頁巖氣開發(fā)的水環(huán)境和大氣環(huán)境影響研究綜述

侯彥希

摘 要：在經(jīng)濟發(fā)展、保障能源供給的推動下，中國已成為美國之后第二個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的國家。在大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)背景下，研究頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境影響非常重要。通過對現(xiàn)有頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響研究的整理，重點關注頁巖氣開發(fā)的水環(huán)境和大氣環(huán)境影響。發(fā)現(xiàn)頁巖氣開發(fā)中采用的水力壓裂技術對水資源的大量消耗給地區(qū)用水帶來了挑戰(zhàn)，開采過程中壓裂液的使用和對返排水的處理隱藏著污染地下水的可能。在頁巖氣開發(fā)中，存在著的甲烷泄漏帶來了增強溫室效應的風險。頁巖氣井地面工程建設過程中的廢氣排放造成了地區(qū)大氣環(huán)境污染。頁巖氣開發(fā)的水環(huán)境和大氣環(huán)境污染風險揭示了在頁巖氣開發(fā)中關注環(huán)境影響，利用管理手段與工程技術革新控制環(huán)境風險的必要性。

關鍵詞：頁巖氣開發(fā)；水環(huán)境；大氣環(huán)境； 研究綜述

隨著世界能源需求飛漲，傳統(tǒng)能源來源中的常規(guī)油氣資源勘探、開發(fā)難度不斷增加，非常規(guī)油氣資源已日益顯得重要。從勘探角度看，世界油氣工業(yè)已悄然進入常規(guī)與非常規(guī)油氣資源并重的時代，且非常規(guī)油氣資源在世界油氣工業(yè)中所占的比重越來越大。在非常規(guī)油氣資源中，有著自生自儲、分布廣、埋藏淺、生產(chǎn)周期長等特點的頁巖氣占據(jù)著重要的地位。如2000年，美國頁巖氣產(chǎn)量只有110億立方米，在天然氣總產(chǎn)量中僅占 1. 6% 。到 2010 年，美國頁巖氣產(chǎn)量上升至1378億立方米，在天然氣總產(chǎn)量中占比達 23% 。

中國工業(yè)化與城市化的迅速發(fā)展，引發(fā)了能源需求的日趨旺盛。早在2009年，中國的能源消耗總量就超越美國躍居世界首位。①在這種背景下，頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源開始受到重視。逐步成為了北美之外全球第二個實現(xiàn)頁巖氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的國家。以我國頁巖氣開發(fā)規(guī)模最大、最具代表性的重慶市涪陵頁巖氣田為例，截至目前，累計開鉆頁巖氣井321口，投產(chǎn)215口，年生產(chǎn)能力達到5.449×109m3，日產(chǎn)能力達到1.651×107m3，累計生產(chǎn)頁巖氣6.64×109m3。

在頁巖氣進入商業(yè)化開發(fā)階段后，頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響也開始逐漸凸顯。為此本文通過對現(xiàn)有文獻的研究，梳理了頁巖氣對水環(huán)境和大氣環(huán)境的影響，以期為我國今后在頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境保護提供借鑒。

一、頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境的影響

由于頁巖構造的地質(zhì)特性，一般頁巖氣藏均需采用特殊的工程手段處理后才能實現(xiàn)較好的出產(chǎn)。統(tǒng)計表明僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁巖氣井可直接投入生產(chǎn)， 其余90 %以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通天然裂縫，以提升頁巖氣產(chǎn)量。頁巖氣的開采技術主要依賴水力壓裂技術。水力壓裂技術基本流程是在完成鉆井的鉆探和安裝后，將高壓液體混合物注入鉆井，使氣藏巖層裂開，高壓液體中的支撐劑進入裂縫后使其保持開放狀況，以提升頁巖氣產(chǎn)量。頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境的影響主要來自頁巖氣開采技術中的水力壓裂技術，主要表現(xiàn)為對水資源的大量消耗和潛在的水環(huán)境污染風險。

（一）水力壓裂技術對水資源的大量消耗

水平井大規(guī)模水力壓裂技術是頁巖氣開發(fā)過程中的關鍵技術。在頁巖氣井水力壓裂改造過程中，通過高壓泵將大量水、化學添加劑和支撐劑混合物注入地層，形成復雜的裂縫網(wǎng)絡，來提高滲透率，增加頁巖氣井的產(chǎn)出。

從頁巖氣井單井用水量來看，一般在8 000～100 000 m?，

平均約為15 000m?。根據(jù)美國環(huán)保署的統(tǒng)計，美國單口頁巖氣井耗水量一般在7600?19000m?，而在中國，因為地質(zhì)原因與技術水平的差異，單口頁巖氣井耗水量為10000?24000m?。此外，亦有研究認為一口頁巖氣水平井的耗水量最低為6700m?，最高可達33000m?。Scanlon等估計EagleFord頁巖氣井水資源消耗量大約在1.7?1.8×104m?/口，而Bakken頁巖氣井的水資源消耗量則在0.73×104m?/口左右，是前者的1/2。

張東曉，楊云婷指出，應當從單位能源用水密度、是否增加地區(qū)供水壓力兩方面來評估頁巖氣開發(fā)水資源消耗影響。頁巖氣井用水幾乎全部集中于初期完井階段（不考慮重復壓裂），此外頁巖氣井生命周期可達30 年，基于現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)估計用水密度存在較大不確定性。從地區(qū)供水角度看，由于生產(chǎn)活動和壓裂取水通常集中于某一區(qū)域，占當?shù)赜盟壤赡茌^高，且開發(fā)作業(yè)時需要在較短時間內(nèi)獲取鉆井壓裂所需用水，在干旱季節(jié)或缺水地區(qū)仍會存在供水壓力，會對流域產(chǎn)生累積影響。

以上針對頁巖氣開發(fā)耗水強度的研究，其最終的結(jié)果都提示我們應當注意頁巖氣開發(fā)應注意地區(qū)的水資源賦存量，尤其是短時間地區(qū)供水能力能否應對頁巖氣開發(fā)短時間對水資源的大量需求，避免對區(qū)域用水產(chǎn)生不利影響。

（二）頁巖氣開發(fā)對水資源的污染風險

水資源污染是頁巖氣開發(fā)中后果最嚴重也最具爭議的問題。在頁巖氣開發(fā)對水資源污染的研究中，受到關注的是壓裂液和地層水潛在的環(huán)境危害，這兩種水統(tǒng)稱回流水。此外有研究者將水平井壓裂結(jié)束后返排至地面的壓裂液稱為返排水。

回流水的體積占原來水力壓裂過程中注入高壓液體的30%?70%，亦有研究認為壓裂液在水平井壓裂結(jié)束后，返排水的比例為5%?80%。水平壓裂所使用的壓裂液包含的成分十分復雜，表1列舉了典型壓裂液的成分和含量。在返排水中，對環(huán)境和人體有害的化學物質(zhì)，其來源除了壓裂液中人為添加的化學品，還有來自壓裂過程中地下深層巖石中天然還有的致癌物質(zhì)的釋放，包括放射性物質(zhì)鈾、輕腐蝕性鹽和苯。此外，甲烷作為天然氣的主要成分會釋放進入水體而造成污染。Howarth等指出頁巖氣開采過程中釋放的甲烷可能大于傳統(tǒng)氣井的釋放量。

回流水或者返排水對水環(huán)境的潛在危害主要集中在兩個方面，一是注入的壓裂液和儲集層高礦化度地層水是否會向上運移，污染地下水，二是套管與固井缺陷造成的淺層流體泄露。此外，返排水處理過程也有可能造成水環(huán)境的污染。美國勞倫斯伯克利國家實驗室在《水力壓裂對水資源影響報告》中提出了3 種深層流體運移機理假設：（1）儲集層流體通過壓裂裂縫進入封隔不當?shù)奶骄驈U棄井；（2）壓裂裂縫穿過整個上覆巖層，連通地下水；（3）休眠的斷層和天然裂縫被激活，連通儲集層和地下水。雖然理論上不能排除后兩類污染機理的可能性，但目前沒有證據(jù)表明存在這樣的裂縫或斷層。

二、頁巖氣開發(fā)對大氣環(huán)境的影響

頁巖氣開發(fā)對大氣環(huán)境的影響主要指頁巖氣開發(fā)帶來的甲烷氣體泄漏和廢氣排放造成的溫室氣體效應及大氣污染。其主要途徑有：甲烷氣體泄漏、壓裂現(xiàn)場廢氣排放、動力機械尾氣。

（一）頁巖氣開發(fā)過程中的甲烷泄漏

甲烷氣體是高溫室效應的氣體，其貢獻了18% 的氣候效應，貢獻度位居各類溫室氣體第二位。 頁巖氣的主要成分是甲烷氣體（CH4） ，它產(chǎn)生溫室效應是通過甲烷氣體燃燒時排放CO2和開采時甲烷氣體泄漏兩個途徑。美國的研究者曾在氣候變化（Climatic Change） 期刊上發(fā)表文獻指出，頁巖氣比常規(guī)天然氣更容易泄漏，泄漏量在完井鉆穿氣孔的時候會大幅度的增加。據(jù)統(tǒng)計排放甲烷氣體最多的途徑是水力壓裂液的返排過程并且頁巖氣的泄漏量會達到巖氣井預測總產(chǎn)量1. 6%左右。亦有研究表明頁巖氣從開發(fā)到消費的整個生命周期內(nèi)泄漏的甲烷為3. 6% ～ 7. 9%。

（二）頁巖氣開發(fā)帶來局部空氣污染

頁巖氣地面建設施工過程中會排放大量有害的空氣污染物，包括二氧化碳、二氧化硫和顆粒物等，加上施工時產(chǎn)生大量塵土和交通揚塵，更容易使空氣中顆粒物增加。頁巖氣采氣、集輸處理過程中會產(chǎn)生有機化合物、氮氧化物、二氧化碳等，還可能排放硫化氫、苯、甲苯等毒性物質(zhì)。而且，有機化合物和氮氧化物在陽光作用下易在地表形成臭氧，產(chǎn)生新的空氣污染物。

彭民，楊洪波，李玉喜等認為，頁巖氣開采造成局部空氣污染的表現(xiàn)主要有三個：（1）釋放有毒氣體。（2）形成煙霧污染。（3）造成局部地區(qū)粉塵污染。此外，水力壓裂過程需要使用大量的化學添加劑，具有揮發(fā)性的化學品會在存貯、配置過程逸散揮發(fā)，或隨著甲烷氣體泄露，從壓裂井下帶出，在施工場地周圍形成一個高濃度污染區(qū)域，在動力機械施工過程中，各種柴油動力設備會消耗大量柴油，這些設備尾氣排放的CO、NOx廢氣排放也會導致地表臭氧濃度偏高。

三、結(jié)論與討論

頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境的影響一方面來自于開發(fā)過程中對水資源的大量消耗，其特點是持續(xù)時間較短但強度大，對地區(qū)的水資源供給能力帶來挑戰(zhàn)，一旦處理不當或者頁巖氣開發(fā)地區(qū)水資源賦存量不足，會影響地區(qū)用水；另一方面，頁巖氣開發(fā)依賴水力壓裂技術，壓裂液配方復雜且含有對人體有害的化學物質(zhì)，給地下水帶來隱患，一旦固井不當、套管破裂獲返排水處理不當，泄漏的壓裂液、返排水有污染地下水的可能。在頁巖氣開發(fā)過程中，作為頁巖氣主要成分之一的甲烷，存在著較高的泄漏可能性。最后，頁巖氣地面工程建設也伴隨著大氣污染物的排放。

從能源利用的角度來看，頁巖氣是一種相對清潔的能源資源，但是從能源開發(fā)的角度去考察，頁巖氣因為其工程建設手段、開發(fā)技術，對水環(huán)境和大氣環(huán)境有著較為顯著的影響。因此，應當特別注重頁巖氣開發(fā)中的環(huán)境風險管理，不斷開發(fā)新的頁巖氣開發(fā)技術，加強施工現(xiàn)場污染排放的監(jiān)測、管控，減少對水環(huán)境和大氣環(huán)境的影響，以獲得經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的雙贏。

注釋：

①參見新浪財經(jīng)，中國超過美國成為第一大能源消費國http：//finance.sina.com.cn/g/20100720/03568324755.shtml。另一種關于這一時間點的說法是2011年，具體見搜狐財經(jīng)，中國去年能源消費總量超美國http：//business.sohu.com/20120528/n344193279.shtml。

②根據(jù)Gregory K B， Vidic R D， Dzombak D A. Water management challenges associated with the production of shale gas by hydraulic fracturing[J]. Elements， 2011， 7（3）： 181-186.整理

參考文獻：

[1]趙靖舟.非常規(guī)油氣有關概念、分類及資源潛力[J].天然氣地學，2012，23（3）：393-406.

[2]高輝清.美國頁巖氣革命及其對我國的影響[J].發(fā)展研究，2012，12：12-16.

[3]梅緒東，張思弋，熊德明等.涪陵頁巖氣開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響及保護對策[J].西南石油大學學報：社會科學版，2016，18（6）：7-12.

[4] Jarvie D. Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett shale， Ft. Worth basin， Texas[ R] .Texas： Humble Geochemical Services Division ， 2004.

[5]張東曉，楊婷云.美國頁巖氣水力壓裂開發(fā)對環(huán)境的影響[J]. 石油勘探與開發(fā)，2015，12（42-6）： 801-807.

[6] Vengosh A， Jackson R B， Warner N， et al. A critical review of the risks to water resources from unconventional shale gas development and hydraulic fracturing in the United States[J]. Environmental Science & Technology， 2014， 48（15）： 8334-8348.

[7]何敏，王丹，張思蘭等. 淺談頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境的影響[J]. 油氣田環(huán)境保護，2016，4（26-3）： 33-37.

[8] Nicot J-P. Assessment of industry water-use in the Barnett Shale gas play（For Worth Basin）[J]. Gulf Coast Association of Geological Societies Transactions，2009，59： 539-551.

[9]丁貞玉， 劉偉江， 周穎， 等. 美國頁巖氣開采的水環(huán)境監(jiān)管經(jīng)驗研究[J]. 油氣田環(huán)境保護， 2013， 23（4）： 4-8.

[10]竹濤， 陸玲， 張珊珊， 等. 頁巖氣勘探開發(fā)環(huán)境風險探究[J]. 環(huán)境工程， 2013， 31（6）： 74-77.

[11] Clark C E， Horner R M， Harto C B. Life cycle water consumption for shale gas and conventional natural gas[J]. Environmental Science & Technology， 2013， 47（20）： 11829-11836.

[12]Scanlon B R，Reedy R C， Nicot J P. Comparison of Water Use for Hydraulic Fracturing for Unconventional Oil and Gas versus Conventional Oil[J]. Environmental Science & Tecnology，2014，48：12386-12393.

[13]吳青蕓， 鄭猛， 胡云霞. 頁巖氣開采的水污染問題及其綜合治理技術[J]. 科技導報， 2014， 32（13）： 74-83.

[14] Office of Fossil Energy and National Energy Technology Laboratory， US Department of Energy. Modern shale gas development in the United States： A primer[R]. Oklahoma： Gound Water Protection Council， 2009.

[15] Gregory K B， Vidic R D， Dzombak D A. Water management challengesassociated with the production of shale gas by hydraulic fracturing[J].Elements， 2011， 7（3）： 181-186.

[16] Ohio Department of Natural Resources. Preliminary Report on theNorth Star 1 Class II Injection Well and the Seismic Events in theYoungstown， Ohio Area （Ohio Department of Natural Resources，Columbus， OH） [R]. 2013.

[17] Howarth R W， Santoro R， Ingraffea A. Methane and the greenhouse-gasfootprint of natural gas from shale formations[J]. Climatic Change， 2011，106（4）： 679-690.

[18] Howarth R W， Santoro R， Ingraffea A. Venting and leaking of methanefrom shale gas development： Response to Cathles et al[J]. ClimaticChange， 2012， 113（2）： 537-549.

[19] U.S. Environmental Protection Agency. Study of the potentialimpacts of hydraulic fracturing on drinking water resources[R].Washington D C： U.S. Environmental Protection Agency， 2012.

[20]程鵬立. 頁巖氣勘查開發(fā)的環(huán)境風險及其應對機制研究[J]. 南京工業(yè)大學學報（社會科學版），2016，6（15-2）：61-67.

[21]李小敏，史聆聆，馬健鋒等. 我國頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響特征[J]. 環(huán)境工程：139-143.

[22]朱紅威，邵菊芳，冷云偉等. 利用生物過濾器處理煤礦乏風瓦斯的研究進展[J].環(huán)境污染與防治，2014，3，6（ 6） ： 65-72.

[23] Hansen J，White P. Global warming in the twenty first century： an alternative scenario[J].Geophysics，2010，97（ 18） ： 9875-9880.

[24]林伯強.頁巖氣是中國的菜嗎[N]. 東方早報，2013-03-19： 008.

[25]羅東坤，袁杰輝，接桂馨. 頁巖氣開發(fā)地面工程環(huán)境影響及控制[J]. 油氣田地面工程，2014，11（33-11）：6-7.

[26]彭民，楊洪波，李玉喜等. 頁巖氣資源開發(fā)的環(huán)境影響研究綜述[J]. 資源開發(fā)與市場，2015，31（3）：327-331.