巴内特页岩区水力压裂用水来源和速率的历史性分析

目前,学术界关于水力压裂法开采油气过程中可获得的水资源利用量及其对水资源的潜在影响存在很大争议。本文以德克萨斯州的巴内特页岩区为案例,旨在对水力压裂用水量进行量化,包括用水来源、水的再利用及处理。研究数据从商业及州的数据库、河流管理机构、地下水保护区和油气资源运营商获得。

1 前言

随着水力压裂技术在美国西部更多水资源匮乏地区的发展,以及其在全球半干旱地区的巨大发展潜力,了解水力压裂法的用水量就尤为重要。在已有的研究中,水力压裂用水量的估计值为下表:

前言表

本研究以具有油气生产潜力的页岩区的东部为研究对象,约辖15个郡,覆盖面积约10000平方英里。该研究也涵盖了页岩区的核心区域(图1)以及大部分的页岩气开发工作。

图1  巴肯页岩核心区域四个郡水平井的累积用水量及每季度的水平井总数

2 材料与方法

2.1 水力压裂用水

水力压裂的用水数据来源于IHS商业数据库,反过来说,这些数据来源于德克萨斯州德克萨斯州铁路委员会中运营商自我评价报告中的用水量,而RRC正是德克萨斯州油气开采的监管机构。

2.2 水力压裂的水源

页岩气行业强调在给定的时间和地点下,水力压裂用水水源是稳定可持续的,且最为经济的。在水源的分类中,有两类是十分明确的,即地表水和地下水,此外还有其他一些小的水源类型,并非水力压裂用水的最终来源,也相对比较次要。
供水商包括自主供水者、当地土地所有者、自治市、更大的水区以及拥有各种报告和数据的河流管理机构。

2.3 水力压裂水的水质

本研究中受访的运营商提供了额外的水质信息。此外,我们可以从一些其他资源上推断有关水质的信息,比如,地表水和处理为淡水且达到国家标准的废水。

2.4 返排采出水的性质

本研究中采出水水量数据汇编自IHS数据库。

2.5 返排采出水的注入处理法

关于返排采出水的注入量的信息,在IHS数据库和RRC网站上均可得到。后者的信息来源具有明显的优势。
在本研究中,我们只能获得2012年夏季和之前注入量的准确数据。

3 结果与讨论

3.1 用水量

3.1.1 用水量和耗水量历史

巴内特页岩区的用水总量已经从2008年的28800英亩-英尺下降到2011年的25800英亩-英尺,2011年德克萨斯州总计有32%左右的水用于水力压裂,其中也包括低渗透率地层的水力压裂。

图2  巴内特页岩区水平井的数据

图3  2010年各郡人口数量和2011年水力压裂水占各郡用水总量的比重

3.1.2 水力压裂用水的来源和水质

研究区地下水大多来源于特里尼蒂(Trinity)含水层,这是这15个郡区唯一的主要含水层,延展面积占总郡区面积的76%。该含水层中的水有很大一部分来自市政供水。该含水层还是德克萨斯州消耗最严重的含水层之一。

3.2返排采出水

IHS数据库的记录显示,返排采出水月产量的百分位数随时间逐步减少。
在郡级层面上,WB值的空间分布不是随机分布而是具有结构的,核心区域最小,而后向外增大。

图4  WB值

3.3 注入井

在过去的10年中,巴内特页岩区的井数量一直在增加。在2002年之前,水力压裂活动仅限于Denton和Tarrant郡,而且除这两个郡之外的所有注入活动都只与常规油气开采有关。

图5  每个郡与水力压裂相关年度注水量

4 建议与展望

推荐采用用水强度或者生产单位体积天然气或单位能量天然气的用水量来评价水利用状况的优劣。由于完井阶段用水处在前锋位置,所以最终用水强度取决于天然气总产量和最终采收率估计值。尽管公共信息囊括了越来越多的数据,多数井也还处在产气阶段,但用水量这个数据依然不能获得。油气井的历史越悠久,由此推断的用水强度趋势就越准确。

资料来源:Jean-Philippe N.,Bridget R. S,et al. Source and Fate of Hydraulic Fracturing Water in the Barnett Shale: A Historical Perspective. Environmental Science and Technology.

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