頁巖氣開發環境及安全風險管控

仲如冰（中石化勝利油田采油工藝研究院）

頁巖氣開發環境及安全風險管控

仲如冰（中石化勝利油田采油工藝研究院）

頁巖氣是重要的天然氣資源，由于頁巖氣藏的特殊性，其開采方式也同樣具有特點，其中水平井和水力壓裂技術是頁巖氣開發關鍵技術。在頁巖氣開發過程中，會對環境產生潛在的影響，包括用水量大、對地下水污染、對地層應力的影響、天然氣泄漏、粉塵污染、化學劑污染以及對當地社區的影響等多方面。針對此介紹了相關的風險管控做法，以及相應的成功經驗。主要包括了建立健全相關的法律，加強相關的風險評估力度，發展相關技術降低對環境的影響。

頁巖氣開發 環境及安全風險 管控政策 大氣污染 水體污染

天然氣是重要的清潔能源，但常規天然氣資源隨著不斷的開發利用已變得有限，非常規天然氣的開發越來越受到關注，其中頁巖氣發展速度最快。作為頁巖氣勘 探開 發的 先驅 ，美國在近 30年內 ，在技術研發、礦場開發和環境保護等方面已取得突破性的進展；在過去5年內，其頁巖氣產量增長了20倍，現在已成為世界第一大天然氣生產國。我國四川盆地、塔里木盆地、準格爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地及渤海灣等區域均含有豐富的頁巖氣資 源 ， 預 計 可 采 儲 量 約 為 30× 1012m3， 但 我 國 的 頁巖氣勘探開發才剛剛起步；雖然，近幾年的勘探開發技術發展迅速，但在頁巖氣開發的環境及安全風險管控方面與世界先進水平相比還存在很大差距[1]。 本 文 系 統 介 紹 了 美 國 在 頁 巖 氣 開 發 的 環 境 及安 全 風 險 管 控 方 面 的 經 驗 與 做 法[2]， 為 我 國 頁 巖 氣的安全開發提供參考和借鑒。

1 頁巖氣開發主要技術

大 部 分 頁 巖 氣 氣 藏 埋 深 都 在 1800m 以 上 ， 而且 相 對 較 薄 （Marcellus 頁 巖 氣 氣 藏 厚 度 只 有15～60m），這樣只有通過在頁巖氣氣藏打水平井才能有效開采。為了盡量減少對環境的影響，通常從同一鉆井場向頁巖氣藏不同方向鉆出多口井即叢式井，從而在一個井場開發更大范圍的頁巖氣藏。

與常規氣藏不同，頁巖氣氣藏滲透率低，且氣體分布在相互不連通的孔隙或縫隙中，一般需要通過水力壓裂技術來連通這些孔隙，實現氣體的流動。水力壓裂向頁巖氣藏中高壓注入約幾千立方米的液體，其中 98%～99.5%的 水 和 支 撐 劑 （通 常 是 石英砂），其余的是一些化學劑，典型的藥劑包括酸、殺菌劑、防腐劑、防垢劑、凝膠、支撐劑、減阻劑等。在高壓下，壓裂液通過射孔擠入頁巖氣藏，將孔隙和裂縫聯通，為頁巖氣流到井筒開通了通道。當壓裂完成后，支撐劑滯留在縫隙，保持縫隙張開狀態，壓裂液通過井筒返排地面。每次最大可 壓 裂 300m 水 平 段 ， 每 口 井 要 分 段 進 行 多 次 壓裂。當水力壓裂完成后，液體將立即從井中返排到地面，返排液中不僅含有壓裂液中各種化學劑，還含有從頁巖氣藏中帶出的烴類、鹽類、礦物質及一些具有天然放射性物質 （NORM） 等。先返排出的液體與壓裂液化學性質相似，后返排的液體與頁巖氣藏的化學性質相似。多數情況下，返排液可重新用于壓裂液，不能重復利用的返排液需要經過處理后排放；然而，過去處理方式很不妥當，有的直接注入到地表水，有的棄置于污水處理廠，而現在更多的處理方式是在美國環保署統一協調下，作為油田回注水回注到油氣藏，以確保其與地表飲用水源分開。

除水力壓裂外，頁巖氣生產還包括許多過程，這些過程均對環境有著潛在的影響作用，除了水力壓裂過程，還包括道路井場建設、鉆井、固井、射孔、水力壓裂、完井、生產、棄井和重新使用等過程。

2 頁巖氣開發潛在的環境與安全風險

頁巖氣的開發對環境產生潛在的影響，包括對氣候、空氣質量、水源及當地社區的影響等多方面。

2.1溫室氣體的排放

天然氣作為低碳燃料而被推崇，因為與煤和石油燃料相比，天然氣在燃燒時產生非常少的CO2外排 。 然 而 ， 天 然 氣 的 主 要 成 份 甲 烷 （CH4）， 其 本 身就 是 很 強 的 溫 室 氣 體 。 2011 年 ， 美 國 環 保 署（EPA）公 布 的 美 國 天 然 工 業 泄 漏 的 CH4量 翻 了 一倍。頁巖氣生產一個主要泄漏 CH4的過程 是氣井 的建設。頁巖氣生產前需要進行壓裂液返排，氣體從返排水中逸出，進入空氣。生產一段時間后，頁巖氣氣井需要進行作業以提高產量，通常是重復壓裂，如果這個過程不進行控制，又有 大量的 CH4泄漏 。EPA 形 成 了 一 個 天 然 氣 STAR 計 劃 的 實 施 組織，公司和政府共同合作降低 CH4的泄漏 。該計 劃通過燃燒和在作業中控制 CH4泄漏 的措施 ，已減 少了 50%的 CH4泄漏。用目前估計的 泄 漏 率 來 計 算 ，100 年 內 ， 天 然 氣 CH4的 泄 漏 將 會 構 成 溫 室 氣 體 總體的 15%，而使用天然氣的好處還是顯而易見的。例如，許多研究表明，發電廠使用天然氣與使用煤相比可減少 30%～50%的溫室氣體排放；一些輕型車輛使用天然氣，與使用汽油相比減少 10%的溫室氣體排放。

2.2對空氣的污染

頁巖氣的生產活動會引起嚴重的空氣污染，在快速發展的氣田地區，會引起空氣質量下降，除了排放溫室氣體外，天然氣泄漏還會釋放出揮發性有機化 合物 （VOC）、有毒的空氣污染物 （HAP），如苯。氮氧化物也是另一類污染物，在鉆井、水力壓裂和天然氣壓縮過程中，一般都是依靠大型內燃機提供動力，這會產生這類污染物。

美國幾個州調查結果表明，石油和天然氣生產過程釋放的物質是當地空氣重要的污染源（其中有48%的 VOC、18%的 NOx和 15% 的 苯 類）， 頁 巖 氣的生產可能導致本地區的臭氧和HAP水平的升高。但這些向大氣中排放的物質對環境的影響也有許多不確定因素，所以，需要更精細的模型來模擬解釋工業生產向大氣中排放的物質對當地空氣質量的影響程度。另外，已發現在生產區附近排放的苯類物質在空氣中含量升高，但濃度還不致影響健康，目前還不清楚HAP的排放對人類健康如何影響，需要進一步研究。另一個空氣污染的問題就是結晶硅石粉塵，主要來源于壓裂使用的石英砂支撐劑。粉塵產生于石英砂的生產、運輸、現場壓裂液的配制等過程。粉塵被吸入體內，粒徑小于4μm的屬于HAP和致癌物。除了增加肺癌風險外，暴露在粉塵中還會引起硅肺病。最近，美國國家職業健康與安全 研 究 所 （NIOSH）在 5 個 州 11 個 壓 裂 現 場 進 行 調研分析，79%現場空氣樣品中的硅石粉塵超標，31%超標10倍或更高。說明現場的防護不夠，需要加強。

2.3消耗水量

頁巖氣開發過程中有幾個階段需要用大量的水 ， 主 要 是 壓 裂 ，1口 井 壓 裂 用 水 量 可 達 （1～2.5）× 104m3。 鉆 井 完 井 過 程 1 口 井 也 需 要 800～1500m3水 。 壓 裂 后 的 井 前 10 天 要 返 排 5%～20%的壓 裂 液 。 另 外 ， 相 當 于 注 入 體 積 的 10%甚 至 到300% 體 積 的 水 在 整 個 生 產 過 程 中 返 回 地 面 。Marcellus氣 田 可 循 環 利 用 95%的 返 排 液 ， 而 Barnett和 Fayetteville 氣 田 只 能 循 環 利 用 20%的 返 排 液 ； 所以，水的利用管理各氣田情況不同，需要看水的數量、質量、來源的充分性及成本等因素而定。假設1口 頁 巖 氣 井 生 產 周 期 30年 ， 壓 裂 3次 ， 預 計 用 水（3～7）×104m3以上。

當天然氣開采出來以后，其處理、運輸、分銷直到最后被使用等過程都有水消耗，在這過程中非生產用水量相當大。如果天然氣用于車輛，就需要被壓縮，這個過程需要電動壓縮機，而壓縮1加侖汽 油 當 量 （GGE）的 天 然 氣 ， 其 用 電 需 要 消 耗 水2.7～3.6lm3。King 和 Webber（2011）研 究 表 明 ， 從生產到消耗總體計算，車輛使用天然氣消耗水量約為 4.5～11.4lm3/GGE。 為 了 便 于 比 較 ， 列 出 以 下值：車輛使用常規天然氣時，其消耗水量約為4～51m3/GGE； 使 用 汽 油 時 消 耗 水 量 約 為 12～301m3/ GGE；使 用玉 米乙 醇時 ，消 耗水 量約 為 120～1600 m3/GGE。

2.4對水質的影響

在水力壓 裂過程中 CH4或壓裂 液可能污染 飲用水。壓裂液可能在地下從井筒直接滲漏污染飲用水，也可能處理不當或因事故導致壓裂液滲漏到地表水體。由于頁巖氣藏埋藏很深，所以氣藏中的液體不太可能通過縫隙穿過上千米的氣藏蓋層流到地表 飲 用 水 體 。 EPA 對 Pavillion 和 Wyoming 的 氣 田 調查結果表明，較淺的頁巖氣藏有可能出現這種問題， 有些地 方氣藏 與 飲用水 源之間 隔層只 有 120m。對于較深的氣藏，可能因井筒破損導致污染的發生，如果固井不好，CH4氣可能從氣藏滲漏到較淺的水體，并溶解于飲用水。

2.5對當地社區的影響

油氣生產是一工業過程，和其他工業活動一樣，不可避免對當地環境產生影響。這個過程需要動用重型設備，成百上千的卡車運輸給當地路面帶來巨大的壓力。鉆井和壓裂使用大型設備還會產生噪音污染等。

3 降低對環境影響的策略和做法

一些很大的頁巖氣田所在的區塊以前沒有油氣開發的經歷，這引起兩方面挑戰：管理和公共接受情況。下面列出一些較好的實施措施，包括通過技術來降低向空氣中的排放，通過循環使用返排液減少淡水的使用，降低廢水的處理量。

3.1溫室氣體的排放和當地空氣的污染

為了防止 CH4泄漏到 空氣，過去 的做法是直 接燃燒，包括將返排液排入坑內或罐內，收集釋放出的 CH4也直接燃燒。這種做法的一 個好處 就是燃 燒CH4產 生 的 CO2比 直 接 排 放 CH4可 減 少 90%溫 室 氣體 ； 同 時 ，燃燒 可 大 幅 度 降 低 VOC及 HAP， 有 利于 空 氣 質 量 ， 但 同 時 也 產 生 了 N2O 和 CO 等 有 害物。盡管燃燒能降低一些有害物的釋放，但同時也損失有價值的天然氣。最近發展起來的一項“綠色完井技術”（REC技術）可減少天然氣的漏失，該技術可以在完井和作業過程中收集分離天然氣。REC技術裝備輕便，可從返排液中收集天然氣，返排的混合物通過一個砂體捕捉器，這是一個三相分離器，可從天然氣中分離出液體天然氣和水，然后天然氣可進入商業管線進行分銷。即使天然氣價格很低，REC技術的使用也是高效的。

自然資源保護委員會估計，90%天然氣的漏失可以回收。另外，為了在人口稠密地區的井場進一步降低向空氣中排放的影響，可用電力代替內燃機。還有許多途徑可以降低向空氣中排放的影響和避免暴露于粉塵的影響，包括產品替代、工程控制、提高個人防護裝備。例如，使用毒性小一些的無硅粉塵支撐劑（陶瓷支撐劑），更改裝備減少粉塵散發，增加粉塵壓縮與控制措施；減少人員，縮短人員在高濃度粉塵中的暴露時間；加強培訓，使用更高效的呼吸防護裝備。2012年，美國國家職業健 康 與 安 全 署 及 其 研 究 所 （NIOSH）要 求 縮 短 人 員在高濃度粉塵中的暴露時間。

3.2水量與水質

現場操作者將越來越多的返排液循環使用，這種做法有兩方面好處，首先減少了淡水的需求，其次是減少了要求處理的污水總量。實際操作時，影響循環使用的水量有多方面因素，包括各氣田的具體地質情況、淡水的供應情況、外排污水處理的成本情況及污水的數量與質量。用于循環使用的污水處理工藝很多，簡單方法有沉淀與過濾，成本較高的方法有反滲透或熱法處理來降低其鹽度或礦物組分。2012年，技術上也在探索不用水的壓裂，而改用丙烷膠和石英砂壓裂，丙烷膠來源于液體天然氣（NGL）或 原油源 天然 氣 （LPG），壓裂 后， 丙烷膠會氣化隨天然氣一起產出而重新收集。

3.3對社區的影響

在頁巖氣開發過程中，對環境短期和長期影響的公共協商是非常必要的，每個社區都有其獨特性，一個簡單的協議不可能適合所有的情況，有幾種做法可以緩解這方面問題。目前有一個趨勢就是“井工廠”的應用，即在同一個井場鉆多口井，這樣可以減少頁巖氣開發過程對周圍環境的影響。使用 聲 音 屏 障 將 噪 音 污 染 降 低 到 65dB 以 下 。 除 了GHG和空氣污染得到控制外，REC技術的使用可以不 再 使 用 火 炬 燃 燒 ， 避 免 20ft（1ft=30.5cm）高 火焰帶來的光污染。經營方與當地社區還可在多方面達成協議，如限定重型卡車通過學校或居民區的時間。

4 美國頁巖氣開發風險管控的相關政策

在頁巖氣開發初期，美國并未對頁巖氣采取特殊的環境監管，只需遵循常規天然氣的相關要求。適用的法律包括 《美國聯邦環境法》、《清潔水法案》、《安全飲用水法》、《資源保護和恢復法》、《清潔空氣法》等。隨著頁巖氣開采規模的擴大，引起了對開采帶來的環境問題的爭論，美國對頁巖氣的環境監管開始趨嚴，通過修改法律關閉了著名的“哈里伯頓漏洞”，允許環境保護局依據《安全飲用水法》監督頁巖氣開采活動。

4.1聯邦政府的相關規定

國家內政部所屬的陸地管理署 （BLM）建議草擬在公共陸地進行油氣生產的相關規定，要求地下水保護條例中公開水力壓裂所使用的化學劑成分（2012），規定要求經營者在水力壓裂之前提交作業計劃，由 BLM根據當地地質情況來評估其對地下水保護的設計、審核其對地表的預期影響，批準提交的管理及返排水的處理。另外，經營者還要在生產之前、過程之中和最后分別向BLM提供確保井筒完善穩定的必要信息。水力壓裂之前，作業方應檢查所用的液體是否符合聯邦、州和地方法規的允許；壓裂完成之后，應提交壓裂施工總結報告，包括施工各環節實施情況和明確所用壓裂液的化學劑組成。

EPA除了執行在 《安全飲用水法》 下的管理條例， 還正在 探索在 《毒性 物質控 制法》（TSCA）下加入新的規定條例的可能性，來規范水力壓裂液的配 方 （2011）。EPA 也 執 行 《清 潔 空 氣 法》 來 管 理壓裂過程對空氣的污染。2012年4月 17日，EPA公布了新的資源開發標準和油氣開發過程中對向大氣中排放有毒污染物的國家標準，該標準中包括了第一個針對氣井的水力壓裂的聯邦空氣標準，以及對目前在聯邦層面上還沒有形成規定的油氣工業其他的 污 染 源 的 要 求 。 這 些 規 定 要 求 ， 在 2015年 1月 1日前，所有的天然氣井均可使用火炬和REC技術來減 少 向 大 氣 中 排 放 CH4， 而 在 此 之 后 ， 只 能 使 用REC技術。這些規定的實施，有望使水力壓裂的氣井減少向大氣中排放VOC約95%，同時減少天燃氣工 業 總 VOC、HAP 和 CH4向 大 氣 中 排放量約 10%。

4.2各州的相關規定

EPA沒有強行規定要求頁巖氣開發者公開其水力壓裂液的化學成分，但各州鼓勵或要求其公開。2010年，Wyoming州第一個要求各公司公開水力壓裂液的化學成分，但這個要求不包括其商業及行業秘密。由于有這個豁免，相關技術公司列出了 150種 不 同 的 化 學 劑 要 求 受 保 護 不 公 開 （2012）。 隨后，州法律試圖保護這些商業秘密，同時增加其他內 容 的 公 開 。Texas州 要 求 公 開 的 法 律 于 2012 年 2月1日生效，要求公開的內容在政府壓裂網站上展示，內容包括用水總量、化學添加劑等。另外，至少還有4個州也要求相關公司在政府壓裂網站上公開，其他州也鼓勵這種做法。

Colorado 州 要 求 公 開 的 法 律 最 嚴 厲 ， 要 求 列 出所有的化學劑及使用濃度，為了保護商業秘密，采取了只列出使用化學劑的化學劑組分及濃度，而不列出壓裂液配方，這樣就可以不泄漏其產品中特殊的 化 學 劑 及 使 用 量 。 Pennsylvania 州 就 有 規 定 限 制生產過程中排出水的總固體溶解量，防止在采取回注地層處理這些水時，滲漏到地表水體。Texas州執 行 所 有 油 氣 井 結 構 的 管 理 規 定 。 Pennsylvania 州由于水力壓裂發展迅速，規定所有的鉆井必須執行更加嚴格的井結構標準，要求有套壓測試、套管外環 壓 最 低 值 、 季 度 檢 查 和 年 度 報 告 。 Pennsylvania州要求還包括對已報告的天然氣向地表水體運移情況要進行跟蹤分析。另外，鉆井公司被要求提交計劃以確保使用的套管和水泥符合要求。因存在一些不確定因素或公眾的反對，以及水力壓裂對健康的潛在影響，有幾個州采取暫緩或中止程序，2010年，NewYork 州就啟動了暫緩程序，雖然已制定了嚴 格 的 頁 巖 氣 開 發 的 管 理 規 定 。 2011 年 3 月 ，Maryland 州 也 啟 動 了 實 際 上 2 年 的 暫 緩 程 序 ， 以 容出時間完成對水力壓裂的研究。

4.3地方的相關規定

NewYork 州 和 Pennsylvania 州 及 其 他 州 的 有 些地方政府，通過地方條文禁止實施水力壓裂工藝。NewYork 州的聯 邦高級 法院也 多次確 立禁止 條例。Pennsylvania 州 的 地 方 政 府 以 前 是 通 過 噪 音 標 準 和其他規定來限制實施水力壓裂工藝，現在有了一個新的州法 律 代 替 了 以 前 的 規 定 ， 并 于 2012年 4月14日生效。有些城市沒有限制頁巖氣的開發，但也要求 盡 量 減 少 對 健 康 和 環 境 的 影 響 ， 如 FortWorth 、Southlake 和 Texas 要 求 所 有 天 然 氣 井 使 用 REC技術。

4.4DOE的能源部長咨詢部的建議

美 國 DOE 的能源部 長 咨 詢 部 （SEAB）下 屬 的頁 巖 氣 開 發 分 會 ， 在 其 2011年 11月 18日 發 布 的 最后報告中給出許多有關頁巖氣開發建議，要求立即執行的建議包括：召集聯邦各部門之間在數據采集和頁巖氣開發對環境潛在的影響相關政策制定等方面進行溝通與協調；優先的采集數據包括收集向大氣中泄漏數據，分析頁巖氣的 GHG足跡；調查天然氣向地表水體運移的可能性。該分會也建議降低頁巖氣開發對環境的潛在影響所采取的步驟，包括禁止在水力壓裂液中使用柴油，公開壓裂液中的化學劑成分，使用可靠的技術減少向大氣中排放，還包括提高頁巖氣開發相關信息的公共透明度。

5 結論

我 國 頁 巖 氣 開 發 已 經 啟 動 ， 預 計 2015 年 以前，形成 規 模 產 量 ， 至 2020 年 有 望 實 現 規 模 開 發利用。但這項資源的開發對環境有著潛在的風險，包括在完井和生產過程中有溫室效應氣體排放，影響當地的空氣質量；水力壓裂會產生返排液；返排液的回注不當可誘導地震，一些設計和完井不善的井可能泄漏液體，以及返排水處理不當等，會影響地表水的水質；頁巖氣開發過程也給社區帶來噪音和光的污染。盡管美國經歷了長期的頁巖氣開發過程，但對這些風險的科學評估還正在進行之中。我國在發展頁巖氣開發技術的同時，應該加強兩方面工作，一是加強相關風險的評估，二是發展相關技術降低對環境的影響，重點包括：REC技術，以減少向大氣中的排放；返排液的循環利用技術，可減少淡水的使用量，降低廢水的處理成本；井工廠技術，降低占地面積，同時對地下水進行跟蹤監測，以確保頁巖氣開發的環境保護。

[1] CHEN Shangbinl,ZHU Yanmin,WANG Hongyan,et al. ResearchstatusandtrendsofshalegasinChina[J].ActaPetroleiSinica,2010,31(4):689-694.

[2]ClarkC,BurnhamA,HartoC,etal.HydraulicFracturingandShaleGasProduction:Technology,Impacts,andPolicy（R）.U.S.EnvironmentalScience Division,ArgonneNationalLaboratory,2012.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.013

2013-07-18）

仲如冰，高級工程師，2002年畢業于中國石油大學 （油氣 田 開 發 專 業）， 從 事 油 氣 開 發 的 HSE 管 理 與 規 劃 研 究 ， E-mail：greensky1123@163.com， 地 址 ： 山 東 省 東 營 市 西 三 路 306 號 勝 利 油田采油工藝研究院，257000。