頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響評價探討

周志恩 方維凱 陳敏 羅倩 王曉宸 陳剛才

摘要：中國是繼美國、加拿大后第三個對頁巖氣進行開發(fā)利用的國家。但是，頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響問題突出，主要集中在大量占用土地、大量消耗水資源、水力壓裂水污染風險、頁巖氣泄漏風險等方面。目前，我國頁巖氣項目環(huán)境影響評價工作，主要依據《環(huán)境影響評價技術導則陸地石油天然氣開發(fā)建設項目》，在污染因子選擇及其量化分析上缺少較明確的指導。本文借鑒美國頁巖氣開發(fā)經驗，對頁巖氣開發(fā)需要注意的突出環(huán)境問題進行分析總結，探討頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響評價技術導則應補充的內容，以完善環(huán)境影響評價體系。

關鍵詞：

環(huán)境影響評價；頁巖氣；水力壓裂；泄漏；溫室氣體

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.06.015

中圖分類號：X820.3文獻標識碼：A文章編號：2095-6444（2015）06-0062-06

頁巖氣開發(fā)最早可追溯至1821年在美國紐約Dunkirk頁巖完鉆的第一口頁巖氣井[1]。但直到20世紀30年代，基于基質與裂縫雙重結構的認識和Dunkirk大量頁巖氣井增鉆，頁巖氣研究開始迅速發(fā)展。1977年，美國啟動東部頁巖氣工程開發(fā)項目（EGSP）。20世紀80年代，基于頁巖氣吸附機理的認識，發(fā)現Barnett等6套高產頁巖。20世紀90年代，基于水力壓裂技術的關鍵性突破和成功應用，含氣頁巖在美國已達商業(yè)化開采程度，其年產量占據美國主要能源產量的29%。頁巖氣研究也從單孔單滲理論逐漸發(fā)展出雙孔單滲、雙孔雙滲等模型[26]。

中國是繼美國、加拿大后第三個對頁巖氣進行開發(fā)利用的國家。近年來，對水力壓裂技術的研究轉化、對頁巖氣成藏機理的研究均有突破[79]，頁巖氣開發(fā)項目增長迅猛[10]，為中國能源格局和能源經濟帶來深遠影響。

1頁巖氣概述

1.1頁巖氣

頁巖氣屬于頁巖氣藏[11]，指賦存于富含有機質的頁巖層中，以吸附氣、游離氣和溶解氣狀態(tài)儲藏的天然氣，主體上是自生自儲成藏的連續(xù)性氣藏，屬于非常規(guī)天然氣，可通過體積壓裂改造獲得商業(yè)氣流[12]。泥頁巖既是頁巖氣生成的烴源巖，又是頁巖氣聚集和儲藏的儲層，賦存環(huán)境自然壓力低、孔滲性能差、開采難度大、技術要求高[9]。常規(guī)天然氣與非常規(guī)天然氣關系見圖1。

1.2我國頁巖氣開發(fā)存在的問題

與北美地區(qū)相比，我國頁巖氣選區(qū)評價工作對污水處理與環(huán)保、地貌環(huán)境改變、輸氣管網建設等方面的評價未強制性要求，不利于頁巖氣開發(fā)區(qū)的環(huán)境保護工作。

2000—2010年，美國2萬口頁巖氣發(fā)生43起事故，涉及鉆井液、井場表面泄漏、取水、空氣污染、井噴、場外處置不當等問題[10，15]，可見頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題突出。而《環(huán)境影響評價技術導則陸地石油天然氣開發(fā)建設項目》對頁巖氣開發(fā)過程的水資源消耗、水力壓裂污染風險、泄漏風險等[1620]沒有明確評價依據。因此，須加快制訂并完善相關標準。

2土壤環(huán)境影響

2.1生產設施土地占用

頁巖氣開發(fā)土地需求與井場土地密度，井場占地面積，井數量，開發(fā)頁巖層性質緊密相關。水平井通常穿越多個井場，使這些井場可以用同一套配套設施，有效減少土地需求[21]。

2.3固體廢棄物

研究表明[10]，鉆井巖屑產量可達1 000 m3/井，主要為Al、Si、Ca、Fe化合物以及有機物； 廢泥漿產量800～1 200 m3，含烴類、鹽類、聚合物、木質素磺酸鹽、重金屬離子和重金石等，嚴重威脅環(huán)境。固體廢棄物通常儲存在井場內的廢泥漿巖屑池，若不及時處置或處置不當會大量占用土地并污染土壤。國外巖氣開發(fā)產生的固體廢棄物一般采用衛(wèi)生填埋和還田法進行處置，衛(wèi)生填埋占60%（237 kg/m），還田占40%（158 kg/m）

3水環(huán)境影響

3.1水資源需求

頁巖氣開采耗水量是常規(guī)天然氣開采的102～105倍，用水集中在水力壓裂過程。而我國頁巖氣發(fā)展規(guī)劃中7個重點省份是水資源短缺地區(qū)，川、渝、云、貴、贛近年頻遭嚴重干旱困擾[2425]。頁巖氣開發(fā)必然會給當地生產、生活用水帶來沖擊，對水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境造成威脅[19]。

3.2鉆井過程

頁巖氣開采主要使用水平井，其技術難度較高，并導致事故率也較高，對周邊環(huán)境尤其是水環(huán)境存在較高的污染風險。2006年，四川某地區(qū)發(fā)生了廢泥漿堆放池垮塌泥漿下泄事故和鉆井廢水遇降雨漏排事故，使附近農田、地表水體水質受到不同程度的污染，嚴重影響了當地居民的生產與生活[16]。Laurence Stamford[12]對鉆井過程的物料消耗和鉆井廢棄物進行了統(tǒng)計，詳見表4。

3.3水力壓裂過程

3.3.1壓裂液

壓裂液中化學添加劑多達750余種，核心化學成分有596種，可能引發(fā)癌癥，影響內分泌、神經、循環(huán)和免疫系統(tǒng)，損傷皮膚、眼睛和呼吸道[2830]。添加劑使用占比小但總量大，對環(huán)境存在潛在的沖擊，詳見表5。

3.3.2壓裂液使用與返排

返排液除含壓裂液中的化學添加劑，還含烴類化合物，重金屬和水溶性鹽類等。返排液中對環(huán)境和人體產生潛在威脅的化學物質包括：有目的添加化學品，在壓裂過程中從巖石滲透到壓裂液中的天然致癌物質，包括放射性物質鈾、輕腐蝕性鹽和苯[31]。

3.3.3返排液收集處置

壓裂返排液中富含化學添加劑、石油烴類、高濃度鹽類，被認為是最難處理的工業(yè)廢水[32]。有研究稱[33]，回流水高溶解固體（TDS）平均含量為90 g/L，硫化物含量約20 mg/L，氯化物平均含量60 g/L。返排液的水質變化大，有咸水、鹵水、超飽和鹵水，TDS甚至超過400 g/L，若不經處理直接排放，會嚴重破壞地表水環(huán)境。壓裂返排液蒸餾處理技術在Barnett和Marcellus頁巖氣田均已成功應用，約80%返排液可回收利用，成本較低廉。此外，頁巖氣開發(fā)出地面之后脫水過程中，會產生VOCs[34]。

4大氣環(huán)境影響

4.1頁巖氣泄漏

4.1.1泄漏途徑

頁巖氣泄漏可分為甲烷人為泄漏和地質構造泄漏兩類：前者因完井工藝和質量問題造成頁巖氣沿各類井筒、原有廢棄井大量釋放；后者頁巖氣通過未被發(fā)現的斷裂或封閉不良的“蓋層”發(fā)生泄漏。

4.1.2泄漏量

R. W. Howarth保守估計壓裂液返排過程中頁巖氣泄漏量占頁巖氣井總產量的1.6%，后續(xù)的多段壓裂段鉆穿過程的頁巖氣泄漏量占0.3%[23]。美國頁巖氣開發(fā)數據表明：整個頁巖氣井的鉆井、壓裂和完井過程中，甲烷排放量占頁巖氣產量的3.6%～7%[3536]。本文取表1中的組分濃度均值和焦頁1井—焦頁3井區(qū)五峰組—龍馬溪組一段投產的56口井的大氣污染物排放量（以下簡稱“涪陵焦頁”，產量380 m3/d，產能600 m3/d），以及泄漏量1.6%～7%對頁巖氣開發(fā)過程泄漏量進行核算，詳見表8。

4.2大氣污染物排放

本文使用Ecoinvent[12]中頁巖氣氣開采的廢氣排放量，推算氣藏千米井深和涪陵焦頁的大氣污染物排放量，詳見表7。

從表中可以看出，頁巖氣開采的大氣污染物主要產生于燃燒放空階段。H2S主要是泄漏產生。若發(fā)生井噴事故，氣體高壓溢出，H2S瞬時排放量巨大，對環(huán)境造成巨大沖擊，并嚴重危及周邊人員生命安全。同時，Rn等放射性元素也應該納入環(huán)境影響評價范疇。

除以上大氣污染物外，隨著VOCs造成的二次氣溶膠污染問題的凸顯，對烴類物質中的苯系物（BTEX）應當特別關注。2010年1月，TCEQ公布了監(jiān)測程序兼?zhèn)渫?，在接近井?英尺高的地方采集的空氣樣本中檢測出了35種化學元素，頁巖氣井口的苯濃度高達15 ppm。

4.3溫室氣體排放

天然氣開采項目多、產氣量大，排放的CO2和CH4總量較大，應考慮溫室氣體排放量。頁巖氣開采溫室氣體排放主要來源于天然氣生產過程的放空燃燒、天然氣輸送過程中的泄漏以及事故，詳見圖2。

本研究根據《省級溫室氣體清單編制指南》中的“ICPP第二次評估報告值”，計算CO2、CH4的全球變暖潛能值（GWP100）。頁巖氣開發(fā)過程中排放的溫室氣體主要為CH4和CO2，絕大部分來自頁巖氣的燃燒與放空。

涪陵焦頁的GWP100約為2.35萬噸，而據《重慶市工業(yè)生產過程溫室氣體清單報告（2010年）》統(tǒng)計數據顯示，重慶市2010年工業(yè)生產產生的GWP100約為1100萬噸，因此涪陵焦頁的GWP100約占當年工業(yè)溫室氣體排放總量的2‰，單井排放量占0.4‰。盡管占比小，但頁巖產氣開采區(qū)一般有上千口井，排放總量巨大。

5地質災害風險

5.1水土流失、植被破壞

頁巖氣鉆井施工，嚴重破壞場地土體結構，大型鉆井設備和工程車的重壓以及大規(guī)模的水力壓裂易導致土壤裂隙產生，可能誘發(fā)地面塌陷，營養(yǎng)元素隨之流失造成土壤養(yǎng)分短缺，土壤承載力下降，進而引起植被破壞，最終導致工區(qū)大面積人工裸地，產生土壤揚塵。另外，水力壓裂可能破壞巖層穩(wěn)定性，增加山體滑坡風險。新暴露的巖土在風雨侵蝕作用下極易風化成巖屑，為水土流失提供了豐富的物質來源，使水土更易移動，水土流失加劇。我國頁巖氣開采集中于降雨量大的西南部，土地破壞風險增大。

5.2誘發(fā)地震

在采用水力壓裂法開采頁巖氣的過程中，即使是小規(guī)模注入液體也可能會誘發(fā)地震。美國阿肯色州頁巖氣采活動誘發(fā)了近千起3級以下地震，而在地質條件更不穩(wěn)定地區(qū)可能會誘發(fā)3級以上地震。我國華北任丘油田、山東勝利油田等也曾有過注水開采誘發(fā)地震的現象，在四川自貢地區(qū)曾對天然氣采空廢井人為加壓注水，周邊地震活動相應出現了明顯增強的異?，F象，甚至先后出現4.4級和4.2級地震。在英國東北部黑潭市的頁巖氣開采區(qū)域2 km處發(fā)生里氏1.5級的地震。加拿大近幾年隨著頁巖氣的開采，小型地震的數量每年增加20多起。

6結論

頁巖氣開發(fā)作為能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)，應當優(yōu)先考慮其開發(fā)過程的環(huán)境影響，在按照常規(guī)天然氣環(huán)境影響評價體系之上，分析評價土地占用及水土流失，水資源消耗，土壤及水體污染，壓裂液返排，溫室氣體排放等因素對環(huán)境的影響。同時，應當特別關注開發(fā)過程中的壓裂液泄漏，甲烷氣泄漏和H2S泄漏等事故的環(huán)境沖擊，分析評價其影響，制訂應對方案。為充分發(fā)揮我國頁巖氣的資源和環(huán)境優(yōu)勢，環(huán)境影響評價工作的開展是十分重要的內容，它從源頭盡可能地預防或者減少負面環(huán)境影響，為頁巖氣產業(yè)健康發(fā)展保駕護航。

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