水力壓裂技術(shù)的發(fā)展使得頁(yè)巖油氣實(shí)現了經(jīng)濟有效的開(kāi)采，這一顛覆性技術(shù)改變了美國能源結構（美國2019年頁(yè)巖氣產(chǎn)量高達7160億方），影響了全球能源格局，同時(shí)消除了人們對油氣資源稀缺性的擔心（金之鈞等，2020）。中國、英國、波蘭等國擬大力開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣，中國2019年的頁(yè)巖氣產(chǎn)量也突破了150億方。然而水力壓裂可能造成一定的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題（如地下水污染和誘發(fā)地震），許多歐洲國家及美國一些州因此禁止在本地開(kāi)展水力壓裂作業(yè)。刻畫(huà)水力壓裂中地球化學(xué)過(guò)程，對于理解低滲油氣儲層水巖相互作用、追溯地下水污染及改善水力壓裂效果等具有重要意義。然而由于以往返排液分辨率不高且地球化學(xué)反應易被混合作用（壓裂液與高鹽度地層水）所掩蓋，目前尚未對壓裂及返排中的地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行全面刻畫(huà)，一些重要的地球化學(xué)作用（如黃鐵礦氧化）是否發(fā)生也不明確；同時(shí)，很多室內實(shí)驗的結果與野外壓裂及返排中的地球化學(xué)過(guò)程不相匹配。
針對上述問(wèn)題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程院重點(diǎn)實(shí)驗室黃天明副研究員、龐忠和研究員、李曉研究員、李關(guān)訪(fǎng)工程師、利振彬博士生等人依托中科院頁(yè)巖氣先導專(zhuān)項貴州習水鉆測平臺，獲取了迄今為止分辨率最高的返排液數據，同時(shí)結合與之匹配的室內水巖反應實(shí)驗及同位素示蹤（包括δ2H-H2O、δ18O-H2O、δ34S-SO4、δ18O-SO4、δ15N-NO3、δ18O-NO3、δ15N-NH4、δ13C-DIC、3H、14C-DIC等），精細刻畫(huà)了壓裂及返排過(guò)程中的地球化學(xué)反應。
研究結果顯示返排到第37-38天，返排液已經(jīng)不含氚且14C含量低于6.5 pMC（壓裂液氚含量為9.8 TU、14C含量為93.3 pMC），說(shuō)明此時(shí)的返排液基本是地層水；通過(guò)計算發(fā)現返排到第4天時(shí)，地層水已經(jīng)占到了返排液的50%，兩周時(shí)占到80%（圖1）；返排液的水化學(xué)組成整體上受控于壓裂液和地層水的混合作用。除此之外，在返排初期（1-2天內）和室內水巖反應實(shí)驗中，均發(fā)現了明顯的陽(yáng)離子交換、離子吸附與解吸附作用、重晶石沉淀等反應（圖2）。雖然在室內水巖反應實(shí)驗中（包括前人實(shí)驗），黃鐵礦氧化作用十分明顯，但在現場(chǎng)壓裂及返排中，這一過(guò)程并不明顯。結合硫同位素和地球化學(xué)計算，發(fā)現返排液中硫酸鹽的減少并不是由前人認為的硫酸鹽還原或沉淀作用造成的，而只是由地層水（硫酸鹽含量較低）主導的混合作用所引起的（圖3）。
圖1 貴州習水頁(yè)巖氣水力壓裂試驗及返排液水化學(xué)同位素組成變化
圖2 返排液主要離子演化特征（紅線(xiàn)為壓裂液與地層水的混合線(xiàn)）
圖3 返排液中硫酸鹽及硫同位素演化
這項研究工作的指示意義在于：（1）揭示了低滲油氣儲層主要水巖相互作用及返排液組成等深部水文地質(zhì)過(guò)程；（2）水力壓裂中黃鐵礦氧化作用及其觸發(fā)的碳酸鹽溶解并不明顯，因此相應的儲層改善作用可能有限；（3）由于返排初期的返排液水化學(xué)組成受水巖相互作用影響，Na/Cl、Ca/Na和B/Cl等常用水化學(xué)示蹤指標需謹慎使用；（4）雖然壓裂及返排過(guò)程中發(fā)生了眾多地球化學(xué)反應，但返排液整體的水化學(xué)組成仍受控于高鹽度地層水，因此地層水的水化學(xué)、同位素及毒性研究對于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的地下水水質(zhì)監測及污染示蹤具有重要意義。
研究成果發(fā)表于國際權威學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters。（Huang T, Li Z, Mayer B, Nightingale M, Li X, Li G, Long Y, Pang Z. Identification of geochemical processes during hydraulic fracturing of a shale gas reservoir: A controlled field and laboratory water-rock interaction experiment [J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(20), e2020GL090420, DOI: 10.1029/2020GL090420）（原文鏈接）。該成果受中科院頁(yè)巖氣先導專(zhuān)項、國家自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì )等項目資助。
