頁巖氣開采對環(huán)境的影響及規(guī)避方法探討

（成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059）

我國頁巖氣資源豐富，松遼、鄂爾多斯、吐 哈、準(zhǔn)噶爾等陸相沉積盆地是頁巖氣的主要富集地區(qū)。我國頁巖氣的開采尚處于初級階段，技術(shù)水平還不成熟，在提高采收率的同時(shí)兼顧環(huán)境保護(hù)，對我國現(xiàn)有開發(fā)水平具有極大的挑戰(zhàn)。我們在借鑒國外的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也要研發(fā)適合我國頁巖氣儲層特點(diǎn)開發(fā)技術(shù)，盡可能減少在頁巖氣開采過程中對環(huán)境的不良影響，在對資源高效開發(fā)利用的同時(shí)，保護(hù)好我們賴以生存的環(huán)境。

1 國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀

我國頁巖氣資源量約為15萬億～30萬億m3，與美國28.3萬億m3大致相當(dāng)。2009年10月，中國國土資源部在重慶市綦江縣啟動(dòng)了中國首個(gè)頁巖氣資源勘查項(xiàng)目。2012年3月，中國國家能源局發(fā)布了《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》。根據(jù)該規(guī)劃，中國計(jì)劃在“十二五”期間，完成探明頁巖氣地質(zhì)儲量6 000億m3，可采儲量2 000億m3，2015年實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量65億m3，基本完成全國頁巖氣資源潛力的評估與勘探，為“十三五”打好基礎(chǔ)，目標(biāo)是到2020年達(dá)到600億～1 000億m3頁巖氣年開采量。

當(dāng)今世界，美國是唯一將頁巖氣商業(yè)化和大規(guī)模開采利用的國家，經(jīng)過二三十年的開采，美國已掌握全球最先進(jìn)的鉆井、水力壓裂等一系列開采核心技術(shù)[1，2]，但是，近幾年來，美國在頁巖氣的開采過程中，出現(xiàn)壓裂液對地層的破壞、甲烷泄露等一系列問題，對環(huán)境造成了不可挽回的破壞。

目前對于我國頁巖氣開發(fā)技術(shù)不成熟的現(xiàn)狀而言，重視頁巖氣開采對環(huán)境的破壞和影響，遵循保護(hù)環(huán)境、合理開發(fā)的原則尤為重要。

2 環(huán)境影響因素研究

2.1 壓裂液的危害

頁巖氣的生產(chǎn)開發(fā)主要采用水力壓裂工藝，為了獲得高產(chǎn)，往往在水力壓裂過程中使用大量的壓裂液，壓裂液主要由稠化劑、交聯(lián)劑、高溫穩(wěn)定劑等一些助劑組成。施工過程中遺留在地層中的壓裂液以及施工完成后返排到地面的廢壓裂液是重要的污染源，危害極大。壓裂液的成份較多且復(fù)雜，很多物質(zhì)具有毒性和流動(dòng)性，遺留在地層當(dāng)中的壓裂液在多種因素共同作用下，很可能對地下水資源造成危害[3]。另外，返排到地面的廢液，除了壓裂液中的無機(jī)添加劑等污染物質(zhì)外，還含有來自地層中的砂粒、巖屑以及細(xì)菌代謝的產(chǎn)物，其組成相對于注入的壓裂液而言更為復(fù)雜，需要采取殺菌等一系列處理措施，不經(jīng)處理的廢壓裂液一旦返排到地面，必然會對周圍的環(huán)境、人、動(dòng)植物等帶來長久的危害。

2.2 地層破壞

經(jīng)過壓裂、注水等一系列生產(chǎn)開發(fā)后的地層，其內(nèi)部情況與開采前相比有了較多的人工網(wǎng)格裂縫，同時(shí)地層原有的平衡也受到不同程度的破壞，頁巖儲層內(nèi)部的構(gòu)造發(fā)生了較大的變化[4]。這都是對原始生態(tài)環(huán)境的破壞，都存在地面坍塌、地震、山體滑坡等潛在的危機(jī)。

2.3 甲烷的危害

頁巖氣的主要成分是甲烷，其在頁巖氣中的含量往往高達(dá)95%以上。頁巖氣對環(huán)境的影響，其中重要的一部分，是甲烷的泄露[5，6]可能加劇溫室效應(yīng)。目前，頁巖氣開采過程中出現(xiàn)的甲烷泄露，主要來自頁巖氣開采設(shè)備不達(dá)標(biāo)、故意排氣以及水力壓裂等環(huán)節(jié)。泄露的甲烷一部分融入到水層中而改變地層水的性質(zhì)，受到污染的地層水一旦被動(dòng)物或者人飲用，后果可想而知；另外一部分泄露的甲烷將進(jìn)入大氣，高濃度的甲烷，使氧氣濃度降至19.5%時(shí)，會使人窒息，嚴(yán)重危害人體健康，甲烷濃度過高也會加快臭氧層的破壞。

2.4 水資源的消耗

頁巖氣的開采對水資源的需求極大，且用于頁巖氣工業(yè)開采的水不可回收再利用。美國Antrim頁巖氣田數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的井一次所需水量僅為190 m3，用于頁巖氣開采的一個(gè)水力壓裂井對水的需求量，僅一次就高達(dá)1.9×104m3[7，8]。而我國頁巖氣儲量較大一部分分布在缺水的中西部地區(qū)，頁巖氣開采對水的大量需求，將會對缺水地區(qū)的水資源平衡造成破壞，同時(shí)水資源匱乏以及被污染的地層水，將會對該區(qū)域附近居民的衛(wèi)生條件、健康等諸多方面帶來很多不利的影響。

3 規(guī)避方法探討

在最大限度合理開發(fā)資源的同時(shí)，也要最大限度地規(guī)避資源的不合理開發(fā)帶來的副作用，確保社會發(fā)展與環(huán)境保護(hù)兩者兼顧，走可持續(xù)發(fā)展道路。

3.1 壓裂液危害的控制[3]

對廢壓裂液的處理主要分為六步：混凝—萃取—微電解—活性炭吸附—氧化—生化。為了使廢壓裂液達(dá)到低黏度、雜物去除和大幅度減少壓裂液中懸浮物含量這一目的，通常情況下，先對其進(jìn)行初步簡單的均質(zhì)凈化處理，再通過化學(xué)劑的特殊功效進(jìn)行化學(xué)處理[4]。接下來采用電絮凝處理技術(shù)，借助其強(qiáng)氧化的特性，高效去除廢壓裂液中多種有害的污染物，去除效率高達(dá)90%左右。這些措施對于廢壓裂液處理有較明顯的效果。

對于廢壓裂液的處理，應(yīng)堅(jiān)持以下原則：

（1）對廢壓裂液回收凈化處理，使廢壓裂液循環(huán)利用。

（2）嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，對于變質(zhì)壓裂液進(jìn)行預(yù)處理、再處理等，達(dá)標(biāo)后，作活性水使用。

（3）對施工區(qū)域的地質(zhì)背景、構(gòu)造特征、生產(chǎn)水源的供應(yīng)、水質(zhì)及附近居民生活等進(jìn)行分析，減少廢壓裂液對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染。

（4）對當(dāng)?shù)氐囊吧鷦?dòng)物、植被以及古文物遺址等要充分保護(hù)，不能只考慮眼前的利益而肆意破壞。

（5）在保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)工作，使人與自然和諧相處，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益的共贏，走可持續(xù)發(fā)展道路。

（6）加大對廢壓裂液處理方法的研究力度，爭取研制出對環(huán)境沒有副作用的處理劑。

3.2 對地層破壞的控制

地層的破壞與鉆井技術(shù)密不可分，要想從源頭上防止壓裂液進(jìn)入地下水，在鉆井過程中，就要嚴(yán)格按照制定的標(biāo)準(zhǔn)安裝套管、油管和表層套管，同時(shí)對固井質(zhì)量引起足夠的重視。在進(jìn)行水力壓裂施工前，根據(jù)鉆井實(shí)際情況預(yù)測可能存在斷裂帶的區(qū)域，并根據(jù)該區(qū)塊的實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造特征，調(diào)整水力壓裂設(shè)計(jì)方案[9]；為保障安全施工，在水力壓裂過程中，應(yīng)使用高靈敏度儀表來對生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)測，一旦生產(chǎn)無法被控制時(shí)，要及時(shí)停止作業(yè)，從源頭控制潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 甲烷危害的預(yù)防

甲烷的泄露主要發(fā)生在兩個(gè)時(shí)間段[11]：一是在水力壓裂過程中，甲烷隨廢壓裂液在回流過程中的泄露；二是壓裂施工完成后的采氣過程，在頁巖氣開發(fā)過程中施工者對甲烷的隨意排放，采用的設(shè)備不達(dá)標(biāo)造成的泄露，以及操作不當(dāng)造成的井噴等。為有效預(yù)防甲烷泄露危害，一方面需要加強(qiáng)氣井隔離防漏、固井、井下套管疲勞及破損探測等技術(shù)的監(jiān)測[4]；另一方面，使用達(dá)標(biāo)的設(shè)備儀器，提高技術(shù)操作人員的整體業(yè)務(wù)水平和環(huán)保意識。

3.4 對水資源影響的控制

目前國際上較為成熟的水力壓裂技術(shù)都使用了大量的壓裂添加劑，如苯、鉛等上百種化學(xué)產(chǎn)品[9]，這些注入的化學(xué)物質(zhì)一旦運(yùn)移至地表、湖泊、蓄水層等，將會給水資源帶來嚴(yán)重的污染。為控制頁巖氣開采對水資源的破壞，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防：

（1）在鉆井作業(yè)開始前要對水資源進(jìn)行評價(jià)，沒有通過水資源評價(jià)的不允許開鉆，且針對同一區(qū)域內(nèi)的水資源評價(jià)，要考慮其疊加的影響。通過水資源評價(jià)后，要將用水信息在用水前向社會公布。

（2）對于已被用于生產(chǎn)開發(fā)的水資源，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)、程序，通過技術(shù)處理使其達(dá)標(biāo)，循環(huán)使用，提高水資源的利用率。

（3）相關(guān)部門應(yīng)通過行政文件，鼓勵(lì)使用綠色或者無害的新產(chǎn)品替代現(xiàn)有的添加劑，同時(shí)對壓裂液中使用添加劑的信息公開披露。

（4）廢棄壓裂液排放前，要進(jìn)行生物毒性、物質(zhì)含量等檢測，只有在達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)和生物毒性的要求下才能夠排放。

3.5 立法制約

目前與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的法律法規(guī)比較多，也逐漸趨于完善，比如《水污染防治法》《清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》《環(huán)境信息公開條例》等。依托這些立法，可以對頁巖氣開發(fā)加以監(jiān)管。但是，這些制度與頁巖氣開發(fā)的時(shí)序性及用水特征無法匹配[12，13]。此外，我國還缺乏對壓裂液成分有效的評估和監(jiān)管措施。由于頁巖氣這種新型能源近幾年才在國內(nèi)開始試產(chǎn)并得到國家的高度重視，嚴(yán)格意義上針對頁巖氣開發(fā)的法律法規(guī)寥寥無幾。所以，針對頁巖氣開采過程中可能造成的環(huán)境影響，需建立針對性的法律法規(guī)及相關(guān)政策，通過立法來制約頁巖氣對環(huán)境的破壞。

4 頁巖氣開采的建議

(1) 我國頁巖氣富集區(qū)塊因地區(qū)不同，儲層差異性較大，國外的一些開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不能完全適應(yīng)中國的地質(zhì)特點(diǎn)，所以應(yīng)發(fā)展特色技術(shù)，開發(fā)難采資源，研發(fā)適合我國頁巖氣儲層特點(diǎn)的開發(fā)技術(shù)。

（2）針對不同區(qū)塊頁巖氣的成藏特點(diǎn)及儲層特征，研究其不同富集成藏的主控因素。創(chuàng)新地質(zhì)理論，找到優(yōu)質(zhì)資源，通過科學(xué)合理的儲層評價(jià)技術(shù)，優(yōu)選出高產(chǎn)富集有利區(qū)。

（3）國內(nèi)勘探開發(fā)技術(shù)多借鑒了常規(guī)油氣經(jīng)驗(yàn)或引進(jìn)國外技術(shù)，成本相對較高，適用性較差。要優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有工藝技術(shù)，研發(fā)低成本、低污染，適合于不同儲層地質(zhì)條件的開發(fā)技術(shù)。

（4）開發(fā)頁巖氣的同時(shí)，處理好廢水、廢氣、廢渣，采用多種途徑對其進(jìn)行綜合利用，變廢為寶。

（5）在開發(fā)過程中，轉(zhuǎn)變理念，加速頁巖氣資源開發(fā)。不斷總結(jié)規(guī)律，改進(jìn)已有工藝，創(chuàng)新技術(shù)和理論，解決頁巖氣勘探開發(fā)方面所遇到的問題。

5 結(jié)論

我國頁巖氣儲量豐富，未來幾十年內(nèi)頁巖氣可能成為常規(guī)能源的重要補(bǔ)充，將起到非常重要的作用。我國尚處于頁巖氣生產(chǎn)開發(fā)初期，生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，頁巖氣生產(chǎn)開發(fā)過程中，存在的廢壓裂液、甲烷的泄露、水資源大量消耗等一系列問題，如果不加以重視，盲目開采，將會給環(huán)境帶來嚴(yán)重的傷害和破壞。為保護(hù)環(huán)境，在借鑒國外先進(jìn)開采技術(shù)和有害物質(zhì)處理工藝的同時(shí)，也要研發(fā)適合我國頁巖氣儲層特點(diǎn)的開發(fā)技術(shù)。由于我國尚無頁巖氣開發(fā)與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的明確法律法規(guī)及詳細(xì)的政策，針對頁巖氣開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的法律法規(guī)及政策亟待落實(shí)。

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