非常規(guī)天然氣開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響分析

五邑大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 黃一鳴

1 引言

21世紀(jì)以來，非常規(guī)天然氣開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，相關(guān)技術(shù)發(fā)展快速，儼然形成了一次天然氣革命。全球能源資源供需格局與能源相關(guān)的學(xué)科發(fā)展已發(fā)生了根本性的變化，而在開發(fā)非常規(guī)天然氣的過程中，環(huán)境直接或間接地受到了不同程度的影響。本文對(duì)天然氣在環(huán)境方面的影響進(jìn)行了分析。

2 環(huán)境影響

2.1 溫室氣體排放

天然氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的溫室氣體比煤炭或石油燃燒時(shí)產(chǎn)生得少。在燃燒發(fā)電廠中，使用天然氣作為燃料能夠比燃煤燃燒減少50%～60%的CO2排放量。在相同汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率下，天然氣燃燒能比汽油燃燒減少15%～20% CO2排放量。但是，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，天然氣的開采和運(yùn)輸依然對(duì)環(huán)境有著深刻的影響。

通過天然氣的鉆探和運(yùn)輸所造成的天然氣泄漏對(duì)全球變暖有巨大的影響。在過去的100年時(shí)間里，天然氣主要成分的熱捕捉能力是CO2的34倍，而在過去的20年時(shí)間內(nèi)，熱捕捉能力達(dá)到CO2的86倍。根據(jù)實(shí)地考察，這些逃逸的天然氣占天然氣總生命周期排放量的1%～9%。

天然氣是否具有比煤炭和石油更低的生命周期溫室氣體排放取決于所假設(shè)的泄漏率、甲烷導(dǎo)致全球變暖的潛能、能量轉(zhuǎn)化效率和其他因素。有研究指出，為了在未來的20年內(nèi)或更短的時(shí)間內(nèi)比燃煤電廠具有更低的生命周期排放量，天然氣發(fā)電廠的甲烷損失率必須低于3.2%。如果算上天然氣在車輛燃燒中的邊際效益，那么與柴油和汽油相比，甲烷的損失率必須低于1%和1.6%。要想達(dá)到這種效果，適當(dāng)?shù)恼吆屯顿Y是其中的關(guān)鍵因素。

2.2 空氣污染

天然氣的燃燒比其他化石燃料更清潔，燃燒過程中只釋放微量的硫、水銀和顆粒物。燃燒天然氣實(shí)際上會(huì)釋放煙霧的前驅(qū)物——氮氧化物NOX，但依然比車用汽油和柴油釋放的NOX少。有研究指出，每萬(wàn)戶美國(guó)家庭使用天然氣供能而不是燃煤供能每年可以減少1 900 t NOX，3 900 t SO2和5 200 t顆粒物。當(dāng)這些污染物與一些疾病相關(guān)時(shí)，例如支氣管炎、肺癌、哮喘和心臟病，減少這些污染物的排放能給公共健康方面帶來益處。

盡管天然氣是清潔能源，但是非傳統(tǒng)天然氣的發(fā)展能影響當(dāng)?shù)鼗蚓植康貐^(qū)的空氣質(zhì)量。一些鉆探地區(qū)經(jīng)歷了有毒空氣污染物和顆粒物的富集，會(huì)對(duì)人們的健康和環(huán)境造成有害的影響。人暴露在高濃度空氣污染物中會(huì)造成嚴(yán)重的健康問題，包括呼吸道問題，心臟疾病和癌癥。研究顯示，住在離天然氣鉆井少于半英里的地區(qū)的居民比那些住在離鉆井更遠(yuǎn)的地區(qū)的居民會(huì)遭受更大的健康風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 土地和棲息地的侵蝕

天然氣開發(fā)所需要的建設(shè)和對(duì)土地的擾動(dòng)不僅會(huì)改變土地的性質(zhì)，同時(shí)還會(huì)侵蝕和分割野生生物的棲息地并改變它們的遷移模式，從而對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成危害。當(dāng)天然氣公司在目標(biāo)地點(diǎn)建立井場(chǎng)，鋪設(shè)管道和清理道路時(shí)，建設(shè)過程會(huì)引起土壤和礦物質(zhì)流失，并污染附近水源。研究發(fā)現(xiàn)，水力壓裂對(duì)環(huán)境的潛在影響包括加速水土流失、增加化學(xué)物溢出導(dǎo)致水被污染的風(fēng)險(xiǎn)、棲息地破碎化和表面徑流減少。

2.4 水資源污染

非常規(guī)天然氣開發(fā)會(huì)對(duì)臨近社區(qū)居民帶來健康方面的影響，因?yàn)樗麄冿嬘昧耸艿交瘜W(xué)污染的水。利用水壓鉆探天然氣井、處理和提煉天然氣或處理污水的過程都會(huì)使水資源受到污染。放射性物質(zhì)、甲烷和其他地下煤氣有時(shí)自然而然地從不規(guī)范的套管井滲透到飲用水源中去。甲烷與嚴(yán)重的健康影響沒有直接相關(guān)性，但大量的甲烷聚集會(huì)引發(fā)易燃易爆方面的問題。在某些地區(qū)，非常規(guī)天然氣的開發(fā)還會(huì)引起可用水資源方面的問題。

2.4.1 地下水

有案例記錄說明臨近天然氣井的地下水會(huì)被混入各種氣體的壓裂液污染，包括甲烷和其他揮發(fā)性有機(jī)化合物。造成水體污染的主要原因是不規(guī)范的鉆探操作或者是故障的天然氣井令氣體泄漏到水體中。自然或人為導(dǎo)致的地表下巖石的斷裂會(huì)使從油氣層釋放出的雜亂氣體進(jìn)入地下水源，從而令水體污染。除此之外，在個(gè)別案例中，因天然氣井的荒廢或不良好的密封性能，壓裂液會(huì)從破裂的巖層或故障的污水機(jī)坑里襯漏出。

2.4.2 地表水

非常規(guī)的油氣開發(fā)會(huì)帶來地表水被污染的風(fēng)險(xiǎn)?；瘜W(xué)物質(zhì)、柴油、現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備的液體的溢出和泄漏以及污水儲(chǔ)存設(shè)施和處理設(shè)施中污水的泄漏會(huì)造成上述問題。與地下水污染不同的是，地表水污染往往與土地管理、現(xiàn)場(chǎng)及非現(xiàn)場(chǎng)的化學(xué)品和污水管理相關(guān)。目前，已經(jīng)有超過1 000 種化學(xué)添加劑用于水力壓裂，包括酸(特別是鹽酸)、殺菌劑、除垢劑和摩阻減低劑。可能對(duì)于天然氣井而言，只需要用到其中的一些化學(xué)添加劑，但它們的選擇與特定的天然氣井的地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。大量的化學(xué)品運(yùn)輸和儲(chǔ)存到井場(chǎng)當(dāng)中，如果沒有嚴(yán)格管理，那么這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)在運(yùn)輸?shù)倪^程中溢出或泄漏。

在鉆探過程中，泥漿、柴油和其他液體會(huì)溢出到地表上，返排或生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生廢水的不當(dāng)管理也會(huì)導(dǎo)致泄漏和溢出，這些因人為不當(dāng)所導(dǎo)致的現(xiàn)象會(huì)給環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.3 水資源消耗

隨著水力壓裂的使用，水的大量消耗會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡叵滤偷乇硭?yīng)造成壓力，尤其是缺水地區(qū)。每個(gè)天然氣井所消耗水的總量根據(jù)地理和巖層結(jié)構(gòu)的不同而有所不同。2011年美國(guó)35 000口天然氣井消耗水的總量達(dá)到700億～1 400 億加侖。其他能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)的水消耗具有可恢復(fù)性，能夠直接排放到河流或湖中，而天然氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)所消耗的水不具有可恢復(fù)性?；诓煌愋汀⒉煌攸c(diǎn)、不同深度的天然氣井，第一次使用水力壓裂所消耗的水量達(dá)到了3百萬(wàn)～12百萬(wàn)加侖，相當(dāng)于傳統(tǒng)天然氣開發(fā)需水量的數(shù)十倍。而一般的頁(yè)巖氣井開發(fā)的需水量是一般非常規(guī)天然氣井開發(fā)需水量的兩倍。

2.5 引發(fā)地震

水力壓裂自身與低震級(jí)地震活動(dòng)相關(guān)（一般低于2矩震級(jí)），但這些輕微的地質(zhì)活動(dòng)通常無法在地表上被探測(cè)到。然而，將高壓水注入第二級(jí)注入井深處行為已經(jīng)被證實(shí)與更大震級(jí)的地震活動(dòng)相關(guān)。過去10年，至少一半在美國(guó)本土發(fā)生的高于或等于4.5矩震級(jí)的地震活動(dòng)均發(fā)生在這些潛在的因注入高壓水而誘發(fā)地震活動(dòng)的區(qū)域。盡管將地震歸因于注入高壓水的行為很難被證實(shí)，但在很多案例中時(shí)間和地點(diǎn)均對(duì)以上假設(shè)進(jìn)行了有力的支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

非常規(guī)天然氣的開發(fā)對(duì)人類減少化石燃料的依賴以及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。與此同時(shí)，人們不能忽略在非常規(guī)天然氣生產(chǎn)和使用過程中對(duì)環(huán)境所造成的若干影響。非常規(guī)天然氣革命的下一步目標(biāo)是盡可能減少不同環(huán)境下可能造成的環(huán)境破壞和對(duì)人健康的影響，只有在可持續(xù)綠色發(fā)展的前提下，新的能源革命才是人類可持續(xù)發(fā)展所需要的。