頁巖氣開發環境問題研究

王楠

（國土資源部油氣資源戰略研究中心 北京 100034）

頁巖氣在全球范圍內大量開采的同時，環境問題也日益凸顯，有的甚至影響到了政府開采的決心。事實上，已有頁巖氣商業開采的美國、加拿大都存在對頁巖氣開采過程中環境影響的爭議，部分州、地區也因環境問題中止了部分頁巖氣開發項目。除波蘭外，歐洲的大部分地區尚未進行頁巖氣系統勘探，歐洲對頁巖氣開發還存在不小的疑問。2011年法國成為第一個對頁巖氣開采說“不”的國家，英國也對頁巖氣開發持謹慎態度，至今已有許多國際環保組織開展了類似“反對頁巖氣開采”的活動。

我國業界在該領域的研究尚屬起步階段，針對其中的關鍵問題，應客觀分析現狀，充分利用已有研究成果和國外先進經驗，以積極的態度應對新型能源時代所帶來的環境問題。

一、頁巖氣開發過程中的主要環境問題

2011年4月，美國康奈爾大學的研究小組公布了一份關于頁巖氣的研究報告，該報告嚴厲指出了頁巖氣開發所帶來的包括溫室氣體排放和破壞水資源等在內的一系列環境問題。不久BBC也制作了一期節目，斥責頁巖氣的清潔程度甚至不如煤炭。同年7月，美國著名雜志《今日物理》刊載David Krame的題為“頁巖氣開采面臨越來越大的公眾反對壓力和法規監管挑戰”的文章，認為頁巖氣開采過程的環境問題延誤了其在美國東北地區的發展。

頁巖氣開發過程中面臨的主要環境問題有以下幾種：一是水力壓裂過程中使用壓裂液的潛在風險；二是壓裂之后的廢水處理問題；三是壓裂造成的地下水污染問題；四是淡水資源的大量消耗問題；五是溫室氣體排放問題；六是開采過程中伴生的其他環境問題。

1、水力壓裂過程中使用壓裂液的潛在風險

水力壓裂技術是目前唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙，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。頁巖氣水力壓裂技術主要使用砂子和水，行業最初拒絕透露用于水力壓裂的壓裂液成份，稱其為“商業秘密”。近年來，在監管機構的壓力下，壓裂液的成份也逐漸明晰。通常情況下，壓裂液的成份為：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，其中的化學添加劑達250余種，包括苯、甲苯、二甲苯等這些已知的人類致癌物，并且是被美國政府法律管制的污染物。美國14家油氣公司過去5年使用了約295萬立方米壓裂液，其中包括750種化學產品和有毒物質。也有研究報告稱，這些化學成分被廣泛應用于各種領域，甚至很多日常產品中也有應用，在高稀釋的情況下，是不大可能對人類健康造成風險的。但無論怎樣解釋，壓裂液中的確含有多種致癌有害物質，且使用量巨大，潛在風險極高。

2、壓裂之后的廢水處理問題

壓裂過程中，使用的壓裂液完成操作后會有注入量的15%～80%回流到地表，這些巨量廢水的處理問題也非常嚴峻。廢水中的化學物質部分來自于壓裂液中的苯等，部分來自于壓裂過程中深層巖石滲透出的放射性物質，如鈾、鹽和苯，有時還有少量的鐳，其有毒鹽水濃度是海水濃度的6倍。

水力壓裂給水處理帶來了巨大挑戰：頁巖氣井中回收的廢水含有碳氫化合物、重金屬、污垢以及化學鹽分，普遍認為是最難處理的一類工業污水。美國目前的廢水處理辦法主要有三種：注回地下、處理后排放到地表水系、循環再利用。注回地下有嚴格的條件限制，取決于廢棄礦井的位置、評估地下水污染風險等；排放到地表要做無害化處理，對水處理公司要求很高，非專業技術不能達到；若投以循環再利用，則是最為經濟和安全的辦法，無論從成本還是環保考慮，水資源的循環利用都是油氣工業發展的未來趨勢。但是專業水處理公司的存在和發展都將直接制約該產業的健康運轉和環境的良性走向。有人計算嚴格的廢水處理將導致單一的頁巖氣井成本增加7%，但對較大型的頁巖氣開發，成本將會低很多。

3、壓裂造成的地下水污染問題

至于地下水的滲透問題，一般來說，飲用水含水層通常在地表以下的百米左右，而頁巖氣儲層則在數百米甚至千米以下。即使在垂直裂隙發育地區，含水層深度與頁巖氣儲層仍有一定距離。通過水層的井管是用混凝土和鋼材料包裹，氣體泄露基本上是不可能的，但是若有失敗，也會及時用水泥密封。美國的頁巖氣業界聲稱，“地下水污染更頻繁的發生在與頁巖氣無關的產業，在頁巖氣被嚴格監管的情況下，沒有地下水的污染或破壞被歸因于頁巖氣的水力壓裂行為”（Joseph J.Lee，賓夕法尼亞州環保部）。

能源界認為出現污染案例并非壓裂技術的問題，而是由于井身缺陷、管理不當等原因造成的，可以通過加強管理避免。但是可以證實的是，2011年5月，美國杜克大學的研究人員表示，在賓夕法尼亞州使用水力壓裂法開采頁巖氣的地區，地下水中甲烷含量比未鉆探區域高出17倍。可能是由于鉆探設備缺陷導致的，而研究并未發現注入頁巖層的化學物質會向上流動影響淺層地下水。這些物質是否會在地下發生移動，從而污染地下水，目前還需要更多研究證實。雖然這個問題缺乏研究和有效證據，但風險尚不能排除，而一旦證實或發生了危害，后果將非常嚴重。

4、淡水資源的大量消耗問題

在美國，采用水力壓裂法的頁巖氣開采是耗水量最多的行業之一，水平井壓裂的用水量是直井壓裂用水量的5倍左右。頁巖氣離開水平井，大型壓裂就沒有產量，即便如此，單井日產量大多低于1萬立方米，因此要上產量，就要多打井。大型壓裂每口井平均用水2—4萬立方米，美國有5萬多口頁巖氣井，用水量可想而知。這完全可能影響當地生活、城市以及工業用水，對于缺水和干旱地區，這一巨大負擔更難以承受。

如此巨大的耗水量，加上壓裂中添加的化學劑對地下水和地表水可能造成的污染，導致美國、加拿大等地區開始叫停頁巖氣開發項目。實際上，人類對能源和淡水的爭奪越來越激烈，據美國能源信息署統計，2008—2035年世界能源需求將上漲53%，許多國家抽取地下水的速度快于水源自我補給速度。中國資源人均占有量低，加上長期以來的粗放型經濟發展，環境的承載能力更加脆弱，對待這種開發方式還是要慎之又慎。

5、溫室氣體排放問題

頁巖氣“十二五”規劃認定：頁巖氣是指賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，主要用于居民燃氣、城市供熱、發電、汽車燃料和化工生產等，用途廣泛。

美國康奈大學的研究學者認為，高強度水力壓裂開采的頁巖氣溫室氣體排放非常嚴重，數據指出至少有頁巖氣產量的3.6%～7%的甲烷被泄露到大氣中，比天然氣高出30%～100%。甲烷泄露發生于兩個時間段，一是水力壓裂過程中甲烷隨壓裂回流液泄露，二是壓裂后采氣過程。報告認為甲烷的溫室氣體作用遠高于二氧化碳，尤其是在排放后的最初幾十年中更為突出。同時也有研究認為企業可以采取甲烷回收技術，以降低對氣候環境的影響，但是幾乎沒有企業愿意這么做，不僅僅由于成本的額外消費，更是由于企業違法的成本太低。

全球變暖政策基金會（GWPF）的研究報告認為頁巖氣和煤炭燃燒產生相同能量的情況下，其排放出的溫室氣體比煤炭低50%以上。我國相關研究機構認為：開發利用頁巖氣有利于減少二氧化碳排放，保護生態環境。按頁巖氣的年產量65億立方米計算，與煤炭相比，如果用于發電，可減少二氧化碳年排放約1400萬噸、二氧化硫排放約11.5萬噸、氮氧化合物排放約4.3萬噸和煙塵排放約5.8萬噸。

6、開采過程中伴生的其他環境問題

采用水力壓裂技術從頁巖中獲得碳氫化合物，作業者需要灌注大量的沙子以及其他物質到地底下，根據美國環境學家和受到影響的當地居民稱，開采沙子對當地的空氣、水的質量產生了很大的影響。一直以來有人擔心，在采用水力壓裂法開采頁巖氣的過程中，小規模地注入液體可能會導致地震。另外，作業過程中還會產生占地、運輸壓力、噪聲污染、生物多樣化破壞、動物棲息地喪失等問題。

上述問題，在美國開采頁巖氣以來的幾十年里均有出現，并且很多問題出現的頻率很高，不得不引起有關部門的重視。目前美國非常重視頁巖氣開發過程中的環保問題，并制定了相關法律條文進行約束，加強了監管力度。

二、目前國際研究成果

作為頁巖氣開發的先行者，美國自20世紀70年代開始，相關機構就投入了大量資金用于頁巖氣研究，經過幾十年的努力，在地質理論研究和技術開發上不斷深入，頁巖氣探明儲量和產量迅速增加，大大提高了本國能源自給率，降低了能源對外依存度。美國在頁巖氣領域取得的巨大成功，得益于市場、技術、財稅、政策和法律等方面的合力。然而，上世紀90年代以來，頁巖氣的環保問題開始隨著其規模開發不斷顯現，政府開始不斷遭到環保問題的質疑和投訴。2010年，奧巴馬政府委托美國環保署（EPA）對水力壓裂是否造成地下水污染進行調查，2012年4月EPA發布一項新法規，對頁巖氣開采中因使用水力壓裂技術所造成的空氣污染加以控制，這是美國控制頁巖氣開采造成環境污染的首個法規。該法規要求，到2015年1月所有采用水力壓裂法進行頁巖氣開采的氣井都必須安裝相關設備，以減少可揮發性有機化合物及其他有害空氣污染物的排放，如苯和正乙烷等。一批國際領先的專業技術服務公司，如哈里伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯等也圍繞頁巖氣的開采，在政府的資助下，進行了大量環境評估、治理與改善的研發工作，取得了顯著成效。“歐洲頁巖氣研究計劃”（GASH）于2009年在德國啟動，擬通過6年時間推動完成。其工作目標是通過收集歐洲各個地區的頁巖樣品、測井試井和地震資源數據，建立歐洲的頁巖數據庫，與美國的含氣頁巖進行對比研究，在此基礎上尋找和發現頁巖氣以滿足當地和區域的需求。

1、高效、配套技術的應用可減少對環境的破壞

在健康和安全環節，技術上采用有害氣體探測儀，如二氧化硫感應器、甲烷紅外氣體分析器等，并制定緊急情況反應預案，對作業者進行日常培訓。在環境評估方面，要對選址和生物多樣性等方面進行評估，包括意見調查和公眾會議。在壓裂液的使用環節，Ecosphere公司使用臭氧為主的系統，以臭氧破壞細胞壁，從而殺滅細菌，用以代替化學殺菌劑。這一處理技術一方面降低了企業淡水的消費成本，另一方面也降低了廢水循環利用的處理成本。另有許多研發公司已實驗利用高強度的超聲波、過濾器或其他環保化學用品代替殺菌劑。在廢水處理環節，針對不同作業區要求不同的廢水處理方案：美國Aqua Most公司使用催化紫外線對廢水進行氧化處理，不但能達到大部分處理要求，還能脫掉金屬；Water Tectonics水處理公司采用高能電凝技術，能脫去廢水中的重金屬、生物質和碳氫化合物，但在地層中含鹽量高的地區將不能使用該技術；西門子公司采用浮選/過濾技術，能在原地進行水處理并回收使用，不僅能緩解淡水資源短缺問題，還能大大降低開發成本；Origin Oil利用藻類收獲過程僅在第一階段就可以在廢水試樣中去除98%的烴類。在空氣質量的保證方面，使用雙燃料（柴油和天然氣）技術設備，從而減少溫室效應排放，鉆井平臺使用催化劑技術，從而大量減少排放；采用管道運輸而不是陸路運輸，從而減少空氣污染和交通壓力；噪音問題可以采用隔音板等裝置，并與當地自然環保組織合作，以保證生物棲息地安全。另外，我國權威專家也肯定了關于利用超臨界CO2開發非常規油氣藏的有效性，這為非常規油氣開發，特別是頁巖氣的開發提供了新的思路。其環保優勢在于，利用超臨界CO2作為介質，從某種程度上可替代大量的水資源，適于我國國情。另外也可有效利用CO2，降低溫室氣體排放量。

2、成熟、完備的法律體系可保證其環境友好性

美國通過幾十年的研究與實踐，建立了一整套環保法律體系，防止頁巖氣開采對環境造成的破壞：職業安全與健康管理局負責制定與生產安全和職業健康相關的各種法規，并對棄井操作有嚴格要求；國家的環境法案要求對環境影響進行評估，部分州政府要求進行現場檢查；國家要求對環境有危害的排放物進行征稅，各州制定安全排放標準，并禁止某些危害大的排放物；要求報告從發動機、氣體處理設備到其他與鉆井和生產相關的排放量；限制白天和夜晚的噪音水平；保護瀕危野生動物，不能破壞瀕危動物棲息地環境等。

目前，美國已制定《美國聯邦環境法》、《美國清潔水法案》、《飲用水安全法》、《資源保護和恢復法》、《清潔空氣法》等法律，并就頁巖氣相關的環境問題作出了許可和規定。

美國國家污染物排放消減制度（NPDES）已成為美國控制水資源清潔的一項重要措施，其四項基本原則之一就是不管受納水體狀況如何，廢水在排放之前必須采取經濟可行的最佳處理技術；美國凈化空氣任務組織（CATF）提出非常規天然氣開發氣體排放、地表水和地下水的黃金準則，以控制溫室氣體排放和淡水污染；美國地質調查局（USGS）就此提出了著重注意的三個水資源問題，并強調頁巖氣能否成功開發的關鍵因素是，在不干擾當地工農業正常用水的前提下，當地水資源的供水能力是否能夠滿足頁巖氣井的鉆探與水力壓裂用水。

在頁巖氣的發展初期，美國并未對頁巖氣采取特殊的環境監管，隨著頁巖氣開采規模的擴大及其對環境影響問題的爭論升級，美國對頁巖氣的環境監管趨嚴，通過修改法律關閉了“哈里伯頓漏洞”，授予環境保護局對頁巖氣開采的監督權限，并頒布“FRAC”法案，要求披露水力壓裂中使用的化學制劑情況，以便充分評估其對地下水的影響。

3、通過制定國家級研究規劃，保證頁巖氣的健康開發

我國通過制定頁巖氣發展的“十二五“規劃，明確了頁巖氣健康開發之路，并制定了開發環境保護措施。頁巖氣開采工藝與常規氣大部分相同，可能產生的環境和生態破壞與常規氣基本相同。在頁巖氣開發各個環節采取有針對性的措施，可有效減少或杜絕可能產生的各種環境問題。一是工廠化作業減少地表植被破壞。頁巖氣開發多采用叢式水平井群，一個井場可以向不同方向鉆多口水平井，大大減少了井場數量，較好地解決了占地多和地表植被破壞多的問題。二是壓裂液循環利用減少用水量。頁巖氣壓裂用水量比生產同等能量的煤和燃料乙醇的用水量要少得多，且出于成本考慮，頁巖氣壓裂液須多口井循環重復利用，客觀上節約大量用水。三是嚴格鉆完井規程，杜絕污染地下水。頁巖氣井鉆井液為天然氣人工合成的油基泥漿，短時間內可自然降解；頁巖氣層比地下飲用水層深很多，且中間夾有多層不可滲透巖層，壓裂液污染地下水的可能性很小。如嚴格執行鉆完井操作規程，保證套管和固井質量，可徹底杜絕水層污染。目前，全球尚未發生開采頁巖氣導致重大地下水污染的事件。四是加強環保監測實現壓裂液無污染排放。壓裂開采石油天然氣已有60年歷史，壓裂液成份和排放標準均有嚴格法規要求。通過加強日常生產中的環保監測檢查，可保證壓裂液無害排放，防止土壤和地表水污染。

三、機遇與挑戰

1、我國頁巖氣資源潛力巨大

2011年12月30日，頁巖氣被國務院批準為我國第172種礦產，國土資源部也將按獨立礦種制定投資政策，進行頁巖氣資源管理。頁巖氣作為一種新型能源，需要全新的勘查開采技術手段和管理方式，它的快速發展高度依賴于技術進步。2012年，我國將大力加強頁巖氣資源評價和開發技術攻關，尤其是加大頁巖氣調查評價力度，緩解我國油氣資源短缺現狀，形成油氣勘探開發新格局。2011年，美國頁巖氣產量達1800億立方米，據國土資源部2012年3月1日新聞發布會資料，我國陸域頁巖氣地質資源潛力為134.42萬億立方米，對西藏以外所有陸域盆地開展的評價結果顯示，可采資源潛力為25.08萬億立方米。我國頁巖氣資源量與美國旗鼓相當，預計2020年產量將超過1000億立方米，達到目前常規天然氣生產水平；2030年產量有望與常規天然氣相當，與美國接近。

2、積極開展頁巖氣國際交流與合作

2010年11月，中美政府簽訂合作開發中國頁巖氣的備忘錄，中國公司開始投資北美頁巖氣項目，并引進殼牌等外國公司開發中國國內頁巖，我國政府希望通過國內頁巖氣的開采使中國能源結構發生巨大變化，并將促進中國能源安全、降低環境污染、減緩溫室氣體排放增長。

繼續跟蹤國外頁巖氣勘探開發技術進展，關注環保技術的利用更新，在頁巖氣資源調查和勘探開發初期，可以考慮與國際公司合作，引進勘探開發的關鍵技術，降低勘探成本，減少環境隱患。在學習借鑒的基礎上，開展頁巖氣勘探開發核心技術、工藝的研發和聯合攻關，關注世界頁巖氣發展動向，以平等合作、互利共贏的原則，積極參與頁巖氣國際合作組織，促進雙邊、多邊合作。

3、制定資源開發利用的系列環保規范和評估體系

我國尚處于頁巖氣發展初期階段，具有很好的實施環境和社會協調發展的基礎，因此在發展伊始就要把甲烷、有毒物以及水污染問題納入管理體系，注重并加強頁巖氣勘查開發的環境保護相關制度的制定：跟蹤研究頁巖氣勘查開發對地質環境、生態環境的影響，建立環境影響評估制度、壓裂混合液化學成分報告和披露制度；加強頁巖氣勘查開發礦區的環境監測，對回流水處理實行嚴格的監督管理；對于示范基地建設，要率先建立起相應的環保制度，包括前期的環境影響評估、開發過程的環境檢測、預防和緊急應對方案等。可以肯定的是，管理體系和監管水平決定頁巖氣資源的未來。

4、亟待開展頁巖氣勘探開發環境問題研究

頁巖氣具有廣闊的發展前景，頁巖氣開發的利弊之爭還在持續高漲，其環境風險不容忽視。我國頁巖氣的勘探開發剛剛起步，在勘探開發的同時要兼顧到環境保護問題，進行頁巖氣勘探開發的環境問題綜合研究，通過加強基礎建設、提高環保基準、加強監管等手段，減少資源開發對環境造成的影響，并加大治理和監管力度，建立符合我國實際的頁巖氣勘探開發規范，使頁巖氣最終能以一種真正意義上的清潔、高效能源推動現代化進程。目前，我國頁巖氣開發尚處于初級階段，環境問題還未完全展現，但參照國際開發經驗和教訓，極有必要開展相關研究，做到未雨綢繆。要加大資源環保相關研究工作量的投入，逐步認清和掌握其發展規律和變化趨勢，確保新能源開發的順利進行。

[1]The shale gas shock.The Global Warming Policy Foundation[M].U.S：Matt Ridley.2011.

[2]夏玉強：Marcellus頁巖氣開采的水資源挑戰與環境影響[J].科技導報，2010，28（18）.