李 琋 毛紅敏，2，3 王 兵

(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院；3.四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司)

0 引 言

根據(jù)國(guó)土資源部公布的結(jié)果，我國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量為134×1012m3，可技術(shù)開(kāi)采量為25×1012m3[1]。頁(yè)巖氣作為過(guò)渡能源，在我國(guó)未來(lái)能源供應(yīng)中被寄予厚望[2]。但與具有成熟頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)和商業(yè)模式的美國(guó)相比，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采仍處于初級(jí)階段。由于頁(yè)巖資源儲(chǔ)藏地層深度、水資源不足、開(kāi)發(fā)技術(shù)等各方面問(wèn)題，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)展緩慢。2020年，我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量?jī)H為200.4×108m3[3]，并未達(dá)到國(guó)家能源局預(yù)測(cè)的2020年頁(yè)巖氣產(chǎn)量超過(guò)300×108m3的目標(biāo)[4]。為了滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)天然氣日益增長(zhǎng)的需求，大力開(kāi)發(fā)和有效利用頁(yè)巖氣資源是長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略的一種選擇。

混合生命周期評(píng)價(jià)(Hybrid LCA，H-LCA)模型結(jié)合了過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)方法(Processed based LCA，P-LCA)和投入產(chǎn)出分析方法(Input output LCA，IO-LCA)，在估算溫室氣體(GHG)排放模型中既包含了由燃料燃燒造成的直接GHG排放，也包含了來(lái)自原料和燃料上游生產(chǎn)的間接GHG排放。該方法避免了P-LCA法由于人為劃定系統(tǒng)邊界產(chǎn)生的階段誤差，同時(shí)保證了系統(tǒng)完整性[5]。目前國(guó)內(nèi)鮮有針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)GHG排放估算的研究，孔朝陽(yáng)等[6]研究中，涪陵頁(yè)巖氣生命周期GHG排放量引用了美國(guó)頁(yè)巖氣GHG數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)涪陵頁(yè)巖氣GHG排放進(jìn)行實(shí)際核算研究。

涪陵頁(yè)巖氣田是我國(guó)首個(gè)大型頁(yè)巖氣田，也是全球除北美之外最大的頁(yè)巖氣田，故本文以涪陵頁(yè)巖氣田為研究對(duì)象，采用H-LCA法對(duì)其生命周期GHG排放進(jìn)行系統(tǒng)核算，以期為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期GHG排放做更全面的評(píng)價(jià)。

1 研究方法

1.1 系統(tǒng)邊界

本文將涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期歷程分為鉆井、固井、水力壓裂、放噴測(cè)試求產(chǎn)和生產(chǎn)5個(gè)階段，且將鉆井、固井、水力壓裂和放噴測(cè)試求產(chǎn)統(tǒng)稱(chēng)為氣井投產(chǎn)前過(guò)程。系統(tǒng)邊界不考慮鉆前平臺(tái)、終端用途、現(xiàn)場(chǎng)工作人員生活物資的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)菺HG排放。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期系統(tǒng)邊界見(jiàn)圖1。

圖1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期系統(tǒng)邊界

本文涉及的GHG主要是CO2、CH4和N2O三種氣體，并根據(jù)全球增溫潛勢(shì)因子(Global Warming Potential，GWP)統(tǒng)一折算為二氧化碳當(dāng)量(CO2e)。聯(lián)合國(guó)政府氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告顯示，CH4和N2O的GWP值分別為34和298[7]。

1.2 計(jì)算方法

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅有燃料燃燒造成的直接GHG排放，還有燃料和投入的原料上游生產(chǎn)造成的間接GHG排放。本文采用H-LCA模型(詳情參照Wang等[8]研究)對(duì)涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)行GHG排放估算，鉆井現(xiàn)場(chǎng)消耗的材料和燃料均按就近原則采購(gòu)，結(jié)合井場(chǎng)位置和原料購(gòu)買(mǎi)地點(diǎn)，用百度地圖估算運(yùn)輸距離均值。

本文中的中國(guó)IO-LCA方法基于2015年中國(guó)投入產(chǎn)出(IO)表[9]。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程涉及的材料和燃料主要涵蓋4個(gè)經(jīng)濟(jì)部門(mén)[10]，其碳排放因子見(jiàn)表1。

表1 材料及能源IO-LCA(2015年)模型的碳排放因子

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)相關(guān)書(shū)籍[2，12]、已發(fā)表的頁(yè)巖氣GHG研究結(jié)果[8，11，13-15]、環(huán)評(píng)報(bào)告[16-18]及咨詢(xún)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員。

2 涪陵頁(yè)巖氣井GHG排放

2.1 鉆井階段

涪陵頁(yè)巖氣井平均井深為4 462 m(3 397～6 356 m)[2，16-18]，鉆井設(shè)備平均鉆速為7.83 m/h[19]，故鉆井平均周期為569.88 h(433.84～811.75 h)。鉆井作業(yè)使用柴油發(fā)電機(jī)作為電源，配備3臺(tái)(2用1備)882 kW柴油動(dòng)力機(jī)和兩臺(tái)(1用1備)320 kW發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)柴油動(dòng)力機(jī)和1臺(tái)發(fā)電機(jī)組的油耗為387.88 kg/h[18]。

鉆井作業(yè)的導(dǎo)管、一開(kāi)及二開(kāi)直井段采用清水鉆井工藝，產(chǎn)生的清水巖屑在井場(chǎng)內(nèi)綜合利用。二開(kāi)斜井采用水基鉆井工藝，水基鉆井液主要由水、膨潤(rùn)土(購(gòu)買(mǎi)距離89 km)和少量其他添加劑組成，本文僅考慮膨潤(rùn)土的使用，產(chǎn)生的水基巖屑進(jìn)入廢水池儲(chǔ)存，后期進(jìn)行固化填埋。三開(kāi)采用油基鉆井工藝，僅考慮油基鉆井液(油水比為80∶20)的主要成分柴油(購(gòu)買(mǎi)距離4 km)、石灰(購(gòu)買(mǎi)距離35 km)和氯化鈣(購(gòu)買(mǎi)距離35 km)，產(chǎn)生的油基巖屑經(jīng)脫油后運(yùn)輸至指定平臺(tái)固化填埋[18]。故本文僅考慮油基巖屑的處理，根據(jù)造斜段、水平段長(zhǎng)度和鉆頭直徑，得出單井油基鉆屑(處理運(yùn)輸距離69 km[18])量為86.71 t(59.22～109.01 t)。根據(jù)孫舉等[20]研究中各鉆井液平均用量及各添加劑占比情況[2]，計(jì)算購(gòu)買(mǎi)添加劑的費(fèi)用。

涪陵頁(yè)巖氣井鉆井階段GHG排放情況見(jiàn)表2，總排放量約為1 550 tCO2e(1 294～2 005 tCO2e)。

表2 涪陵頁(yè)巖氣井鉆井階段GHG排放量

2.2 固井階段

固井作業(yè)包括下套管和注水泥。套管(購(gòu)買(mǎi)距離135 km)主要有導(dǎo)管(130.22 kg/m[12])、表層導(dǎo)管(101.29 kg/m[12])和技術(shù)套管(64.74 kg/m[12])、生產(chǎn)套管(38.76 kg/m[12])。固井使用的水泥為G級(jí)(購(gòu)買(mǎi)距離89 km)，消耗量的計(jì)算參考Chang等[11]研究。

涪陵頁(yè)巖氣井固井階段GHG排放情況見(jiàn)表3，總排放量約為886 tCO2e(790～1 052 tCO2e)。

表3 涪陵頁(yè)巖氣井固井階段GHG排放量

2.3 水力壓裂階段

水力壓裂是一項(xiàng)有廣泛應(yīng)用前景的油氣井增產(chǎn)措施，作業(yè)的壓裂裝備由12臺(tái)壓裂車(chē)、兩臺(tái)混砂車(chē)、1臺(tái)儀表車(chē)和兩臺(tái)管匯車(chē)組成(壓裂裝備功率見(jiàn)楊國(guó)圣等[2]、Wang等[8]研究)。每臺(tái)壓裂機(jī)組為2 206 kW柴油動(dòng)力機(jī)，柴油動(dòng)力機(jī)組額定油耗為209 g/(kW·h)。水平段壓裂改造段數(shù)為18段(13～26段)，單段用時(shí)3 h[16]。壓裂液組分中98%以上為水和支撐劑(石英砂，購(gòu)買(mǎi)距離34 km)，支撐劑用量為946.14 t(515.6～1 344.2 t)[21]，壓裂用水由附近水廠(chǎng)供給，采用供水管道輸送[17]，因此，僅考慮支撐劑的GHG排放量。

涪陵頁(yè)巖氣井水力壓裂階段GHG排放情況見(jiàn)表4，總排放量約為1 064 tCO2e(764～1 537 tCO2e)。

表4 涪陵頁(yè)巖氣井水力壓裂階段GHG排放量

2.4 放噴測(cè)試求產(chǎn)階段

壓裂后產(chǎn)生的返排液中存在CH4逸散，CH4的逸散速率為14.549 g/(m3·h)[15]。假設(shè)返排液在72 h內(nèi)進(jìn)行回收利用[13]。涪陵頁(yè)巖氣單井壓裂液用量為30 409 m3(22 466～46 141 m3)[21]，由于涪陵焦石壩頁(yè)巖儲(chǔ)存物性參數(shù)的特殊性，導(dǎo)致大量壓裂液無(wú)法返排至地面[22]，已壓裂完的井壓裂液返排率在4%左右，平均返排液量為1 216 m3(899～1 846 m3)。CH4逸散排放量為1.27 t(0.94～1.93 t)。

測(cè)試求產(chǎn)過(guò)程單個(gè)油嘴放噴4～6 h，平均5 h[12]；單井平均產(chǎn)量為24.93×104m3/d[23]，CH4含量為97.22%～98.9%(平均98.27%)[12]；放噴過(guò)程頁(yè)巖氣燃燒率為98%，平均燃燒氣體259 673 m3(207 738～311 608 m3)。根據(jù)燃燒排放公式[10]，可得GHG排放量為585.64 tCO2e(463.51～707.27 tCO2e)。

2.5 生產(chǎn)階段

目前我國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)階段CH4泄漏排放系數(shù)未公開(kāi)。頁(yè)巖氣與常規(guī)天然氣具有相似的化學(xué)組成，區(qū)別在于頁(yè)巖氣地質(zhì)地層滲透率比常規(guī)天然氣低約6個(gè)數(shù)量級(jí)[14]。在氣井投產(chǎn)前，頁(yè)巖氣井比常規(guī)天然氣井多了水平鉆井和水力壓裂作業(yè)。完井后，頁(yè)巖氣井處理流程與常規(guī)天然氣井類(lèi)似。因此，采用天然氣的CH4泄漏率估算該階段的CH4排放量。

Chen等[13]研究表明CH4泄漏率為0.089%(蜀南氣田監(jiān)測(cè)的設(shè)施泄漏總量/蜀南氣田該年份天然氣總產(chǎn)量)。涪陵頁(yè)巖氣單井平均產(chǎn)能為1.22×108m3[24]，故CH4泄漏造成的GHG排放量為0.61 gCO2e/MJ(低熱值：35.544 MJ/m3)。

生產(chǎn)階段的燃料(頁(yè)巖氣)供能造成的GHG排放量為10.69 gCO2e/MJ(計(jì)算參考Qin等[14]研究)。

3 結(jié)果與討論

3.1 各階段GHG排放結(jié)果分析

涪陵頁(yè)巖氣生命周期GHG排放量為12.27 gCO2e/MJ(12.09～12.57 gCO2e/MJ)，各階段GHG排放情況如圖2所示。氣井投產(chǎn)前過(guò)程(從鉆井至放噴測(cè)試求產(chǎn)階段)排放量為0.97 gCO2e/MJ，僅占生命周期GHG排放量的8%。生產(chǎn)階段排放量為11.30 gCO2e/MJ，占生命周期GHG排放量的92%。

注：圖中誤差棒為估算值的上下限。

鉆井階段和固井階段以間接GHG排放為主，主要是柴油、套管和G級(jí)水泥的大量使用造成。水力壓裂階段、放噴測(cè)試求產(chǎn)階段和生產(chǎn)階段以直接GHG排放為主，主要是柴油動(dòng)力機(jī)、CH4燃燒和CH4泄漏排放造成。

3.2 各投入要素GHG排放量分析

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期各投入要素造成的GHG排放量占比如圖3所示。占比較大的要素依次是頁(yè)巖氣燃燒供能(87.096 2%)、CH4泄漏(生產(chǎn)階段)(4.930 4%)、柴油生產(chǎn)(2.344 4%)、套管生產(chǎn)(1.404 2%)、柴油發(fā)電機(jī)組(鉆井設(shè)備)(1.368 1%)、柴油動(dòng)力機(jī)(壓裂車(chē))(1.331 6%)及放噴測(cè)試求產(chǎn)(1.142 5%)。這7個(gè)要素共占總GHG排放量的99.617 4%，是涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)GHG減排的重中之重，可通過(guò)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)改革達(dá)到減排的目標(biāo)。如涪陵頁(yè)巖氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)將逐步實(shí)施“試-采一體化”工藝技術(shù)，提高頁(yè)巖氣回收利用率[25]，來(lái)自放噴測(cè)試求產(chǎn)的CH4燃燒量將會(huì)大幅降低；在有條件的井場(chǎng)采用電網(wǎng)替代柴油發(fā)電機(jī)可減少直接GHG排放量；政府相關(guān)部門(mén)督促供應(yīng)鏈實(shí)行綠色生產(chǎn)，出臺(tái)相應(yīng)政策鼓勵(lì)綠色生產(chǎn)。

圖3 涪陵頁(yè)巖氣井各投入要素GHG排放量占比

3.3 對(duì)比研究

3.3.1 涪陵與四川頁(yè)巖氣生命周期GHG排放對(duì)比

涪陵頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有硅質(zhì)含量高、黏土含量低、頁(yè)巖縫發(fā)育、水平滲透率高等優(yōu)勢(shì)特征；而四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁(yè)巖儲(chǔ)層具有碳酸鹽礦物含量高、黏土含量較高的特點(diǎn)，這些儲(chǔ)層的差異造成了兩地在鉆井、壓裂改造作業(yè)和壓裂液返排率等方面的不同[26]。因此，兩地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)GHG排放差異主要存在于氣井投產(chǎn)前過(guò)程，對(duì)比情況見(jiàn)表5。

表5 重慶與四川頁(yè)巖氣井投產(chǎn)前過(guò)程GHG排放量對(duì)比

1)直接GHG。在鉆井階段，四川頁(yè)巖氣GHG排放模型[10]中原料運(yùn)輸距離較涪陵遠(yuǎn)、鉆探設(shè)備柴油發(fā)電機(jī)組耗油量較高，故柴油燃燒GHG排放量較高。在放噴測(cè)試求產(chǎn)階段，四川地區(qū)壓裂液返排率高達(dá)70%～80%[10]，而涪陵地區(qū)壓裂液返排率僅為4%左右，CH4逸散造成的排放差異顯著。此外，涪陵地區(qū)測(cè)試產(chǎn)能較高，且測(cè)試求產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，放噴燃燒排放的GHG量較高。

2)間接GHG。①本模型采用2015年的IO表，四川頁(yè)巖氣GHG估算模型[10]采用2012年的IO表，造成估算結(jié)果差異較大；②涪陵地區(qū)柴油的間接排放包含作為燃料使用和作為油基鉆井液中基油使用造成的排放，而四川不考慮柴油配制油基鉆井液；③套管使用量差異主要是由兩個(gè)模型中的套管尺寸差異造成；④涪陵地區(qū)壓裂液返排率低，需要更多支撐劑用于配制壓裂液。

通過(guò)兩地GHG排放結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層、開(kāi)發(fā)技術(shù)差異以及不同年份的IO表均會(huì)導(dǎo)致GHG排放量的變動(dòng)。故可通過(guò)不斷擴(kuò)大地域范疇的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)GHG研究，以及不斷完善頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)GHG排放模型來(lái)全面評(píng)估頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)。

3.3.2 國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣生命周期GHG排放對(duì)比

Weber等[27]將美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期GHG研究進(jìn)行蒙特卡羅分析，結(jié)果顯示美國(guó)頁(yè)巖氣井投產(chǎn)前過(guò)程GHG排放量為1.90 gCO2e/MJ，生產(chǎn)階段GHG排放量為10.5 gCO2e/MJ。涪陵頁(yè)巖氣井投產(chǎn)前過(guò)程GHG排放量為0.98 gCO2e/MJ，生產(chǎn)階段GHG排放量為11.30 gCO2e/MJ。涪陵頁(yè)巖氣生命周期GHG排放量較美國(guó)低，主要原因?yàn)椋孩俦疚闹懈⒘觏?yè)巖氣生產(chǎn)階段引用的蜀南氣田現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的CH4泄漏率較低；②涪陵頁(yè)巖氣單井產(chǎn)能較高，分?jǐn)傊羻挝徽捉沟腉HG排放量低于美國(guó)；③我國(guó)在放噴測(cè)試求產(chǎn)階段采用了綠色完井技術(shù)[15]，不存在CH4放空排放。

雖然對(duì)比結(jié)果涪陵頁(yè)巖氣生命周期GHG排放量較美國(guó)低，但國(guó)內(nèi)缺乏頁(yè)巖氣CH4泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)，很難評(píng)估國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期GHG排放差異。因此，國(guó)內(nèi)應(yīng)大量開(kāi)展生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)CH4泄漏全面檢測(cè)的研究工作。

3.4 敏感性分析

在涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期中，有許多因素影響GHG排放量。對(duì)因素均值增加和減少10%進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果如圖4所示，單井產(chǎn)能影響最大，CH4泄漏率次之，投入原料的生產(chǎn)成本影響也較大，相比之下，其他不確定因素影響較小。

圖4 涪陵頁(yè)巖氣生命周期GHG排放量影響因素敏感性

4 結(jié) 論

本文基于混合生命周期方法，對(duì)涪陵頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生命周期GHG排放進(jìn)行估算，得出以下結(jié)論。

1)涪陵頁(yè)巖氣生命周期GHG排放量為12.27 gCO2e/MJ，主要源于生產(chǎn)階段的頁(yè)巖氣燃燒供能造成的排放。

2)頁(yè)巖氣生命周期中GHG減排重點(diǎn)因素分別是頁(yè)巖氣燃燒供能、CH4泄漏(生產(chǎn)階段)和柴油生產(chǎn)。

3)通過(guò)與四川和美國(guó)頁(yè)巖氣生命周期GHG排放結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層所處地域不同，GHG排放量存在較大差異，擴(kuò)大地域范疇的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)GHG研究非常必要。

4)通過(guò)敏感性分析可知，單井產(chǎn)能對(duì)GHG排放量影響最大，CH4泄漏率次之。