探析頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境影響

張詩航，管英柱，曾帥，吳浩，王梓來

（1. 長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 4301000； 2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

探析頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境影響

張詩航1，管英柱1，曾帥2，吳浩1，王梓來1

（1. 長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 4301000； 2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷進(jìn)行，非常規(guī)油氣的開發(fā)扮演者愈發(fā)重要的角色，其中頁巖氣的開發(fā)已成為當(dāng)今能源行業(yè)一道亮麗的風(fēng)景線?；诃h(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快了天然氣的需求，隨著技術(shù)的發(fā)展提升了頁巖氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，加上政府的鼓勵政策和措施，我國頁巖氣開發(fā)的勢頭方興未艾，未來頁巖氣市場十分廣闊。水平井分段壓裂技術(shù)是改善頁巖氣藏的重要措施更是高效開發(fā)的關(guān)鍵。但是在壓裂的同時也帶來了若干方面的問題如：水資源消耗、引發(fā)地震、溫室氣體逃逸、水污染等。為了環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的開發(fā)頁巖氣，需要加強(qiáng)環(huán)保意識、創(chuàng)新綠色科技、加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管的制度。綠色高效地開發(fā)頁巖氣具有解決我國能源短缺與環(huán)境保護(hù)相統(tǒng)一的現(xiàn)實(shí)意義。闡述了頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境影響以及提出了幾點(diǎn)措施，期望為我國頁巖氣的綠色高效開發(fā)提供參考。

頁巖氣；水力壓裂；環(huán)境污染；水資源

Abstract:With the continuous exploration and development of oil and gas, the development of unconventional oil and gas plays an increasingly important role, in which the development of shale gas has become a hot spot in the energy industry. The environmental protection and economic development accelerate the demand for natural gas; with the development of technology, the economy of shale gas production is enhanced; due to government encourage policies and measures, China's shale gas development is fast, the future shale gas market is very broad.The horizontal well fracturing technology is an important measure to improve the shale gas reservoir and is the key to efficient development. But at the same time, there are some problems in the fracturing, such as water consumption, triggering earthquakes, escaping of greenhouse gas, water pollution and so on.For environmental protection and economic development of shale gas, we need to strengthen environmental awareness, innovate green technologies, and strengthen the system of environmental supervision. The green and efficient development of shale gas has practical significance to solve the problems of energy shortage and environmental protection in China. In this paper, the environmental impact of shale gas development was analyzed, and several measures were puts forward, which could provide some reference for green and efficient development of shale gas in China.

Key words:Shale gas;Hydraulic fracturing;Environmental pollution;Water resources

頁巖氣的概念首次由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的Cuirts教授提出[1]。頁巖氣是一種以吸附或游離狀態(tài)賦存于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中的清潔、高效、非常規(guī)天然氣資源[2-5]。頁巖氣本屬清潔能源但其儲層超低滲特點(diǎn)需要通過儲層改造來獲得工業(yè)氣流，水平井和壓裂技術(shù)的結(jié)合能更好的改善儲層特性，在改善儲層的同時也來了一系列的環(huán)境問題[6-9]。美國和加拿大在頁巖氣開采過程中存在對環(huán)境影響的爭議，有些國家對頁巖氣的開發(fā)持謹(jǐn)慎態(tài)度[10]。在探索頁巖氣開發(fā)的同時，必須重視頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境影響。學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)及管理模式，從而為我國頁巖氣綠色高效的開發(fā)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 中國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

北美頁巖氣的迅速發(fā)展改變了北美天然氣的供應(yīng)格局，影響了世界能源的供給結(jié)構(gòu)，中國是全球除北美以外地區(qū)率先開發(fā)頁巖氣的國家[11]。頁巖氣作為一種清潔、儲量豐富的非常規(guī)天然氣資源，成為全球能源領(lǐng)域勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)，我國頁巖氣的開發(fā)與政府的鼓勵措施和政策是息息相關(guān)的。從2005年開始，我國借鑒北美經(jīng)驗(yàn)啟動頁巖氣地質(zhì)條件評價與勘探開發(fā)先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，2009年，我國開展了頁巖氣資源潛力評價及有利區(qū)帶優(yōu)選，2011年12月，國務(wù)院批準(zhǔn)頁巖氣為第172個獨(dú)立礦種[12]，國家對頁巖氣開采補(bǔ)貼見表1[13,14]，隨著政府的大力支持我國頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)會不斷攀升。

表1 頁巖氣開發(fā)政府補(bǔ)貼Table 1 Shale gas development government subsidies

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，美國能源信息署（EIA）發(fā)布了全球頁巖氣資源儲量評價結(jié)果，中國頁巖氣風(fēng)險氣藏量為1.44×106億m3，技術(shù)可采資源量為3.61×105億m3，我國頁巖氣儲量十分豐富，技術(shù)可采儲量雄踞世界第一。四川、新疆、重慶、貴州、湖北、湖南、陜西這7個地方頁巖氣資源較多占全國總資源量的68.87%，各地區(qū)資源量見圖 1[15]。我國建立的涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)、四川長寧—威遠(yuǎn)等國家級頁巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)取得了豐碩的成果。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的需求會不斷增加，頁巖氣及其他非常規(guī)資源有望成為能源的重要補(bǔ)給。

圖1 中國部分地區(qū)頁巖氣地質(zhì)資源量Fig.1 Geological resources of shale gas in some areas of China

頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）[16]中提到“十二五”期間，我國頁巖氣勘探開發(fā)取得重大突破，成為北美洲之外第一個實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)的國家，為“十三五”產(chǎn)業(yè)化大發(fā)展奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。我國頁巖氣開發(fā)伴隨著機(jī)遇發(fā)展的同時也面臨著頁巖氣開發(fā)技術(shù)尚未掌握、勘探開發(fā)競爭不足、建產(chǎn)投資規(guī)模大、市場開拓較困難等挑戰(zhàn)。在深層水平鉆完井技術(shù)、深層水平井多段壓裂技術(shù)、頁巖氣開發(fā)優(yōu)化技術(shù)、頁巖氣開采環(huán)境評價及保護(hù)技術(shù)等方面需進(jìn)行攻關(guān)研究。

1.2 美國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

美國第一口頁巖氣生產(chǎn)井完成于1821年，它位于紐約Fredonia鎮(zhèn)附近的泥盆紀(jì)頁巖區(qū)[17]。美國頁巖氣開采已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)模式，2009年美國頁巖氣產(chǎn)量接近1 000億m3，超過我國常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量[18]，2014年美國頁巖氣的產(chǎn)量為3 805.5億m3是2009年頁巖氣產(chǎn)量的4倍左右，近幾年美國頁巖氣產(chǎn)量如圖2[19]。

圖2 2008-2014年美國頁巖氣產(chǎn)量變化Fig.2 2008 - 2014 US shale gas production change

在北美“頁巖革命”的帶動下，頁巖氣開發(fā)浪潮席卷全球。美國頁巖氣大規(guī)模的商業(yè)化開采引起國際社會的廣泛關(guān)注，頁巖氣的開發(fā)改變了美國大量進(jìn)口天然氣的局面實(shí)現(xiàn)了能源自主，同時對國際能源格局和國際地緣政治產(chǎn)生了一定的影響[20]。美國頁巖氣大規(guī)模商業(yè)化開采與其先進(jìn)的技術(shù)和管理密不可分，我國還缺乏頁巖氣勘探開發(fā)相關(guān)技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，還需不斷學(xué)習(xí)從而為我國早日實(shí)現(xiàn)頁巖氣綠色高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境影響

2.1 水資源消耗

頁巖氣在成藏與賦存方面有別于常規(guī)天然氣，其儲層具有超低孔滲的特征，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)氣流須通過相關(guān)技術(shù)來改善儲層。水平井與水力壓裂所具有的優(yōu)勢成為了當(dāng)前開采頁巖氣最廣泛的技術(shù)，水力壓裂和水平井技術(shù)的結(jié)合來帶了美國油氣行業(yè)的繁榮，這兩種技術(shù)的結(jié)合在改善儲層的同時也消耗了大量的水資源[4]。表2[21]給出了美國不同頁巖產(chǎn)區(qū)每口水平井多級分段壓裂用水量。我國四川盆地頁巖氣儲量豐富，頁巖氣開發(fā)單井需水量在10 000～

40 000 m3不等，壓裂用水量平均每口井為3.15×104m3，比美國壓裂用水量大[22]。我國西北地區(qū)存在缺水現(xiàn)象，但頁巖氣儲量豐富，如果進(jìn)行大規(guī)模開采會加劇缺水局面。

表2 水平井多級分段壓裂每口井平均用水量Table 2 Average water consumption in multistage fracturing per horizontal well

2.2 水資源污染

頁巖氣開發(fā)不僅造成水資源消耗還會帶來水資源污染，這與頁巖氣水力壓裂中壓裂液有著密切的關(guān)系。頁巖氣開發(fā)采用大規(guī)模水力壓裂，其原理是將含有多種添加劑的壓裂液在高壓條件下注入地層，從而改善儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)達(dá)到增產(chǎn)的目的。壓裂液中含有殺蟲劑、減阻劑、防垢劑、交聯(lián)劑、表面活性劑等多種化學(xué)添加劑（表 3）[23]。如果注入的壓裂液進(jìn)入地下水層這將會帶來嚴(yán)重的水污染。壓裂液返排到地面不僅有添加劑的成分而且還含有溶解性鹽類、放射性元素、重金屬等其他化學(xué)物質(zhì)，壓裂液中鹽分含量可達(dá)10%以上，大量廢水進(jìn)入水體，對水環(huán)境的影響十分嚴(yán)重[24]。返排出的壓裂液成分復(fù)雜處理難度大。

表3 水力壓裂液主要成分的體積分?jǐn)?shù)Table 3 The volume content of main components of hydraulic fracturing fluid

2.3 大氣污染

頁巖氣的主要成分是甲烷，和常規(guī)天然氣一樣在開發(fā)過程中有部分甲烷泄漏到空氣中，與常規(guī)天然氣開發(fā)相比在頁巖氣開發(fā)過程中甲烷泄漏量要多些（表 4）[25]。甲烷可以從壓裂的裂縫中逸出，也可能有部分甲烷溶解在壓裂液中，從而隨著返排液帶到地面。甲烷是一種重要的溫室氣體其溫室效應(yīng)是二氧化碳28倍[26]。從溫室效應(yīng)的角度考慮，在頁巖氣開發(fā)中甲烷的泄漏不容忽視，應(yīng)該有效的減少泄漏并提高利用率。在生產(chǎn)的過程中應(yīng)對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，避免甲烷的泄漏造成大氣污染以及資源的浪費(fèi)。

表4 常規(guī)天然氣與頁巖氣在開發(fā)過程中甲烷泄漏對比Table 4 Methane leakage contrast in the development process of conventional natural gas and shale gas

2.4 其他方面影響

頁巖氣在開發(fā)過程中可能誘發(fā)輕微的地震，雖然誘發(fā)的地震震級微小，但是人們應(yīng)該引起足夠的重視。在開發(fā)初期選址建設(shè)場地會占用一部分土地，在生產(chǎn)作業(yè)過程中機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)會帶來噪音，從而影響周圍居民的生活。四川地區(qū)頁巖氣生產(chǎn)作業(yè)過程中帶來的影響，導(dǎo)致居民不讓工程車進(jìn)村的情況[27]。頁巖氣開采所帶來的環(huán)境影響使得人們對頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生了質(zhì)疑，有些國家如德國、英國等相繼加入了禁止開采頁巖氣的行列。因此在頁巖氣開發(fā)的同時務(wù)必重視其帶來的影響。

3 頁巖氣綠色高效開發(fā)的建議

3.1 探索和采用新技術(shù)

水力壓裂消耗了大量的水資源，壓裂液注入到地層中引起的水資源污染以及壓裂返排液中成分復(fù)雜、處理難度大等一系列由水力壓裂引起的問題?？梢蕴剿鰿O2泡沫壓裂技術(shù)、LPG等無水壓裂技術(shù)，來改善水力壓裂所帶來的環(huán)境影響。在壓裂的同時采用裂縫監(jiān)測技術(shù)來實(shí)時監(jiān)測裂縫擴(kuò)展動態(tài)，研發(fā)與探索新型壓裂液體系降低污染程度。

3.2 完善頁巖氣開發(fā)評價與監(jiān)管體系

在頁巖氣勘探開發(fā)選址評價標(biāo)準(zhǔn)中將水資源和環(huán)境影響指標(biāo)納入其中，頁巖氣開發(fā)選址應(yīng)秉承不影響周圍居民生活、河水流域、農(nóng)林業(yè)等方面的原則。明確頁巖氣開發(fā)過程中的污染源，對污染源所帶來的污染要有詳盡的評估方案。加強(qiáng)頁巖氣開采過程中的監(jiān)測力度，從而最大程度減少污染。建立監(jiān)管評價機(jī)構(gòu)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)對頁巖氣開發(fā)的企業(yè)進(jìn)行定期審查。

4 結(jié)束語

頁巖氣作為重要的非常規(guī)油氣資源，已成為全球油氣資源勘探與開發(fā)的新亮點(diǎn)，其在改變能源供給結(jié)構(gòu)的同時也帶來了若干方面的問題如水資源消耗、水體污染、溫室氣體排放等方面問題。以綠色、環(huán)保、高效開發(fā)為宗旨，為了減少水力壓裂帶了的影響可以探索其他的壓裂技術(shù)如 CO2泡沫壓裂技術(shù)、LPG壓裂技術(shù)等，在改進(jìn)技術(shù)的同時還需要建立完善的監(jiān)管評價體系。我國頁巖氣開發(fā)相對其他國家而言起步較晚，在自主探索的同時需要學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)。

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Analysis on the Environmental Impact of Shale Gas Development

ZHANG Shi-hang1,GUAN Ying-zhu1,ZENG Shuai2,WU Hao1,WANG Zi-lai1

（1. Institute of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China；2. Institute of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China）

TE 662.2

A

1671-0460（2017）09-1855-04

2017-06-21

張詩航（1992-），男，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向：采油氣工藝?yán)碚撆c技術(shù)。E-mail：1002372784@qq.com。

管英柱（1972-），男，副教授，博士，主要從事油氣開采技術(shù)研究。E-mail：guanyzh@yangtzeu.edu.cn。