地质地球所精细刻画水力压裂中地球化学过程

水力压裂技术的发展实现经济有效地开采页岩油气，该技术改变了美国能源结构，影响了全球能源格局，也消除了人们对油气资源稀缺性的担心（金之钧等，2020）。中国、英国、波兰等拟大力开发页岩气，然而，水力压裂可能造成一定的环境地质问题。刻画水力压裂中地球化学过程，对于理解低渗油气储层水岩相互作用、追溯地下水污染及改善水力压裂效果等具有重要意义。然而由于以往返排液分辨率不高且地球化学反应易被混合作用（压裂液与高盐度地层水）所掩盖，目前，学界尚未对压裂及返排中的地球化学过程进行全面刻画，尚不明确一些重要的地球化学作用（如黄铁矿氧化）是否发生；较多室内实验结果与野外压裂及返排中的地球化学过程不匹配。

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室副研究员黄天明、研究员庞忠和和李晓、工程师李关访、博士生利振彬等依托中科院战略性先导科技专项（B类）“页岩气勘探开发基础理论与关键技术”（以下简称“页岩气专项”）贵州习水钻测平台，获取了迄今分辨率最高的返排液数据；结合与之匹配的室内水岩反应实验及同位素示踪（δ2H-H2O、δ18O-H2O、δ34S-SO4、δ18O-SO4、δ15N-NO3、δ18O-NO3、δ15N-NH4、δ13C-DIC、3H、14C-DIC等），精细刻画了压裂及返排过程中的地球化学反应。

研究结果显示，返排到第37至38天，返排液已不含氚，且14C含量低于6.5 pMC（压裂液氚含量为9.8 TU、14C含量为93.3 pMC），说明此时的返排液基本是地层水；研究人员通过计算发现，返排到第4天时，地层水已占返排液的50%，两周时占80%（图1）；返排液的水化学组成整体受控于压裂液和地层水的混合作用。此外，在返排初期（1至2天内）和室内水岩反应实验中，均发现明显的阳离子交换、离子吸附与解吸附作用、重晶石沉淀等反应（图2）。虽然在室内水岩反应实验中（包括前人实验），黄铁矿氧化作用较明显，但在现场压裂及返排中，这一过程并不明显。结合硫同位素和地球化学计算，发现返排液中硫酸盐的减少并非硫酸盐还原或沉淀作用造成，而是由地层水（硫酸盐含量较低）主导的混合作用引起（图3）。

该研究的指示意义在于：揭示了低渗油气储层主要水岩相互作用及返排液组成等深部水文地质过程；水力压裂中黄铁矿氧化作用及其触发的碳酸盐溶解并不明显，因此，相应的储层改善作用可能有限；由于返排初期的返排液水化学组成受水岩相互作用影响，Na/Cl、Ca/Na和B/Cl等常用水化学示踪指标需谨慎使用；虽然压裂及返排过程中发生了较多地球化学反应，但返排液整体的水化学组成仍受控于高盐度地层水，因此，地层水的水化学、同位素及毒性研究对页岩气开发的地下水水质监测及污染示踪具有重要意义。

相关研究成果以Identification of geochemical processes during hydraulic fracturing of a shale gas reservoir：A controlled field and laboratory water-rock interaction experiment为题，发表在Geophysical Research Letters上。研究工作得到页岩气专项、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等的支持。

图1.贵州习水页岩气水力压裂试验及返排液水化学同位素组成变化

图2.返排液主要离子演化特征（红线为压裂液与地层水的混合线）

图3.返排液中硫酸盐及硫同位素演化