頁巖氣熱潮背后的環保思考

周美聞，秦勇軍，張純臻

（重慶市環境工程評估中心評估二部，重慶 400021）

頁巖氣是頁巖層中分布的天然氣，以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中，化學成分主要為甲烷，一般含量在85%以上，最高達到99.8%，另外還含有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微量的惰性氣體，如氦、氬等［1］。美國能源信息署（EIA）2011年4月的數據表明，當前全球（不包括俄羅斯及中東）頁巖氣可采資源量為189萬億m3，多于常規天然氣可采儲量。美國是唯一對頁巖氣進行工業化、規模化開采的國家，近年來，得益于技術進步、市場需求及政策支持，美國頁巖氣產量出現了爆發式增長。美國的“頁巖氣革命”正幫助美國逐漸邁向能源獨立，也無疑給全球頁巖氣工業注入了一針強心劑，世界各國紛紛給予高度關注并積極采取應對措施。我國從2003年就開始了對頁巖氣的勘探工作，于2009年10月在重慶市綦江縣啟動了中國首個頁巖氣資源勘查項目，這標志著繼美國和加拿大之后，中國正式開始對頁巖氣這一新型能源資源進行勘探與開發［2］。

1 頁巖氣鉆探工藝

頁巖氣賦存于巖層的縫隙和夾層中，儲量雖大但較分散，且孔隙度和滲透率較低，常規鉆井工藝通常無法獲得工業氣流，且開采成本較高。頁巖氣開采通常采用“常規垂直鉆井＋水平鉆井＋水力壓裂”工藝，其中水平鉆井和水力壓裂是頁巖氣開發過程中不可缺少的兩項關鍵技術，也是唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙。水平鉆井技術是通過垂直鉆井至目標油氣層，然后在油氣層中水平鉆探，這樣可使油氣井更充分地延伸至油氣層，增大油氣的匯入面積，從而提高頁巖氣的產量。水力壓裂技術是指借助高壓將大量水、化學物質、沙粒的混合物通過鉆孔打入地下，當高壓液體注入鉆井并使巖層裂開后，高壓液體中的支撐劑可保持住裂縫，使其成為油氣導向鉆井的高速滲透通道，將其中的油氣從巖層中釋放出來，從而提高頁巖氣的產量。如圖1所示。

圖1 水平鉆井與水利壓裂示意圖

2 頁巖氣開采的環境影響

相對于常規天然氣開采，頁巖氣在勘探與開發過程中鉆井期較長（長達幾年甚至幾十年），耗水量更大（水力壓裂），對大氣環境、聲環境、地表水環境、地下水環境及生態環境的不利影響都非常突出。正是由于對其環境風險的擔憂，世界上各方面對頁巖氣開發爭議較大，法國、保加利亞等國家甚至立法禁止頁巖氣開發。根據實踐經驗和現有資料，本文重點從水資源利用及水污染、大氣環境影響、生態環境影響等方面探討對環境的影響及環保措施。

2.1 水資源利用及水污染

頁巖氣開采意味著大量的水資源消耗，水力壓裂技術需要將大量的水作為壓裂液注入到巖層中。根據對美國多口頁巖氣井的統計，平均每口井年耗水量為7 500～15 000m3，其中70%為壓裂液用水。我國的頁巖氣儲量與美國相當，但地形更復雜，埋藏更深，且鉆探工藝、壓裂技術以及清潔生產水平都遠不及美國，單井耗水量更多，若我國大力發展頁巖氣（以10萬口井計），年耗水量約15億m3，相當于2個長壽湖容量，而這些壓裂水注入地下后，大部分都分散于地層中，對地下水有著難以預測的影響。中國是個缺水國家，“頁巖氣十二五發展規劃”中指定的13個重點省、直轄市中有7個屬于水資源短缺地區。廈門大學中國能源經濟研究中心主任林伯強就頁巖氣的發展指出，中國目前頁巖氣開發的最大風險來自于資源的體系配套，具體來講，就是我們目前仍未找到消除或減輕頁巖氣開發對水資源影響的對策。

注入地下的壓裂液中有部分返排水，壓裂液返排水的成分非常復雜，含有大量TDC、TSS、COD、鈣鹽、鈉鹽、氯化物等，若未及時處理或造成泄漏，對地表水的影響不可低估。在世界上最大的非常規天然氣田——美國馬塞勒斯頁巖氣田，大量返排水被倒入特拉華河流域，而該流域是賓夕法尼亞等州的飲用水來源。在頁巖氣成藏條件較好的區域內，井口數量相對于常規天然氣開采更密集，注入地下并留在地層中的壓裂液極有可能與各含水層發生廣泛、長期的水力聯系，進一步導致飲用水源的污染。

2.2 大氣環境影響

天然氣通常被公認為是一種清潔能源，頁巖氣中H2S含量比常規天然氣更少，燃燒后產生水和二氧化碳，對大氣環境影響較小，但頁巖氣開采過程中的泄漏才是污染環境空氣的關鍵。由于頁巖氣鉆井期較長，耗時較長的水平鉆井、水力壓裂等過程導致頁巖氣開采中甲烷泄漏量高于常規天然氣開采，約占開采量的4%，泄漏的甲烷可能加劇溫室效應。最新研究表明，在考慮了甲烷與氣溶膠相互作用的情況下，以20年為周期，同等質量甲烷的溫室效應是二氧化碳的105倍。美國康奈爾大學研究人員甚至認為頁巖氣生產過程中所產生的甲烷大部分都排放到大氣中，而不是被捕捉為燃料。若不采取有效措施，頁巖氣使用過程中減少碳排放帶來的環境效益可能被其開發過程中甲烷泄漏帶來的環境破壞所抵消，這也給頁巖氣工業蒙上了一層陰影。

2.3 生態環境影響

頁巖氣儲量雖大但分布較廣，這就需要增加打井數量。同時由于施工工藝不同，頁巖氣井場需布置壓裂液儲存池、壓裂設備、壓裂液罐車等，占用土地比常規天然氣井場更大；另一方面，頁巖氣田開采周期較長，對生態環境的擾動和影響時間較長。頁巖氣開采過程需要用水作為壓裂液，消耗大量地表水和地下水，對局部地區生態用水有一定影響，同時壓裂液反排水若處理不好，污染水環境，也會對水生生態系統造成不利影響。

3 重慶頁巖氣勘探與開發現狀及問題

重慶市頁巖氣資源較富集，頁巖氣地質資源量約12.75萬億立方米，占全國的10% 左右；預計可采資源量達2.05萬億 m3，位列全國第3位［3］。2010年，國土資源部確定黔北、川南、渝東南、渝東北等6個國家頁巖氣先導試驗區。重慶梁平、綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽和秀山等區縣是頁巖氣資源最有利的成礦區帶，被確定為國家首批實地勘查工作目標區。2012年8月，重慶市政府召開全市頁巖氣發展專題工作會議，提出要努力把重慶建成全國頁巖氣開發的主戰場。重慶屬于早古生代海相沉積盆地并經歷了多期復雜的構造運動，具備富集頁巖氣的有利地質構造，與美國東部地區具有較多的地質可比性。綦江、長壽、墊江一帶的筇竹寺組頁巖條件優越，達到了頁巖氣富集的總有機碳含量、成熟度、有效厚度等指標；彭水、黔江一帶的五峰組－龍馬溪組頁巖條件良好，同樣達到了頁巖氣富集標準。重慶綦江是我國第1批重點進行頁巖氣勘探與開發的地區，彭水是國內第1口頁巖氣井建設地，目前，重慶綦江、長壽、墊江、奉節、彭水、潼南等區縣已開始了頁巖氣井的鉆探，部分已獲得工業氣流。重慶與美國等大型頁巖氣開發公司進行了廣泛、深入的合作，2012年9月11日，重慶地質礦產研究院與斯倫貝謝油田（新加坡）公司合資開發重慶頁巖氣資源，標志著重慶頁巖氣全面發展戰略又邁出重要一步。但重慶基礎較薄弱，在頁巖氣勘探與開發過程中存在以下環保問題：（1）勘探效率不高，部分頁巖氣井無法獲得穩定工業氣流，導致閑置或廢棄，也浪費了環境成本；（2）鉆井期壓裂返排水得不到有效處理，目前大部分壓裂返排水經處理后回注于深層地下，存在地下水污染的環境風險；（3）施工期環境監理缺失，環保投訴較多。

4 建議與措施

目前，頁巖氣的勘探與開發是我國規劃的能源戰略，勢在必行，但若不加強環保方面的研究和管理，無序開采，最終將導致嚴重的環境污染問題，得不償失。參考美國頁巖氣開發過程中出現的各種環境問題和公眾憂慮，一方面應從國家層面建立并不斷完善相應的環境保護政策、法律法規和管理要求，明確政府監管責任和企業環保責任；另一方面針對頁巖氣開發過程中污染物的產生環節和環境風險問題等開展深入的研究和探索，積累實際經驗，并積極開展與美國等頁巖氣工業強國的合作，學習并利用先進的技術和經驗。

4.1 完善相關政策、法律法規和管理要求

4.1.1 完善頁巖氣勘探開發建設項目環境評估制度

優先制定頁巖氣勘探與開發的產業政策及環保政策，將頁巖氣資源的勘探評估與區域水資源規劃、環境保護規劃、生態保護規劃等結合在一起，綜合評估開采的可行性。通過政府以立法的形式杜絕頁巖氣勘探與開發過程中對環境的污染。積極推進頁巖氣規劃和建設項目環境影響評價、評估工作，充分論證其環境可行性，為決策提供可靠依據。

4.1.2 加強環境監理力度

根據頁巖氣勘探與開發工藝流程，明確頁巖氣開發過程中可能造成環境污染和生態破壞的各個環節，加強對頁巖氣鉆井工程期間的環境監測，充分落實環保相關要求，反饋有效的環保信息，確保其對環境的影響在承載范圍之類。

4.1.3 信息公開制度

參照美國的經驗，公眾對頁巖氣的恐懼心理是制約這個行業發展的重要因素，我們需要引導大眾理性對待頁巖氣工業的發展，而不是煽動盲目恐懼。國家及地方環保部門可以考慮對頁巖氣礦區周邊地區進行環境監測信息公開，加強與公眾溝通。讓他們了解頁巖氣產排污情況及相關措施，消除公眾對環境污染的擔憂。

4.2 加強環保研發

目前，美國頁巖氣開發技術已非常完善，水平鉆井和水力壓裂技術也越來越多地考慮環保因素，清潔生產水平也較高。美國已較全面掌握了頁巖氣勘探與開發的各項技術，并在不斷地開發利于環保的新技術——液態二氧化碳水力壓裂技術、節水工藝技術、返排水高效處理技術等。

我國頁巖氣勘探和開發尚處于探索階段，應多借鑒其他國家的先進經驗和技術，與之在研發、技術、市場等方面加強合作，不斷將頁巖氣勘探開發技術更新與環保措施相結合，加大環保技術的研發和實踐，提高水循環利用率，努力提高設備和工藝水平以減少水資源消耗和甲烷泄漏，完善壓裂液返排水處理工藝，積極研發環境友好的壓裂技術（如氣體壓裂技術等），最終通過技術的進步從根本上將頁巖氣勘探與開發過程中對環境的不利影響控制在可接受水平。鼓勵開展國內頁巖氣勘探與開發科研項目，依靠但不依賴國外先進技術，在實踐中逐步積累環保經驗。

4.3 加強環境風險控制

頁巖氣勘探與開發過程中環境風險主要為：（1）鉆井廢水、壓裂返排水發生泄漏、溢流等污染地表水（飲用水源）；（2）注入地下的壓裂液與含水層發生水力聯系污染地下水（飲用水源）；（3）天然氣發生泄漏污染環境空氣。在實踐過程中需進一步提高清潔生產水平和鉆井廢水、壓裂返排水處理效率，提高鉆井工藝水平，減小壓裂液與含水層發生水力聯系的可能性，完善頁巖氣勘探、開采、儲運過程中的各項工藝措施，降低氣體泄漏事故概率。

5 結論

2011年12月30日，國務院批準頁巖氣為新的獨立礦種，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。2012年3月13日，國家發布了頁巖氣“十二五”發展規劃，頁巖氣工業的宏偉藍圖已呈現在我們面前。目前，我國與美國等頁巖氣工業強國在諸多方面開展了合作，共同開發頁巖氣寶藏，但在這個過程中應將環保納入頁巖氣勘探與開發的全過程，在合作的同時學習掌握關鍵技術，并將環保理念融入其中，不能以毀壞環境作為發展頁巖氣工業的代價。

［1］張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布［J］.天然氣工業，2004，24（7）：15－18.

［2］張鴻翔.頁巖氣：全球油氣資源開發的新亮點——我國頁巖氣開發的現狀與關鍵問題［J］.戰略與決策研究，2010，25（4）：406－410.

［3］張金川.中國頁巖氣資源勘探潛力［J］.天然氣工業，2008，28（6）：136－140.