侯彥希

摘 要：在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障能源供給的推動(dòng)下，中國(guó)已成為美國(guó)之后第二個(gè)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)的國(guó)家。在大規(guī)模的商業(yè)開(kāi)發(fā)背景下，研究頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)的環(huán)境影響非常重要。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境影響研究的整理，重點(diǎn)關(guān)注頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的水環(huán)境和大氣環(huán)境影響。發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中采用的水力壓裂技術(shù)對(duì)水資源的大量消耗給地區(qū)用水帶來(lái)了挑戰(zhàn)，開(kāi)采過(guò)程中壓裂液的使用和對(duì)返排水的處理隱藏著污染地下水的可能。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中，存在著的甲烷泄漏帶來(lái)了增強(qiáng)溫室效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。頁(yè)巖氣井地面工程建設(shè)過(guò)程中的廢氣排放造成了地區(qū)大氣環(huán)境污染。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的水環(huán)境和大氣環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)揭示了在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中關(guān)注環(huán)境影響，利用管理手段與工程技術(shù)革新控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的必要性。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)；水環(huán)境；大氣環(huán)境； 研究綜述

隨著世界能源需求飛漲，傳統(tǒng)能源來(lái)源中的常規(guī)油氣資源勘探、開(kāi)發(fā)難度不斷增加，非常規(guī)油氣資源已日益顯得重要。從勘探角度看，世界油氣工業(yè)已悄然進(jìn)入常規(guī)與非常規(guī)油氣資源并重的時(shí)代，且非常規(guī)油氣資源在世界油氣工業(yè)中所占的比重越來(lái)越大。在非常規(guī)油氣資源中，有著自生自儲(chǔ)、分布廣、埋藏淺、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)的頁(yè)巖氣占據(jù)著重要的地位。如2000年，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量只有110億立方米，在天然氣總產(chǎn)量中僅占 1. 6% 。到 2010 年，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量上升至1378億立方米，在天然氣總產(chǎn)量中占比達(dá) 23% 。

中國(guó)工業(yè)化與城市化的迅速發(fā)展，引發(fā)了能源需求的日趨旺盛。早在2009年，中國(guó)的能源消耗總量就超越美國(guó)躍居世界首位。①在這種背景下，頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等非常規(guī)油氣資源開(kāi)始受到重視。逐步成為了北美之外全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)的國(guó)家。以我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)規(guī)模最大、最具代表性的重慶市涪陵頁(yè)巖氣田為例，截至目前，累計(jì)開(kāi)鉆頁(yè)巖氣井321口，投產(chǎn)215口，年生產(chǎn)能力達(dá)到5.449×109m3，日產(chǎn)能力達(dá)到1.651×107m3，累計(jì)生產(chǎn)頁(yè)巖氣6.64×109m3。

在頁(yè)巖氣進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)發(fā)階段后，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的影響也開(kāi)始逐漸凸顯。為此本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究，梳理了頁(yè)巖氣對(duì)水環(huán)境和大氣環(huán)境的影響，以期為我國(guó)今后在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)提供借鑒。

一、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響

由于頁(yè)巖構(gòu)造的地質(zhì)特性，一般頁(yè)巖氣藏均需采用特殊的工程手段處理后才能實(shí)現(xiàn)較好的出產(chǎn)。統(tǒng)計(jì)表明僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁(yè)巖氣井可直接投入生產(chǎn)， 其余90 %以上的頁(yè)巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通天然裂縫，以提升頁(yè)巖氣產(chǎn)量。頁(yè)巖氣的開(kāi)采技術(shù)主要依賴水力壓裂技術(shù)。水力壓裂技術(shù)基本流程是在完成鉆井的鉆探和安裝后，將高壓液體混合物注入鉆井，使氣藏巖層裂開(kāi)，高壓液體中的支撐劑進(jìn)入裂縫后使其保持開(kāi)放狀況，以提升頁(yè)巖氣產(chǎn)量。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響主要來(lái)自頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)中的水力壓裂技術(shù)，主要表現(xiàn)為對(duì)水資源的大量消耗和潛在的水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

（一）水力壓裂技術(shù)對(duì)水資源的大量消耗

水平井大規(guī)模水力壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。在頁(yè)巖氣井水力壓裂改造過(guò)程中，通過(guò)高壓泵將大量水、化學(xué)添加劑和支撐劑混合物注入地層，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，來(lái)提高滲透率，增加頁(yè)巖氣井的產(chǎn)出。

從頁(yè)巖氣井單井用水量來(lái)看，一般在8 000～100 000 m?，

平均約為15 000m?。根據(jù)美國(guó)環(huán)保署的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)單口頁(yè)巖氣井耗水量一般在7600?19000m?，而在中國(guó)，因?yàn)榈刭|(zhì)原因與技術(shù)水平的差異，單口頁(yè)巖氣井耗水量為10000?24000m?。此外，亦有研究認(rèn)為一口頁(yè)巖氣水平井的耗水量最低為6700m?，最高可達(dá)33000m?。Scanlon等估計(jì)EagleFord頁(yè)巖氣井水資源消耗量大約在1.7?1.8×104m?/口，而B(niǎo)akken頁(yè)巖氣井的水資源消耗量則在0.73×104m?/口左右，是前者的1/2。

張東曉，楊云婷指出，應(yīng)當(dāng)從單位能源用水密度、是否增加地區(qū)供水壓力兩方面來(lái)評(píng)估頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)水資源消耗影響。頁(yè)巖氣井用水幾乎全部集中于初期完井階段（不考慮重復(fù)壓裂），此外頁(yè)巖氣井生命周期可達(dá)30 年，基于現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)估計(jì)用水密度存在較大不確定性。從地區(qū)供水角度看，由于生產(chǎn)活動(dòng)和壓裂取水通常集中于某一區(qū)域，占當(dāng)?shù)赜盟壤赡茌^高，且開(kāi)發(fā)作業(yè)時(shí)需要在較短時(shí)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(huì)存在供水壓力，會(huì)對(duì)流域產(chǎn)生累積影響。

以上針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)耗水強(qiáng)度的研究，其最終的結(jié)果都提示我們應(yīng)當(dāng)注意頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)應(yīng)注意地區(qū)的水資源賦存量，尤其是短時(shí)間地區(qū)供水能力能否應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)短時(shí)間對(duì)水資源的大量需求，避免對(duì)區(qū)域用水產(chǎn)生不利影響。

（二）頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水資源的污染風(fēng)險(xiǎn)

水資源污染是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中后果最嚴(yán)重也最具爭(zhēng)議的問(wèn)題。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水資源污染的研究中，受到關(guān)注的是壓裂液和地層水潛在的環(huán)境危害，這兩種水統(tǒng)稱回流水。此外有研究者將水平井壓裂結(jié)束后返排至地面的壓裂液稱為返排水。

回流水的體積占原來(lái)水力壓裂過(guò)程中注入高壓液體的30%?70%，亦有研究認(rèn)為壓裂液在水平井壓裂結(jié)束后，返排水的比例為5%?80%。水平壓裂所使用的壓裂液包含的成分十分復(fù)雜，表1列舉了典型壓裂液的成分和含量。在返排水中，對(duì)環(huán)境和人體有害的化學(xué)物質(zhì)，其來(lái)源除了壓裂液中人為添加的化學(xué)品，還有來(lái)自壓裂過(guò)程中地下深層巖石中天然還有的致癌物質(zhì)的釋放，包括放射性物質(zhì)鈾、輕腐蝕性鹽和苯。此外，甲烷作為天然氣的主要成分會(huì)釋放進(jìn)入水體而造成污染。Howarth等指出頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中釋放的甲烷可能大于傳統(tǒng)氣井的釋放量。

回流水或者返排水對(duì)水環(huán)境的潛在危害主要集中在兩個(gè)方面，一是注入的壓裂液和儲(chǔ)集層高礦化度地層水是否會(huì)向上運(yùn)移，污染地下水，二是套管與固井缺陷造成的淺層流體泄露。此外，返排水處理過(guò)程也有可能造成水環(huán)境的污染。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在《水力壓裂對(duì)水資源影響報(bào)告》中提出了3 種深層流體運(yùn)移機(jī)理假設(shè)：（1）儲(chǔ)集層流體通過(guò)壓裂裂縫進(jìn)入封隔不當(dāng)?shù)奶骄驈U棄井；（2）壓裂裂縫穿過(guò)整個(gè)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(chǔ)集層和地下水。雖然理論上不能排除后兩類污染機(jī)理的可能性，但目前沒(méi)有證據(jù)表明存在這樣的裂縫或斷層。

二、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)大氣環(huán)境的影響

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)大氣環(huán)境的影響主要指頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)的甲烷氣體泄漏和廢氣排放造成的溫室氣體效應(yīng)及大氣污染。其主要途徑有：甲烷氣體泄漏、壓裂現(xiàn)場(chǎng)廢氣排放、動(dòng)力機(jī)械尾氣。

（一）頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的甲烷泄漏

甲烷氣體是高溫室效應(yīng)的氣體，其貢獻(xiàn)了18% 的氣候效應(yīng)，貢獻(xiàn)度位居各類溫室氣體第二位。 頁(yè)巖氣的主要成分是甲烷氣體（CH4） ，它產(chǎn)生溫室效應(yīng)是通過(guò)甲烷氣體燃燒時(shí)排放CO2和開(kāi)采時(shí)甲烷氣體泄漏兩個(gè)途徑。美國(guó)的研究者曾在氣候變化（Climatic Change） 期刊上發(fā)表文獻(xiàn)指出，頁(yè)巖氣比常規(guī)天然氣更容易泄漏，泄漏量在完井鉆穿氣孔的時(shí)候會(huì)大幅度的增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)排放甲烷氣體最多的途徑是水力壓裂液的返排過(guò)程并且頁(yè)巖氣的泄漏量會(huì)達(dá)到巖氣井預(yù)測(cè)總產(chǎn)量1. 6%左右。亦有研究表明頁(yè)巖氣從開(kāi)發(fā)到消費(fèi)的整個(gè)生命周期內(nèi)泄漏的甲烷為3. 6% ～ 7. 9%。

（二）頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)局部空氣污染

頁(yè)巖氣地面建設(shè)施工過(guò)程中會(huì)排放大量有害的空氣污染物，包括二氧化碳、二氧化硫和顆粒物等，加上施工時(shí)產(chǎn)生大量塵土和交通揚(yáng)塵，更容易使空氣中顆粒物增加。頁(yè)巖氣采氣、集輸處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)化合物、氮氧化物、二氧化碳等，還可能排放硫化氫、苯、甲苯等毒性物質(zhì)。而且，有機(jī)化合物和氮氧化物在陽(yáng)光作用下易在地表形成臭氧，產(chǎn)生新的空氣污染物。

彭民，楊洪波，李玉喜等認(rèn)為，頁(yè)巖氣開(kāi)采造成局部空氣污染的表現(xiàn)主要有三個(gè)：（1）釋放有毒氣體。（2）形成煙霧污染。（3）造成局部地區(qū)粉塵污染。此外，水力壓裂過(guò)程需要使用大量的化學(xué)添加劑，具有揮發(fā)性的化學(xué)品會(huì)在存貯、配置過(guò)程逸散揮發(fā)，或隨著甲烷氣體泄露，從壓裂井下帶出，在施工場(chǎng)地周圍形成一個(gè)高濃度污染區(qū)域，在動(dòng)力機(jī)械施工過(guò)程中，各種柴油動(dòng)力設(shè)備會(huì)消耗大量柴油，這些設(shè)備尾氣排放的CO、NOx廢氣排放也會(huì)導(dǎo)致地表臭氧濃度偏高。

三、結(jié)論與討論

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響一方面來(lái)自于開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)水資源的大量消耗，其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間較短但強(qiáng)度大，對(duì)地區(qū)的水資源供給能力帶來(lái)挑戰(zhàn)，一旦處理不當(dāng)或者頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地區(qū)水資源賦存量不足，會(huì)影響地區(qū)用水；另一方面，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)依賴水力壓裂技術(shù)，壓裂液配方復(fù)雜且含有對(duì)人體有害的化學(xué)物質(zhì)，給地下水帶來(lái)隱患，一旦固井不當(dāng)、套管破裂獲返排水處理不當(dāng)，泄漏的壓裂液、返排水有污染地下水的可能。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，作為頁(yè)巖氣主要成分之一的甲烷，存在著較高的泄漏可能性。最后，頁(yè)巖氣地面工程建設(shè)也伴隨著大氣污染物的排放。

從能源利用的角度來(lái)看，頁(yè)巖氣是一種相對(duì)清潔的能源資源，但是從能源開(kāi)發(fā)的角度去考察，頁(yè)巖氣因?yàn)槠涔こ探ㄔO(shè)手段、開(kāi)發(fā)技術(shù)，對(duì)水環(huán)境和大氣環(huán)境有著較為顯著的影響。因此，應(yīng)當(dāng)特別注重頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理，不斷開(kāi)發(fā)新的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)污染排放的監(jiān)測(cè)、管控，減少對(duì)水環(huán)境和大氣環(huán)境的影響，以獲得經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的雙贏。

注釋：

①參見(jiàn)新浪財(cái)經(jīng)，中國(guó)超過(guò)美國(guó)成為第一大能源消費(fèi)國(guó)http：//finance.sina.com.cn/g/20100720/03568324755.shtml。另一種關(guān)于這一時(shí)間點(diǎn)的說(shuō)法是2011年，具體見(jiàn)搜狐財(cái)經(jīng)，中國(guó)去年能源消費(fèi)總量超美國(guó)http：//business.sohu.com/20120528/n344193279.shtml。

②根據(jù)Gregory K B， Vidic R D， Dzombak D A. Water management challenges associated with the production of shale gas by hydraulic fracturing[J]. Elements， 2011， 7（3）： 181-186.整理

參考文獻(xiàn)：

[1]趙靖舟.非常規(guī)油氣有關(guān)概念、分類及資源潛力[J].天然氣地學(xué)，2012，23（3）：393-406.

[2]高輝清.美國(guó)頁(yè)巖氣革命及其對(duì)我國(guó)的影響[J].發(fā)展研究，2012，12：12-16.

[3]梅緒東，張思弋，熊德明等.涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響及保護(hù)對(duì)策[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2016，18（6）：7-12.

[4] Jarvie D. Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett shale， Ft. Worth basin， Texas[ R] .Texas： Humble Geochemical Services Division ， 2004.

[5]張東曉，楊婷云.美國(guó)頁(yè)巖氣水力壓裂開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的影響[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā)，2015，12（42-6）： 801-807.

[6] Vengosh A， Jackson R B， Warner N， et al. A critical review of the risks to water resources from unconventional shale gas development and hydraulic fracturing in the United States[J]. Environmental Science & Technology， 2014， 48（15）： 8334-8348.

[7]何敏，王丹，張思蘭等. 淺談頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響[J]. 油氣田環(huán)境保護(hù)，2016，4（26-3）： 33-37.

[8] Nicot J-P. Assessment of industry water-use in the Barnett Shale gas play（For Worth Basin）[J]. Gulf Coast Association of Geological Societies Transactions，2009，59： 539-551.

[9]丁貞玉， 劉偉江， 周穎， 等. 美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采的水環(huán)境監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)研究[J]. 油氣田環(huán)境保護(hù)， 2013， 23（4）： 4-8.

[10]竹濤， 陸玲， 張珊珊， 等. 頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)探究[J]. 環(huán)境工程， 2013， 31（6）： 74-77.

[11] Clark C E， Horner R M， Harto C B. Life cycle water consumption for shale gas and conventional natural gas[J]. Environmental Science & Technology， 2013， 47（20）： 11829-11836.

[12]Scanlon B R，Reedy R C， Nicot J P. Comparison of Water Use for Hydraulic Fracturing for Unconventional Oil and Gas versus Conventional Oil[J]. Environmental Science & Tecnology，2014，48：12386-12393.

[13]吳青蕓， 鄭猛， 胡云霞. 頁(yè)巖氣開(kāi)采的水污染問(wèn)題及其綜合治理技術(shù)[J]. 科技導(dǎo)報(bào)， 2014， 32（13）： 74-83.

[14] Office of Fossil Energy and National Energy Technology Laboratory， US Department of Energy. Modern shale gas development in the United States： A primer[R]. Oklahoma： Gound Water Protection Council， 2009.

[15] Gregory K B， Vidic R D， Dzombak D A. Water management challengesassociated with the production of shale gas by hydraulic fracturing[J].Elements， 2011， 7（3）： 181-186.

[16] Ohio Department of Natural Resources. Preliminary Report on theNorth Star 1 Class II Injection Well and the Seismic Events in theYoungstown， Ohio Area （Ohio Department of Natural Resources，Columbus， OH） [R]. 2013.

[17] Howarth R W， Santoro R， Ingraffea A. Methane and the greenhouse-gasfootprint of natural gas from shale formations[J]. Climatic Change， 2011，106（4）： 679-690.

[18] Howarth R W， Santoro R， Ingraffea A. Venting and leaking of methanefrom shale gas development： Response to Cathles et al[J]. ClimaticChange， 2012， 113（2）： 537-549.

[19] U.S. Environmental Protection Agency. Study of the potentialimpacts of hydraulic fracturing on drinking water resources[R].Washington D C： U.S. Environmental Protection Agency， 2012.

[20]程鵬立. 頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及其應(yīng)對(duì)機(jī)制研究[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2016，6（15-2）：61-67.

[21]李小敏，史聆聆，馬健鋒等. 我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的環(huán)境影響特征[J]. 環(huán)境工程：139-143.

[22]朱紅威，邵菊芳，冷云偉等. 利用生物過(guò)濾器處理煤礦乏風(fēng)瓦斯的研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治，2014，3，6（ 6） ： 65-72.

[23] Hansen J，White P. Global warming in the twenty first century： an alternative scenario[J].Geophysics，2010，97（ 18） ： 9875-9880.

[24]林伯強(qiáng).頁(yè)巖氣是中國(guó)的菜嗎[N]. 東方早報(bào)，2013-03-19： 008.

[25]羅東坤，袁杰輝，接桂馨. 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地面工程環(huán)境影響及控制[J]. 油氣田地面工程，2014，11（33-11）：6-7.

[26]彭民，楊洪波，李玉喜等. 頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)的環(huán)境影響研究綜述[J]. 資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)，2015，31（3）：327-331.