页岩气开发的地下水环境效应评估——以贵州习水浅层页岩区块为例

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@小白创作中心

页岩气开发的地下水环境效应评估——以贵州习水浅层页岩区块为例

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来源

http://www.dzkx.org/article/doi/10.13544/j.cnki.jeg.2024-0141

页岩气作为一种重要的非常规能源，在全球范围内受到广泛关注。然而，页岩气开发过程中可能对地下水环境造成影响，包括污染、诱发地震等问题。本文以贵州习水浅层页岩区块为例，通过系统研究页岩气开发前后的地下水环境变化，建立了地下水环境效应评估框架，为页岩气开发的环境保护提供了科学依据。

大规模水力压裂可能产生一系列环境地质问题，包括了地下水污染、诱发地震以及水资源消耗。目前尚未系统地建立页岩气开发的地下水环境效应评价框架，且对地下水主要污染物来源认识不清。本文以贵州习水浅层页岩气区块为例，通过了解页岩气开发前地下水环境背景状况、确定水力压裂中水循环过程以及地下水污染源、建立地下水敏感性监测及污染示踪指标确定方法、揭示污染溯源中关键地球化学过程对同位素污染示踪的影响，初步形成了页岩气开发的地下水环境效应评估框架。

研究区位于贵州习水地区，图1展示了研究区的水文地质图及采样点分布。研究发现，习水浅层页岩气区块的浅层地下水总溶解固体（TDS）范围为102至480 mg·L-1，地下水化学类型主要为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg。甲烷含量小于0.01 mg·L-1，溶解气体（CH4）的体积比范围为0.0025%至0.3754%。δ13C-CH4值普遍小于-50‰，表明甲烷主要为生物成因。

野外水力压裂试验和商业开采井的结果表明，页岩地层水存在于整个页岩气开发和生产过程，并作为返排液和产出水的主要组成部分，是浅层地下水污染的主要来源。根据页岩地层水和浅层地下水水文地球化学特征的差异，建立了确定地下水敏感性监测和污染示踪指标的方法，识别出研究区地下水敏感性指标包括Cl-、Na+、Ba2+、Li+、B、87Sr/86Sr和δ11B。

针对气体污染（甲烷作为地下水污染物），建立了浅层地下水溶解气和页岩气甲烷同位素（δ13C-CH4）及惰性气体同位素（3He/4He和4He/20Ne）组成的端元。同时揭示了当有黏土矿物存在的情况下，吸附-解吸对同位素示踪的影响。在研究区，黏土矿物B的解吸造成水体B含量的增加及δ11B的减少；溶解态Sr与吸附态Sr的同位素再平衡，增加了水中87Sr/86Sr比值。

这项研究对于页岩气开发的地下水环境保护具有重要意义，有助于完善页岩气开发过程中地下水环境效应的评估。通过建立地下水环境效应评估框架，可以更好地监测和控制页岩气开发对地下水环境的影响，为实现能源开发与环境保护的平衡提供科学依据。

图 1 研究区水文地质图及采样点分布