頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響和環(huán)保策略

盧景美 高文磊 劉學(xué)考

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中海油研究總院，北京 100027

0 前言

致密頁巖中開采出的天然氣稱為頁巖氣，作為一種新型清潔能源，在國內(nèi)陸上天然氣勘探和開發(fā)中呈現(xiàn)快速增長的趨勢。頁巖氣的開發(fā)為社會經(jīng)濟發(fā)展帶來諸多機遇的同時也將出現(xiàn)一些環(huán)境問題，如水體污染、生態(tài)破壞和空氣污染等。本文調(diào)研了國外頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀、環(huán)境影響和技術(shù)措施，結(jié)合中國的資源狀況分析，為中國石油公司和管理者在開發(fā)技術(shù)和環(huán)境保護方面提供經(jīng)驗借鑒。

1 國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 美國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

美國是頁巖氣開發(fā)最早的國家，富有機質(zhì)的頁巖廣泛分布在21個陸上盆地和其他天然氣區(qū)帶。1986年，第一口頁巖氣水平井多段壓裂成功，實現(xiàn)了頁巖氣勘探開發(fā)的突破；1980～2000年，頁巖氣的鉆井和壓裂技術(shù)飛速發(fā)展，從水平井鉆探技術(shù)、重復(fù)水力壓裂、水平井套管完井及分段壓裂技術(shù)到微地震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，促使了頁巖氣開發(fā)和生產(chǎn)逐漸向商業(yè)化發(fā)展并成為主體技術(shù)模式。Mitchell能源公司在1998年利用水膜壓裂技術(shù)使Barnett頁巖氣開發(fā)成本降到4美元以下，實現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)。

促使美國頁巖氣開發(fā)經(jīng)濟可行的因素有：水平井方面的技術(shù)進步；水力壓裂技術(shù)；天然氣價格的快速上漲；聯(lián)邦稅收抵免。水平井和水力壓裂技術(shù)不僅能顯著提高單井日產(chǎn)量，總產(chǎn)量也得到了明顯增加，德克薩斯州的一次實驗中單井采收率達到54%。如沒有技術(shù)進步，很多非常規(guī)天然氣開發(fā)將無經(jīng)濟價值［1］。20世紀90年代末，美國只有40套鉆井設(shè)備能夠完成陸上水平井，而2008年5月已增加到519臺［2］；美國參與頁巖氣開發(fā)的公司從2005年23家發(fā)展到現(xiàn)今60多家。

美國85%的能源由天然氣、煤和石油供應(yīng)，其中天然氣占總量的22%。在過去10年中，非常規(guī)能源的產(chǎn)量增加了65%，頁巖氣的年產(chǎn)量從1998年的1 529×108m3增加到 2007 年的 2 520×108m3［3］。 2000 年頁巖氣僅占美國天然氣產(chǎn)量的1%，到2010年頁巖氣比例增加到20%。美國能源信息管理局預(yù)測，頁巖氣是美國未來天然氣增產(chǎn)的主要來源，2035年46%的天然氣供應(yīng)將來自頁巖氣。

1.2 中國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

煤炭在中國能源需求中占主導(dǎo)地位，但燒煤會釋放大量有害物質(zhì)。近兩年，北方大部分城市四季頻繁出現(xiàn)霧霾，并向南方蔓延，整個中國東部空氣質(zhì)量逐年下降，中國經(jīng)濟發(fā)展對清潔能源的需求日漸增高；另外中國在1992年就已經(jīng)成為主要能源進口國［4］。因此在能源供應(yīng)和空氣質(zhì)量日益惡化的背景下，天然氣將成為傳統(tǒng)煤炭能源重要的替代者。

我國已將頁巖氣開發(fā)納入能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》中明確提出了“推進煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)和利用”。2011年，國家發(fā)改委等四部委聯(lián)合推出《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011～2015年）》，國土資源部共優(yōu)選出180個有利區(qū)塊。我國頁巖氣資源量為134×1012m3，其中技術(shù)可采量為25×1012m3［5］。 目前我國頁巖氣已進入實質(zhì)性的勘探階段，主要地區(qū)在四川盆地及其周緣、鄂爾多斯盆地、遼東凹陷等地。中國石油在川南鉆探了約20口氣井，平均每口井的日產(chǎn)量在10 000m3以上；中國石化在黔東、皖南和川東完鉆5口評價井，其中2口井獲得工業(yè)氣流；中海油在皖浙、山西等地區(qū)也開展了前期勘探工作，申請了頁巖氣有利探區(qū)；延長石油在陜西延安地區(qū)3口井發(fā)現(xiàn)了頁巖氣。個別頁巖氣項目實現(xiàn)了商業(yè)化運營，但尚未實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)開采。

中國著名的頁巖氣資源研究專家張金川教授認為，中國的頁巖氣開發(fā)可分為勘探階段、鉆井和開采階段及商業(yè)應(yīng)用階段。從目前國內(nèi)情況看，還沒有一家能源公司能同時滿足這三個階段的條件要求，國內(nèi)石油公司在頁巖氣勘探方面與國際水平較接近，核心問題在于鉆井和開采及商業(yè)應(yīng)用階段。在中國，頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)道路還很漫長，但可以先逐漸完善頁巖氣開發(fā)框架和環(huán)境保護法律法規(guī)。

2 頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響

頁巖氣資源具“低品位”和“高分散”的特征，和常規(guī)天然氣開發(fā)相比技術(shù)難度大，因絕大多數(shù)頁巖的滲透率非常低，不同地層中巖石的脆性和裂縫發(fā)育程度也不同，儲層特征和滲流機制差異很大。頁巖地層中毛細管壓力較大，需要特殊的開發(fā)工藝才能獲得經(jīng)濟性產(chǎn)量和理想開發(fā)效果。在眾多技術(shù)中，水平井和水力壓裂技術(shù)對頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟性雖起到關(guān)鍵性作用［6］，但在鉆井、壓裂、開發(fā)生產(chǎn)過程中會不斷出現(xiàn)影響生態(tài)環(huán)境和水資源占用等問題。因環(huán)境問題，法國和保加利亞等國政府發(fā)布禁令，禁止水力壓裂在頁巖氣開采中的使用。美國個別州也進行了立法，加強了環(huán)境監(jiān)管和回收壓裂液的管理。綜合分析美國和加拿大頁巖氣開發(fā)生產(chǎn)案例，頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響主要有三方面：水資源占用、水資源污染、空氣污染和生態(tài)破壞。

2.1 水資源占用

頁巖氣開發(fā)需要消耗大量的水資源。統(tǒng)計北美典型的頁巖氣開發(fā)水平井，單井鉆井和水力壓裂用水量平均為 1.3×104～4.5×104m3；在馬塞勒斯（Marcellus）頁巖中鉆井用水量1.5×104～4.5×104m3，其中壓裂用水占98%；在巴奈特頁巖中鉆1口井至少消耗水1.4×104m3，壓裂用水占85%［7］。不同盆地中的不同頁巖，隨埋藏深度和頁巖厚度不同，用水量也有很大區(qū)別?？傮w趨勢是隨頁巖埋深增大，鉆井和壓裂的用水量也增加，如加拿大的霍恩河頁巖和美國的馬塞勒斯頁巖壓裂用水量隨埋深增加而成倍增加,北美頁巖特點及用水量見表1。我國四川、重慶等地的頁巖氣埋藏深度普遍為2 600～3 000 m，儲層厚度 20～800m［8］，壓裂用水量和美國頁巖氣相比會有增加，單井用水量在20 000m3以上。

中國水資源和水力資源研究中心的調(diào)查表明，塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、華北平原、遼寧、山西、泰山和河西走廊地區(qū)面臨嚴重的水資源短缺；我國地下水產(chǎn)水能力地區(qū)性差異大，地下水補給較貧乏和貧乏區(qū)主要集中在中部地區(qū)，包括東北三省、山東、山西、河北、河南、安徽、江西、四川、重慶等?。ㄊ校┑那鹆晟絽^(qū)，而中國有利頁巖氣勘探和開發(fā)區(qū)帶基本上位于或者臨近這些區(qū)域。這些區(qū)域目前已在進行頁巖氣勘探，將面臨長期或者季節(jié)性水資源短缺［8］。

類別轉(zhuǎn)換主要是發(fā)生在詞與詞之間的轉(zhuǎn)換，即使用屬于不同語法類別的目標(biāo)語詞項來翻譯源語詞項[4]。通過改變詞性，以期順應(yīng)目標(biāo)語的表達方式。

表1 北美頁巖特點及用水量

表2 頁巖氣水力壓裂添加劑類型及所占比例表

2.2 水資源污染

在水力壓裂技術(shù)中，壓裂液主要由高壓水、砂和化學(xué)添加劑組成。清水壓裂液以水和砂為主，占總量99%以上，化學(xué)添加劑占總量的1%，見表2。化學(xué)添加劑在壓裂液中所占比例很小，但對地下水的污染不容小覷。在一些淺井中，由于微生物比較發(fā)育，要適當(dāng)增加抗菌劑比重來減少微生物對裂縫的封堵和清除細菌產(chǎn)生的腐蝕性產(chǎn)物，因此在水力壓裂過程中，化學(xué)物質(zhì)可能會沿著裂縫從地下深處上升至淺層或地表，也可能由于采氣管道的質(zhì)量問題或操作不當(dāng)造成化學(xué)添加劑泄露，污染蓄水層和地表的河流、湖泊水。

中國西北和華北地區(qū)頁巖氣富集區(qū)地下水補給不豐富和自身循環(huán)差，另外經(jīng)濟的快速發(fā)展使工業(yè)廢水排放不達標(biāo)及頁巖氣開發(fā)的高耗水量會導(dǎo)致水環(huán)境污染問題更加突出。頁巖氣開采的耗水量是常規(guī)天然氣開采耗水量的10倍左右，循環(huán)后的水含有重金屬、鹽分及放射性物質(zhì)等100余種污染物。目前我國頁巖氣的有利區(qū)帶主要集中在地質(zhì)條件復(fù)雜地下暗河溶洞多的川渝湘黔等地區(qū)［10］，若地下水污染，后果難以控制。

2.3 空氣污染和生態(tài)破壞

頁巖氣開發(fā)將造成二氧化碳和有毒氣體的排放及甲烷泄漏。我國頁巖構(gòu)造中含有大于1%的硫化氫，及少量的苯、正己烷等，若收集處置不當(dāng)，將影響局部空氣質(zhì)量。而據(jù)預(yù)測，甲烷泄漏量可占整個氣井預(yù)測總產(chǎn)量的1．7%～6．0%，會造成嚴重的環(huán)境隱患。美國頁巖氣開發(fā)中常出現(xiàn)類似氣體泄漏，2010年4月，由于Exco能源公司的鉆井造成淺層天然氣泄漏，導(dǎo)致約150戶迪索托居民被疏散，迫于壓力鉆機停鉆。另外卡波特公司也被指控在開采天然氣時，甲烷滲透進居民水井。

美國康奈爾大學(xué)的研究人員指出：在頁巖氣開發(fā)中，大部分甲烷被釋放到大氣中，沒有被采集來作燃料。美國環(huán)境保護署也承認，在頁巖氣開發(fā)中，甲烷泄露的危害被嚴重低估。美國國家環(huán)保署（EPA）甚至提出要修訂臭氧標(biāo)準(zhǔn)，將8 h臭氧標(biāo)準(zhǔn)從0.084×10-6減少到0.075×10-6，但迫于工業(yè)界人士和政府對美國經(jīng)濟復(fù)蘇的壓力而沒有完成修訂［11］，這說明了環(huán)境監(jiān)管力度及臭氧標(biāo)準(zhǔn)會影響頁巖氣開發(fā)進度。

頁巖氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)需要不斷地建井場，鉆井?dāng)?shù)量是常規(guī)天然氣開發(fā)的百倍，大量鉆井會導(dǎo)致土地資源占用和生態(tài)問題的出現(xiàn)。

3 環(huán)境保護策略

在中國，頁巖氣開發(fā)是雙刃劍，一方面天然氣能滿足國內(nèi)高速發(fā)展的經(jīng)濟需求，解決燃煤存在的諸多環(huán)境污染；另一方面頁巖氣開發(fā)過程中也會產(chǎn)生相應(yīng)的水資源污染、空氣污染和生態(tài)破壞。頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響程度較大，有些壓裂液對水資源的污染在幾十年后才會顯現(xiàn)出來。因此不僅要借鑒美國頁巖氣開發(fā)的開采技術(shù)，還應(yīng)借鑒其防控污染的經(jīng)驗，防患于未然。

頁巖氣開發(fā)的環(huán)境保護工作可以從兩方面開展，一是環(huán)保部門加強監(jiān)管機制，制定法律、法規(guī)來規(guī)范勘探和開發(fā)的各個環(huán)節(jié)；二是倡導(dǎo)應(yīng)用新技術(shù)開發(fā)頁巖氣，從源頭上杜絕頁巖氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)對環(huán)境的破壞。

3.1 完善環(huán)保法規(guī)

美國國家環(huán)保署2012年4月18日發(fā)布一項新法規(guī)，對在頁巖氣開采中，因使用水力壓裂技術(shù)所造成的空氣污染加以控制，這是美國控制頁巖氣開采環(huán)境污染的首個法規(guī)。該法規(guī)要求到2015年，所有采用水力壓裂技術(shù)進行開采的頁巖氣井都必須安裝相關(guān)設(shè)備，以減少可揮發(fā)性有機化合物及其他有害空氣污染物的排放，如苯和正己烷等［12］。對于頁巖氣開發(fā)，我國目前的環(huán)境監(jiān)管相關(guān)法律、法規(guī)和技術(shù)規(guī)范都未能全面考慮頁巖氣這一新礦種開發(fā)帶來的特殊環(huán)境問題，對天然氣開采排放標(biāo)準(zhǔn)和天然氣捕捉技術(shù)等沒有針對性的特殊規(guī)定。

在自然生態(tài)保護方面，為了保護野生動物，穩(wěn)定地區(qū)生態(tài)平衡，設(shè)立特殊的自然保護區(qū)。如美國阿拉斯加野生動物保護區(qū)，禁止礦產(chǎn)資源的勘探與開發(fā)。

3.2 加強監(jiān)管和專項研究

要使頁巖氣非常規(guī)能源快速發(fā)展，政府必須確保適當(dāng)?shù)恼吆捅O(jiān)管機制落實到位。包括：充分的透明度，對環(huán)境影響的測量和檢測；當(dāng)?shù)孛癖姷膮⑴c，謹慎選擇鉆探地點和措施，防止井內(nèi)發(fā)生任何泄漏而進入附近的含水層；嚴格評估和檢測對水的需求以及廢水零排放措施；高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范企業(yè)行為，防止實施過程中的環(huán)境污染；改進項目的規(guī)劃和監(jiān)管。

設(shè)立頁巖氣等非常規(guī)天然氣開發(fā)環(huán)境影響研究專項，選擇國內(nèi)試點項目，借鑒國外經(jīng)驗，重點從頁巖氣開發(fā)對生態(tài)、地下水、場地空氣質(zhì)量的影響以及排放的揮發(fā)性有機污染物對人群健康的影響等幾方面進行量化研究，積累污染源數(shù)據(jù)和環(huán)境影響后果分析手段。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，研究制定適合我國國情的頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)規(guī)范體系。

聯(lián)合政府和企業(yè)的力量，加強環(huán)境監(jiān)管和信息公開。根據(jù)頁巖氣開發(fā)工藝流程，尋找頁巖氣開發(fā)過程可能造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞的風(fēng)險源，加強監(jiān)測，確保污染物濃度與總量控制在生態(tài)環(huán)境可接受范圍內(nèi)。作為頁巖氣開發(fā)過程環(huán)境保護工作的主體，企業(yè)應(yīng)擔(dān)負起社會責(zé)任，對位于城鎮(zhèn)地區(qū)的井場周圍環(huán)境監(jiān)測信息進行公開，消除公眾對環(huán)境的擔(dān)憂。

3.3 采用國外新技術(shù)

美國頁巖氣開發(fā)新技術(shù)體現(xiàn)在水平井鉆井技術(shù)、水力壓裂監(jiān)測技術(shù)和流體管理三方面。中國頁巖氣開發(fā)可以借鑒這些成熟技術(shù)，或者創(chuàng)新適合中國國情的先進技術(shù)。比如減少水平井的數(shù)量，在壓裂過程中使用計算機進行監(jiān)測和模擬，調(diào)查和管理開發(fā)區(qū)域的水資源，以及水壓裂液體的回收和凈化處理等。

3.3.1 水力壓裂監(jiān)測技術(shù)

較厚的頁巖氣儲層段需采用分段壓裂技術(shù)，即每一次只壓裂一段儲層。微地震成像技術(shù)能通過計算機模擬來實時監(jiān)測壓裂的結(jié)果并評價壓裂效果。這一技術(shù)可以確定裂縫端部相對鉆井的方位，并隨著壓裂工作的推進，還可記錄裂縫的延伸軌跡，尤其是垂直方向上的裂縫生長情況。作業(yè)者需要時刻監(jiān)測壓裂軌跡，確保不偏離頁巖儲層。2013年，被中海油收購的尼克森公司在頁巖氣開發(fā)和生產(chǎn)中設(shè)置了5個微地震監(jiān)測站，共監(jiān)測到331 次水壓裂事件［13］。

3.3.2 流體管理

流體管理指返出壓裂液的管理。水力壓裂過程需要消耗大量的水，壓裂完成后壓裂液返回到地面，這些廢水中含有大量殘余化學(xué)物質(zhì)，如鹽、重金屬、放射性元素和有機化學(xué)物質(zhì)等。如果能將廢水進行回收處理并利用可減少環(huán)境污染，國外常用方法：采用分支井技術(shù)有利于采用封閉泥漿循環(huán)系統(tǒng)來保證各井中的泥漿質(zhì)量，泥漿的循環(huán)再利用也能減少廢料產(chǎn)生；對具有特殊用途只在鉆井過程中小部分井段使用的泥漿，可以采用不銹鋼泥漿罐單獨灌裝壓裂液，然后將這些泥漿罐運送到其它井場中重復(fù)利用。

返出壓裂液含有鐳輻射和苯，約占壓裂液的30%～70%。美國的一些州，產(chǎn)出液會重新注入井下并儲存起來；美國聯(lián)邦安全飲用水法的地下灌注控制程序?qū)Υ擞忻鞔_規(guī)定，此類灌注液不允許與活水層接觸或聯(lián)通；在賓西法尼亞州壓裂液是回收利用的。對流體的統(tǒng)一管理，無論是地下灌注還是回收重復(fù)利用，都會降低對地下水的污染。

3.3.3 新技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

空氣鉆井技術(shù)的效率高，但不適用于所有地質(zhì)情況，這種鉆井技術(shù)只產(chǎn)生少量的干廢料，相比濕廢料來說，更容易處理。中國國家能源委員會專家咨詢委員會主任張國寶大膽提出用液化二氧化碳取代水以減少能源開發(fā)對環(huán)境的損害。

4 結(jié)論

a）頁巖氣開發(fā)過程中對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在水資源占用、水資源污染、空氣污染和生態(tài)破壞。

b）我國頁巖氣開發(fā)剛剛起步，環(huán)保部門應(yīng)盡快完善相關(guān)天然氣排放、廢液地下灌注的法律和法規(guī)，防患于未然。政府部門加強監(jiān)管措施和專項研究，制定適合中國生態(tài)平衡的監(jiān)管機制。

c）倡導(dǎo)應(yīng)用新技術(shù)開發(fā)頁巖氣，從源頭上杜絕頁巖氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)對環(huán)境的破壞，保護自然環(huán)境，維護工業(yè)發(fā)展和自然生態(tài)之間的平衡。

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