頁巖氣井水力壓裂技術(shù)及環(huán)境問題探討

錢伯章 李武廣

1.上海擎督信息科技公司金秋能源石化工作室，上海 200127；

2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249

0 前言

高油價(jià)時(shí)代，頁巖氣作為一種新的綠色能源，正在被世界各國所追捧。 美國頁巖氣開發(fā)始于1821 年，是世界上頁巖氣勘探開發(fā)最早的國家。 近幾年，頁巖氣大規(guī)模商業(yè)性開發(fā)改變了美國能源格局［1-2］。 它的快速發(fā)展，一靠競爭的市場機(jī)制，二靠競爭所帶來的技術(shù)創(chuàng)新。頁巖氣最主要的開采方式是水力壓裂技術(shù)， 水力壓裂技術(shù)需要大量的水資源， 容易帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題。 相反，也有一些環(huán)保主義者肯定了頁巖氣開發(fā)的正面影響，因?yàn)轫搸r氣相比石油和煤炭更為低碳。 對此，不同學(xué)者有不同意見， 然而個(gè)人認(rèn)為水力壓裂開發(fā)頁巖氣技術(shù)的關(guān)鍵在于尋找環(huán)保與開發(fā)的黃金結(jié)點(diǎn)， 在環(huán)保憂慮之下，采取一些具體的補(bǔ)救措施，使頁巖氣開發(fā)技術(shù)更為成熟環(huán)保，此項(xiàng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 頁巖氣壓裂增產(chǎn)技術(shù)

在頁巖氣開發(fā)方面，美國主要采用了水平井和水力壓裂技術(shù)，后者還包括清水壓裂技術(shù)、多段壓裂技術(shù)、同步壓裂技術(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)等，同時(shí)，還可結(jié)合先進(jìn)的儲層預(yù)測評估技術(shù)、裂縫監(jiān)測技術(shù)以及隨鉆測量技術(shù)等進(jìn)行應(yīng)用分析［3］。

1.1 清水壓裂技術(shù)

目前美國頁巖氣開發(fā)最主要的增產(chǎn)措施是清水壓裂技術(shù)，即將添加了減阻劑的清水作為壓裂液。 這種壓裂液主要成分是水、少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑。 主要使用這種低成本壓裂液，那是因?yàn)樗且环N低黏度流體，更容易產(chǎn)生一些復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，而且很少需要清理，是一種清潔壓裂技術(shù)，可提供更長的裂縫，并將壓裂支撐劑運(yùn)到遠(yuǎn)處裂縫網(wǎng)絡(luò)，在Barnett 等低滲透油氣藏儲層改造中可取得很好的壓裂效果。

1.2 重復(fù)壓裂技術(shù)

重復(fù)壓裂技術(shù)用于在不同方向上誘導(dǎo)產(chǎn)生新的一些裂縫，從而增加裂縫網(wǎng)絡(luò)，以便提高生產(chǎn)能力。 如果初次壓裂已經(jīng)沒有效果，或現(xiàn)有的支撐劑已經(jīng)損壞，那么對該井進(jìn)行二次壓裂將重建儲層線性流，最終采收率估計(jì)提高9%左右，可采儲量增加60%左右，是一種低成本增產(chǎn)技術(shù)。 如果能使得二次壓裂獲得成功，必須評估二次壓裂前、后的平均儲層壓力、滲透率厚度乘積、有效裂縫長度和導(dǎo)流能力等等。 所以重復(fù)壓裂必須以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)施。 Barnett 的大部分頁巖氣井都進(jìn)行了二次壓裂，二次壓裂后可接近甚至超過初次壓裂時(shí)的頁巖氣產(chǎn)量［4］。

1.3 同步壓裂技術(shù)

該技術(shù)是同時(shí)進(jìn)行配對井的壓裂，也就是同時(shí)對兩口甚至更多的井進(jìn)行壓裂。 它可使壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運(yùn)移距離達(dá)到最短，能增加裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度及表面積。該技術(shù)曾在Barnett 頁巖氣田使用， 在相隔150～300 m 范圍內(nèi)鉆兩口平行的水平井同時(shí)進(jìn)行壓裂，目前已發(fā)展到多口井間同時(shí)壓裂。 該技術(shù)在未來頁巖氣開采方面將有很大應(yīng)用前景［4］。

1.4 水平井壓裂技術(shù)

水平井也需要壓裂，如果不壓裂則不能產(chǎn)氣。 通過對Newark 東油氣田進(jìn)行水平井壓裂，發(fā)現(xiàn)其初始產(chǎn)氣速度一般比直井快2～3 倍。 對Newark 氣田進(jìn)行水平井分段壓裂，可使其核心區(qū)域產(chǎn)量大幅度提高，并且在那些缺少遮擋或遮擋層很薄的區(qū)域，水平井壓裂比直井壓裂更能使裂縫保持在Barnett 儲層的目的段中。最初水平井的壓裂階段一般采用單段或2 段， 目前已增至7 段甚至更多。 中國石油天然氣集團(tuán)公司西南油氣田有限公司已計(jì)劃建設(shè)威遠(yuǎn)氣田作為全國首個(gè)頁巖氣開發(fā)的試驗(yàn)田。至2011 年9 月，已完成5 個(gè)頁巖氣勘探試驗(yàn)井。 中國的第一個(gè)水平頁巖氣井威201-H1 井在威遠(yuǎn)氣田， 已采用分段壓裂。 水平井10 級以上分段壓裂技術(shù)是最關(guān)鍵的核心技術(shù)，但是，目前我們對這兩項(xiàng)技術(shù)的掌握還不是很成熟。

2 水力壓裂引起的環(huán)境問題

水力壓裂技術(shù)，是目前唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙。 它主要使用含砂的水，其中砂作為支撐劑，此外還有2%或更少的化學(xué)增強(qiáng)劑。 當(dāng)高壓液體注入鉆井并使巖層裂開后， 高壓液體中的支撐劑可以保持住裂縫，使其成為油氣導(dǎo)向鉆井的高速滲透通道。 循環(huán)壓裂液的凈化不妥可能會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，因?yàn)樗毫鸭夹g(shù)應(yīng)用于工業(yè)，眾所周知，會使用大量水和造成水污染問題，水污染對居住地區(qū)甚為敏感［5-7］。

2.1 水力壓裂需要消耗大量水

水力壓裂技術(shù)需要消耗大量水資源且不可回收。 水力壓裂井比傳統(tǒng)的井需要更多的水。 在美國密歇根的Antrim 頁巖氣田， 一個(gè)傳統(tǒng)的井一次需要190 m3的水。然而據(jù)估計(jì)如果是水平鉆井，一個(gè)水力壓裂井一次需要1.9×104m3水， 大約是一個(gè)1×109W 煤電站12h 的水用量。 據(jù)介紹，2.6 km2干旱土地需1.5×106m3水，可收獲價(jià)值2×105$的玉米。 等量的水，如果用于水力壓裂技術(shù)鉆井， 可獲得價(jià)值2.5×109$的石油。 由于鉆井所使用的水要注入比地下蓄水層深得多的頁巖層，大量水主要被巖石吸收，而不能再回收利用。 環(huán)保人士擔(dān)心水力壓裂過程中會消耗大量水資源。 據(jù)德國地球科學(xué)研究中心的霍斯菲爾德教授介紹， 每口頁巖氣井需耗費(fèi)1.5×104m3的水才能使頁巖斷裂，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 頁巖氣生產(chǎn)不同井的水需求量

2.2 水力壓裂可能污染地下水

水力壓裂技術(shù)也是一柄雙刃劍，不僅消耗大量水資源，還可能污染地下水。 循環(huán)后的水典型地含有用于水力壓裂處理的化學(xué)濃聚物和自然產(chǎn)生的濃鹽水，有時(shí)候有少量的放射物質(zhì)，比如鐳。 循環(huán)后的水必須要妥善處理才能避免對公共健康和環(huán)境的危害。 美國14 家油氣公司過去5 年中使用了約2.95×106m3壓裂添加劑，包括750 種化學(xué)產(chǎn)品和苯及鉛等有毒物質(zhì)。 回流的壓裂液如果未及時(shí)處理或造成泄漏，對生態(tài)環(huán)境的影響將不可低估。 環(huán)保人士和當(dāng)?shù)鼐用耖L期以來都認(rèn)為，此舉會使地下水受到甲烷和其他化學(xué)物質(zhì)的污染。

2.2.1 甲烷的污染

在氣體和壓裂液體的流動方面，主要的擔(dān)憂是氣體和水力壓裂過程中使用的化學(xué)物質(zhì)污染提供飲用水的蓄水層。蓄水層在大約地下600 m 或者以上。壓裂是水平的，因?yàn)槭^自然的壓力使氣體流向氣體儲存器。 在更深的底層，壓裂可能垂直地發(fā)生但是受被壓在上方的氣體儲存器限制。 如果某處地下水受水力壓裂液體污染，多數(shù)情況可能是不合理施工而不是水力壓裂技術(shù)本身造成。 美國杜克大學(xué)的研究者在《美國國家科學(xué)院院刊》表示， 在賓夕法尼亞州使用水力壓裂開采頁巖氣的地區(qū)， 地下水中甲烷含量比其它未鉆探區(qū)域高出大約17倍。 研究者分析了賓夕法尼亞州和紐約州五個(gè)郡范圍內(nèi)68 個(gè)私有水井中的甲烷含量，報(bào)告稱，飲用水受甲烷污染的現(xiàn)象與用水力壓裂法開采頁巖氣密切有關(guān)［8-9］。

地球正義組織的數(shù)據(jù)顯示，美國目前有32 個(gè)州采用水力壓裂法開采頁巖氣。 杜克大學(xué)的研究人員表示，甲烷氣體的釋放可能是由于鉆探設(shè)備缺陷導(dǎo)致的，而研究并未發(fā)現(xiàn)注入頁巖層的化學(xué)物質(zhì)會向上流動影響淺層地下水。 研究人員還表示，水力壓裂法注入的液體會慢慢自地下深處向上層運(yùn)動，幾十年后可能才產(chǎn)生影響［9］。例如，2010 年4 月，由于Exco 能源公司的鉆井機(jī)無意中造成了淺層天然氣泄漏， 導(dǎo)致大約150 戶迪索托居民被迫疏散到鄰近的卡多縣。 當(dāng)時(shí)，Exco 公司承認(rèn)甲烷已經(jīng)滲入當(dāng)?shù)氐娘嬘盟校?并且表示會監(jiān)測是否有氣體逸出。 也發(fā)生了卡波特公司被指控在開采天然氣時(shí)，造成了甲烷滲透進(jìn)居民水井的嚴(yán)重后果見表2。

表2 美國頁巖氣井返流液體中的甲烷排放量

2.2.2 化學(xué)物質(zhì)污染

頁巖氣開采導(dǎo)致另一個(gè)重要的環(huán)境污染問題是化學(xué)物質(zhì)污染。 在開采過程中要經(jīng)過地下蓄水層，這時(shí)，所使用的化學(xué)添加劑會對蓄水層中的水造成嚴(yán)重污染，表現(xiàn)為化學(xué)物質(zhì)的泄漏。 地表溢出——化學(xué)物質(zhì)和開采使用水的溢出給公眾健康和環(huán)境造成負(fù)面影響。 2009 年，在切薩皮克能源公司的鉆井平臺附近，發(fā)現(xiàn)了16 頭牛的尸體。 調(diào)查顯示，這些牛是食用了鉆井機(jī)使用的化學(xué)制品后死亡。 然而這些化學(xué)制品則是在一次暴風(fēng)雨中發(fā)生泄漏的。 在賓夕法尼亞州，由于飲用水安全和其他環(huán)境問題的訴訟讓鉆探工作遇到了很大的麻煩，間接地導(dǎo)致了能源產(chǎn)品成本增加。 同時(shí)，政府也在當(dāng)時(shí)中止了在國有林區(qū)內(nèi)發(fā)放新的鉆井許可證［10］。

2.3 臭氧標(biāo)準(zhǔn)可能產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響

據(jù)美國《油氣雜志》2011 年8 月26 日報(bào)道，美國空氣控制中心（ACC）技術(shù)和法規(guī)事務(wù)副總裁Mike Walls 表示，考慮到頁巖氣資源的重要性，目前更加嚴(yán)格的空氣中臭氧標(biāo)準(zhǔn)對該行業(yè)可能產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響。 大多數(shù)與頁巖氣開發(fā)相關(guān)的工業(yè)均位于美國人口較少的地區(qū)，這些地區(qū)目前為空氣清潔法的達(dá)標(biāo)地區(qū)。 但是，更加嚴(yán)格的臭氧標(biāo)準(zhǔn)將使整個(gè)美國變成“不達(dá)標(biāo)”，有關(guān)許可要求的更改將使企業(yè)獲得許可證的成本大幅增加且獲得難度更大。 需要利用頁巖氣帶來的新的競爭優(yōu)勢，而在更加嚴(yán)格的臭氧標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)管下，越來越多的頁巖氣資源將處于臭氧不達(dá)標(biāo)地區(qū)，這將使這些地區(qū)的頁巖氣生產(chǎn)停止，從而使其擁有頁巖氣資源卻不能利用［11］。

美國環(huán)保局（EPA）未能在2011 年7 月31 日前如期完成臭氧標(biāo)準(zhǔn)的修訂，而工業(yè)界人士和共和黨議員卻希望說服EPA 將新標(biāo)準(zhǔn)推遲到2013 年。 雙方的爭議源于2008 年EPA 決定將8h 臭氧標(biāo)準(zhǔn)從0.084×10-6減少到0.075×10-6， 為其提供建議的EPA 清潔空氣科學(xué)顧問委員會甚至表示不應(yīng)超過0.070×10-6。2011 年9 月2 日，美國總統(tǒng)奧巴馬要求EPA 撤回有關(guān)空氣中臭氧標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管提案，政府表示關(guān)于保護(hù)公眾健康和環(huán)境的承諾仍然不會動搖，但在經(jīng)濟(jì)持續(xù)復(fù)蘇的情況下，仍需要強(qiáng)調(diào)減少企業(yè)界面臨的監(jiān)管負(fù)擔(dān)和監(jiān)管不確定性的重要性。 但是，油氣工業(yè)界認(rèn)為取消臭氧排放條例只是暫時(shí)性地緩解了未來可能更加嚴(yán)格的監(jiān)管負(fù)擔(dān)，因?yàn)槊绹h(huán)保局要求最大限度地使用減排技術(shù)的提議仍在研究日程內(nèi)。 可以預(yù)見，業(yè)內(nèi)將持續(xù)關(guān)注臭氧標(biāo)準(zhǔn)變化對水力壓裂的影響［12］。

3 環(huán)境污染的補(bǔ)救措施

3.1 對壓裂返排廢水污染的控制

為了減少水力壓裂帶來的環(huán)境破壞，在每次壓裂完成之后，對水進(jìn)行獲取和重新利用，是一項(xiàng)比較重要的補(bǔ)救措施。 美國許多頁巖氣鉆井就建在傳統(tǒng)天然氣生產(chǎn)場所附近，因此，壓裂后的水能夠被捕獲、處理，并回收利用到下次水力壓裂中。 據(jù)估計(jì)，美國頁巖氣鉆探中，大約有70%的水來自水力壓裂回收的水。

每口井需要消耗（7.5～19）×103m3的水，其中的25%～100%需要回流到地面， 這些水必須進(jìn)行回收和處理。對于美國西部各州，特別是新鮮水供應(yīng)已經(jīng)非常緊張的地區(qū)，水力壓裂會使現(xiàn)有水資源進(jìn)一步緊張。 巴尼特頁巖區(qū)鉆井和壓裂過程的耗水量相當(dāng)于當(dāng)?shù)?8.5 萬戶家庭的耗水量。 根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查的資料報(bào)道，得克薩斯州正密切關(guān)注鉆井過程中水的用量，由巴尼特頁巖鉆探公司組成的一個(gè)財(cái)團(tuán)開發(fā)了節(jié)約用水的最佳管理措施。馬塞勒斯頁巖氣生產(chǎn)區(qū)也采用了類似的方法。

水力壓裂形成的廢水通常有以下三種典型的處理方法：運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)外的污水處理裝置進(jìn)行處理，其后將其封存在地下井中。 運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)外的污水處理裝置進(jìn)行處理，再排放到地表水。 原地處理后重新用于水力壓裂或鉆井操作。 不同頁巖氣產(chǎn)區(qū)的水力壓裂回流廢水（含不同的化學(xué)試劑）要求有不同的水處理解決方案。 如在美國東部馬塞勒斯頁巖區(qū)一定要有處理極高含鹽量壓裂廢水的能力［13］。

據(jù)美國《烴加工》2011 年7 月1 日報(bào)道，為了解決水處理相關(guān)問題，一些領(lǐng)先的水技術(shù)公司推出了移動式水處理裝置解決方案。 這些移動式裝置用來處理和回收水力壓裂回流液和鉆井過程及其他工業(yè)操作過程中產(chǎn)生的含鹽廢水，這樣可以減緩新鮮水供應(yīng)緊張的問題。 另外，美國一些大學(xué)，如得克薩斯A&M 大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)和西弗吉尼亞州立大學(xué)也開始了該項(xiàng)目的研究工作，旨在開發(fā)新的、更有效的油氣鉆探和水力壓裂過程中的廢水處理技術(shù)。 一些公司，包括西門子水技術(shù)公司及GE 電力和水處理公司， 都推出了應(yīng)用不同技術(shù)的移動式水處理裝置，能在原地進(jìn)行水處理并回用，不僅能減緩當(dāng)?shù)厮Y源緊缺、降低成本，還可以降低將廢水輸送到遠(yuǎn)處的封存井或水處理裝置過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放。 西門子的解決方案采用浮選/過濾技術(shù)， 而GE的解決方案則采用蒸發(fā)技術(shù)。 每種技術(shù)各有利弊。

中國延長石油集團(tuán)研究院通過對微界面絮凝、催化氧化、定向脫色、強(qiáng)化固液分離等技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)與配套技術(shù)研究，2012 年6 月中旬開發(fā)出集化學(xué)處理劑體系與設(shè)備為一體的高效污染物無害化處理技術(shù)，并自主研發(fā)成功YC-FC01 模塊化頁巖氣壓裂作業(yè)廢液回用處理設(shè)備。 該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)思路，使用時(shí)可根據(jù)壓裂廢液性質(zhì)通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)各模塊之間的任意切換與組合。 它能針對不同壓裂體系的作業(yè)廢液采用相應(yīng)的化學(xué)調(diào)制劑處理，處理后的水質(zhì)可滿足壓裂液配液用水指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排及廢液循環(huán)利用。 該技術(shù)已在國內(nèi)率先用于解決陸相頁巖氣開發(fā)中壓裂作業(yè)廢液的處理難題。 YC-FC01 設(shè)備是一套室內(nèi)小試裝置，目前延長集團(tuán)正在設(shè)計(jì)中試處理設(shè)備，擴(kuò)展后的橇裝式模塊化廢液處理設(shè)備可推廣應(yīng)用。 該技術(shù)可有效解決頁巖氣開發(fā)中壓裂作業(yè)廢液的處理問題，節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約水資源，對實(shí)現(xiàn)頁巖氣綠色開發(fā)、清潔生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

3.2 對空氣污染的控制

美國環(huán)保局2012 年4 月18 日發(fā)布一項(xiàng)新法規(guī)，將對頁巖氣開采中，因使用水力壓裂技術(shù)所造成的空氣污染加以控制，這也是美國控制頁巖氣開采造成環(huán)境污染的首個(gè)法規(guī)。 該法規(guī)要求到2015 年，所有采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行開采的頁巖氣井都必須安裝相關(guān)的設(shè)備，以便減少可揮發(fā)性有機(jī)化合物及其他有害空氣污染物的排放，例如像苯和正己烷等。 環(huán)保局空氣和輻射辦公室副主管Gina McCarthy 在發(fā)布該項(xiàng)法規(guī)時(shí)表示，在頁巖氣田必須要安裝相關(guān)設(shè)備的同時(shí)，還可以捕集到具有較強(qiáng)溫室效應(yīng)的甲烷。 目前大氣環(huán)境中的甲烷主要是由于油氣開采泄漏造成的。 該項(xiàng)法規(guī)將對目前美國約13 000 口天然氣井產(chǎn)生影響。

美國環(huán)保局早在2011 年7 月就提出了對水力壓裂法氣井進(jìn)行控制的初步建議，當(dāng)時(shí)美國石油協(xié)會和其他行業(yè)協(xié)會都認(rèn)為這項(xiàng)計(jì)劃實(shí)施的時(shí)間進(jìn)度太緊。 因此美國環(huán)保署在最終頒布這項(xiàng)法規(guī)時(shí)，將具體實(shí)施時(shí)間推遲了兩年多，在此期間，這些氣井在生產(chǎn)中可以通過燃燒的方法減少甲烷和其他污染物的排放。 這項(xiàng)修改后的法規(guī)得到了美國天然氣協(xié)會和美國石油協(xié)會的贊揚(yáng)。 他們稱時(shí)間等方面的修改“能夠讓相關(guān)公司在生產(chǎn)國家急需的石油和天然氣的同時(shí)，又能減少污染物的排放”。 這項(xiàng)法規(guī)同時(shí)也得到美國環(huán)保組織的支持。 野生地球守護(hù)者的氣候變化和能源方案主任杰里米·尼科爾斯表示：“雖然未來兩年多， 這些氣井還將繼續(xù)燃燒甲烷而不是捕集，但從另一方面來說，將這些物質(zhì)通過燃燒等方法除去畢竟也減少了向空氣中的排放。 ”他強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)在該是工業(yè)界行動起來， 加緊安裝新設(shè)備捕集這些物質(zhì)的時(shí)候了。 據(jù)了解，目前美國新氣井中約有一半已安裝了相關(guān)設(shè)備，以便在進(jìn)行頁巖氣開采時(shí)能夠根除可揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放，捕集空氣污染物及甲烷。

2012 年5 月15 日， 美國環(huán)保局發(fā)布了新的天然氣開采排放標(biāo)準(zhǔn)，要求運(yùn)營商使用天然氣捕捉技術(shù)，以避免有害氣體逃逸到大氣中，威脅公眾健康。 這些氣體包括化學(xué)混合物、沙子和水在高壓下注入巖石中進(jìn)行壓裂釋放出來的碳?xì)浠衔铩?美國環(huán)保局局長麗莎·杰克遜表示，過去逃逸出來的氣體污染了空氣。 新標(biāo)準(zhǔn)將通過捕獲這些氣體來保護(hù)人們的健康，也將把更多針對燃料供應(yīng)商的產(chǎn)品推向市場。 政府希望繼續(xù)擴(kuò)大全美天然氣等重要資源的生產(chǎn)。 新標(biāo)準(zhǔn)在支持這一目標(biāo)的同時(shí)，確保燃料生產(chǎn)不會威脅民眾健康。 美國環(huán)保局已更新了兩項(xiàng)清潔空氣法案，以控制天然氣井壓裂、鉆井和抽水等環(huán)節(jié)釋放的氣體。

美國每年大約有1.3 萬口天然氣井進(jìn)行壓裂或再次壓裂。 在開采準(zhǔn)備階段，這些天然氣井會釋放出揮發(fā)性的有機(jī)化合物，形成煙霧、苯和正己烷等有毒物質(zhì)，可能嚴(yán)重威脅人類健康。 《清潔空氣法案》要求環(huán)保局為引起空氣污染、危及公眾健康的行業(yè)設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)，每8 年更新一次。 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于1985 年。 更新后的《新能源性能標(biāo)準(zhǔn)》和《有害空氣污染物標(biāo)準(zhǔn)》要求，相關(guān)行業(yè)要捕捉天然氣的主要成分甲烷。 甲烷吸收的太陽熱量是大氣中二氧化碳的20 倍以上。 新標(biāo)準(zhǔn)既可以通過成熟且具成本效益的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，又能降低實(shí)施成本，同時(shí)確保其可行性。 美國約有一半的壓裂式天然氣井已經(jīng)應(yīng)用。 這些技術(shù)不僅能減少天然氣井排放95%的有害氣體，還能令企業(yè)收集到更多的天然氣，通過再次銷售抵消成本。 美國環(huán)保局預(yù)計(jì)，新標(biāo)準(zhǔn)在2015 年全面實(shí)施后，相關(guān)行業(yè)每年將節(jié)省1.1×107～1.9×107$。

美國石油學(xué)會和美國天然氣聯(lián)盟于2012 年6 月4日共同宣布，對美國來自水力壓裂甲烷排放量新的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，它們比美國環(huán)保局的估計(jì)要低50%。 他們調(diào)查了廣闊的地理區(qū)域20 多家公司作業(yè)的91 000 口井， 許多數(shù)據(jù)來源是環(huán)保局最近估算的主要來源的10 倍。 由URS 公司和LEVON 集團(tuán)所作的調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 來自兩個(gè)重要區(qū)域的排放比美國環(huán)保局的估計(jì)要低得多。 在液體石油卸貨過程中甲烷進(jìn)入大氣的排量要低86%，修井作業(yè)的排放量要少72%。 荷蘭皇家殼牌公司行政總裁Peter Voser 于2012 年6 月5 日在馬來西亞吉隆坡舉行的第25 屆世界天然氣大會的講話中表示， 雖然已無疑問，在世界各地可以挖掘出頁巖氣這些豐富的天然氣儲藏，但社會不應(yīng)低估重大的投資和高度復(fù)雜的技術(shù)，需要采取安全和負(fù)責(zé)任的方式去做。 沃瑟指出，一些環(huán)保團(tuán)體對這些資源開發(fā)潛在的安全和環(huán)境影響口誅筆伐。 這導(dǎo)致對水力壓裂影響的一些誤解。 沃瑟稱，壓裂是一個(gè)已經(jīng)試用多年的技術(shù)。 最近引起更多關(guān)注的是溫室氣體排放，尤其是甲烷，它從頁巖氣生產(chǎn)中逸出。 沃瑟稱，使用成熟的技術(shù)可以顯著減少甲烷排放。 在美國懷俄明州的Pinedale 作業(yè)中，殼牌公司已安裝了一個(gè)系統(tǒng)，可用紅外攝像機(jī)檢測以幫助阻止甲烷泄漏。 但顯然仍需要更多的研究來了解天然氣行業(yè)甲烷排放的真實(shí)程度［14］。

3.3 國際能源局的評論

國際能源局于2012 年5 月29 日表示， 只有負(fù)責(zé)任地應(yīng)對相關(guān)問題，頁巖氣產(chǎn)業(yè)才會“加快發(fā)展”。 如果頁巖氣這種非傳統(tǒng)的燃料要走向興旺，開發(fā)者必須解決頁巖氣開采的社會和環(huán)境問題。 國際能源局執(zhí)行主任Maria van der Hoeven 表示， 技術(shù)應(yīng)能應(yīng)對非常規(guī)天然氣生產(chǎn)與環(huán)境有關(guān)的問題。 然而，她警告說：“如果不妥善解決對社會和環(huán)境的影響， 則一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的可能性，是公眾反對頁巖氣和其它類型非常規(guī)天然氣的鉆探，這將使進(jìn)入軌道的非常規(guī)天然氣革命停止。 ”行業(yè)必須通過展示出色的表現(xiàn)，以贏得公眾的信賴，政府必須確保適當(dāng)?shù)恼吆捅O(jiān)管制度落實(shí)到位。 這些措施包括：充分的透明度，對環(huán)境影響的測量和監(jiān)測；當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的參與；謹(jǐn)慎選擇鉆探地點(diǎn)和措施，以防止從井內(nèi)發(fā)生任何泄漏而進(jìn)入附近的含水層；嚴(yán)格評估和監(jiān)測對水的需求和廢水達(dá)零排放與最小的天然氣放向火矩的措施；以及改進(jìn)項(xiàng)目的規(guī)劃和監(jiān)管。 據(jù)稱，國際能源局的提法已獲得八國集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人最近在戴維營召開的首腦會議的贊同［15］。

國際能源局首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家Fatih Birol，在其報(bào)告中表示，該機(jī)構(gòu)估計(jì)，額外的措施，可望使單一的頁巖井成本再增加7%，不過，對于較大型的開發(fā)其成本增加會低得多。提赫·比羅爾表示，如果遵循這些規(guī)則，非常規(guī)天然氣生產(chǎn)量將可望到2035 年增加2 倍至1.6×1012m3，但是，全球范圍內(nèi)，如果不生產(chǎn)頁巖氣，未來可能會保持靜態(tài)，則天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中將會削弱，價(jià)格將會上漲。

3.4 非常規(guī)氣清潔開發(fā)的黃金準(zhǔn)則

頁巖氣開發(fā)需要采用特殊的技術(shù)，由此會帶來新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。 根據(jù)美國凈化空氣任務(wù)組織的研究成果，具體的環(huán)境表現(xiàn)為：溫室效應(yīng)、地面臭氧煙霧污染、地下水污染、地表水污染、局部地區(qū)水資源短缺。 必須對這些污染采取必要黃金準(zhǔn)則，具體內(nèi)容包括：采用全風(fēng)險(xiǎn)管理框架和最先進(jìn)技術(shù)刻畫地質(zhì)構(gòu)造；在完井期間及完井后，啟動地下水監(jiān)測體制，以確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)地下水污染情況；采用嚴(yán)格的返排液處理標(biāo)準(zhǔn)，確保正常作業(yè)和意外泄漏導(dǎo)致的壓裂液和壓裂返排液及烴類排放與自然環(huán)境和地下水層隔絕；確保地表作業(yè)不影響淺部含水層；在非頁巖氣開發(fā)過程中，應(yīng)該在現(xiàn)有環(huán)境法案框架基礎(chǔ)上，有針對性地制定環(huán)境保護(hù)政策［16］。

以上這些政策法規(guī)應(yīng)該在推動上述標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中起重要作用。 美國已通過修改法律關(guān)閉了著名的“哈里伯頓漏洞”；允許環(huán)境保護(hù)局依據(jù)《安全飲用水法》監(jiān)督頁巖氣開采活動；也頒布《FRAC》法案，要求披露水力壓裂中使用的化學(xué)藥劑情況等。 這些經(jīng)驗(yàn)表明，頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響從一開始就應(yīng)該考慮充分。 我國目前處于頁巖氣開采的初期階段，具有很好的環(huán)境和社會協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，現(xiàn)在就必須把甲烷、有毒化學(xué)物質(zhì)及水污染問題納入管理體系。 總之，在一定程度上，頁巖氣監(jiān)督管理水平?jīng)Q定頁巖氣資源發(fā)展的未來。

4 結(jié)論

a）頁巖氣水力壓裂開采技術(shù)帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題。 開采過程中甲烷和使用水中大量化學(xué)物質(zhì)的溢出將會嚴(yán)重危及公眾健康。

b）在頁巖氣勘探開發(fā)中，通過技術(shù)改進(jìn)減少作業(yè)用水量， 同時(shí)采取措施處置含有污染物的鉆探回收水，并防止有毒氣體泄漏。 國家層面必須建立符合國家實(shí)際的頁巖氣勘探開發(fā)規(guī)范。

c）美國頁巖氣發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，中國在頁巖氣開發(fā)初期就應(yīng)該把環(huán)境污染問題納入管理體系。 加強(qiáng)頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)保技術(shù)，并制定相應(yīng)的法律規(guī)范，使頁巖氣開發(fā)技術(shù)更成熟環(huán)保。

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