综述：水力压裂过程中的生物地球化学：对水库、流体、过程及其影响的批判性综述

《Geoenergy Science and Engineering》：Biogeochemistry during Hydraulic Fracturing: A Critical Review of Reservoirs, Fluids, Processes, and Implications

水力压裂破坏深层环境水-岩-气-微生物平衡，形成新微生物生态系统并引发复杂生物地球化学作用，影响天然气采收效率和返排水质。本文系统综述致密砂岩、页岩及煤层三种低渗透储层中水力压裂的水岩化学过程，涵盖流体混合、矿物溶解沉淀、黏土膨胀、离子交换吸附及生物化学反应，揭示储层非均质性与压裂液复杂组分耦合作用机制，提出基于生物地球化学优化压裂液添加剂以降低污染物和提升产量的策略，为非常规能源开发提供环境友好技术路径。

　　在深部地层环境中，水力压裂过程打破了水、岩石、气体和微生物之间原有的平衡，从而塑造出一种新的微生物生态系统，并引发一系列复杂的生物地球化学相互作用。这些相互作用不仅影响天然气的回收效率，还对返排水的质量产生深远影响。本文旨在对水力压裂过程中涉及的生物地球化学过程进行深入探讨，特别关注三种常见的低渗透性储层——致密砂岩、页岩和煤储层，以期为实现环境可持续的非常规能源开采提供理论支持。通过对低渗透性储层及其压裂液特性的分析，我们探讨了生物地球化学过程，包括流体混合、矿物溶解与沉淀、黏土膨胀、离子交换与吸附以及生化反应等。这些相互作用涉及复杂的物理、化学和生物过程，并受到储层异质性和压裂液成分复杂性的进一步影响。生物地球化学过程贯穿于非常规油气开采的整个生命周期，影响能源回收、返排流体水质以及环境结果。基于生物地球化学的见解，优化压裂液添加剂可以有效减少污染物并提高生产效率。本文深入分析了深部地层中的水-岩相互作用和微生物活动，强调了生物地球化学过程对水力压裂及其环境影响的微妙作用。同时，本文也突出了改进水力压裂设计的重要性，以提升非常规天然气的产量并降低环境风险。

能源是人类生存不可或缺的要素，它不仅维持生命，还推动社会进步（Neville等，2017；Zou，2017；D’Odorico等，2018）。随着经济增长和人口扩张，全球能源消费预计到2050年将增加近50%，从而加速了对新能源储量的探索（EIA，2021）。由于常规油气资源的枯竭（见图1），非常规油气开采正被视为满足日益增长的全球能源需求的关键解决方案（Vedachalam等，2015；Khan等，2021）。目前，全球能源消费主要依赖于石油（30%）、煤炭（26%）、天然气（24%）、可再生能源（15%）以及5%的核能（见图1a）。尽管已有多种政策推动核能和可再生能源的发展（如风能、太阳能和水能），但它们尚无法立即替代化石燃料。当前，石油和煤炭的勘探正在从常规资源向非常规资源的战略转型（McGlade等，2013；Zou等，2013；Vedachalam等，2015）。值得注意的是，无论是常规还是非常规油气，它们都源于源岩的热成熟作用，具有相似的油气成分。然而，常规与非常规油气资源的比例约为2:8，其中大量油气资源存在于非常规储层中（Holditch，2013；Song等，2015；Zou等，2015a）。随着技术的进步，非常规油气资源如致密砂岩气（tight gas）、页岩气和煤层气正在发挥重要作用，以满足能源需求（见图1b、c和d）。此外，全球变暖的日益加剧也凸显了实现净零碳排放的迫切性（Burke等，2018；IEA，2021）。例如，中国政府承诺在2030年前达到温室气体排放峰值，并在2060年前实现碳中和，致力于建立具有中国特色的气候治理体系（Wang等，2021a；Wang等，2022）。未来，非常规气资源有望在替代煤炭和石油、减少二氧化碳排放方面发挥关键作用（Holditch，2013；IEA，2021；Yu等，2021；Zhong等，2021；Zhao等，2025）。

非常规油气通常存在于沉积盆地的致密储层中，如致密砂岩、页岩和煤层，这些储层具有低孔隙度（通常低于10%）和小于1微米的孔隙喉道直径（Nelson，2009；Zou等，2015b；Pang等，2021）。由于渗透性低，常规开采技术无法有效提取油气。因此，需要采用新技术来增强储层的渗透性（Vidic等，2013；Zou等，2015a）。水力压裂与水平钻井技术的结合，显著提高了从原本难以开采的低渗透性储层中获取天然气和石油的产量（Hyman等，2016）。水力压裂通过向低渗透性储层注入大量高压流体，使岩石破裂，从而形成油气流动的通道（Harrison等，2017；McIntosh等，2019）。将大量外部流体注入地层会引发一系列水-岩相互作用，包括物理、化学乃至生物过程。这些地球化学过程不仅影响储层的渗透性和孔隙度，还对返排流体的水质产生影响（Civan，2015；He等，2022a）。水力压裂的非常规气井通常表现出快速的产量下降（Neville等，2017）。产量下降可能与水-岩相互作用引发的储层损害有关（在油气开发过程中，各种操作可能改变地下储层的性质，如孔隙度和渗透性，从而影响油气流动和整体产量）。储层损害是油气生产过程中各阶段（包括钻井、水力压裂和作业活动）都可能遇到的问题（Civan，2015）。然而，它在水力压裂过程中尤为显著，尤其是在低渗透性条件下（Reinicke等，2010；Xu等，2016）。水力压裂过程中常见的储层损害包括水阻、固体和滤液侵入、黏土矿物絮凝以及结垢堵塞（Civan，2015）。

北美页岩气革命激发了对页岩层与水力压裂液之间相互作用的广泛研究（例如，Harrison等，2017；Jew等，2017；Osselin等，2019；Phan等，2020；Xiong等，2020；Ferguson等，2021；Esteves等，2022）。研究人员通过实验室实验来识别和展示不同页岩与压裂液之间的相互作用。结合X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、SEM-能谱分析（EDS）以及同位素技术，可以识别诸如方解石溶解、重晶石沉淀和黄铁矿氧化等过程（Harrison等，2017；Jew等，2017；Paukert Vankeuren等，2017；Matecha等，2022）。此外，还研究了压裂返排流体的地球化学演变，以推断和揭示页岩与压裂液之间的相互作用（Rowan等，2015；Osselin等，2019；Gusa等，2020；Fu等，2021）。一些研究人员尝试设计实验室实验并进行现场测试（Zolfaghari等，2016；Li等，2017a；Huang等，2020a）。这种方法是必要的，因为单独研究返排流体或进行水-岩实验室实验无法全面展示页岩与压裂液之间的相互作用细节。基于已有研究，Khan等（2021）和Jew等（2022）分别对水化学对页岩的物理化学影响以及水力压裂在页岩储层中的化学和反应输运过程进行了综述。

水-岩相互作用是水力压裂过程中的一个重要环节。它不仅影响裂缝的形态和传播方向，还涉及流体迁移和储层重构。深入研究水-岩相互作用的机制和规律具有重要意义。然而，目前关于水力压裂过程中水-岩相互作用的详细信息仍然匮乏，涉及不同的储层特性、岩石矿物、压裂液以及微生物。因此，本文对水力压裂过程中的水-岩相互作用进行了综述，涵盖了物理、化学和生物过程。这一综述通过比较三种具有代表性的低渗透性储层——致密砂岩、页岩和煤储层来实现。旨在为水力压裂技术的发展和环境保护提供新的见解。此外，本文还提供了关于深部地层中水-岩相互作用和微生物的全面认识，以及生物地球化学过程对压裂返排流体的影响。

致密砂岩储层中的天然气通常存在于具有极低渗透性的致密砂岩中（Holditch，2006；IEA，2009）。致密砂岩储层通常由砂层和泥岩层交错构成，缺乏明显的圈闭或直接的盖层（Nelson，2009；Gao和Li，2016；Zou等，2018）。储层的深度通常在2000至5000米之间（Zou，2017）。中国的主要致密气盆地包括鄂尔多斯盆地和四川盆地，加拿大的阿尔伯塔盆地也是典型代表。这些储层的特征决定了其水-岩相互作用的独特性，因此在压裂液选择和操作设计上需要特别关注。致密砂岩储层的水-岩相互作用通常受到储层的物理性质和压裂液成分的影响，而这些因素又与储层的地质环境密切相关。例如，储层的温度、压力以及流体的化学组成都会对水-岩相互作用的性质和程度产生影响。在致密砂岩储层中，水力压裂过程中流体的注入可能导致矿物溶解、离子交换以及黏土矿物的膨胀，从而改变储层的物理结构和流体流动特性。此外，压裂液与储层岩石之间的相互作用还可能促进微生物的生长和活动，进而影响储层的生物地球化学环境。因此，深入研究致密砂岩储层中的水-岩相互作用，不仅有助于优化压裂技术，还能为环境保护提供科学依据。

压裂液是水力压裂过程中用于创建和维持裂缝的关键材料。压裂液的种类包括水基、油基、泡沫、乳化液、醇基和酸基压裂液等，它们被设计用于促进裂缝的形成并提高油气产量（Barati和Liang，2014；Gandossi和Von Estorff，2015；Barbati等，2016；Yekeen等，2018；Abdelaal等，2021）。其中，水基压裂液占据了压裂液种类的绝大多数，通常用于低渗透性储层（如致密砂岩、页岩和煤层气储层）。水基压裂液主要由水、砂和添加剂组成，其配方可以根据储层的具体需求进行调整。例如，某些添加剂可以提高压裂液的黏度，以防止流体在裂缝中过早流失；而其他添加剂则可能用于中和储层中的酸性物质，以减少对岩石的腐蚀。此外，压裂液的pH值、盐度以及有机物含量等特性也会影响其与储层岩石之间的相互作用。在某些情况下，压裂液的成分可能会与储层中的矿物发生反应，从而改变储层的物理和化学性质。例如，某些压裂液可能促进碳酸盐矿物的溶解，从而增加储层的孔隙度和渗透性；而另一些压裂液则可能通过离子交换过程改变储层中的矿物组成，进而影响油气的流动特性。因此，压裂液的设计和优化对于提高水力压裂效率和减少环境影响至关重要。

水力压裂过程中，水-岩相互作用不仅涉及物理和化学过程，还可能引发生物地球化学反应。这些反应通常由储层中的微生物介导，它们能够利用压裂液中的营养物质进行代谢活动，从而改变储层的化学环境。例如，某些微生物可能在压裂液注入后迅速繁殖，消耗其中的有机物并释放气体或酸性物质，进而影响储层的pH值和矿物溶解速率。此外，微生物的代谢活动还可能促进硫化物的氧化，从而生成硫酸盐和硫化氢等产物，这些物质可能进一步与储层中的矿物发生反应，改变其化学组成和物理结构。在某些情况下，微生物的活动甚至可能导致储层中的有机物降解，释放出更多的气体或可溶性物质，从而影响油气的回收效率。因此，水-岩相互作用中的生物地球化学过程是水力压裂研究中不可忽视的重要方面。它们不仅影响储层的物理和化学特性，还可能对环境产生潜在影响。例如，某些微生物可能在压裂液中生长并释放重金属或其他有害物质，这些物质可能随返排流体返回地表，进而对水资源造成污染。因此，研究水-岩相互作用中的生物地球化学过程，不仅有助于优化水力压裂技术，还能为环境保护提供科学依据。

水-岩相互作用对水力压裂的效率和环境影响具有深远的影响。一方面，这些相互作用可能通过改变储层的物理结构和化学环境，促进油气的流动和回收。例如，矿物溶解可以增加储层的孔隙度和渗透性，从而提高油气的产量；而离子交换过程可能改变储层中的矿物组成，使其更有利于油气的流动。另一方面，水-岩相互作用也可能导致储层损害，影响水力压裂的效果。例如，某些压裂液可能与储层中的黏土矿物发生反应，导致其膨胀或絮凝，从而堵塞裂缝并降低油气的流动能力。此外，压裂液的注入可能改变储层的水化学环境，使其中的微生物活动发生变化，进而影响储层的生物地球化学特性。例如，某些微生物可能在压裂液注入后迅速繁殖，消耗其中的营养物质并释放气体或酸性物质，这些物质可能进一步与储层中的矿物发生反应，改变其化学组成和物理结构。因此，水-岩相互作用的复杂性要求我们在水力压裂过程中采取更加精细的控制措施，以平衡油气产量和环境保护之间的关系。

在水力压裂过程中，水-岩相互作用的类型和机制因储层类型而异。例如，致密砂岩储层中的水-岩相互作用通常受到储层的矿物组成和流体性质的影响，而页岩储层则可能因其中的有机质含量较高而表现出不同的反应模式。此外，煤储层中的水-岩相互作用可能涉及煤的氧化和矿物的溶解，从而改变储层的物理和化学特性。因此，针对不同储层类型的水-岩相互作用，我们需要采取不同的压裂液配方和操作策略。例如，在页岩储层中，压裂液的pH值和盐度可能需要进行调整，以减少对储层岩石的腐蚀和损害；而在煤储层中，可能需要考虑煤的化学性质和微生物活动，以优化压裂液的配方并减少对环境的影响。此外，水-岩相互作用还可能影响返排流体的水质。例如，某些矿物的溶解可能导致返排流体中含有高浓度的重金属或其他有害物质，这些物质可能对环境造成污染。因此，深入研究水-岩相互作用的机制和规律，有助于我们更好地理解水力压裂过程对环境的影响，并为环境保护提供科学依据。

水力压裂过程中的水-岩相互作用不仅影响储层的物理和化学特性，还可能对油气的流动和回收产生深远影响。例如，矿物溶解可以增加储层的孔隙度和渗透性，从而提高油气的产量；而黏土矿物的膨胀或絮凝可能导致裂缝堵塞，降低油气的流动能力。此外，水-岩相互作用还可能改变储层的化学环境，使其中的微生物活动发生变化，进而影响油气的流动特性。例如，某些微生物可能在压裂液注入后迅速繁殖，消耗其中的营养物质并释放气体或酸性物质，这些物质可能进一步与储层中的矿物发生反应，改变其化学组成和物理结构。因此，水-岩相互作用的复杂性要求我们在水力压裂过程中采取更加精细的控制措施，以平衡油气产量和环境保护之间的关系。

在水力压裂过程中，水-岩相互作用的机制和规律对优化压裂技术和减少环境风险具有重要意义。首先，理解水-岩相互作用的物理机制可以帮助我们更好地设计压裂液的配方和注入策略，以提高储层的渗透性和油气的产量。例如，通过调整压裂液的pH值和盐度，可以减少对储层岩石的腐蚀，同时促进矿物的溶解。其次，研究水-岩相互作用的化学机制有助于我们预测和控制返排流体的水质，从而减少对环境的污染。例如，通过分析压裂液与储层岩石之间的反应，可以识别可能释放的重金属或其他有害物质，并采取相应的措施进行处理和回收。此外，研究水-岩相互作用的生物地球化学机制可以帮助我们更好地理解微生物在压裂过程中的作用，并优化压裂液的配方，以减少微生物的生长和活动对储层的影响。例如，通过添加某些生物抑制剂，可以减少微生物的繁殖，从而降低其对储层的破坏性影响。

水力压裂过程中的水-岩相互作用还可能对环境产生潜在影响。例如，返排流体中的重金属和有机污染物可能对地表水和地下水造成污染，进而影响生态系统的健康。因此，研究水-岩相互作用的机制和规律，有助于我们更好地评估水力压裂对环境的影响，并采取相应的措施进行预防和治理。例如，通过优化压裂液的配方，可以减少有害物质的释放，同时提高油气的回收效率。此外，研究水-岩相互作用的地球化学演变，可以帮助我们预测返排流体的水质变化，并为流体的处理和再利用提供科学依据。因此，水-岩相互作用的研究不仅对水力压裂技术的优化具有重要意义，还对环境保护和可持续发展具有深远影响。

综上所述，水力压裂过程中的水-岩相互作用是一个复杂且多维的地球化学过程，它不仅影响油气的产量和回收效率，还对环境产生潜在影响。因此，深入研究水-岩相互作用的机制和规律，对于优化水力压裂技术、提高油气产量以及减少环境风险具有重要意义。通过比较不同储层类型的水-岩相互作用，我们可以更好地理解其在水力压裂过程中的作用，并为环境保护和可持续发展提供科学依据。此外，水-岩相互作用中的生物地球化学过程也是水力压裂研究的重要组成部分，它不仅影响储层的物理和化学特性，还可能对环境产生潜在影响。因此，未来的水力压裂研究需要更加注重水-岩相互作用的多学科交叉，以实现技术优化和环境友好的双重目标。