中國水環(huán)境能否支撐頁巖氣開采的重壓

羅靖

據(jù)國土資源部專家張大偉估計，中國要完成《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》中提出的600億～1000億立方米的產(chǎn)量，需要打2萬口生產(chǎn)井。如果以單井用水量19000立方米計算，預計中國將需要3.8億立方米的水資源，這相當于1266萬城市人口一年的用水量。

“熱潮”背后的隱憂

以頁巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源開發(fā)是進入21世紀后能源領(lǐng)域首屈一指的大事件。經(jīng)過數(shù)十年的摸索，美國生產(chǎn)企業(yè)順利地將水平井技術(shù)和水力壓裂法運用到了頁巖氣和頁巖油的生產(chǎn)當中。頁巖氣和頁巖油從此具備了商業(yè)開發(fā)價值，成為可以被人類大規(guī)模利用的能源。

頁巖氣和頁巖油的開發(fā)動搖了“石油峰值論”，改變了世界能源格局，也再一次展示了技術(shù)進步對能源行業(yè)發(fā)展的深遠影響。美國能源信息署EIA（Energy Information Administration）在一項研究中指出豐富的頁巖氣和頁巖油資源遍布世界各國。由此“頁巖氣革命”跨越了美國國界，走向了世界各國。

中國的頁巖氣和頁巖油資源十分豐富。EIA的數(shù)據(jù)顯示中國的頁巖氣技術(shù)可采資源總量約為31.6萬億立方米，居世界首位；頁巖油的技術(shù)可采資源總量為320億桶，僅次于俄羅斯和美國，居世界第三位（見圖1和圖2）。從儲量上來看，中國完全可以借助本國的非常規(guī)油氣資源降低對進口化石能源的依賴。

目前中石化、中石油兩家公司和殼牌石油公司在中國西南地區(qū)的頁巖氣開發(fā)已經(jīng)取得了不小的進展。在前兩輪頁巖氣“招標熱”的鼓勵下，國土資源部也在積極籌劃第三次頁巖氣探礦權(quán)招標工作。與中國的“頁巖氣熱”不同的是，同樣依賴國外油氣資源的大部分歐洲國家并沒有足夠的熱情開發(fā)本國的頁巖氣資源。除英國外，擁有技術(shù)和資金優(yōu)勢的西歐國家反而在公民抗議聲中明令禁止頁巖氣的開發(fā)。

歐洲國家所擔憂的是頁巖油氣資源開發(fā)中可能產(chǎn)生的水資源污染以及誘發(fā)性地震隱患。歐洲環(huán)保人士認為，與美國相比歐洲的人口更加密集，一旦發(fā)生飲用水污染和地震將會造成比在美國更大的危害。歐洲的擔憂并非捕風捉影。雖然美國有一整套環(huán)境監(jiān)管體系，但是仍無法避免本國水資源受到頁巖油氣資源開發(fā)的負面影響。此外，美國的地質(zhì)學家也正在試圖進一步研究壓裂液污水注入地下深井與誘發(fā)性地震之間的聯(lián)系。

水從哪里來？

頁巖油氣的生產(chǎn)離不開水力壓裂法的支持。生產(chǎn)企業(yè)需要從地面通過高壓泵向地下灌入摻有化學物質(zhì)的水，讓水壓將頁巖層壓出裂縫，并且使裂縫不斷擴大。與此同時壓裂液中的沙粒或者陶粒將支撐已經(jīng)形成的裂縫，使其不致閉合。壓裂之后頁巖氣的產(chǎn)量會驟增，然后快速衰減。為了充分提升氣井的產(chǎn)量，生產(chǎn)企業(yè)可能會對同一口井進行多次壓裂作業(yè)。

除了個別美國企業(yè)在測試使用液化石油氣和液態(tài)二氧化碳代替水進行壓裂作業(yè)之外，水力壓裂法是讓頁巖氣和頁巖油商業(yè)化開發(fā)的唯一技術(shù)手段，因此水資源的獲取、利用和處理也就成為頁巖氣開發(fā)活動中貫穿始終的重要話題。

從開發(fā)的階段上來劃分，頁巖油氣開發(fā)中的水資源管理問題涉及鉆井和壓裂階段水資源的獲取和利用，以及壓裂完成階段污水的收集和處理兩個階段。

在第一個階段，生產(chǎn)企業(yè)面臨的最大問題就是水從哪里來？生產(chǎn)企業(yè)需要獲取大量的水用于鉆井和壓裂。水是鉆井液和壓裂液的重要組成部分，其中壓裂階段用水量占到整個生產(chǎn)流程總用水量的95%左右。北美地區(qū)的開發(fā)經(jīng)驗表明，頁巖油和頁巖氣的生產(chǎn)單位能源耗水量分別與常規(guī)原油和天然氣生產(chǎn)相當，但是階段性的用水強度很高。以頁巖氣為例，美國的頁巖氣開采的單井用水量可達1.9萬立方米，其中有1.8萬立方米的用水量都集中在關(guān)鍵的半個月至一個月的時間里。

對于頁巖油氣生產(chǎn)企業(yè)來說如何在關(guān)鍵時期獲得足夠的水關(guān)乎開發(fā)活動的效率與成敗。生產(chǎn)企業(yè)可采用的水源無外乎4種：地表水和地下水、市政用水、收集的雨水、經(jīng)處理循環(huán)使用的壓裂液。一般來說，只有地表水和地下水、市政用水才可以作為穩(wěn)定的水源。

頁巖氣用水必然會造成礦區(qū)周邊水資源的階段性甚至是長期性的緊張。即便是在人均水資源相對豐富的美國，水資源緊張的現(xiàn)實已經(jīng)迫使部分生產(chǎn)州出臺政策鼓勵生產(chǎn)企業(yè)提高壓裂液的循環(huán)使用比例。

據(jù)國土資源部專家張大偉估計，中國要完成《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》中提出的600億～1000億立方米的產(chǎn)量，需要打2萬口生產(chǎn)井。如果以單井用水量19000立方米計算，預計中國將需要3.8億立方米的水，相當于1266萬城市人口一年的用水量。

但是，中國的人均可再生水資源僅為美國的1/10、加拿大的1/42。因此，在人口密度較大且人均水資源緊張的中國，頁巖油氣生產(chǎn)必然加劇區(qū)域性的水資源緊張局面。此外，由于我國大部分地區(qū)處于季風氣候的控制之下，年度降水量可能出現(xiàn)較大的差別，因此不能排除我國西南的頁巖礦區(qū)的生產(chǎn)和生活用水受到干旱威脅的可能性。而塔里木盆地的頁巖氣開發(fā)可能將面臨更大的挑戰(zhàn)。如果就近采用地表水和地下水，那么勢必會破壞當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境。

獲取水資源的挑戰(zhàn)還在于解決水的運輸問題。中國西南的頁巖礦區(qū)地貌多為山區(qū)和交通不便的盆地，客觀上導致運水難度加大和成本上升。如果采用卡車運送水，那么在用水高峰期，礦區(qū)周邊的交通線路將承受相當?shù)膲毫?，居民的生產(chǎn)生活也將受到很大的影響。

壓裂液里究竟有什么？

解決了水源問題之后，頁巖氣的生產(chǎn)就進入了下一個階段，即配制壓裂液。一般說來壓裂液中主要由水、沙子或者陶粒，以及添加劑構(gòu)成。水和沙子占壓裂液體積的99.51%，而添加劑占0.49%（見圖3）左右。壓裂液的成分以及濃度可能因水質(zhì)和具體的巖層特點而有所不同。一般情況下，壓裂液的添加劑中可能含有酸、殺菌劑、阻垢劑、阻蝕劑等，具體名稱和用途見表1。由表1可以發(fā)現(xiàn)，添加劑的主要成分被廣泛運用于日常的生產(chǎn)生活當中，不過其中一些成分存在毒性。

針對水力壓裂生產(chǎn)會污染水資源的指責最初指向的就是壓裂液中使用的這些化學成分。環(huán)保組織和民眾懷疑頁巖氣生產(chǎn)企業(yè)將含有有毒化學物質(zhì)的壓裂液注入鉆井后的水力壓裂過程很有可能會污染地下水和地表水。同時企業(yè)在礦井周圍囤積的化學物質(zhì)也完全有可能污染當?shù)氐目諝夂屯寥?。endprint

為保障公民知情權(quán)，美國有9個州以及美國土地管理局制定了公開化學物品的規(guī)定，但是生產(chǎn)企業(yè)往往以“專有的商業(yè)秘密”為由，拒絕公開壓裂液所含物質(zhì)名稱和濃度。目前只有科羅拉多州要求公開所有化學物品名稱和濃度，而其他8個州或者不要求公布濃度，或者只要求公布有害物質(zhì)的濃度。

令人頭疼的污水處理

不過美國政府和行業(yè)協(xié)會都認為如果生產(chǎn)企業(yè)能按照行業(yè)標準認真做好鉆井中的固井工作，并且能嚴格控制化學物品的存放和使用，壓裂液對地下水和地表水的污染完全是可以控制的。頁巖油氣生產(chǎn)對水資源的最大威脅在于如何處理壓裂完成之后的污水。

美國方面的研究顯示，頁巖油氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水成分十分復雜，其中可能含有高濃度重金屬鹽、壓裂液、鉆井液，以及來自地下的放射性物質(zhì)，如鐳228、鐳226和鈾238。此外，由于生產(chǎn)企業(yè)需要卡車運送設(shè)備和水，并且使用柴油發(fā)電機發(fā)電，因此柴油也可能是污水的成分之一。由于這些污染物往往都溶于水，如果草率處理將嚴重污染礦區(qū)河流、湖泊以及地下水，還可能造成土壤鹽堿化。

目前美國頁巖礦區(qū)的污水處置方式有兩種：凈化后再利用或者注入地下深井。從環(huán)境效益上來講污水凈化再利用應當是首選方案。污水的再利用可以降低礦區(qū)的用水總量，避免更多的水資源受到污染。在美國的馬塞勒斯頁巖氣礦區(qū)，污水回收率可達90%。

當然污水必須經(jīng)過凈化處理才能投入使用，不然難以達到壓裂液應有的效果。頁巖油氣開發(fā)興起之后，專業(yè)的污水處理公司在美國迅速發(fā)展起來。這些公司的污水處理技術(shù)包括采用高技術(shù)含量的薄膜過濾特定的污染物，或者是采取直接的蒸餾方式分離污染物和水。

每一口礦井中產(chǎn)生的污水在很多方面都會有所不同，如污水的酸性、鹽分含量和污染物種類。專業(yè)的污水處理公司可以因地制宜地設(shè)計污水凈化方案。美國企業(yè)的處理技術(shù)已經(jīng)達到很高水平。在一些情況下，由于處理過的污水過于純凈，企業(yè)不得不加入礦物質(zhì)才能將其排放到河流當中。

傳統(tǒng)的市政污水處理廠對來自頁巖氣礦區(qū)的污水無能為力，因此凈化污水的重任只能由專業(yè)的污水處理公司完成。不過生產(chǎn)企業(yè)要為此付出高昂的代價：污水凈化成本可能占頁巖氣開采成本的5%左右。

在美國，將污水注入地下井是更普遍的處理方式，原油和天然氣產(chǎn)業(yè)上游產(chǎn)生的90%的污水都被注入美國環(huán)保署管理的超過15萬個二級注水井中。注水井深達千米以上，污水注入后將徹底與地表水和地下水水源隔絕。雖然注水井的造價在500萬美元以上，且生產(chǎn)企業(yè)需要支付運輸污水的費用，但是在他們眼中，這或許是最直接、也是最簡單的污水處理方式。

然而事實并非如此，采用注水井處理污水也隱藏著不小的隱患。污水進入注水井之后，就被完全隔離在大自然的水循環(huán)之外。這意味著一部分水資源徹底地從一個區(qū)域內(nèi)流失了，當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和居民生產(chǎn)生活可能受到不可逆轉(zhuǎn)的影響。

更大的隱患在于將污水注入深井的方法可能會誘發(fā)注水井附近的地震。美國能源部的文件指出抽取地下水或者向地下注水都有可能誘發(fā)地震，包括人們可以在地面察覺的有感地震，這已經(jīng)是科學界的共識。美國國家科學院的研究報告指出，水力壓裂法誘發(fā)地震的可能性并不大，不過向地下深井注入污水則會造成不小的地質(zhì)隱患。

哥倫比亞大學的地震學家John Armbruster也持同樣態(tài)度：頁巖氣井往往比較淺，而且水力壓裂持續(xù)時間較短，往往不足以對地殼斷層產(chǎn)生足夠大的影響。當然事情不能一概而論，美國的頁巖礦藏埋藏較淺，而世界其他地方卻并非如此。除了礦井深度的影響因素外，美國國家科學院指出注水的速度和壓力，注水量和持續(xù)時間都會影響誘發(fā)性地震出現(xiàn)的概率和震級。例如，英國就出現(xiàn)過壓裂活動引發(fā)地震的案例，該國的頁巖氣開發(fā)因此被中斷一年。

更多的證據(jù)將注水井和地震聯(lián)系到了一起。近幾年，得克薩斯州、科羅拉多州、俄亥俄州、俄克拉荷馬州和阿肯色州都出現(xiàn)了一系列的誘發(fā)性地震。一些地震甚至發(fā)生在從地質(zhì)構(gòu)造角度來講不太會發(fā)生地震的區(qū)域。在經(jīng)歷了2011年冬天眾多小型地震之后，阿肯色州政府禁止了該州范圍內(nèi)所有的深井注水作業(yè)。當?shù)卣牡刭|(zhì)監(jiān)測機構(gòu)發(fā)現(xiàn)，當注水井被關(guān)閉之后，地震活動隨即迅速下降。

以往的學術(shù)觀點認為，人類活動造成的誘發(fā)性地震往往震級較小，一般在2級以下，且破壞性較低，但是發(fā)生在俄克拉荷馬州的地震改變了人們的看法。2011年11月5日，該州Prague鎮(zhèn)發(fā)生了4.8級地震，隨后又發(fā)生了兩起地震，其中一起竟然高達5.7級！ 2013年美國地質(zhì)協(xié)會出版的《地質(zhì)學》雜志刊登了一篇由多位學者聯(lián)名發(fā)表的論文。文章用翔實的數(shù)據(jù)將該起地震與深井注水作業(yè)聯(lián)系在一起：地震發(fā)生在距離注水井僅僅幾百米的地方，它們之間明顯有直接聯(lián)系。

迫在眉睫：

中國應建立水資源專項管理體系

由于石油行業(yè)發(fā)展較為成熟，美國已經(jīng)建立起一套完善的針對水力壓裂活動的水資源管理體系。這一管理體系主要分為三個維度：聯(lián)邦、地方和行業(yè)（見圖4），涉及聯(lián)邦和地方法規(guī)、行業(yè)標準。然而即便如此，美國依然無法完全杜絕頁巖油氣生產(chǎn)帶來的環(huán)境影響。

與國外不同的是，中國有關(guān)頁巖油氣的分析和報道多偏重該產(chǎn)業(yè)對國家經(jīng)濟的影響，對生產(chǎn)活動中的環(huán)境影響缺少應有的關(guān)注。目前中國的頁巖氣生產(chǎn)基本上是處于“半透明”的狀態(tài)。除了頁巖氣產(chǎn)量和鉆井數(shù)量外，生產(chǎn)企業(yè)對媒體和公眾公布的信息十分有限，沒有涉及化學物品名錄及管理方式、污水處理情況、鉆井深度與地質(zhì)構(gòu)造的評估。考慮到人口密度大，人均水資源緊張，以及部分地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜的基本狀況，中國亟待建立一整套科學的頁巖油氣生產(chǎn)水資源專項管理體系。決不能飲鴆止渴，讓頁巖油氣開發(fā)對中國水資源和環(huán)境產(chǎn)生不可挽回的環(huán)境影響。 （本文作者為易貿(mào)研究中心研究員）endprint