我國頁巖氣勘探開發(fā)水資源約束分析

■ 汪金偉/吳巧生/趙天宇

（中國地質(zhì)大學（武漢）經(jīng)濟管理學院，湖北 武漢 430074）

我國頁巖氣勘探開發(fā)水資源約束分析

■ 汪金偉/吳巧生/趙天宇

（中國地質(zhì)大學（武漢）經(jīng)濟管理學院，湖北 武漢 430074）

文章針對我國頁巖氣資源開發(fā)利用面臨的水資源約束，構(gòu)建地表水生產(chǎn)壓力和地下水污染風險兩個指標，對我國31省份2010-2013年間頁巖氣勘探開發(fā)的水資源壓力進行分析，并運用ARCGIS工具得出兩種風險相應等級組圖。針對淡水資源消耗問題，管理目標是減少消耗，一方面通過優(yōu)化頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)和工藝，盡量減少消耗；另一方面是廢水回收利用，通過對壓裂液重新回收處理實現(xiàn)二次甚至多次循環(huán)利用，在循環(huán)利用中要防治壓裂液成分可能造成地表水污染。針對地下水污染的風險，管理目標是有效控制、杜絕污染，加大頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新，加強頁巖氣勘探開發(fā)管理制度。

頁巖氣；勘探開發(fā)；水資源；約束；資源消耗；地下水污染

0 引言

頁巖氣主要為干酪根和頁巖顆粒表面的吸附氣，也可以是儲存在天然裂隙和粒間孔隙中的游離氣，或是干酪根和瀝青中的溶解氣，其中吸附氣含量可占頁巖氣總含量的20%～85%[1]。近年來，非常規(guī)天然氣的分支——美國頁巖氣的規(guī)模開發(fā)改變了以往世界各國大力發(fā)展可再生能源的思路，使得能源發(fā)展戰(zhàn)略重新回歸傳統(tǒng)化石能源[2]。從全球角度，如果不對頁巖氣資源開展勘探開發(fā)工作，那么到2040年全球天然氣消費將消耗已探明儲量的66%，因此，頁巖氣資源的勘探開發(fā)確實提高了全球的能源安全保障[3]。就國家層面而言，美國頁巖氣資源的大規(guī)?？碧介_發(fā)使其能源供應逐漸減少對中東地區(qū)的油氣依賴，能源獨立戰(zhàn)略得以實施[4]。對我國而言，頁巖氣開發(fā)利用還能帶來可觀的環(huán)境效益，按頁巖氣的年產(chǎn)量65億m3計算，與煤炭相比，如果用于發(fā)電，可減少二氧化碳年排放約1400萬t、二氧化硫排放約11.5萬t、氮氧化合物排放約4.3萬t和煙塵排放約5.8萬t[5]。

然而，世界資源研究所（WRI）報告指出：頁巖氣資源世界分布不均衡，而且分布最豐富的地方通常不是水資源豐富的地區(qū)，水資源可能影響世界很多地方的頁巖氣開發(fā)[6]。那么我國頁巖氣資源勘探開發(fā)面臨著怎樣的水資源壓力？本文嘗試運用ARCGIS技術(shù)對這一問題進行分析，從而為我國頁巖氣勘探開發(fā)的水資源管理工作提供決策參考。

1 頁巖氣勘探開發(fā)水資源風險類型

頁巖氣勘探開發(fā)面臨的水資源約束主要表現(xiàn)在兩個方面：一是大量淡水資源的消耗；二是壓裂液對地下水污染的風險。

1.1 淡水資源消耗

一是關(guān)鍵的水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)需要消耗大量水資源，水力壓裂技術(shù)是開發(fā)頁巖氣的必要技術(shù)，高壓液體注入井下并使巖層裂開，液體中的支撐劑可以保持住裂縫，使其成為油氣導向井筒的高速滲透通道。頁巖氣的開發(fā)生命周期包括鉆探場地準備、鉆井、完井和壓裂釋放氣體、壓裂液回流、氣體生產(chǎn)等五個環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)都存在水資源的監(jiān)管、管理和運輸三方面的問題[7]。一般而言，一個水平井需要進行八、九次壓裂，每口壓裂井需要5000～8000噸水[8]，但我國頁巖氣資源開發(fā)地區(qū)大部分處于水資源短缺區(qū)域，頁巖氣資源開發(fā)將進一步加劇水資源短缺的嚴峻形勢[9]，更為嚴重的是，對于缺水地區(qū)而言，頁巖氣開發(fā)對水資源的大量消耗勢必會加重水資源的短缺狀況，引起對環(huán)境的累積影響，加劇干旱、威脅開發(fā)區(qū)域的水資源可持續(xù)利用和發(fā)展[10]。

此外，對比中美頁巖氣地質(zhì)特征，由于埋深的原因，我國頁巖氣采用水力壓裂技術(shù)可能需要消耗更多的淡水。美國頁巖氣層埋深1219～3658m，四川盆地頁巖氣層埋深1000～4200m[11]，尤其是四川南方海相3000m以下深層高壓頁巖氣資源勘探開發(fā)尚未取得實質(zhì)性的突破，埋深越深，鉆井就需要更多的淡水資源，這也進一步加大了水資源壓力。

1.2 地下水污染的風險

水力壓裂技術(shù)的壓裂液中含有的化學制劑成為污染地下水資源的潛在風險。頁巖氣水力壓裂技術(shù)主要使用砂子和水，在頁巖氣資源勘探開發(fā)初期，各大擁有水力壓裂技術(shù)的公司都拒絕透露用于水力壓裂的壓裂液成分。但是近年來，迫于公眾輿論和環(huán)境影響的雙重壓力下，監(jiān)管機構(gòu)也傾向于公布壓裂液的成分，因而壓裂液的成分逐漸明晰。通常情況下，壓裂液的成分為：94.62%的水，5.24%的砂子，0.05%的降阻劑，0.05%的抗菌劑，0.03%的鹽酸以及0.01%的防垢劑（圖1）[7]，其中的化學添加劑達250余種，包括苯、甲苯、二甲苯等已知的人類致癌物。

圖1 頁巖氣開發(fā)水力壓裂液成分

一般而言，地下水資源通常分布在地表下百米左右，而頁巖氣儲層則達千米，也就是含水層深度與頁巖氣儲層之間有一定的距離，所以鉆探過程中固井極為重要，一旦發(fā)生鉆探事故，則地下水面臨著被壓裂液滲透污染的極大風險。

2 我國部分省份頁巖氣勘探開發(fā)水資源約束

世界資源研究所對全球各個國家頁巖氣勘探開發(fā)面臨的水資源約束和壓力進行了量化分析[11]（圖2），中國、墨西哥和南非擁有豐富的技術(shù)可開發(fā)頁巖氣資源，但資源富集地區(qū)卻面臨著極高的水資源壓力。20個擁有最大頁巖氣資源的國家中，有8個國家的頁巖氣資源富集在干旱或基線水資源壓力高到極高的地區(qū)，包括中國、阿爾及利亞、墨西哥、南非、利比亞、巴基斯坦、埃及和印度。

IEA《2011世界能源展望》報告指出，2010-2035年間，天然氣需求量會上升50%以上。在這種情景下，天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中所占的份額在2035年將達到25%，而以頁巖氣為主的非常規(guī)天然氣產(chǎn)量到2035年會達到1.6萬億m3；同時，預計中國的能源需求將增長60%，天然氣消耗將增加400%以上。這表明頁巖氣資源是我國未來能源結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，頁巖氣資源的勘探開發(fā)進程勢必會逐步推進；然而，我國是世界上第二用水大國，每年總?cè)∷空既蛉∷康?4%，其中近四分之一用于工業(yè)生產(chǎn)，因而我國頁巖氣資源勘探開發(fā)必然面臨水資源約束。

本文嘗試選擇我國陸上31個省份（由于臺灣省、香港特別行政區(qū)和澳門特別行政區(qū)暫無頁巖氣勘探開發(fā)和水資源利用的相關(guān)數(shù)據(jù)，因而不納入本文分析范疇），從省域?qū)用鏄?gòu)建我國頁巖氣勘探開發(fā)的地表水壓力和地下水污染風險兩個指標，分析我國頁巖氣資源開發(fā)利用中各省份的水資源壓力現(xiàn)狀。水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站《統(tǒng)計年鑒2014》公布的水資源利用數(shù)據(jù)。由于我國頁巖氣勘探開發(fā)始于2010年，因而選定樣本的年份為2010-2013年；矢量圖數(shù)據(jù)根據(jù)世界資源研究所發(fā)布的世界含氣盆地和頁巖氣資源分布矢量圖結(jié)合國家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站中國地圖底圖進行調(diào)整得到。從中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心發(fā)布的各期《頁巖氣動態(tài)》中整理可知，我國已經(jīng)查明富集頁巖氣資源的省份有：四川、新疆、重慶、貴州、湖北、湖南、陜西、廣西、江蘇、河南、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、黑龍江、云南、山西、安徽、浙江、河北、山東、吉林、遼寧、寧夏、江西、福建和廣東共計26個省份（見圖3），其中重慶和四川已經(jīng)進入實際開發(fā)階段，云南、湖北、貴州、江西、江蘇、湖南、安徽、新疆、青海、陜西、內(nèi)蒙古、山東、遼寧、吉林、黑龍江、河南和河北共計17個省份則處于鉆井試驗等初級勘探開發(fā)階段，余下的12個省份并無實際的勘探開發(fā)進展或者根據(jù)現(xiàn)有資料暫無查明的頁巖氣資源，但是本文也對其水資源約束現(xiàn)狀進行分析，可作為未來勘探開發(fā)工作的決策參考。

圖2 世界頁巖氣水資源壓力

圖3 我國已查明富含頁巖氣資源的省份

2.1 地表水約束

地表水壓力采用該省份農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)用水占地表水的比例，比例越高就表明該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)與其他生產(chǎn)生活用水存在競爭關(guān)系，從而該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)面臨的淡水資源消耗壓力越大，該指標成為地表水生產(chǎn)壓力。各省份地表水生產(chǎn)壓力見表1。

根據(jù)表1結(jié)果，按照數(shù)值大小運用ARCGIS工具得出選定省份頁巖氣勘探開發(fā)的地表水生產(chǎn)壓力等級圖，見圖4。

根據(jù)圖4分布情況，總體上將2010-2013年選定樣本內(nèi)31個省份的頁巖氣勘探開發(fā)地表水取水壓力（包括已有勘探開發(fā)進展的19個省份和余下12個省份）分為5類，見表2。

表1 選定樣本內(nèi)我國31省份頁巖氣開發(fā)利用地表水取水壓力（2010-2013年）

圖4 選定樣本內(nèi)我國31省頁巖氣勘查開發(fā)地表水壓力分布圖（2010-2013年）

表2 選定樣本內(nèi)我國31省份頁巖氣勘查開發(fā)地表水生產(chǎn)壓力分區(qū)（2010-2013年）

第一類表示工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水占地表水比例較小，也就是頁巖氣勘探開發(fā)取水壓力小。第二類到第五類依次表明地表水取水生產(chǎn)壓力逐漸增大。就已有頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域而言，四川、重慶、湖北、湖南、江西、江蘇是地表水壓力較小的區(qū)域，就未來勘探開發(fā)區(qū)域選擇而言，廣西、廣東、海南、福建、浙江是地表水壓力較小的區(qū)域，從水資源約束角度講是未來首選的勘探開發(fā)區(qū)。

2.2 地下水污染風險

地下水污染風險采用地下水供水比例作為指標，用以衡量頁巖氣勘探開發(fā)過程中出現(xiàn)地下水污染事件的機會成本，如果某個地區(qū)供水主要依賴于地下水，那么在該地區(qū)進行頁巖氣生產(chǎn)作業(yè)的時候就必須嚴格控制壓裂液的使用，最高限度的控制地下水污染事件。各省份地下水污染風險見表3。

根據(jù)表3結(jié)果，按照數(shù)值大小運用ARCGIS工具得出選定省份頁巖氣勘探開發(fā)的地下水污染風險等級圖，見圖5。

同樣的，依據(jù)圖5的風險等級，將2010-2013年選定樣本內(nèi)31個省份的頁巖氣勘探開發(fā)地下水污染風險（包括已有勘探開發(fā)區(qū)和其他區(qū)域）劃分為5類，見表4。

3 基本結(jié)論與建議

表3 選定樣本內(nèi)我國31省份頁巖氣開發(fā)利用地下水污染風險（2010-2013年）

圖5 選定樣本內(nèi)我國31省份頁巖氣勘查開發(fā)地下水污染風險等級圖（2010-2013年）

本文針對我國頁巖氣資源開發(fā)利用面臨的水資源約束，構(gòu)建地表水生產(chǎn)壓力和地下水污染風險兩個指標，對我國31省份2010-2013年間頁巖氣勘探開發(fā)的水資源壓力進行分析，基于ARCGIS工具根據(jù)指標大小將樣本內(nèi)我國31省份劃分為5類，結(jié)果表明，地表水壓力較小的省份有四川、重慶、湖北、湖南、云南、貴州、江蘇、安徽，地下水污染風險較小的省份有云南、重慶、湖北、貴州、江西、湖南、江蘇。綜合來看，對于已經(jīng)在進行的頁巖氣勘探開發(fā)的省份而言，云南、重慶、湖北、湖南、江蘇為面臨較小水資源約束的省份。

水資源管理是我國頁巖氣勘探開發(fā)過程中必須要解決的環(huán)境問題，而環(huán)境一旦被破壞，其治理成本將遠遠超過資源開采的收益[12]，因此需要在借鑒國外環(huán)境監(jiān)管經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對實際情況制定我國頁巖氣勘探開發(fā)中的水資源管理政策。

針對淡水資源消耗問題，前文已述我國大規(guī)?？碧介_發(fā)的區(qū)域為重慶和四川，這兩個省份的淡水資源相對豐富，面臨的淡水資源消耗壓力并非無法克服，因而對于淡水資源消耗的管理目標是減少消耗，可行的途徑有兩種：一方面通過優(yōu)化頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)和工藝，在不影響正常生產(chǎn)活動的前提下盡量減少消耗；另一方面是廢水回收利用，通過對壓裂液重新回收處理實現(xiàn)二次甚至多次循環(huán)利用，但是在壓裂液的循環(huán)利用中需要防治壓裂液成分可能造成地表水污染的安全隱患。

表4 選定樣本內(nèi)我國31省份頁巖氣勘查開發(fā)地下水污染風險分區(qū)（2010-2013年）

針對地下水污染的風險，在當前技術(shù)水平下，只要水力壓裂技術(shù)中壓裂液的成分不被改變，那么我國頁巖氣勘探開發(fā)始終面臨地下水污染的風險，因此，地下水污染管理的目標是有效控制、杜絕污染。結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，實現(xiàn)地下水管理目標的途徑有兩個：

(1)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新，技術(shù)創(chuàng)新方式也有兩種，一是研制新技術(shù)替代當前的水力壓裂技術(shù)，二是改進壓裂液的成分，盡量選擇無毒無害的環(huán)保原料。

(2)完善頁巖氣勘探開發(fā)管理制度，規(guī)避地下水污染風險，通常規(guī)避風險主要通過加強事前管理的機制，常用措施有：一是要求頁巖氣生產(chǎn)企業(yè)在作業(yè)中水平井壓裂井和內(nèi)壁采用高度安全性材料；二是環(huán)保部門制定水質(zhì)檢測指標，對作業(yè)區(qū)地表水及地下水實時監(jiān)測并公布監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測中的異常情況及時處理；三是采用保證金制度，作業(yè)企業(yè)上繳一定比例地下水污染防治保證金，為污染事件的防治提供資金支持。

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On Water Resources Constraint Issues that we Face in Shale Gas Exploration and Production in China

WANG Jinwei, WU Qiaosheng, ZHAO Tianyu
(School of Management and Economics of China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074)

This paper has set up two indexes for the productionpressure on surface waterand the risk of groundwater pollution in the face of water resources constraint during shale gas resources development and utilization.Through analyzing the water resources stress that 31 provinces faced from 2010 to 2013 in shale gas exploration and production, and by using ARCGIS tool, the corresponding maps for the two risks has been introduced.For the issues concerning the consumption of fresh water resources, this paper points out that our goal is to reduceconsumption. In doing so, we should devote our efforts to reduce consumption through optimizingthe technique and technology of shale gas exploration and development. On the other hand, we shouldre-use waste water through recycling fracturing fuid to reach the secondary or even several times circulating utilization; and, more remarkable, we must pay more attention to preventing and controlling this fact that fracturing fuid composition may cause pollution to surface water. In addition, we must effectively control and eliminate pollution, step up efforts to innovating shale gas exploration and development technology, enhance our efforts to reform the system to manage shale gas exploration and development.

shale gas; exploration and development; water resources; constraints; resource consumption; groundwater pollution

F407.1；F062.1

A

1672-6995（2016）02-0028-07

2015-12-04；

2016-01-06

國家社會科學基金重點項目“頁巖氣和煤層氣開發(fā)利用的能源安全效益、環(huán)境效益和其他社會效益評估”（13AZD078）；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“我國頁巖氣資源勘查規(guī)制研究”（12120113018100）

汪金偉（1989-），男，湖北省黃岡市人，中國地質(zhì)大學（武漢）經(jīng)濟管理學院博士研究生，研究方向：能源經(jīng)濟學、計量經(jīng)濟。