張東曉，楊婷云

（1.北京大學工學院能源與資源工程系；2.北京大學頁巖油氣研究所）

美國頁巖氣水力壓裂開發(fā)對環(huán)境的影響

張東曉1,2，楊婷云1,2

（1.北京大學工學院能源與資源工程系；2.北京大學頁巖油氣研究所）

通過調(diào)研美國頁巖氣開發(fā)所面臨的環(huán)境問題及研究進展，總結(jié)頁巖氣水力壓裂開發(fā)對環(huán)境的影響，并探索對中國頁巖氣開發(fā)的參考意義。美國頁巖氣大規(guī)模商業(yè)性開發(fā)的環(huán)境風險主要包括水資源消耗與污染、引發(fā)地震及大氣污染等。水資源消耗方面，通過評估能源生產(chǎn)耗水密度，可知與常規(guī)油氣和其他能源生產(chǎn)方式相比，頁巖氣開發(fā)并非“高耗水”行業(yè)，其總用水量占地區(qū)總量比例較低，不會顯著增加用水壓力。水資源污染方面，由于水力壓裂誘發(fā)連通儲集層和地下水的裂縫而直接造成污染的可能性很低，且已知的淺層地下水污染案例可能與完井缺陷有關(guān)，提高井身完整性是防止污染的關(guān)鍵；頁巖氣規(guī)模開發(fā)階段返排水總量大、污染物種類多、成分復雜，處理不當會造成污染，需要監(jiān)測和評估其污染風險?，F(xiàn)有證據(jù)表明頁巖氣開發(fā)不會引發(fā)破壞性地震。對頁巖氣井全生命周期的溫室氣體排放估計結(jié)論不一，在生產(chǎn)中應(yīng)當采取更為有效的措施減少泄漏。頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響方面的研究重點包括地表水和地下水污染監(jiān)測方案與指標體系的建立、注入壓裂液和儲集層流體運移規(guī)律的分析、開發(fā)活動對高礦化度地層水及地下水層中天然甲烷運移的影響分析、頁巖氣開發(fā)返排水再利用和處理技術(shù)的應(yīng)用。圖2參62

頁巖氣；水力壓裂；環(huán)境風險；水資源消耗；水資源污染；地震風險；大氣污染

0 引言

水平井大規(guī)模水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，由于頁巖儲集層滲透率極低，一般需要進行壓裂改造，通過高壓泵將大量水、化學添加劑和支撐劑混合物注入地層，形成復雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，來提高滲透率[1]。隨著水力壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用，其可能導致的環(huán)境問題也引發(fā)了諸多爭議，主要包括：消耗淡水資源、增加水供給壓力[2-3]、導致地表水和地下水污染[4-7]、引發(fā)地震[8-9]、造成大氣污染[10]等。頁巖氣開發(fā)

的反對者認為[11]，利用水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣的環(huán)境風險和代價太高，雖然用天然氣代替煤炭和石油可以減少CO2的排放，但其益處不足以抵消頁巖氣開發(fā)過程中可能引起的甲烷泄漏以及水資源污染等風險，現(xiàn)階段應(yīng)當暫緩開發(fā)等待進一步研究；支持者認為，目前的擔憂超出了現(xiàn)有研究和事實證據(jù)所表明的風險，水力壓裂技術(shù)的環(huán)境風險可以通過技術(shù)和法規(guī)進行風險管理和控制。

截至2014年7月底，中國已鉆頁巖氣井400余口，整體而言仍處于起步階段[12]。頁巖氣開發(fā)在四川盆地率先取得重要突破，進入規(guī)?；_發(fā)初期[12]。應(yīng)用水力壓裂技術(shù)進行頁巖氣開發(fā)的環(huán)境風險的評估、環(huán)境問題影響因素的研究、污染監(jiān)測、水資源污染機理和污染物運移規(guī)律等相關(guān)問題的分析在這一時期十分重要。國內(nèi)研究人員總結(jié)了水力壓裂技術(shù)應(yīng)用所面臨的環(huán)境問題和國外監(jiān)管經(jīng)驗[13-16]，但缺少對科學研究的系統(tǒng)論述。本文總結(jié)分析了近年美國頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題的研究進展，在案例和機理研究的基礎(chǔ)上分析了水力壓裂技術(shù)的環(huán)境風險，為中國頁巖氣開發(fā)提供參考。

1 水資源消耗

1.1 水力壓裂用水量及水源

頁巖氣開發(fā)多采用水平井多段壓裂，一般壓裂用水量占鉆完井階段用水量80%以上。從單井用水量來看，頁巖氣水平井遠高于常規(guī)天然氣直井[17]，一般在8 000～100 000 m3，平均約為15 000 m3[18]。單位長度生產(chǎn)段用水量相對集中，2010年Barnett、Haynesville和Eagle Ford頁巖氣井生產(chǎn)段用水量為9.5～14.0 m3/m[19]。壓裂用水量影響因素包括井深、水平井段長、壓裂段數(shù)、地質(zhì)特征以及壓裂液等[17]。

綜合分析，應(yīng)當從單位能源用水密度、是否增加地區(qū)供水壓力兩方面來評估頁巖氣開發(fā)水資源消耗影響。就能源生產(chǎn)用水密度而言，頁巖氣高于常規(guī)天然氣[17]、低于常規(guī)石油、遠低于常規(guī)油氣EOR（提高石油采收率）[20]（見圖1），頁巖氣用于發(fā)電耗水密度遠小于地熱能、核能和太陽能[21]。由此可見，與常規(guī)油氣和其他能源生產(chǎn)方式相比，頁巖氣開發(fā)并非“高耗水”行業(yè)，但頁巖氣井用水幾乎全部集中于初期完井階段（不考慮重復壓裂），氣井生命周期可達30年，基于現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)估計用水密度存在較大不確定性[17,22]。從地區(qū)供水角度，美國頁巖氣開發(fā)中用水量占整個州用水總量比例小于1%[23]，遠小于灌溉、公共用水等，不會造成顯著的額外供水壓力[24]。但由于生產(chǎn)活動和壓裂取水通常集中于某一區(qū)域，占當?shù)赜盟壤赡茌^高，且開發(fā)作業(yè)時需要在較短時間內(nèi)獲取鉆井壓裂所需用水，在干旱季節(jié)或缺水地區(qū)仍會存在供水壓力[2,19]，會對流域產(chǎn)生累積影響。中國頁巖氣開發(fā)處于起步階段，尚無公開的單井用水量及來源數(shù)據(jù)，若進行規(guī)模開發(fā)，需要收集分析此類數(shù)據(jù)，以監(jiān)測頁巖氣開發(fā)對于水資源的影響。

圖1 不同能源類型用水密度估計（由參考文獻[20]數(shù)據(jù)折算得到）

1.2 降低頁巖氣開發(fā)水資源消耗研究方向

①進行頁巖氣開發(fā)用水監(jiān)測、制定綜合用水規(guī)劃。頁巖氣開發(fā)過程中產(chǎn)生的水資源消耗對區(qū)域環(huán)境的影響與該地區(qū)的水資源可利用量和其他競爭用水需求有關(guān)。2014年世界資源研究所（WRI）發(fā)布了首個全球頁巖氣資源與可利用水資源量分布的評估報告[25]，指出中國超

過60%的頁巖區(qū)塊分布在干旱或基線水資源壓力較高的地區(qū)。目前頁巖氣開發(fā)較為活躍的四川盆地面臨水資源分布不均、人口密度高等問題，可能成為頁巖氣發(fā)展的制約因素[25]。為避免影響當?shù)厮Y源供給和生態(tài)環(huán)境，應(yīng)收集頁巖氣開發(fā)用水量、用水來源數(shù)據(jù)，并結(jié)合鉆采計劃，制定綜合用水方案，同時監(jiān)測水資源變化。

②減少頁巖氣水力壓裂過程中的淡水消耗量。研究重點及方向包括：返排水處理和再利用，采用咸水、污水、酸性礦排水[26-27]等不能用作飲用水的“邊際”水資源進行壓裂，從而減少淡水消耗量。對于中國水資源匱乏的地區(qū)，應(yīng)提高循環(huán)用水比例，發(fā)展咸水壓裂及無水壓裂技術(shù)。

2 水資源污染

水資源污染是頁巖氣開發(fā)中后果最嚴重也最具爭議的問題（見圖2）。美國2001—2011年間完鉆頁巖氣井數(shù)超過20 000口，多數(shù)環(huán)境評估良好[24]，但也有研究[4-5,7]指出頁巖氣開采可能造成水資源污染。

圖2 頁巖氣開發(fā)相關(guān)的水資源風險示意圖（由文獻[18]修改）

2.1 淺層流體泄漏和運移

套管和固井缺陷會造成淺層流體泄漏，導致地下水污染，常規(guī)油氣井出現(xiàn)這一問題的比例約為1%～3%[28]，非常規(guī)油氣井出現(xiàn)此類問題的比例可能會高于常規(guī)油氣井[29]。淺層流體泄漏和運移的原因包括：套管損傷導致流體泄漏[4-5]；固井不完善，使套管和儲集層間存在流體流動空間[5]。

Osborn等和Jackson等的研究顯示距離Marcellus頁巖氣井1 km范圍以內(nèi)的地下水中含有較高濃度的甲烷[4-5]。Osborn等分析68口淺層飲用水井發(fā)現(xiàn)，距離頁巖氣井1 km范圍以內(nèi)的地下水中甲烷平均濃度為19.2 mg/L，是距離頁巖氣井1 km范圍以外地下水（1.1 mg/L）的17倍。地球化學分析表明距離頁巖氣井1 km范圍內(nèi)地下水中的天然氣主要來源于深層熱成因天然氣，與頁巖氣井產(chǎn)出氣一致，但水樣中并未檢測到壓裂液或深層咸水成分[4]。Jackson等分析144口淺層飲用水井發(fā)現(xiàn)，距離頁巖氣井1 km范圍以內(nèi)地下水中甲烷平均濃度是距離頁巖氣井1 km范圍以外地下水的6倍，而前者乙烷濃度是后者的23倍，僅在距離頁巖氣井1 km范圍以內(nèi)的10口水井中檢測到丙烷[5]。采用相同方法對Fayetteville頁巖氣井附近127口井進行分析，結(jié)果顯示其并未被天然氣污染[30]。有學者[31-32]認為Osborn的研究樣本容量過小且非隨機取樣，缺少與鉆井前基線數(shù)據(jù)的比較。同時該地區(qū)地下水中普遍存在熱成因甲烷，且在頁巖氣開發(fā)前有其他固井問題導致的甲烷泄漏事件，不能表明是由于頁巖氣開發(fā)造成了地下水中甲烷濃度高。目前僅有較少研究采集頁巖開發(fā)后的水樣數(shù)據(jù)并和開發(fā)前的基線數(shù)據(jù)進行了對比[33-34]，結(jié)果顯示鉆井前后地下水中的甲烷濃度沒有統(tǒng)計差異，甲烷濃度與采集水樣水井至頁巖氣井距離也沒有

統(tǒng)計相關(guān)性。地下水中天然氣的成因和來源分析是判別頁巖氣開發(fā)是否導致了高甲烷濃度的關(guān)鍵，其指標主要包括烴類濃度、長短鏈烴比例（C2/C1、C3/C1）、天然氣同位素組成（δ13C1、δ13C2、δ2HCH4）[5,35]和惰性氣體同位素特征（4He，20Ne，36Ar）[36]。

Fontenot等分析距離Barnett頁巖氣井3 km附近的飲用水井，發(fā)現(xiàn)部分水樣中As、Se的溶解性固體（TDS）總量超標，3 km之外的飲用水井也存在TDS超標情況，但近井區(qū)域濃度更高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能的原因包括該地區(qū)水位下降、頁巖氣開發(fā)影響地下水運移和平衡、套管或固井缺陷[37]。但該研究中近井和遠井樣本數(shù)量差別較大[38]，且僅檢測了As、Se、甲醇等物質(zhì)的濃度[37]，難以判斷污染的來源和成因。鉆井和壓裂活動如何影響地層中天然存在的有害物質(zhì)運移還需要進一步研究。美國相關(guān)研究存在爭議的主要原因在于已經(jīng)大規(guī)模開發(fā)的頁巖區(qū)塊缺少基線數(shù)據(jù)。中國的頁巖氣開發(fā)還處于起步階段，在開發(fā)前設(shè)計污染監(jiān)測方案和監(jiān)測指標體系、采集水樣的基線數(shù)據(jù)，才能有效判斷頁巖氣開發(fā)中淺層天然氣和其他污染物的來源，評估頁巖氣開發(fā)是否造成污染。

2.2 地下深層流體運移

頁巖氣開發(fā)過程中，注入的壓裂液和儲集層高礦化度地層水是否會向上運移，直接污染地下水，是水力壓裂技術(shù)爭議的另一焦點。此問題的關(guān)鍵在于頁巖儲集層和地下水的連通性，以及向上運移的驅(qū)動力。就連通性而言，目前學術(shù)界較為普遍的共識是水力壓裂不會產(chǎn)生連通地表的裂縫。最直接的證據(jù)是微地震成像顯示水力壓裂產(chǎn)生裂縫的頂端距離地下水仍有上千米，一般頁巖壓裂作業(yè)層的深度在1 000 m以上，地下水深度不超過300 m[39]，裂縫的發(fā)展會受到儲集層上下方不滲透巖層和壓裂液濾失的限制[40]，頁巖氣井附近檢測到高甲烷濃度的水樣中也并未監(jiān)測到壓裂液的成分[4]。從運移驅(qū)動力來看，當壓裂結(jié)束后，隨著壓裂液返排，儲集層壓力下降，即使存在運移通道，受毛細管力限制，流體也會傾向于被束縛、封存在儲集層中，缺少足夠向上運移的動力[41]。

但是理論上并不能排除天然裂縫成為運移通道的可能性。Warner等研究顯示，賓夕法尼亞州東北部淺層地下水的地球化學特征與深層高礦化度地層水一致，二者之間可能存在運移通道[42]。雖然此類通道與頁巖氣鉆完井活動無關(guān)，但其存在可能會成為深層流體運移的路徑，需要進一步研究高礦化度地層水的運移路徑以及水力壓裂對其影響。Myers認為注入壓裂液會增強儲集層中原有流體的流動，數(shù)值模擬結(jié)果顯示壓裂后污染物從儲集層運移至淺層地下水的時間可能從上百年縮短至不到10 a[6]。也有學者[43-44]認為上述研究的水文地質(zhì)模型和儲集層流體運移模型過度簡化、存在明顯錯誤，其結(jié)論不具參考價值。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室在《水力壓裂對水資源影響報告》[45]中提出了3種深層流體運移機理假設(shè)：①儲集層流體通過壓裂裂縫進入封隔不當?shù)奶骄驈U棄井；②壓裂裂縫穿過整個上覆巖層，連通地下水；③休眠的斷層和天然裂縫被激活，連通儲集層和地下水。雖然理論上不能排除后兩類污染機理的可能性，但目前沒有證據(jù)表明存在這樣的裂縫或斷層。

目前美國已知1例在淺層地下水中檢測到壓裂液成分的事故，發(fā)生在位于懷俄明州的致密砂巖氣藏[46]。該地區(qū)居民水井的深度為6～240 m，儲集層深度約1 000 m，最淺的水力裂縫深度約370 m?？赡艿男孤┰虬ǎ簝λ兀ㄖ辽?3個）泄漏；天然氣井完井、固井不完善；壓裂施工層位和最深的居民水井水源層之間缺乏足夠的垂向封隔。這一案例中致密砂巖壓裂作業(yè)深度和地下水深度接近，而頁巖儲集層和地下水間隔上千米，之間發(fā)育不滲透巖層，壓裂作業(yè)不會產(chǎn)生連通地表的裂縫。盡管如此，壓裂施工的整個過程仍需要可靠的設(shè)計和監(jiān)測來保證作業(yè)的安全性。

2.3 返排水和產(chǎn)出水處理

不同頁巖儲集層的返排比例差別較大，如Haynesville頁巖返排比例約5%，Barnett和Marcellus頁巖返排比例約50%[40]，四川盆地頁巖氣井返排比例為15%～80%[47]。除了壓裂液之外，返排水和產(chǎn)出水（后文統(tǒng)稱返排水）的成分主要取決于地層水，不同儲集層有所差異[48]。返排水含有高濃度的TDS、大量鹽類（如Cl、Br），還可能含有低濃度的金屬元素（如Ba、Sr）、有毒的非金屬元素（如As、Se）和放射性元素（如Ra），一般有毒成分的濃度和礦化度正相關(guān)[18,40]，由于礦化度高、污染物種類多、成分復雜，其處理難度大、成本高。規(guī)模開發(fā)階段井數(shù)多、返排量大，如何處理這些廢水是保護水資源的關(guān)鍵。

美國頁巖氣開發(fā)中返排水的處理方式包括處理后再利用、處理后排放，或注入二類注入井封存。處理工藝包括膜蒸餾、反滲透、蒸發(fā)結(jié)晶、離子交換和電容去離子化[49-50]等，現(xiàn)有的處理設(shè)施和技術(shù)難以經(jīng)濟、有效地處理污染成分復雜、含有高TDS的返排水。返排水循環(huán)利用需要考慮如何在高礦化度環(huán)境下保持添加劑的活性和穩(wěn)定性，同時防止沉淀[49]。用注入封存法處理返排水受到地質(zhì)條件制約，如科羅拉多州和德克薩斯州的地質(zhì)條件適合建設(shè)注入井，而賓夕法尼亞州只有5口用于廢水處理的二類注入井[51]。

返排水處理過程中可能的污染途徑包括：①操作過程中的地表泄漏，如蓄水池隔離層滲漏、運輸途中溢漏；②返排水未經(jīng)處理直接排放；③返排水處理不達標排放，一般的污水處理設(shè)施不能有效去除如鹵素、重金屬和放射性元素等污染物[18]。由于返排水的礦化度遠高于地表水，即使很小的污染量也會惡化水質(zhì)。Marcellus頁巖的返排水處理后雖然去除了90%的Ba和Ra，但排放點和下游的Cl、Br濃度顯著高于上游[7,52]，226Ra的放射性強度是上游的200倍，超出了安全標準[7]。

頁巖氣井產(chǎn)量一般遞減較快，需要不斷完鉆新井。在規(guī)模開發(fā)階段，生產(chǎn)活動密度增加，出現(xiàn)返排水地表污染事故的概率也有所增加[18]。為監(jiān)測和追蹤返排水污染，需要研究返排水的地球化學特征，并確定監(jiān)測指標體系和監(jiān)測方案。不同頁巖返排水的組成受區(qū)域地質(zhì)和水質(zhì)影響差異較大，監(jiān)測指標也有所不同，如用于區(qū)分Marcellus頁巖返排水和其他污水的指標包括226Ra/225Ra、87Sr/86Sr和Sr/Cl等[28]。返排水污染主要與生產(chǎn)操作和管理有關(guān)，可以通過研究控制返排比例、研發(fā)改進污水處理工藝、有效監(jiān)測污染、識別污染診斷、加強返排水處理規(guī)劃和管理來降低風險。

2.4 降低水資源污染研究方向

①缺少基線數(shù)據(jù)是美國頁巖氣開發(fā)對水質(zhì)影響相關(guān)研究存在爭議的重要原因[18,32,51,53]。美國國家能源技術(shù)實驗室[54]和地質(zhì)勘探局[55-57]均已開展研究項目，采集尚未規(guī)模開發(fā)頁巖區(qū)塊的基線數(shù)據(jù)并進行持續(xù)監(jiān)測。對于中國尚未規(guī)模開發(fā)的頁巖區(qū)塊，設(shè)計監(jiān)測方案和監(jiān)測指標體系、開發(fā)前采集地表水和地下水的基線數(shù)據(jù)，是今后開展此類研究的必要基礎(chǔ)。

②套管損傷和固井缺陷會導致天然氣泄漏運移進入淺層地下水[4]，可以通過優(yōu)化工程實踐、加強檢測和監(jiān)管降低這一風險[11,40]。壓裂不會誘發(fā)直接連通淺層地下水的裂縫[39]，受濾失、不滲透巖層和毛細管力的限制，流體從頁巖儲集層直接運移至淺層地下水造成污染的可能性很低[41]。但現(xiàn)有技術(shù)手段仍然無法準確預(yù)測裂縫發(fā)展，壓裂前需要盡可能了解地下構(gòu)造和斷層、裂縫分布，壓裂中需要實時監(jiān)測，壓后監(jiān)測、評估水文地質(zhì)學的變化情況。

③注入的壓裂液和儲集層流體的運移規(guī)律及影響因素需要進一步研究，包括注入的壓裂液對儲集層流體運移的影響[45]、壓裂液與儲集層發(fā)生的反應(yīng)和作用[45]、壓裂液最終去向及其影響因素[41]、天然高礦化度地層水運移通道對壓裂液運移的影響[42]、伴隨地下水循環(huán)更長期的運移和泄漏風險[6]等問題。

④返排水污染物種類多、成分復雜，處理不當會造成污染[18,48]。未來研究方向包括：改進壓裂液配方提高廢水的兼容性，以提高返排水再利用比例；研發(fā)適用于頁巖氣返排水的處理技術(shù)，處理高礦化度、高放射性的返排水；研究用于返排水監(jiān)測和污染來源識別的技術(shù)和指標體系。

⑤中國目前沒有針對頁巖氣廢水處理的具體規(guī)定，現(xiàn)階段依照常規(guī)油氣的辦法管理。頁巖氣規(guī)模開發(fā)階段具有返排水量大、污染物成分復雜、地表波及區(qū)域廣的特點，需要綜合管理、監(jiān)管和規(guī)劃，應(yīng)加快完善頁巖氣開發(fā)的環(huán)境監(jiān)管制度和相關(guān)法規(guī)。

3 地震風險

水力壓裂釋放的能量一般會引發(fā)2級以下的微地震，大多數(shù)在1級以下，不具有破壞性。英國[8]和加拿大[9]水力壓裂引發(fā)3級以上地震的案例，可能與壓裂前未探測到的斷層有關(guān)[58]。美國頁巖氣開發(fā)中檢測到該地區(qū)地震活動增加，其震中位置和震源深度與高礦化度注入井接近，大于頁巖壓裂作業(yè)深度[40,59-60]。現(xiàn)有證據(jù)顯示水力壓裂不會引發(fā)破壞性地震[58]，但壓裂作業(yè)前儲集層描述存在很多不確定性，現(xiàn)有技術(shù)難以準確預(yù)測裂縫發(fā)展，需要進一步研究裂縫起裂和擴展的機理、注入壓裂液和處理水對地應(yīng)力分布和地震活動的影響。

4 大氣污染

大氣污染的來源包括作業(yè)用柴油機排放的污染物、開采運輸中的天然氣泄漏、地面蓄水池的有機物揮發(fā)等。相比于煤炭和石油，天然氣更加清潔，其燃燒產(chǎn)生的污染物、顆粒物和汞排放顯著減少[51]，用于發(fā)電時排放的溫室氣體和其他污染也更少[61]。但Howarth等[10]認為由于壓裂液返排等過程，頁巖氣開采中甲烷散失比例更高，估計為單井總產(chǎn)量的3.6%～7.9%，而常規(guī)天然氣為1.7%～6.0%，基于這一假設(shè)估計頁巖氣開采20 a的溫室氣體排放量大于常規(guī)油氣和煤炭。King[40]認為這一研究高估了散失量，實際應(yīng)該小于1%，Burnham等的研究[62]估計頁巖氣從井場建設(shè)到終端消費全周期溫室氣體排放比常規(guī)天然氣低6%，比汽油低23%，比煤炭低33%。頁巖氣井的壓裂液返排比例、單井預(yù)期采收率變動很大，據(jù)此估計甲烷排放量存在非常大的不確定性。在生產(chǎn)中應(yīng)當采取更為有效的措施減少泄漏、測定排放量、提高利用率。

5 結(jié)論

本文從水資源消耗、水資源污染、地震風險和大氣污染4個方面總結(jié)分析了應(yīng)用水力壓裂技術(shù)開發(fā)頁

巖氣可能導致的環(huán)境問題。雖然頁巖氣開發(fā)過程中單井用水量較高，但能源生產(chǎn)用水密度低于常規(guī)石油和EOR。美國頁巖氣開發(fā)用水不會顯著增加該州的供水壓力。頁巖氣井的用水需求集中在初期完井階段，應(yīng)收集頁巖氣開發(fā)的用水來源、用水量數(shù)據(jù)，綜合規(guī)劃、合理利用，在不破壞當?shù)氐乃Y源平衡的前提下，短時間內(nèi)獲取開發(fā)用水。

雖然美國頁巖氣開發(fā)中有案例顯示頁巖氣井附近淺層飲用水甲烷濃度較高，但由于缺少基線數(shù)據(jù)，水力壓裂是否導致甲烷泄漏或運移尚無定論。為準確評估開發(fā)活動的影響，需要采集開發(fā)前的基線數(shù)據(jù)、開展持續(xù)監(jiān)測，并通過地球化學指標和同位素特征判別污染物來源。微地震數(shù)據(jù)顯示水力壓裂縫延伸范圍有限，不會產(chǎn)生直接連通儲集層和地下水的裂縫，即使存在運移通道，受細毛管力限制，壓裂液會傾向于被束縛、封存在儲集層中。但壓裂液的運移規(guī)律、影響因素以及最終去向仍需要進一步研究。相比于地下泄漏和運移，壓裂后返排水和生產(chǎn)水的處理及影響更需要進一步研究和評估，包括研究返排水的地球化學特征、建立監(jiān)測指標體系和設(shè)計監(jiān)測方案。

現(xiàn)有研究表明水力壓裂不會引發(fā)破壞性地震，水力壓裂引發(fā)3級以上地震的案例與未探測到的斷層有關(guān)，由于儲集層描述的不確定性和裂縫預(yù)測技術(shù)的局限，需要進一步研究裂縫起裂和擴展機理、注入壓裂液和處理水對地應(yīng)力分布和地震活動的影響。受頁巖氣井的壓裂液返排比例、單井預(yù)期采收量影響，現(xiàn)有研究對頁巖氣井全生命周期的溫室氣體排放估計結(jié)論不一，在生產(chǎn)中應(yīng)當采取更為有效的措施減少泄漏、測定排放量、提高利用率。

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（編輯 魏瑋 王大銳）

Environmental impacts of hydraulic fracturing in shale gas development in the United States

Zhang Dongxiao1,2,Yang Tingyun1,2
(1.Department of Energy and Resources Engineering,College of Engineering,Peking University,Beijing 100871,China;2.Shale Oil and Gas Research Institute,Peking University,Beijing 100871,China)

Through comprehensive investigation of the environmental issues in shale gas development in the US,the environmental impacts of hydraulic fracturing in shale gas development are summarized to provide reference for the shale gas development and management in China.The environmental risks of large-scale commercial shale gas development in the United States include water consumption,water contamination,seismic inducement and air pollution.Compared to conventional oil and gas production and other energy producing industries,shale gas development is not exactly “high-water-consuming” in terms of water consuming intensity.Its water consumption,accounting for a small proportion of the total regional water consumption,will not add much more stress on water supply.In terms of water pollution,hydraulic fracturing is unlikely to cause fractures to directly connect reservoir to the shallow aquifer,the known contamination cases are most likely related to faulty well completion,therefore well integrity is the key to the prevention of contamination;the flow-back fluids in large scale shale gas development have the characteristics of large quantity,many kinds of pollutants and complex composition,thus improper treatment would lead to serious contamination,and continuous monitoring and assessment of the pollutants are necessary.Existing evidence shows that hydraulic fracturing is unlikely to trigger destructive earthquakes.Greenhouse gas emissions in the life cycle of shale gas wells were estimated differently,but no doubt more effective measures should be taken to minimize leakage.The research priorities include contamination monitoring program design,detection indicators,moving pattern of hydraulic fracturing fluid and formation fluid,the effects of shale gas development on high salinity formation water and methane migration,and treatment and re-use of flow-back fluid.

shale gas;hydraulic fracturing;environmental risks;water consumption;water contamination;earthquake risk;air pollution

國家自然科學基金項目（U1262204）

TE991

A

1000-0747(2015)06-0801-07

10.11698/PED.2015.06.14

張東曉（1967-），男，江西九江人，博士，北京大學工學院教授，主要從事油氣藏數(shù)值模擬、非常規(guī)油氣開采機理、二氧化碳地質(zhì)埋藏等方面研究工作。地址：北京市海淀區(qū)頤和園路5號，北京大學工學院，郵政編碼：100871。E-mail：dxz@pku.edu.cn

2015-01-12

2015-07-06