頁巖氣開發(fā)水資源影響及溫室氣體排放研究評述

王建良，馮連勇

(中國石油大學(北京)工商管理學院，北京 102249)

頁巖氣開發(fā)水資源影響及溫室氣體排放研究評述

王建良，馮連勇

(中國石油大學(北京)工商管理學院，北京 102249)

摘要：環(huán)境問題是影響頁巖氣中長期、可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一，而對頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響的研究則是相關(guān)環(huán)境政策制定的基礎(chǔ)。文章以國際學術(shù)期刊上刊登的相關(guān)研究為分析對象，首先梳理了頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響研究的興起過程，并指出了頁巖氣開發(fā)過程中水資源消耗、水質(zhì)污染和溫室氣體排放是國際學術(shù)界頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響研究的三個主要方面。然后，系統(tǒng)評述了當前國際學術(shù)界對此三方面環(huán)境影響的研究現(xiàn)狀、得到的基本結(jié)論、結(jié)論之間的差異以及差異背后的原因，以期對中國開展此類研究，特別是量化研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；環(huán)境影響；水資源消耗；水質(zhì)污染；溫室氣體排放

1頁巖氣環(huán)境影響問題研究的興起

美國頁巖革命的成功使世界進入了一個天然氣開發(fā)和利用的“黃金時代”[1]。傳統(tǒng)認為美國頁巖革命的成功來源于技術(shù)突破，但事實上，美國頁巖革命成功所依賴的兩項技術(shù)：水平鉆井和水力壓裂技術(shù)在上個世紀就已經(jīng)產(chǎn)生并發(fā)展成熟，真正使得頁巖氣于本世紀在美國大規(guī)模開發(fā)的原因主要是經(jīng)濟條件的改善和環(huán)境法案的修改，后者即是所謂的“哈里伯頓漏洞”。2005年，美國為推動水力壓裂技術(shù)的快速應用，通過《能源政策法案》，將水力壓裂從許多聯(lián)邦環(huán)境保護法中去除出來，如《安全飲用水法》等，這項免除條款被稱為“哈里伯頓漏洞”，正如同美國所預期的那樣，該項法案的推行使得頁巖氣的水力壓裂技術(shù)得到了大規(guī)模應用[2]。可見，環(huán)境因素在美國頁巖革命開始之初，就是影響其大規(guī)模開發(fā)的主要因素之一。

美國《能源政策法案》雖然在法律上為頁巖氣開發(fā)消除了環(huán)境約束，但本質(zhì)上并沒有解決這些環(huán)境問題。隨著美國頁巖氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，美國社會各界對其環(huán)境影響的擔憂也開始出現(xiàn)。2008年，Arthur等首次指出頁巖氣開發(fā)所依賴的水平鉆井和水力壓裂技術(shù)[3]，在實踐中需要消耗大量的水資源。進一步，對壓裂返排液的處理則可能對區(qū)域淡水資源產(chǎn)生污染。同年，英國標準協(xié)會(BritishStandardsInstitute)首次指出頁巖氣開發(fā)由于存在大量的甲烷泄露，其生命周期溫室氣體排放可能很高[4]。在2010年，有關(guān)頁巖氣環(huán)境影響的同行評議文獻開始出現(xiàn)[5-6]，并引起了人們對頁巖氣作為過渡能源的擔憂[7]。但總體而言，2011年以前的頁巖氣環(huán)境問題研究相對而言還非常少，研究問題主要是水資源消耗和污染。

真正引發(fā)對頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題進行研究，并引起學術(shù)界、媒體、公眾普遍關(guān)注的研究始于2011年。在2011年，Howarth等[8]發(fā)表了頁巖氣全生命周期溫室氣體排放研究領(lǐng)域的第一份定量化的同行評議文獻。該研究顯示，假設(shè)生產(chǎn)出的頁巖氣用于發(fā)電，其生命周期溫室氣體排放不僅顯著高于常規(guī)天然氣，而且也高于煤炭或與其相當(具體取決于所選用的甲烷的全球增溫潛勢值)。隨后，Howarth等將其研究成果以評論文章的形式發(fā)表在Nature雜志上[2]。Howarth等的研究極大地挑戰(zhàn)了以往傳統(tǒng)研究對頁巖氣碳足跡的假設(shè)，引發(fā)各界對頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題的廣泛關(guān)注和探討。也正是從2011年開始，學術(shù)界有關(guān)頁巖氣環(huán)境問題的研究開始大量涌現(xiàn)，Nature、Science、PNAS三大頂級綜合期刊也對此進行了很多跟蹤研究。

截止到目前，有關(guān)頁巖氣環(huán)境問題的研究不僅涉及水資源消耗、水質(zhì)污染、溫室氣體排放三大方面的，而且還包括了誘發(fā)地震[9]、臭氧破壞[6]、區(qū)域空氣質(zhì)量下降[10]、公眾健康損害[11]、威脅野生動物生態(tài)棲息地[12]等多方面的環(huán)境影。但從研究數(shù)量和關(guān)注程度上來看，有關(guān)水資源消耗、水質(zhì)污染和甲烷等溫室氣體排放的研究是當前學術(shù)界研究的重點，本文重點對此三方面的研究進行簡要評述。

2頁巖氣開發(fā)對水資源消耗的研究評述

在水資源消耗方面，現(xiàn)有研究主要是從三個方面展開。一是對水資源消耗的定性論述，如Kargbo等通過分析頁巖氣開發(fā)原理及流程，指出頁巖氣開發(fā)過程可能存在巨大的水資源消耗[5]。二是定量化測度頁巖氣開發(fā)對某一具體區(qū)域的水資源消耗的影響，但并沒有進一步分析這些水資源消耗對區(qū)域環(huán)境的影響，如；進一步，此類研究多集中在單口井層面[13-16]。三是不僅定量化分析了水資源的消耗，還分析了對區(qū)域環(huán)境光的影響[17]。在這三方面的研究中，針對單井層面水資源消耗的研究是定量化分析的核心，也是目前從研究數(shù)量上來看最多的研究。

對于研究結(jié)論，現(xiàn)有研究差異較大，一口頁巖氣水平井的耗水量最低為0.67×104m3，最高可達到3.3×104m3[13，15-17]。導致這種差異的原因主要有兩類：一類是對于評估者而言不可消除的原因，如地質(zhì)條件、頁巖氣井垂直井深、氣井水平段長度、水力壓裂的次數(shù)等，這些因素決定了不同地區(qū)的頁巖氣井耗水是有差異的，而這種差異不受評估者的影響，這一原因也從根本上決定了針對特定國家的研究很難有效指導其他國家的生產(chǎn)實踐；另一類則是評估者造成的，即不同評估者在研究是時采用的研究方法、研究邊界、所考慮其他因素等，這些原因的存在，使得直接對比研究結(jié)果變得比較困難[17]。以兩篇關(guān)于Marcellus頁巖區(qū)塊水平井耗水量的研究為例，Laurenzi和Jersey采用全生命周期評估(LCA)的方法，假設(shè)生產(chǎn)出的頁巖氣用于發(fā)電，計算了Marcellus頁巖區(qū)塊單口井全生命周期的平均水資源消耗量為0.82m3/MWh(包括了頁巖氣在發(fā)電廠的耗水)[14]。而Jiang等利用混合EIO-LCA技術(shù)對頁巖氣井從建設(shè)到廢棄整個生命周期內(nèi)水資源消耗進行了評估，結(jié)果顯示在當前技術(shù)水平下，一口Marcellus頁巖氣井的水資源消耗平均為2×104m3/口[15]?？梢钥闯?，盡管這兩份研究都是針對Marcellus頁巖區(qū)塊的研究，但Laurenzi和Jersey[14]研究所指的生命周期邊界是從頁巖氣開發(fā)階段到下游最終燃燒利用階段(即發(fā)電階段)的水消耗，且沒有包含間接水消耗；而Jiang等研究所指的生命周期邊界則是指頁巖氣井從鉆前準備、鉆井、壓裂、完井、生產(chǎn)、廢棄這一生命周期內(nèi)的水消耗，并沒有考慮頁巖氣下游最終燃燒利用中的水消耗，且他們的研究不僅包括了直接水消耗，而且還利用EIO-LCA方法計算了間接水消耗[15]。

除了對頁巖氣單井耗水總量的研究之外，一些研究也對耗水強度也進行了研究，但是也難以獲得一致的結(jié)論，且難以對比。例如，Scanlon等估計EagleFord頁巖氣井水資源消耗量大約在1.7～1.8×104m3/口，而Bakken頁巖氣井的水資源消耗量則在0.73×104m3/口左右，是前者的1/2[16]。而如果考慮井的天然氣總產(chǎn)量，并將其轉(zhuǎn)換為能量產(chǎn)出，按照單位能量產(chǎn)出所對應的耗水量時(耗水強度)，后者僅僅是前者的1/3，這意味著Bakken地區(qū)頁巖氣井天然氣總產(chǎn)量高于EagleFord地區(qū)。Nicot對2009～2011年美國主要頁巖區(qū)塊的頁巖氣井耗水分析顯示，Barnett地區(qū)水平井水力壓裂階段耗水中值為1.06×104m3/口，水平井單位水平段長度的耗水量(耗水強度)為12.5m3/m[17]；Texas-Haynesville地區(qū)水平井水力壓裂階段耗水中值為2.15×104m3/口，耗水強度為14m3/m；EagleFord地區(qū)水平井水力壓裂階段耗水中值為1.61×104m3/口，耗水強度為9.5m3/m。從這兩個研究可以看出，前者所指的耗水強度是針對總耗水量與總頁巖氣產(chǎn)量的關(guān)系，所以是氣井單位能量產(chǎn)出耗水強度；而后者所指的耗水強度是針對氣井水平段壓裂長度與壓裂階段總耗水的關(guān)系，所以是氣井水平段單位長度壓裂耗水強度。

總體來看，對于單口井耗水強度的研究，雖然從研究數(shù)量上沒有對單口井總耗水的研究多，但卻非常重要，因為不同地區(qū)單口井的產(chǎn)出可能差異很大，如果忽視了單口井的產(chǎn)出要素，則很難評估頁巖氣規(guī)模開發(fā)對整個區(qū)域的影響(因為頁巖氣規(guī)模開發(fā)不僅取決于鉆井數(shù)量，而且還需要單口井的總產(chǎn)出)。因此，與單口井的耗水總量相比，建立在耗水總量分析基礎(chǔ)上的單口井單位產(chǎn)出耗水強度的研究更為重要，也是未來研究的重點。

頁巖氣上游開發(fā)所用水基本上是清潔水，這些水主要來自地表水或地下水(具體來源主要取決于區(qū)域水資源的可用性及其分布特征)[17]。盡管頁巖氣開發(fā)耗水研究結(jié)論并不一致，但其影響卻并不能忽視，Nicot等的研究指出，2000～2011年，Barnett頁巖區(qū)累計耗水量1.45億m3，年耗水量已經(jīng)占到該地區(qū)Dallas城市(美國第九大城市，人口130萬人口)總耗水量的9%，且這一比例將在未來隨著頁巖氣的持續(xù)大規(guī)模開發(fā)而增加，屆時必然與區(qū)域內(nèi)其他水資源需求形成競爭關(guān)系[17]。盡管對于不同地區(qū)而言，受區(qū)域水資源可用性、區(qū)域其他水資源需求等諸多因素的影響，影響不盡相同。但是可以肯定的是，頁巖氣產(chǎn)量與水資源消耗存在著密切的關(guān)系，大規(guī)模的開發(fā)必然會對區(qū)域水資源產(chǎn)生重要影響，特別是對一些水資源相對稀缺的地區(qū)，如頁巖氣資源富集的中國西北部和南非地區(qū)[18]。

3頁巖氣開發(fā)對水質(zhì)影響的研究評述

在水質(zhì)影響的研究方面，現(xiàn)有研究主要是從兩方面開展的，一是頁巖氣開發(fā)究竟對區(qū)域水資源質(zhì)量有沒有產(chǎn)生污染，且污染的種類有哪些；二是如果有污染，頁巖氣開發(fā)究竟是通過何種渠道來影響區(qū)域水資源質(zhì)量的，即上述種類的污染是通過何種渠道或路徑產(chǎn)生的。

在第一方面的研究中，絕大多數(shù)的研究都認為頁巖氣開發(fā)區(qū)附近的區(qū)域水質(zhì)確實受到了不同程度的污染，且有些污染是顯著的[15，19-20]。這種污染主要來自兩方面：一是游離氣泄露污染。Osborn等系統(tǒng)分析了Marcellus和Utica頁巖區(qū)塊頁巖氣開發(fā)導致的飲用水的甲烷污染[20]。在頁巖氣開發(fā)活躍區(qū)(頁巖氣開發(fā)的1km以內(nèi))，飲用水井中平均甲烷濃度和最大甲烷濃度分別為19.2mgCH4/L和64mgCH4/L，有潛在爆炸的危險。相反，在相鄰的非開采區(qū)(頁巖氣開發(fā)的1km以外)，具有相似地質(zhì)儲層構(gòu)造和水文條件的飲用水井中，其甲烷濃度僅僅有1.1mgCH4/L，但并沒有確鑿證據(jù)顯示這些高濃度的甲烷來自頁巖氣井開發(fā)還是其他生物活動。Jackson等的研究則進一步證明了飲用水中的游離氣確實來自頁巖氣井開發(fā)，他們分析了賓夕法尼亞北部141口私人飲用水井中的游離氣濃度，并通過同位素示蹤分析其來源[21]。在調(diào)查的樣本中，有82%的私人水井中檢測到甲烷，且其平均濃度比頁巖氣井1km以外水井的甲烷濃度高出6倍。乙烷含量比頁巖氣井1km以外水井高23倍。丙烷則在10口井中檢測到，他們都在頁巖氣井1km之內(nèi)。同位素示蹤結(jié)果顯示，這些飲用水井中的甲烷等游離氣來源于鄰近的頁巖氣井。二是水力壓裂返排液污染。這種返排液主要有兩類構(gòu)成，一類是在水力壓裂過程中通過高壓注入地下儲層用于壓裂儲層的富含大量化學添加劑的壓裂液，一類是在壓裂液壓裂完畢后，經(jīng)地層返回地表的過程中，攜帶的已在地下賦存數(shù)百萬年、富含大量重金屬和有毒化學成分的原始儲層水[22]。Fontenot等對100口私人飲用水井中的化學分析進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在毗鄰頁巖氣井3km以內(nèi)區(qū)域的一些私人飲用水井中砷、硒、鍶和總?cè)芙夤腆w(TDS)(這些都是返排液的構(gòu)成成分)顯著超過美國環(huán)境保護署(EPA)飲用水污染物最高限量[23]。同時，樣本的29%檢測到甲醇和乙醇，也超過了EPA的規(guī)定。但是超過EPA規(guī)定水平的這些私人水井在空間上是隨機分布的，反映出污染物濃度的增加可能是由多種因素導致的，如一些天然成分的運移，更低水層水文條件的變化，以及一些工業(yè)事故等，如頁巖氣完井中的封井失敗等。

在第二方面的研究中，Rozell和Reaven利用概率邊界分析，評估了Marcellus頁巖區(qū)塊頁巖氣開采潛在的水污染，并識別了水污染的五種途徑：運輸管線泄漏、完井過程中的套管泄漏、壓裂儲層裂縫泄漏、鉆井現(xiàn)場處理泄漏、廢水處理泄漏。結(jié)果顯示，即使在最佳實踐情境下，一口井很有可能排放至少200m3的污染液體[24]。因此，大規(guī)模開發(fā)頁巖氣，必須采取額外的措施來減少如此巨大的潛在污染液體泄漏。Warner等在2012年通過分析發(fā)現(xiàn)，返排液泄露的途徑之一是頁巖氣儲層與地下含水層之間存在的某些復雜的聯(lián)通通道，但這種通道是自然界已經(jīng)存在的，與近期的鉆井活動沒有直接關(guān)系，不大可能是由水力壓裂引起的[22]。在2013年，Warner等再次分析發(fā)現(xiàn)，對頁巖氣井開發(fā)過程中的水力壓裂返排液等廢水的不恰當處理排放也是影響水質(zhì)的一個重要途徑[25]。Darrah等通過惰性氣體示蹤也發(fā)現(xiàn)來自頁巖氣開發(fā)階段完井過程中的泄露是水質(zhì)污染的主要途徑[26]。Vengosh等對頁巖氣開發(fā)對水資源污染領(lǐng)域的研究進行了系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了頁巖氣開發(fā)對水質(zhì)污染的途徑，并通過立體結(jié)構(gòu)圖展示出來，具體而言，污染途徑主要有：①游離氣和壓裂液從地下頁巖儲層通過某些裂縫或聯(lián)通道路向地下含水層的滲漏污染；②游離氣和鉆井液、壓裂液在水泥固井、完井過程中，由于某種操作失當而向周圍儲層的泄露污染；③返排液回流后外運到處理廠之后未充分處理排放產(chǎn)生的污染；④返排液回流后外運并注入到地下廢棄油氣井過程中的泄露污染[27]。

總體來看，頁巖氣開采引起的區(qū)域水質(zhì)量的潛在下降已經(jīng)引起了廣泛研究與探討[28]。對于有些污染物，已經(jīng)有相關(guān)研究證實了與頁巖氣開發(fā)存在的直接或間接關(guān)系[27]，而對于有些污染物，從目前的研究來看，仍然缺乏確鑿的信息證明其是由頁巖氣開發(fā)引起[28]。盡管如此，對頁巖氣開發(fā)引起的水質(zhì)下降的擔憂已經(jīng)影響到了美國一些州的監(jiān)管法規(guī)[29]。

4頁巖氣開發(fā)的溫室氣體排放研究評述

自Howarth等在2011年發(fā)表了頁巖氣生命周期溫室氣體排放領(lǐng)域的第一份同行評議文獻之后，相關(guān)研究開始大量出現(xiàn)，且絕大多數(shù)的研究都集中于電力領(lǐng)域，即假設(shè)生產(chǎn)出的頁巖氣用來發(fā)電[2，8]。然而，研究結(jié)論卻存在非常大的差異，根據(jù)研究結(jié)論的方向性，可將其分為三類：一是認為頁巖氣比常規(guī)氣生命周期溫室氣體排放高，且二者都高于煤炭[8，30-31]；二是頁巖氣比常規(guī)氣具有更高的生命周期溫室氣體排放但低于煤炭[14，32-35]；三是頁巖氣比常規(guī)氣具有更低的生命周期溫室氣體排放(或相當?shù)呐欧臶36])，且二者都低于煤炭[37，38]。前兩類的相似之處在于均顯示頁巖氣比常規(guī)氣生命周期溫室氣體排放高；后兩類的相似之處在于均顯示無論是常規(guī)氣、還是頁巖氣，其生命周期溫室氣體排放均低于煤炭。除此之外，對于具體的研究數(shù)值，很少有文獻得到非常一致的研究結(jié)論。以頁巖氣與常規(guī)氣溫室氣體排放的比較結(jié)果為例，Howarth等認為頁巖氣生命周期排放至少比常規(guī)氣高出30%[8]，而在通常情況下，這一比例應該在40%～60%[31]；Jiang等認為如果僅考慮上游排放，頁巖氣比常規(guī)氣高出11%，而如果也包含下游排放，全生命周期內(nèi)，頁巖氣僅僅比常規(guī)氣高3%[32]。Stephenson等指出，一般而言，頁巖氣生命周期排放比常規(guī)氣高出1.8%～2.4%，而即使在最為極端的假設(shè)下，這一比例也不會超過15%[34]。Hultman等認為在整個生命周期內(nèi)，頁巖氣溫室氣體排放比常規(guī)氣高11%[33]。Burnham等研究顯示，常規(guī)氣生命周期排放比頁巖氣低6%[37]。

從差異化產(chǎn)生的原因來看，主要有以下幾方面的原因。

一是所采用的功能單位及其導致的相關(guān)換算過程中的差異。現(xiàn)有研究基本上都借鑒了生命周期評估的思想，而作為生命周期評估的第一步，就是確定研究的目的、功能單位和范疇[39]；從研究目的來看，現(xiàn)有研究大多數(shù)都去評估頁巖氣的碳足跡，但在功能單位和研究范疇選取方面卻存在差異。在功能單位的選用方面，現(xiàn)有研究主要采用三類功能單位。一種是采用總排放占頁巖氣井總產(chǎn)量(即頁巖氣井EUR)的比例來分析，如Howarth等[8]；另一種是采用頁巖氣井生產(chǎn)的頁巖氣產(chǎn)生的單位發(fā)熱量所對應的CO2當量排放表示，即gCO2e/MJ，如Jiang等[32]；還有一種是用頁巖氣發(fā)電產(chǎn)生1kWh的電所產(chǎn)生的CO2當量表示，即用gCO2e/kWh表示，如Stephenson等[34]。在功能單位差異之外，在熱量轉(zhuǎn)換的過程中，有些采用高位發(fā)熱量(HHV)，有些采用低位發(fā)熱量(LHV)，而這兩者的差異有可能高達10%[34]。

二是在研究范疇上的差異。第一個差異是評價對象所處地理范疇的差異，例如，Skone的研究僅僅關(guān)注了Barnett頁巖盆地[40]；而Jiang等僅僅分析了Marcellus頁巖盆地[32]；Stephenson等和Burnham等的研究則平均了美國北部盆地[34，37]。地理范疇的選擇不僅會影響估計的氣井總產(chǎn)量(EUR)(頁巖氣開發(fā)碳足跡一般通常采用排放強度的形式來表示，這就要求即評估單口井排放總量，也要評估單口井的總產(chǎn)量，因此，EUR是影響最終結(jié)果的重要因素)，也會影響所生產(chǎn)的天然氣中的甲烷含量(甲烷是天然氣的主要成分)，例如，在Jiang等的研究中甲烷占天然氣的97%[32]，而在Stephenson等的研究中為87%[34]，在Burnham等中為80%[37]，在Skone、Howarth等和Hultman等中為78%[8，33，40]。而EUR和甲烷含量都是影響分析結(jié)果的重要因素。第二個差異就是評估過程中評估邊界的差異，除了Jiang等和Burnham等的研究的評估邊界包括了頁巖氣井鉆井前井場建設(shè)階段外，其他研究都是鉆井階段開始評估的[32，37]。

三是研究方法和內(nèi)容上的差異。盡管絕大多數(shù)的研究都采用生命周期評估方法，但一些研究利用政府組織提供的信息使用了自上而下的估計(例如，來自EIA或EPA的信息)；而另外一些研究則使用了基于過程的自下而上的估計[36]。還有一些采用了混合的LCA方法，即將自上而下的經(jīng)濟投入產(chǎn)出LCA和基于過程的LCA方法相結(jié)合，如Jiang等[32]。從研究內(nèi)容上，絕大多數(shù)的研究都是針對直接排放，但Jiang等和Burnham等也對井場準備、鉆井、壓裂等過程設(shè)備建設(shè)過程中的間接排放進行了研究[32，37]。由于頁巖氣開發(fā)與常規(guī)氣的開發(fā)的差別在于地質(zhì)差異導致的技術(shù)差異，而不同的技術(shù)決定了所需原材料、設(shè)備等的差異，因此，一些學者認為應當考慮這些原材料和設(shè)備生產(chǎn)中的間接排放[32，37]。

四是數(shù)據(jù)源或?qū)﹃P(guān)鍵參數(shù)的假設(shè)差異。絕大多數(shù)的現(xiàn)有研究都是直接或間接參考美國環(huán)境保護署(EPA)1996年碳排放因子庫中的數(shù)據(jù)[32-33，41]。引用此數(shù)據(jù)源作為基礎(chǔ)存在兩方面問題：一是這些因子并沒有反映出常規(guī)和非常規(guī)氣的區(qū)別；二是已有研究顯示，這些排放因子很可能低估了來自天然氣系統(tǒng)的甲烷泄露[42-43]。例如，Pétron等的研究實際測量了美國卡羅拉多州東北部Weldcounty地區(qū)大氣中每天的空氣樣本，并分析了與該地區(qū)水力壓裂開采非常規(guī)氣的關(guān)系，并建立了該地區(qū)甲烷排放因子庫，指出水力壓裂返排液階段的甲烷排放在現(xiàn)有的很多排放庫中被低估了[44]。而Pétron等的觀察與Howarth等在其他非常規(guī)天然氣生產(chǎn)區(qū)所獲得的數(shù)據(jù)相近[8，44]?；诖?，在2010年11月，EPA第一次對該署的碳排放因子進行更新，但是EPA此次更新的主要是上游開發(fā)和中游運輸階段的碳排放因子，下游排放因子仍然沿用了1996年的數(shù)據(jù)，盡管EPA目前也正在考慮對下游排放因子進行修正[31]。當然，也有一些研究用了自己搜集的相關(guān)數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)往往是有限的或記錄不完整的[45]。此外，在甲烷全球增溫潛勢(GWP)的選擇方面，除了Howarth等[8]，其他研究都將100年分攤的甲烷GWP作為其研究結(jié)果的基礎(chǔ)，但是這些研究利用的GWP都是相對比較舊的，沒有將IPCC最新更新的GWP反映進去(更新的GWP比舊的高)，這意味著采用100年分攤計算的結(jié)果都略低估了實際排放。

氣候系統(tǒng)對于甲烷變動的響應要比對CO2變動的響應更為迅速，對于未來將全球溫度控制在2oC以內(nèi)的措施而言，有效減少甲烷和黑碳甚至比控制CO2更為重要[46]。甲烷作為頁巖氣的主要成分，在其開發(fā)過程中必然存在泄漏，盡管當前研究對甲烷泄露量的評估并不一致。然而，一個一致的結(jié)論是頁巖氣開發(fā)的甲烷泄露是是一個必須考慮和需要未來進一步深入研究的話題[47]。

此外，對比頁巖氣開發(fā)的水資源消耗(水足跡研究)和溫室氣體排放(碳足跡研究)研究，可以發(fā)現(xiàn)，頁巖氣水足跡的研究主要集中在單井層面的總耗水量上，而頁巖氣碳足跡的研究，除了Chang等的研究是針對單井層面溫室氣體排放總量的研究之外，其余的研究都是針對頁巖氣井層面排放強度的研究，即考慮頁巖氣井的總產(chǎn)出，研究單位總產(chǎn)出(單位物理產(chǎn)出與能量產(chǎn)出)對應的溫室氣體排放量[48]。但與頁巖氣開發(fā)水消耗研究相同的是，對于頁巖氣規(guī)模開發(fā)的環(huán)境影響評估，排放強度的研究是關(guān)鍵。這也就是Chang等在隨后的研究頁巖氣規(guī)模開發(fā)的環(huán)境影響時，又專門對頁巖氣井總產(chǎn)出進行研究的原因[49]。

5對我國的啟示

一是頁巖氣開發(fā)消耗大量的水資源，區(qū)域水資源可用性將成為影響我國頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。根據(jù)現(xiàn)有研究顯示，頁巖氣開發(fā)采用的水力壓裂技術(shù)耗水量巨大，同時在壓裂過程及壓裂后返排液的處理過程中也可能對淡水資源產(chǎn)生污染，這意味著只有在水資源豐富的地區(qū)開發(fā)頁巖氣才具有可行性。然而，我國水資源并不豐富，特別是在中西部地區(qū)，而這些地區(qū)正是頁巖氣資源的主要集聚區(qū)，因此，可以預見，水資源可用性將成為制約我國頁巖氣規(guī)模開發(fā)的不可忽視的重要約束。

二是頁巖氣開發(fā)過程中的溫室氣體排放不容忽視，必須依賴相應的減排技術(shù)應用，我國有必要加強此類技術(shù)的引進或研發(fā)。頁巖氣在全球范圍內(nèi)得以快速發(fā)展的重要原因就是其清潔性，即相對于煤炭和石油而言，具有更低的溫室氣體排放。然而，現(xiàn)有的研究顯示，來自頁巖氣上游開發(fā)過程中的溫室氣體排放也非常顯著，如果不能有效控制，將在很大程度上降低頁巖氣作為清潔能源的優(yōu)勢。為此，美國已大力鼓勵本國企業(yè)研發(fā)并采取相關(guān)技術(shù)實踐，來控制上游溫室氣體排放，如目前在美國已經(jīng)應用的綠色完井技術(shù)。對于我國而言，頁巖氣的規(guī)模開發(fā)必須依賴于此類減排技術(shù)。

三是對我國的不同頁巖氣產(chǎn)區(qū)進行綜合評估，分地區(qū)有步驟地推進我國頁巖氣開發(fā)?，F(xiàn)有研究均顯示頁巖氣開發(fā)對環(huán)境有影響，但結(jié)果差異較大，而導致這一差異的主要原因就是頁巖氣地質(zhì)賦存條件和開發(fā)區(qū)域所處地上環(huán)境條件的差異。我國頁巖氣分布區(qū)域廣泛，不同地區(qū)頁巖氣的賦存地質(zhì)條件和地上開采條件都有很大差異，因此，必須針對我國不同頁巖氣產(chǎn)區(qū)，對其進行經(jīng)濟、環(huán)境等的綜合分析，并據(jù)此對我國不同頁巖氣產(chǎn)區(qū)進行開發(fā)可行性排序，從而指導其有序開發(fā)。

四是為了實現(xiàn)頁巖氣的潔凈化開采，政府必須制定相應的政策法規(guī)，并加強環(huán)境方面的監(jiān)管工作。只有在一定的政策法規(guī)下，并配合嚴格的環(huán)境監(jiān)管，企業(yè)才有減少環(huán)境影響的意愿。例如，美國EPA已于2011年8月提議針對非常規(guī)油氣開采的特定過程或設(shè)備建立新排放源性能標準(NSPS)和國家有害空氣污染物排放標準(NESHAP)[50]。然而，我國目前在頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響方面的政策和立法尚處于空白，且缺乏對頁巖氣開發(fā)的環(huán)境監(jiān)管，這些都不利于實現(xiàn)頁巖氣的環(huán)境友好開發(fā)。

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A review of the impacts of shale gas development on water resources and GHG emissions

WANGJian-liang，F(xiàn)ENGLian-yong

(SchoolofBusinessAdministration，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

Abstract:Environment issue is a key factor influencing the long-term sustainable development of shale gas industry，and the studies of environmental impacts of shale gas development are the basis for relevant policy-making.By choosing relevant studies in international academic journals our analyzed object，this paper firstly introduces the rise of studies on environmental impacts of shale gas development and identifies three main environmental impacts of shale gas development in current international literature，i.e.the impacts of shale gas development on water resource usage，water pollution，and greenhouse gases emission.Then，a detailed review of these three main research aspects is presented to understand the research status，main findings，differences among research results，and the reason of these differences for current environmental impacts studies.This review could be expected to provide some helpful references for China to carry out similar studies，especially quantitative studies in future.

Key words：shale gas；environmental impacts；water resource usage；water pollution；greenhouse gases emission

收稿日期：2015-08-17

基金項目：2015年國家自然基金項目“頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響量化評估與管理政策研究”資助(編號：71503264)；2015年度教育部人文社科基金“中國頁巖氣開發(fā)潛力及對區(qū)域水資源消耗的影響研究”資助(編號：15YJC630121)；中國石油大學(北京)青年拔尖人才啟動基金項目“世界非常規(guī)油氣資源開發(fā)潛力及其對能源供應和氣候變化的影響研究”資助(編號：2462014YJRC024)

作者簡介：王建良，中國石油大學(北京)工商管理學院講師，碩士生導師，校青年拔尖人才；

中圖分類號：X820.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0061-07

馮連勇，經(jīng)濟學博士，中國石油大學(北京)工商管理學院教授，博士生導師。