王建良，馮連勇

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)工商管理學(xué)院，北京 102249)

頁(yè)巖氣開發(fā)水資源影響及溫室氣體排放研究評(píng)述

王建良，馮連勇

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)工商管理學(xué)院，北京 102249)

摘要：環(huán)境問題是影響頁(yè)巖氣中長(zhǎng)期、可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一，而對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境影響的研究則是相關(guān)環(huán)境政策制定的基礎(chǔ)。文章以國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上刊登的相關(guān)研究為分析對(duì)象，首先梳理了頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境影響研究的興起過程，并指出了頁(yè)巖氣開發(fā)過程中水資源消耗、水質(zhì)污染和溫室氣體排放是國(guó)際學(xué)術(shù)界頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境影響研究的三個(gè)主要方面。然后，系統(tǒng)評(píng)述了當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)此三方面環(huán)境影響的研究現(xiàn)狀、得到的基本結(jié)論、結(jié)論之間的差異以及差異背后的原因，以期對(duì)中國(guó)開展此類研究，特別是量化研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；環(huán)境影響；水資源消耗；水質(zhì)污染；溫室氣體排放

1頁(yè)巖氣環(huán)境影響問題研究的興起

美國(guó)頁(yè)巖革命的成功使世界進(jìn)入了一個(gè)天然氣開發(fā)和利用的“黃金時(shí)代”[1]。傳統(tǒng)認(rèn)為美國(guó)頁(yè)巖革命的成功來源于技術(shù)突破，但事實(shí)上，美國(guó)頁(yè)巖革命成功所依賴的兩項(xiàng)技術(shù)：水平鉆井和水力壓裂技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)產(chǎn)生并發(fā)展成熟，真正使得頁(yè)巖氣于本世紀(jì)在美國(guó)大規(guī)模開發(fā)的原因主要是經(jīng)濟(jì)條件的改善和環(huán)境法案的修改，后者即是所謂的“哈里伯頓漏洞”。2005年，美國(guó)為推動(dòng)水力壓裂技術(shù)的快速應(yīng)用，通過《能源政策法案》，將水力壓裂從許多聯(lián)邦環(huán)境保護(hù)法中去除出來，如《安全飲用水法》等，這項(xiàng)免除條款被稱為“哈里伯頓漏洞”，正如同美國(guó)所預(yù)期的那樣，該項(xiàng)法案的推行使得頁(yè)巖氣的水力壓裂技術(shù)得到了大規(guī)模應(yīng)用[2]?？梢?，環(huán)境因素在美國(guó)頁(yè)巖革命開始之初，就是影響其大規(guī)模開發(fā)的主要因素之一。

美國(guó)《能源政策法案》雖然在法律上為頁(yè)巖氣開發(fā)消除了環(huán)境約束，但本質(zhì)上并沒有解決這些環(huán)境問題。隨著美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，美國(guó)社會(huì)各界對(duì)其環(huán)境影響的擔(dān)憂也開始出現(xiàn)。2008年，Arthur等首次指出頁(yè)巖氣開發(fā)所依賴的水平鉆井和水力壓裂技術(shù)[3]，在實(shí)踐中需要消耗大量的水資源。進(jìn)一步，對(duì)壓裂返排液的處理則可能對(duì)區(qū)域淡水資源產(chǎn)生污染。同年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BritishStandardsInstitute)首次指出頁(yè)巖氣開發(fā)由于存在大量的甲烷泄露，其生命周期溫室氣體排放可能很高[4]。在2010年，有關(guān)頁(yè)巖氣環(huán)境影響的同行評(píng)議文獻(xiàn)開始出現(xiàn)[5-6]，并引起了人們對(duì)頁(yè)巖氣作為過渡能源的擔(dān)憂[7]。但總體而言，2011年以前的頁(yè)巖氣環(huán)境問題研究相對(duì)而言還非常少，研究問題主要是水資源消耗和污染。

真正引發(fā)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境問題進(jìn)行研究，并引起學(xué)術(shù)界、媒體、公眾普遍關(guān)注的研究始于2011年。在2011年，Howarth等[8]發(fā)表了頁(yè)巖氣全生命周期溫室氣體排放研究領(lǐng)域的第一份定量化的同行評(píng)議文獻(xiàn)。該研究顯示，假設(shè)生產(chǎn)出的頁(yè)巖氣用于發(fā)電，其生命周期溫室氣體排放不僅顯著高于常規(guī)天然氣，而且也高于煤炭或與其相當(dāng)(具體取決于所選用的甲烷的全球增溫潛勢(shì)值)。隨后，Howarth等將其研究成果以評(píng)論文章的形式發(fā)表在Nature雜志上[2]。Howarth等的研究極大地挑戰(zhàn)了以往傳統(tǒng)研究對(duì)頁(yè)巖氣碳足跡的假設(shè)，引發(fā)各界對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境問題的廣泛關(guān)注和探討。也正是從2011年開始，學(xué)術(shù)界有關(guān)頁(yè)巖氣環(huán)境問題的研究開始大量涌現(xiàn)，Nature、Science、PNAS三大頂級(jí)綜合期刊也對(duì)此進(jìn)行了很多跟蹤研究。

截止到目前，有關(guān)頁(yè)巖氣環(huán)境問題的研究不僅涉及水資源消耗、水質(zhì)污染、溫室氣體排放三大方面的，而且還包括了誘發(fā)地震[9]、臭氧破壞[6]、區(qū)域空氣質(zhì)量下降[10]、公眾健康損害[11]、威脅野生動(dòng)物生態(tài)棲息地[12]等多方面的環(huán)境影。但從研究數(shù)量和關(guān)注程度上來看，有關(guān)水資源消耗、水質(zhì)污染和甲烷等溫室氣體排放的研究是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)，本文重點(diǎn)對(duì)此三方面的研究進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述。

2頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)水資源消耗的研究評(píng)述

在水資源消耗方面，現(xiàn)有研究主要是從三個(gè)方面展開。一是對(duì)水資源消耗的定性論述，如Kargbo等通過分析頁(yè)巖氣開發(fā)原理及流程，指出頁(yè)巖氣開發(fā)過程可能存在巨大的水資源消耗[5]。二是定量化測(cè)度頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)某一具體區(qū)域的水資源消耗的影響，但并沒有進(jìn)一步分析這些水資源消耗對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響，如；進(jìn)一步，此類研究多集中在單口井層面[13-16]。三是不僅定量化分析了水資源的消耗，還分析了對(duì)區(qū)域環(huán)境光的影響[17]。在這三方面的研究中，針對(duì)單井層面水資源消耗的研究是定量化分析的核心，也是目前從研究數(shù)量上來看最多的研究。

對(duì)于研究結(jié)論，現(xiàn)有研究差異較大，一口頁(yè)巖氣水平井的耗水量最低為0.67×104m3，最高可達(dá)到3.3×104m3[13，15-17]。導(dǎo)致這種差異的原因主要有兩類：一類是對(duì)于評(píng)估者而言不可消除的原因，如地質(zhì)條件、頁(yè)巖氣井垂直井深、氣井水平段長(zhǎng)度、水力壓裂的次數(shù)等，這些因素決定了不同地區(qū)的頁(yè)巖氣井耗水是有差異的，而這種差異不受評(píng)估者的影響，這一原因也從根本上決定了針對(duì)特定國(guó)家的研究很難有效指導(dǎo)其他國(guó)家的生產(chǎn)實(shí)踐；另一類則是評(píng)估者造成的，即不同評(píng)估者在研究是時(shí)采用的研究方法、研究邊界、所考慮其他因素等，這些原因的存在，使得直接對(duì)比研究結(jié)果變得比較困難[17]。以兩篇關(guān)于Marcellus頁(yè)巖區(qū)塊水平井耗水量的研究為例，Laurenzi和Jersey采用全生命周期評(píng)估(LCA)的方法，假設(shè)生產(chǎn)出的頁(yè)巖氣用于發(fā)電，計(jì)算了Marcellus頁(yè)巖區(qū)塊單口井全生命周期的平均水資源消耗量為0.82m3/MWh(包括了頁(yè)巖氣在發(fā)電廠的耗水)[14]。而Jiang等利用混合EIO-LCA技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣井從建設(shè)到廢棄整個(gè)生命周期內(nèi)水資源消耗進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示在當(dāng)前技術(shù)水平下，一口Marcellus頁(yè)巖氣井的水資源消耗平均為2×104m3/口[15]。可以看出，盡管這兩份研究都是針對(duì)Marcellus頁(yè)巖區(qū)塊的研究，但Laurenzi和Jersey[14]研究所指的生命周期邊界是從頁(yè)巖氣開發(fā)階段到下游最終燃燒利用階段(即發(fā)電階段)的水消耗，且沒有包含間接水消耗；而Jiang等研究所指的生命周期邊界則是指頁(yè)巖氣井從鉆前準(zhǔn)備、鉆井、壓裂、完井、生產(chǎn)、廢棄這一生命周期內(nèi)的水消耗，并沒有考慮頁(yè)巖氣下游最終燃燒利用中的水消耗，且他們的研究不僅包括了直接水消耗，而且還利用EIO-LCA方法計(jì)算了間接水消耗[15]。

除了對(duì)頁(yè)巖氣單井耗水總量的研究之外，一些研究也對(duì)耗水強(qiáng)度也進(jìn)行了研究，但是也難以獲得一致的結(jié)論，且難以對(duì)比。例如，Scanlon等估計(jì)EagleFord頁(yè)巖氣井水資源消耗量大約在1.7～1.8×104m3/口，而Bakken頁(yè)巖氣井的水資源消耗量則在0.73×104m3/口左右，是前者的1/2[16]。而如果考慮井的天然氣總產(chǎn)量，并將其轉(zhuǎn)換為能量產(chǎn)出，按照單位能量產(chǎn)出所對(duì)應(yīng)的耗水量時(shí)(耗水強(qiáng)度)，后者僅僅是前者的1/3，這意味著Bakken地區(qū)頁(yè)巖氣井天然氣總產(chǎn)量高于EagleFord地區(qū)。Nicot對(duì)2009～2011年美國(guó)主要頁(yè)巖區(qū)塊的頁(yè)巖氣井耗水分析顯示，Barnett地區(qū)水平井水力壓裂階段耗水中值為1.06×104m3/口，水平井單位水平段長(zhǎng)度的耗水量(耗水強(qiáng)度)為12.5m3/m[17]；Texas-Haynesville地區(qū)水平井水力壓裂階段耗水中值為2.15×104m3/口，耗水強(qiáng)度為14m3/m；EagleFord地區(qū)水平井水力壓裂階段耗水中值為1.61×104m3/口，耗水強(qiáng)度為9.5m3/m。從這兩個(gè)研究可以看出，前者所指的耗水強(qiáng)度是針對(duì)總耗水量與總頁(yè)巖氣產(chǎn)量的關(guān)系，所以是氣井單位能量產(chǎn)出耗水強(qiáng)度；而后者所指的耗水強(qiáng)度是針對(duì)氣井水平段壓裂長(zhǎng)度與壓裂階段總耗水的關(guān)系，所以是氣井水平段單位長(zhǎng)度壓裂耗水強(qiáng)度。

總體來看，對(duì)于單口井耗水強(qiáng)度的研究，雖然從研究數(shù)量上沒有對(duì)單口井總耗水的研究多，但卻非常重要，因?yàn)椴煌貐^(qū)單口井的產(chǎn)出可能差異很大，如果忽視了單口井的產(chǎn)出要素，則很難評(píng)估頁(yè)巖氣規(guī)模開發(fā)對(duì)整個(gè)區(qū)域的影響(因?yàn)轫?yè)巖氣規(guī)模開發(fā)不僅取決于鉆井?dāng)?shù)量，而且還需要單口井的總產(chǎn)出)。因此，與單口井的耗水總量相比，建立在耗水總量分析基礎(chǔ)上的單口井單位產(chǎn)出耗水強(qiáng)度的研究更為重要，也是未來研究的重點(diǎn)。

頁(yè)巖氣上游開發(fā)所用水基本上是清潔水，這些水主要來自地表水或地下水(具體來源主要取決于區(qū)域水資源的可用性及其分布特征)[17]。盡管頁(yè)巖氣開發(fā)耗水研究結(jié)論并不一致，但其影響卻并不能忽視，Nicot等的研究指出，2000～2011年，Barnett頁(yè)巖區(qū)累計(jì)耗水量1.45億m3，年耗水量已經(jīng)占到該地區(qū)Dallas城市(美國(guó)第九大城市，人口130萬人口)總耗水量的9%，且這一比例將在未來隨著頁(yè)巖氣的持續(xù)大規(guī)模開發(fā)而增加，屆時(shí)必然與區(qū)域內(nèi)其他水資源需求形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[17]。盡管對(duì)于不同地區(qū)而言，受區(qū)域水資源可用性、區(qū)域其他水資源需求等諸多因素的影響，影響不盡相同。但是可以肯定的是，頁(yè)巖氣產(chǎn)量與水資源消耗存在著密切的關(guān)系，大規(guī)模的開發(fā)必然會(huì)對(duì)區(qū)域水資源產(chǎn)生重要影響，特別是對(duì)一些水資源相對(duì)稀缺的地區(qū)，如頁(yè)巖氣資源富集的中國(guó)西北部和南非地區(qū)[18]。

3頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)水質(zhì)影響的研究評(píng)述

在水質(zhì)影響的研究方面，現(xiàn)有研究主要是從兩方面開展的，一是頁(yè)巖氣開發(fā)究竟對(duì)區(qū)域水資源質(zhì)量有沒有產(chǎn)生污染，且污染的種類有哪些；二是如果有污染，頁(yè)巖氣開發(fā)究竟是通過何種渠道來影響區(qū)域水資源質(zhì)量的，即上述種類的污染是通過何種渠道或路徑產(chǎn)生的。

在第一方面的研究中，絕大多數(shù)的研究都認(rèn)為頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)附近的區(qū)域水質(zhì)確實(shí)受到了不同程度的污染，且有些污染是顯著的[15，19-20]。這種污染主要來自兩方面：一是游離氣泄露污染。Osborn等系統(tǒng)分析了Marcellus和Utica頁(yè)巖區(qū)塊頁(yè)巖氣開發(fā)導(dǎo)致的飲用水的甲烷污染[20]。在頁(yè)巖氣開發(fā)活躍區(qū)(頁(yè)巖氣開發(fā)的1km以內(nèi))，飲用水井中平均甲烷濃度和最大甲烷濃度分別為19.2mgCH4/L和64mgCH4/L，有潛在爆炸的危險(xiǎn)。相反，在相鄰的非開采區(qū)(頁(yè)巖氣開發(fā)的1km以外)，具有相似地質(zhì)儲(chǔ)層構(gòu)造和水文條件的飲用水井中，其甲烷濃度僅僅有1.1mgCH4/L，但并沒有確鑿證據(jù)顯示這些高濃度的甲烷來自頁(yè)巖氣井開發(fā)還是其他生物活動(dòng)。Jackson等的研究則進(jìn)一步證明了飲用水中的游離氣確實(shí)來自頁(yè)巖氣井開發(fā)，他們分析了賓夕法尼亞北部141口私人飲用水井中的游離氣濃度，并通過同位素示蹤分析其來源[21]。在調(diào)查的樣本中，有82%的私人水井中檢測(cè)到甲烷，且其平均濃度比頁(yè)巖氣井1km以外水井的甲烷濃度高出6倍。乙烷含量比頁(yè)巖氣井1km以外水井高23倍。丙烷則在10口井中檢測(cè)到，他們都在頁(yè)巖氣井1km之內(nèi)。同位素示蹤結(jié)果顯示，這些飲用水井中的甲烷等游離氣來源于鄰近的頁(yè)巖氣井。二是水力壓裂返排液污染。這種返排液主要有兩類構(gòu)成，一類是在水力壓裂過程中通過高壓注入地下儲(chǔ)層用于壓裂儲(chǔ)層的富含大量化學(xué)添加劑的壓裂液，一類是在壓裂液壓裂完畢后，經(jīng)地層返回地表的過程中，攜帶的已在地下賦存數(shù)百萬年、富含大量重金屬和有毒化學(xué)成分的原始儲(chǔ)層水[22]。Fontenot等對(duì)100口私人飲用水井中的化學(xué)分析進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在毗鄰頁(yè)巖氣井3km以內(nèi)區(qū)域的一些私人飲用水井中砷、硒、鍶和總?cè)芙夤腆w(TDS)(這些都是返排液的構(gòu)成成分)顯著超過美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)飲用水污染物最高限量[23]。同時(shí)，樣本的29%檢測(cè)到甲醇和乙醇，也超過了EPA的規(guī)定。但是超過EPA規(guī)定水平的這些私人水井在空間上是隨機(jī)分布的，反映出污染物濃度的增加可能是由多種因素導(dǎo)致的，如一些天然成分的運(yùn)移，更低水層水文條件的變化，以及一些工業(yè)事故等，如頁(yè)巖氣完井中的封井失敗等。

在第二方面的研究中，Rozell和Reaven利用概率邊界分析，評(píng)估了Marcellus頁(yè)巖區(qū)塊頁(yè)巖氣開采潛在的水污染，并識(shí)別了水污染的五種途徑：運(yùn)輸管線泄漏、完井過程中的套管泄漏、壓裂儲(chǔ)層裂縫泄漏、鉆井現(xiàn)場(chǎng)處理泄漏、廢水處理泄漏。結(jié)果顯示，即使在最佳實(shí)踐情境下，一口井很有可能排放至少200m3的污染液體[24]。因此，大規(guī)模開發(fā)頁(yè)巖氣，必須采取額外的措施來減少如此巨大的潛在污染液體泄漏。Warner等在2012年通過分析發(fā)現(xiàn)，返排液泄露的途徑之一是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與地下含水層之間存在的某些復(fù)雜的聯(lián)通通道，但這種通道是自然界已經(jīng)存在的，與近期的鉆井活動(dòng)沒有直接關(guān)系，不大可能是由水力壓裂引起的[22]。在2013年，Warner等再次分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)頁(yè)巖氣井開發(fā)過程中的水力壓裂返排液等廢水的不恰當(dāng)處理排放也是影響水質(zhì)的一個(gè)重要途徑[25]。Darrah等通過惰性氣體示蹤也發(fā)現(xiàn)來自頁(yè)巖氣開發(fā)階段完井過程中的泄露是水質(zhì)污染的主要途徑[26]。Vengosh等對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)水資源污染領(lǐng)域的研究進(jìn)行了系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)水質(zhì)污染的途徑，并通過立體結(jié)構(gòu)圖展示出來，具體而言，污染途徑主要有：①游離氣和壓裂液從地下頁(yè)巖儲(chǔ)層通過某些裂縫或聯(lián)通道路向地下含水層的滲漏污染；②游離氣和鉆井液、壓裂液在水泥固井、完井過程中，由于某種操作失當(dāng)而向周圍儲(chǔ)層的泄露污染；③返排液回流后外運(yùn)到處理廠之后未充分處理排放產(chǎn)生的污染；④返排液回流后外運(yùn)并注入到地下廢棄油氣井過程中的泄露污染[27]。

總體來看，頁(yè)巖氣開采引起的區(qū)域水質(zhì)量的潛在下降已經(jīng)引起了廣泛研究與探討[28]。對(duì)于有些污染物，已經(jīng)有相關(guān)研究證實(shí)了與頁(yè)巖氣開發(fā)存在的直接或間接關(guān)系[27]，而對(duì)于有些污染物，從目前的研究來看，仍然缺乏確鑿的信息證明其是由頁(yè)巖氣開發(fā)引起[28]。盡管如此，對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)引起的水質(zhì)下降的擔(dān)憂已經(jīng)影響到了美國(guó)一些州的監(jiān)管法規(guī)[29]。

4頁(yè)巖氣開發(fā)的溫室氣體排放研究評(píng)述

自Howarth等在2011年發(fā)表了頁(yè)巖氣生命周期溫室氣體排放領(lǐng)域的第一份同行評(píng)議文獻(xiàn)之后，相關(guān)研究開始大量出現(xiàn)，且絕大多數(shù)的研究都集中于電力領(lǐng)域，即假設(shè)生產(chǎn)出的頁(yè)巖氣用來發(fā)電[2，8]。然而，研究結(jié)論卻存在非常大的差異，根據(jù)研究結(jié)論的方向性，可將其分為三類：一是認(rèn)為頁(yè)巖氣比常規(guī)氣生命周期溫室氣體排放高，且二者都高于煤炭[8，30-31]；二是頁(yè)巖氣比常規(guī)氣具有更高的生命周期溫室氣體排放但低于煤炭[14，32-35]；三是頁(yè)巖氣比常規(guī)氣具有更低的生命周期溫室氣體排放(或相當(dāng)?shù)呐欧臶36])，且二者都低于煤炭[37，38]。前兩類的相似之處在于均顯示頁(yè)巖氣比常規(guī)氣生命周期溫室氣體排放高；后兩類的相似之處在于均顯示無論是常規(guī)氣、還是頁(yè)巖氣，其生命周期溫室氣體排放均低于煤炭。除此之外，對(duì)于具體的研究數(shù)值，很少有文獻(xiàn)得到非常一致的研究結(jié)論。以頁(yè)巖氣與常規(guī)氣溫室氣體排放的比較結(jié)果為例，Howarth等認(rèn)為頁(yè)巖氣生命周期排放至少比常規(guī)氣高出30%[8]，而在通常情況下，這一比例應(yīng)該在40%～60%[31]；Jiang等認(rèn)為如果僅考慮上游排放，頁(yè)巖氣比常規(guī)氣高出11%，而如果也包含下游排放，全生命周期內(nèi)，頁(yè)巖氣僅僅比常規(guī)氣高3%[32]。Stephenson等指出，一般而言，頁(yè)巖氣生命周期排放比常規(guī)氣高出1.8%～2.4%，而即使在最為極端的假設(shè)下，這一比例也不會(huì)超過15%[34]。Hultman等認(rèn)為在整個(gè)生命周期內(nèi)，頁(yè)巖氣溫室氣體排放比常規(guī)氣高11%[33]。Burnham等研究顯示，常規(guī)氣生命周期排放比頁(yè)巖氣低6%[37]。

從差異化產(chǎn)生的原因來看，主要有以下幾方面的原因。

一是所采用的功能單位及其導(dǎo)致的相關(guān)換算過程中的差異。現(xiàn)有研究基本上都借鑒了生命周期評(píng)估的思想，而作為生命周期評(píng)估的第一步，就是確定研究的目的、功能單位和范疇[39]；從研究目的來看，現(xiàn)有研究大多數(shù)都去評(píng)估頁(yè)巖氣的碳足跡，但在功能單位和研究范疇選取方面卻存在差異。在功能單位的選用方面，現(xiàn)有研究主要采用三類功能單位。一種是采用總排放占頁(yè)巖氣井總產(chǎn)量(即頁(yè)巖氣井EUR)的比例來分析，如Howarth等[8]；另一種是采用頁(yè)巖氣井生產(chǎn)的頁(yè)巖氣產(chǎn)生的單位發(fā)熱量所對(duì)應(yīng)的CO2當(dāng)量排放表示，即gCO2e/MJ，如Jiang等[32]；還有一種是用頁(yè)巖氣發(fā)電產(chǎn)生1kWh的電所產(chǎn)生的CO2當(dāng)量表示，即用gCO2e/kWh表示，如Stephenson等[34]。在功能單位差異之外，在熱量轉(zhuǎn)換的過程中，有些采用高位發(fā)熱量(HHV)，有些采用低位發(fā)熱量(LHV)，而這兩者的差異有可能高達(dá)10%[34]。

二是在研究范疇上的差異。第一個(gè)差異是評(píng)價(jià)對(duì)象所處地理范疇的差異，例如，Skone的研究?jī)H僅關(guān)注了Barnett頁(yè)巖盆地[40]；而Jiang等僅僅分析了Marcellus頁(yè)巖盆地[32]；Stephenson等和Burnham等的研究則平均了美國(guó)北部盆地[34，37]。地理范疇的選擇不僅會(huì)影響估計(jì)的氣井總產(chǎn)量(EUR)(頁(yè)巖氣開發(fā)碳足跡一般通常采用排放強(qiáng)度的形式來表示，這就要求即評(píng)估單口井排放總量，也要評(píng)估單口井的總產(chǎn)量，因此，EUR是影響最終結(jié)果的重要因素)，也會(huì)影響所生產(chǎn)的天然氣中的甲烷含量(甲烷是天然氣的主要成分)，例如，在Jiang等的研究中甲烷占天然氣的97%[32]，而在Stephenson等的研究中為87%[34]，在Burnham等中為80%[37]，在Skone、Howarth等和Hultman等中為78%[8，33，40]。而EUR和甲烷含量都是影響分析結(jié)果的重要因素。第二個(gè)差異就是評(píng)估過程中評(píng)估邊界的差異，除了Jiang等和Burnham等的研究的評(píng)估邊界包括了頁(yè)巖氣井鉆井前井場(chǎng)建設(shè)階段外，其他研究都是鉆井階段開始評(píng)估的[32，37]。

三是研究方法和內(nèi)容上的差異。盡管絕大多數(shù)的研究都采用生命周期評(píng)估方法，但一些研究利用政府組織提供的信息使用了自上而下的估計(jì)(例如，來自EIA或EPA的信息)；而另外一些研究則使用了基于過程的自下而上的估計(jì)[36]。還有一些采用了混合的LCA方法，即將自上而下的經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出LCA和基于過程的LCA方法相結(jié)合，如Jiang等[32]。從研究?jī)?nèi)容上，絕大多數(shù)的研究都是針對(duì)直接排放，但Jiang等和Burnham等也對(duì)井場(chǎng)準(zhǔn)備、鉆井、壓裂等過程設(shè)備建設(shè)過程中的間接排放進(jìn)行了研究[32，37]。由于頁(yè)巖氣開發(fā)與常規(guī)氣的開發(fā)的差別在于地質(zhì)差異導(dǎo)致的技術(shù)差異，而不同的技術(shù)決定了所需原材料、設(shè)備等的差異，因此，一些學(xué)者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)考慮這些原材料和設(shè)備生產(chǎn)中的間接排放[32，37]。

四是數(shù)據(jù)源或?qū)﹃P(guān)鍵參數(shù)的假設(shè)差異。絕大多數(shù)的現(xiàn)有研究都是直接或間接參考美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)1996年碳排放因子庫(kù)中的數(shù)據(jù)[32-33，41]。引用此數(shù)據(jù)源作為基礎(chǔ)存在兩方面問題：一是這些因子并沒有反映出常規(guī)和非常規(guī)氣的區(qū)別；二是已有研究顯示，這些排放因子很可能低估了來自天然氣系統(tǒng)的甲烷泄露[42-43]。例如，Pétron等的研究實(shí)際測(cè)量了美國(guó)卡羅拉多州東北部Weldcounty地區(qū)大氣中每天的空氣樣本，并分析了與該地區(qū)水力壓裂開采非常規(guī)氣的關(guān)系，并建立了該地區(qū)甲烷排放因子庫(kù)，指出水力壓裂返排液階段的甲烷排放在現(xiàn)有的很多排放庫(kù)中被低估了[44]。而Pétron等的觀察與Howarth等在其他非常規(guī)天然氣生產(chǎn)區(qū)所獲得的數(shù)據(jù)相近[8，44]?；诖?，在2010年11月，EPA第一次對(duì)該署的碳排放因子進(jìn)行更新，但是EPA此次更新的主要是上游開發(fā)和中游運(yùn)輸階段的碳排放因子，下游排放因子仍然沿用了1996年的數(shù)據(jù)，盡管EPA目前也正在考慮對(duì)下游排放因子進(jìn)行修正[31]。當(dāng)然，也有一些研究用了自己搜集的相關(guān)數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)往往是有限的或記錄不完整的[45]。此外，在甲烷全球增溫潛勢(shì)(GWP)的選擇方面，除了Howarth等[8]，其他研究都將100年分?jǐn)偟募淄镚WP作為其研究結(jié)果的基礎(chǔ)，但是這些研究利用的GWP都是相對(duì)比較舊的，沒有將IPCC最新更新的GWP反映進(jìn)去(更新的GWP比舊的高)，這意味著采用100年分?jǐn)傆?jì)算的結(jié)果都略低估了實(shí)際排放。

氣候系統(tǒng)對(duì)于甲烷變動(dòng)的響應(yīng)要比對(duì)CO2變動(dòng)的響應(yīng)更為迅速，對(duì)于未來將全球溫度控制在2oC以內(nèi)的措施而言，有效減少甲烷和黑碳甚至比控制CO2更為重要[46]。甲烷作為頁(yè)巖氣的主要成分，在其開發(fā)過程中必然存在泄漏，盡管當(dāng)前研究對(duì)甲烷泄露量的評(píng)估并不一致。然而，一個(gè)一致的結(jié)論是頁(yè)巖氣開發(fā)的甲烷泄露是是一個(gè)必須考慮和需要未來進(jìn)一步深入研究的話題[47]。

此外，對(duì)比頁(yè)巖氣開發(fā)的水資源消耗(水足跡研究)和溫室氣體排放(碳足跡研究)研究，可以發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣水足跡的研究主要集中在單井層面的總耗水量上，而頁(yè)巖氣碳足跡的研究，除了Chang等的研究是針對(duì)單井層面溫室氣體排放總量的研究之外，其余的研究都是針對(duì)頁(yè)巖氣井層面排放強(qiáng)度的研究，即考慮頁(yè)巖氣井的總產(chǎn)出，研究單位總產(chǎn)出(單位物理產(chǎn)出與能量產(chǎn)出)對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放量[48]。但與頁(yè)巖氣開發(fā)水消耗研究相同的是，對(duì)于頁(yè)巖氣規(guī)模開發(fā)的環(huán)境影響評(píng)估，排放強(qiáng)度的研究是關(guān)鍵。這也就是Chang等在隨后的研究頁(yè)巖氣規(guī)模開發(fā)的環(huán)境影響時(shí)，又專門對(duì)頁(yè)巖氣井總產(chǎn)出進(jìn)行研究的原因[49]。

5對(duì)我國(guó)的啟示

一是頁(yè)巖氣開發(fā)消耗大量的水資源，區(qū)域水資源可用性將成為影響我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。根據(jù)現(xiàn)有研究顯示，頁(yè)巖氣開發(fā)采用的水力壓裂技術(shù)耗水量巨大，同時(shí)在壓裂過程及壓裂后返排液的處理過程中也可能對(duì)淡水資源產(chǎn)生污染，這意味著只有在水資源豐富的地區(qū)開發(fā)頁(yè)巖氣才具有可行性。然而，我國(guó)水資源并不豐富，特別是在中西部地區(qū)，而這些地區(qū)正是頁(yè)巖氣資源的主要集聚區(qū)，因此，可以預(yù)見，水資源可用性將成為制約我國(guó)頁(yè)巖氣規(guī)模開發(fā)的不可忽視的重要約束。

二是頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的溫室氣體排放不容忽視，必須依賴相應(yīng)的減排技術(shù)應(yīng)用，我國(guó)有必要加強(qiáng)此類技術(shù)的引進(jìn)或研發(fā)。頁(yè)巖氣在全球范圍內(nèi)得以快速發(fā)展的重要原因就是其清潔性，即相對(duì)于煤炭和石油而言，具有更低的溫室氣體排放。然而，現(xiàn)有的研究顯示，來自頁(yè)巖氣上游開發(fā)過程中的溫室氣體排放也非常顯著，如果不能有效控制，將在很大程度上降低頁(yè)巖氣作為清潔能源的優(yōu)勢(shì)。為此，美國(guó)已大力鼓勵(lì)本國(guó)企業(yè)研發(fā)并采取相關(guān)技術(shù)實(shí)踐，來控制上游溫室氣體排放，如目前在美國(guó)已經(jīng)應(yīng)用的綠色完井技術(shù)。對(duì)于我國(guó)而言，頁(yè)巖氣的規(guī)模開發(fā)必須依賴于此類減排技術(shù)。

三是對(duì)我國(guó)的不同頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)估，分地區(qū)有步驟地推進(jìn)我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)?，F(xiàn)有研究均顯示頁(yè)巖氣開發(fā)對(duì)環(huán)境有影響，但結(jié)果差異較大，而導(dǎo)致這一差異的主要原因就是頁(yè)巖氣地質(zhì)賦存條件和開發(fā)區(qū)域所處地上環(huán)境條件的差異。我國(guó)頁(yè)巖氣分布區(qū)域廣泛，不同地區(qū)頁(yè)巖氣的賦存地質(zhì)條件和地上開采條件都有很大差異，因此，必須針對(duì)我國(guó)不同頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)，對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等的綜合分析，并據(jù)此對(duì)我國(guó)不同頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)進(jìn)行開發(fā)可行性排序，從而指導(dǎo)其有序開發(fā)。

四是為了實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的潔凈化開采，政府必須制定相應(yīng)的政策法規(guī)，并加強(qiáng)環(huán)境方面的監(jiān)管工作。只有在一定的政策法規(guī)下，并配合嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)管，企業(yè)才有減少環(huán)境影響的意愿。例如，美國(guó)EPA已于2011年8月提議針對(duì)非常規(guī)油氣開采的特定過程或設(shè)備建立新排放源性能標(biāo)準(zhǔn)(NSPS)和國(guó)家有害空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(NESHAP)[50]。然而，我國(guó)目前在頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境影響方面的政策和立法尚處于空白，且缺乏對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)的環(huán)境監(jiān)管，這些都不利于實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的環(huán)境友好開發(fā)。

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A review of the impacts of shale gas development on water resources and GHG emissions

WANGJian-liang，F(xiàn)ENGLian-yong

(SchoolofBusinessAdministration，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

Abstract:Environment issue is a key factor influencing the long-term sustainable development of shale gas industry，and the studies of environmental impacts of shale gas development are the basis for relevant policy-making.By choosing relevant studies in international academic journals our analyzed object，this paper firstly introduces the rise of studies on environmental impacts of shale gas development and identifies three main environmental impacts of shale gas development in current international literature，i.e.the impacts of shale gas development on water resource usage，water pollution，and greenhouse gases emission.Then，a detailed review of these three main research aspects is presented to understand the research status，main findings，differences among research results，and the reason of these differences for current environmental impacts studies.This review could be expected to provide some helpful references for China to carry out similar studies，especially quantitative studies in future.

Key words：shale gas；environmental impacts；water resource usage；water pollution；greenhouse gases emission

收稿日期：2015-08-17

基金項(xiàng)目：2015年國(guó)家自然基金項(xiàng)目“頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境影響量化評(píng)估與管理政策研究”資助(編號(hào)：71503264)；2015年度教育部人文社科基金“中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)潛力及對(duì)區(qū)域水資源消耗的影響研究”資助(編號(hào)：15YJC630121)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)青年拔尖人才啟動(dòng)基金項(xiàng)目“世界非常規(guī)油氣資源開發(fā)潛力及其對(duì)能源供應(yīng)和氣候變化的影響研究”資助(編號(hào)：2462014YJRC024)

作者簡(jiǎn)介：王建良，中國(guó)石油大學(xué)(北京)工商管理學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，校青年拔尖人才；

中圖分類號(hào)：X820.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0061-07

馮連勇，經(jīng)濟(jì)學(xué)博士，中國(guó)石油大學(xué)(北京)工商管理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。