废水循环利用

针对涪陵页岩气田钻井废水中油和细菌含量较高，压裂返排液和采气分离水矿化度、悬浮物及细菌含量较高的特点，以满足回用于配置压裂液为目标，兼顾处理成本和效果，采用pH调节、絮凝、杀菌的处理工艺^[20]，处理后的废水满足《涪陵工区井下作业污水回用标准》，与清水按照一定比例混合配置压裂液。截至2016年底，工艺废水循环利用率100%，累计重复利用废水1.19×10⁶m³，节约新鲜水费达1 300万元，实现了工艺废水零排放（图 5），减少了新鲜水的用量，经济效益和环保效益显著。

2.6 “三维度”环保管理模式创建

针对涪陵页岩气大规模开发环境管理的难题，创建了“紧密型环保管理体系、开放型环保监督体系、高效型环保创新体系”的“三维度”环保管理模式（图 6）。现场生产实践表明，页岩气开发污染物得到有效控制，对周边生态环境的影响明显减小，开发区域环境质量基本稳定，取得了显著的环保效益。

3 结论及认识

（1）涪陵页岩气田坚持走生态优先、绿色发展之路，针对气田人地矛盾突出、水污染与控制难度大、钻井固体废物处理、废水处理、环境监管难度大等环保难题，通过技术攻关和现场实践，基本形成了适用于涪陵页岩气田的以土地集约化利用、绿色钻井工艺、环境友好型压裂试采、钻屑无害化处理及资源化利用、废水循环利用为核心的绿色开发技术体系，实现了区域水环境的有效保护，废水零排放，固体废物减量化、无害化及资源化，减少了碳排放，节约了用地、用水，降低了能耗物耗及工程成本，实现了页岩气开发经济、社会和环境效益的协调发展。

（2）涪陵页岩气田绿色开发技术支撑了涪陵区块页岩气环境友好开发，为涪陵页岩气田三年顺利完成一期5×10⁹m³产能建设提供了强有力的保障，对我国其他区块的页岩气开发起到了重要的示范和引领作用。

（3）涪陵页岩气绿色开发取得重大突破的同时，还存在很多问题和难点需要攻克和解决：一是油基钻屑处理仍然存在能耗高、效率低、经济技术条件差等问题，需进一步优化工艺技术及装备，降低处理成本；二是资源化利用途径单一，不能解决大量钻井岩屑的去向问题，急需探索无害化处理措施及多用途资源化利用途径；三是随着投入生产的气井增多，开发井减少，压裂回用水量减少，气田产生的采气分离废水水量大，需配套建设污水收集系统和采气分离废水处理系统；四是页岩气开发环境保护技术规范和污染控制标准尚未形成，在技术攻关的基础上，总结涪陵示范区的经验，研究制定相关环保标准规范。