頁巖氣井水力壓裂技術及環境問題探討

錢伯章 李武廣

1.上海擎督信息科技公司金秋能源石化工作室，上海 200127；

2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249

0 前言

高油價時代，頁巖氣作為一種新的綠色能源，正在被世界各國所追捧。 美國頁巖氣開發始于1821 年，是世界上頁巖氣勘探開發最早的國家。 近幾年，頁巖氣大規模商業性開發改變了美國能源格局［1-2］。 它的快速發展，一靠競爭的市場機制，二靠競爭所帶來的技術創新。頁巖氣最主要的開采方式是水力壓裂技術， 水力壓裂技術需要大量的水資源， 容易帶來嚴重的環境污染和生態破壞問題。 相反，也有一些環保主義者肯定了頁巖氣開發的正面影響，因為頁巖氣相比石油和煤炭更為低碳。 對此，不同學者有不同意見， 然而個人認為水力壓裂開發頁巖氣技術的關鍵在于尋找環保與開發的黃金結點， 在環保憂慮之下，采取一些具體的補救措施，使頁巖氣開發技術更為成熟環保，此項研究具有重要的現實意義。

1 頁巖氣壓裂增產技術

在頁巖氣開發方面，美國主要采用了水平井和水力壓裂技術，后者還包括清水壓裂技術、多段壓裂技術、同步壓裂技術、重復壓裂技術等，同時，還可結合先進的儲層預測評估技術、裂縫監測技術以及隨鉆測量技術等進行應用分析［3］。

1.1 清水壓裂技術

目前美國頁巖氣開發最主要的增產措施是清水壓裂技術，即將添加了減阻劑的清水作為壓裂液。 這種壓裂液主要成分是水、少量的減阻劑、黏土穩定劑和表面活性劑。 主要使用這種低成本壓裂液，那是因為水是一種低黏度流體，更容易產生一些復雜的裂縫網絡，而且很少需要清理，是一種清潔壓裂技術，可提供更長的裂縫，并將壓裂支撐劑運到遠處裂縫網絡，在Barnett 等低滲透油氣藏儲層改造中可取得很好的壓裂效果。

1.2 重復壓裂技術

重復壓裂技術用于在不同方向上誘導產生新的一些裂縫，從而增加裂縫網絡，以便提高生產能力。 如果初次壓裂已經沒有效果，或現有的支撐劑已經損壞，那么對該井進行二次壓裂將重建儲層線性流，最終采收率估計提高9%左右，可采儲量增加60%左右，是一種低成本增產技術。 如果能使得二次壓裂獲得成功，必須評估二次壓裂前、后的平均儲層壓力、滲透率厚度乘積、有效裂縫長度和導流能力等等。 所以重復壓裂必須以室內實驗為基礎進行實施。 Barnett 的大部分頁巖氣井都進行了二次壓裂，二次壓裂后可接近甚至超過初次壓裂時的頁巖氣產量［4］。

1.3 同步壓裂技術

該技術是同時進行配對井的壓裂，也就是同時對兩口甚至更多的井進行壓裂。 它可使壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運移距離達到最短，能增加裂縫網絡的密度及表面積。該技術曾在Barnett 頁巖氣田使用， 在相隔150～300 m 范圍內鉆兩口平行的水平井同時進行壓裂，目前已發展到多口井間同時壓裂。 該技術在未來頁巖氣開采方面將有很大應用前景［4］。

1.4 水平井壓裂技術

水平井也需要壓裂，如果不壓裂則不能產氣。 通過對Newark 東油氣田進行水平井壓裂，發現其初始產氣速度一般比直井快2～3 倍。 對Newark 氣田進行水平井分段壓裂，可使其核心區域產量大幅度提高，并且在那些缺少遮擋或遮擋層很薄的區域，水平井壓裂比直井壓裂更能使裂縫保持在Barnett 儲層的目的段中。最初水平井的壓裂階段一般采用單段或2 段， 目前已增至7 段甚至更多。 中國石油天然氣集團公司西南油氣田有限公司已計劃建設威遠氣田作為全國首個頁巖氣開發的試驗田。至2011 年9 月，已完成5 個頁巖氣勘探試驗井。 中國的第一個水平頁巖氣井威201-H1 井在威遠氣田， 已采用分段壓裂。 水平井10 級以上分段壓裂技術是最關鍵的核心技術，但是，目前我們對這兩項技術的掌握還不是很成熟。

2 水力壓裂引起的環境問題

水力壓裂技術，是目前唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙。 它主要使用含砂的水，其中砂作為支撐劑，此外還有2%或更少的化學增強劑。 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以保持住裂縫，使其成為油氣導向鉆井的高速滲透通道。 循環壓裂液的凈化不妥可能會造成嚴重的環境問題，因為水力壓裂技術應用于工業，眾所周知，會使用大量水和造成水污染問題，水污染對居住地區甚為敏感［5-7］。

2.1 水力壓裂需要消耗大量水

水力壓裂技術需要消耗大量水資源且不可回收。 水力壓裂井比傳統的井需要更多的水。 在美國密歇根的Antrim 頁巖氣田， 一個傳統的井一次需要190 m3的水。然而據估計如果是水平鉆井，一個水力壓裂井一次需要1.9×104m3水， 大約是一個1×109W 煤電站12h 的水用量。 據介紹，2.6 km2干旱土地需1.5×106m3水，可收獲價值2×105$的玉米。 等量的水，如果用于水力壓裂技術鉆井， 可獲得價值2.5×109$的石油。 由于鉆井所使用的水要注入比地下蓄水層深得多的頁巖層，大量水主要被巖石吸收，而不能再回收利用。 環保人士擔心水力壓裂過程中會消耗大量水資源。 據德國地球科學研究中心的霍斯菲爾德教授介紹， 每口頁巖氣井需耗費1.5×104m3的水才能使頁巖斷裂，具體數據見表1。

表1 頁巖氣生產不同井的水需求量

2.2 水力壓裂可能污染地下水

水力壓裂技術也是一柄雙刃劍，不僅消耗大量水資源，還可能污染地下水。 循環后的水典型地含有用于水力壓裂處理的化學濃聚物和自然產生的濃鹽水，有時候有少量的放射物質，比如鐳。 循環后的水必須要妥善處理才能避免對公共健康和環境的危害。 美國14 家油氣公司過去5 年中使用了約2.95×106m3壓裂添加劑，包括750 種化學產品和苯及鉛等有毒物質。 回流的壓裂液如果未及時處理或造成泄漏，對生態環境的影響將不可低估。 環保人士和當地居民長期以來都認為，此舉會使地下水受到甲烷和其他化學物質的污染。

2.2.1 甲烷的污染

在氣體和壓裂液體的流動方面，主要的擔憂是氣體和水力壓裂過程中使用的化學物質污染提供飲用水的蓄水層。蓄水層在大約地下600 m 或者以上。壓裂是水平的，因為石頭自然的壓力使氣體流向氣體儲存器。 在更深的底層，壓裂可能垂直地發生但是受被壓在上方的氣體儲存器限制。 如果某處地下水受水力壓裂液體污染，多數情況可能是不合理施工而不是水力壓裂技術本身造成。 美國杜克大學的研究者在《美國國家科學院院刊》表示， 在賓夕法尼亞州使用水力壓裂開采頁巖氣的地區， 地下水中甲烷含量比其它未鉆探區域高出大約17倍。 研究者分析了賓夕法尼亞州和紐約州五個郡范圍內68 個私有水井中的甲烷含量，報告稱，飲用水受甲烷污染的現象與用水力壓裂法開采頁巖氣密切有關［8-9］。

地球正義組織的數據顯示，美國目前有32 個州采用水力壓裂法開采頁巖氣。 杜克大學的研究人員表示，甲烷氣體的釋放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。 研究人員還表示，水力壓裂法注入的液體會慢慢自地下深處向上層運動，幾十年后可能才產生影響［9］。例如，2010 年4 月，由于Exco 能源公司的鉆井機無意中造成了淺層天然氣泄漏， 導致大約150 戶迪索托居民被迫疏散到鄰近的卡多縣。 當時，Exco 公司承認甲烷已經滲入當地的飲用水中， 并且表示會監測是否有氣體逸出。 也發生了卡波特公司被指控在開采天然氣時，造成了甲烷滲透進居民水井的嚴重后果見表2。

表2 美國頁巖氣井返流液體中的甲烷排放量

2.2.2 化學物質污染

頁巖氣開采導致另一個重要的環境污染問題是化學物質污染。 在開采過程中要經過地下蓄水層，這時，所使用的化學添加劑會對蓄水層中的水造成嚴重污染，表現為化學物質的泄漏。 地表溢出——化學物質和開采使用水的溢出給公眾健康和環境造成負面影響。 2009 年，在切薩皮克能源公司的鉆井平臺附近，發現了16 頭牛的尸體。 調查顯示，這些牛是食用了鉆井機使用的化學制品后死亡。 然而這些化學制品則是在一次暴風雨中發生泄漏的。 在賓夕法尼亞州，由于飲用水安全和其他環境問題的訴訟讓鉆探工作遇到了很大的麻煩，間接地導致了能源產品成本增加。 同時，政府也在當時中止了在國有林區內發放新的鉆井許可證［10］。

2.3 臭氧標準可能產生潛在的負面影響

據美國《油氣雜志》2011 年8 月26 日報道，美國空氣控制中心（ACC）技術和法規事務副總裁Mike Walls 表示，考慮到頁巖氣資源的重要性，目前更加嚴格的空氣中臭氧標準對該行業可能產生潛在的負面影響。 大多數與頁巖氣開發相關的工業均位于美國人口較少的地區，這些地區目前為空氣清潔法的達標地區。 但是，更加嚴格的臭氧標準將使整個美國變成“不達標”，有關許可要求的更改將使企業獲得許可證的成本大幅增加且獲得難度更大。 需要利用頁巖氣帶來的新的競爭優勢，而在更加嚴格的臭氧標準監管下，越來越多的頁巖氣資源將處于臭氧不達標地區，這將使這些地區的頁巖氣生產停止，從而使其擁有頁巖氣資源卻不能利用［11］。

美國環保局（EPA）未能在2011 年7 月31 日前如期完成臭氧標準的修訂，而工業界人士和共和黨議員卻希望說服EPA 將新標準推遲到2013 年。 雙方的爭議源于2008 年EPA 決定將8h 臭氧標準從0.084×10-6減少到0.075×10-6， 為其提供建議的EPA 清潔空氣科學顧問委員會甚至表示不應超過0.070×10-6。2011 年9 月2 日，美國總統奧巴馬要求EPA 撤回有關空氣中臭氧標準的監管提案，政府表示關于保護公眾健康和環境的承諾仍然不會動搖，但在經濟持續復蘇的情況下，仍需要強調減少企業界面臨的監管負擔和監管不確定性的重要性。 但是，油氣工業界認為取消臭氧排放條例只是暫時性地緩解了未來可能更加嚴格的監管負擔，因為美國環保局要求最大限度地使用減排技術的提議仍在研究日程內。 可以預見，業內將持續關注臭氧標準變化對水力壓裂的影響［12］。

3 環境污染的補救措施

3.1 對壓裂返排廢水污染的控制

為了減少水力壓裂帶來的環境破壞，在每次壓裂完成之后，對水進行獲取和重新利用，是一項比較重要的補救措施。 美國許多頁巖氣鉆井就建在傳統天然氣生產場所附近，因此，壓裂后的水能夠被捕獲、處理，并回收利用到下次水力壓裂中。 據估計，美國頁巖氣鉆探中，大約有70%的水來自水力壓裂回收的水。

每口井需要消耗（7.5～19）×103m3的水，其中的25%～100%需要回流到地面， 這些水必須進行回收和處理。對于美國西部各州，特別是新鮮水供應已經非常緊張的地區，水力壓裂會使現有水資源進一步緊張。 巴尼特頁巖區鉆井和壓裂過程的耗水量相當于當地18.5 萬戶家庭的耗水量。 根據美國地質調查的資料報道，得克薩斯州正密切關注鉆井過程中水的用量，由巴尼特頁巖鉆探公司組成的一個財團開發了節約用水的最佳管理措施。馬塞勒斯頁巖氣生產區也采用了類似的方法。

水力壓裂形成的廢水通常有以下三種典型的處理方法：運輸到廠區外的污水處理裝置進行處理，其后將其封存在地下井中。 運輸到廠區外的污水處理裝置進行處理，再排放到地表水。 原地處理后重新用于水力壓裂或鉆井操作。 不同頁巖氣產區的水力壓裂回流廢水（含不同的化學試劑）要求有不同的水處理解決方案。 如在美國東部馬塞勒斯頁巖區一定要有處理極高含鹽量壓裂廢水的能力［13］。

據美國《烴加工》2011 年7 月1 日報道，為了解決水處理相關問題，一些領先的水技術公司推出了移動式水處理裝置解決方案。 這些移動式裝置用來處理和回收水力壓裂回流液和鉆井過程及其他工業操作過程中產生的含鹽廢水，這樣可以減緩新鮮水供應緊張的問題。 另外，美國一些大學，如得克薩斯A&M 大學、卡耐基梅隆大學和西弗吉尼亞州立大學也開始了該項目的研究工作，旨在開發新的、更有效的油氣鉆探和水力壓裂過程中的廢水處理技術。 一些公司，包括西門子水技術公司及GE 電力和水處理公司， 都推出了應用不同技術的移動式水處理裝置，能在原地進行水處理并回用，不僅能減緩當地水資源緊缺、降低成本，還可以降低將廢水輸送到遠處的封存井或水處理裝置過程中產生的溫室氣體排放。 西門子的解決方案采用浮選/過濾技術， 而GE的解決方案則采用蒸發技術。 每種技術各有利弊。

中國延長石油集團研究院通過對微界面絮凝、催化氧化、定向脫色、強化固液分離等技術進行重點攻關與配套技術研究，2012 年6 月中旬開發出集化學處理劑體系與設備為一體的高效污染物無害化處理技術，并自主研發成功YC-FC01 模塊化頁巖氣壓裂作業廢液回用處理設備。 該設備采用模塊化設計思路，使用時可根據壓裂廢液性質通過調節閥實現各模塊之間的任意切換與組合。 它能針對不同壓裂體系的作業廢液采用相應的化學調制劑處理，處理后的水質可滿足壓裂液配液用水指標，實現了節能減排及廢液循環利用。 該技術已在國內率先用于解決陸相頁巖氣開發中壓裂作業廢液的處理難題。 YC-FC01 設備是一套室內小試裝置，目前延長集團正在設計中試處理設備，擴展后的橇裝式模塊化廢液處理設備可推廣應用。 該技術可有效解決頁巖氣開發中壓裂作業廢液的處理問題，節能減排、保護環境、節約水資源，對實現頁巖氣綠色開發、清潔生產與可持續發展具有重大意義。

3.2 對空氣污染的控制

美國環保局2012 年4 月18 日發布一項新法規，將對頁巖氣開采中，因使用水力壓裂技術所造成的空氣污染加以控制，這也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，所有采用水力壓裂技術進行開采的頁巖氣井都必須安裝相關的設備，以便減少可揮發性有機化合物及其他有害空氣污染物的排放，例如像苯和正己烷等。 環保局空氣和輻射辦公室副主管Gina McCarthy 在發布該項法規時表示，在頁巖氣田必須要安裝相關設備的同時，還可以捕集到具有較強溫室效應的甲烷。 目前大氣環境中的甲烷主要是由于油氣開采泄漏造成的。 該項法規將對目前美國約13 000 口天然氣井產生影響。

美國環保局早在2011 年7 月就提出了對水力壓裂法氣井進行控制的初步建議，當時美國石油協會和其他行業協會都認為這項計劃實施的時間進度太緊。 因此美國環保署在最終頒布這項法規時，將具體實施時間推遲了兩年多，在此期間，這些氣井在生產中可以通過燃燒的方法減少甲烷和其他污染物的排放。 這項修改后的法規得到了美國天然氣協會和美國石油協會的贊揚。 他們稱時間等方面的修改“能夠讓相關公司在生產國家急需的石油和天然氣的同時，又能減少污染物的排放”。 這項法規同時也得到美國環保組織的支持。 野生地球守護者的氣候變化和能源方案主任杰里米·尼科爾斯表示：“雖然未來兩年多， 這些氣井還將繼續燃燒甲烷而不是捕集，但從另一方面來說，將這些物質通過燃燒等方法除去畢竟也減少了向空氣中的排放。 ”他強調，現在該是工業界行動起來， 加緊安裝新設備捕集這些物質的時候了。 據了解，目前美國新氣井中約有一半已安裝了相關設備，以便在進行頁巖氣開采時能夠根除可揮發性有機化合物的排放，捕集空氣污染物及甲烷。

2012 年5 月15 日， 美國環保局發布了新的天然氣開采排放標準，要求運營商使用天然氣捕捉技術，以避免有害氣體逃逸到大氣中，威脅公眾健康。 這些氣體包括化學混合物、沙子和水在高壓下注入巖石中進行壓裂釋放出來的碳氫化合物。 美國環保局局長麗莎·杰克遜表示，過去逃逸出來的氣體污染了空氣。 新標準將通過捕獲這些氣體來保護人們的健康，也將把更多針對燃料供應商的產品推向市場。 政府希望繼續擴大全美天然氣等重要資源的生產。 新標準在支持這一目標的同時，確保燃料生產不會威脅民眾健康。 美國環保局已更新了兩項清潔空氣法案，以控制天然氣井壓裂、鉆井和抽水等環節釋放的氣體。

美國每年大約有1.3 萬口天然氣井進行壓裂或再次壓裂。 在開采準備階段，這些天然氣井會釋放出揮發性的有機化合物，形成煙霧、苯和正己烷等有毒物質，可能嚴重威脅人類健康。 《清潔空氣法案》要求環保局為引起空氣污染、危及公眾健康的行業設立標準，每8 年更新一次。 現行標準發布于1985 年。 更新后的《新能源性能標準》和《有害空氣污染物標準》要求，相關行業要捕捉天然氣的主要成分甲烷。 甲烷吸收的太陽熱量是大氣中二氧化碳的20 倍以上。 新標準既可以通過成熟且具成本效益的技術來實現，又能降低實施成本，同時確保其可行性。 美國約有一半的壓裂式天然氣井已經應用。 這些技術不僅能減少天然氣井排放95%的有害氣體，還能令企業收集到更多的天然氣，通過再次銷售抵消成本。 美國環保局預計，新標準在2015 年全面實施后，相關行業每年將節省1.1×107～1.9×107$。

美國石油學會和美國天然氣聯盟于2012 年6 月4日共同宣布，對美國來自水力壓裂甲烷排放量新的調查發現，它們比美國環保局的估計要低50%。 他們調查了廣闊的地理區域20 多家公司作業的91 000 口井， 許多數據來源是環保局最近估算的主要來源的10 倍。 由URS 公司和LEVON 集團所作的調查發現， 來自兩個重要區域的排放比美國環保局的估計要低得多。 在液體石油卸貨過程中甲烷進入大氣的排量要低86%，修井作業的排放量要少72%。 荷蘭皇家殼牌公司行政總裁Peter Voser 于2012 年6 月5 日在馬來西亞吉隆坡舉行的第25 屆世界天然氣大會的講話中表示， 雖然已無疑問，在世界各地可以挖掘出頁巖氣這些豐富的天然氣儲藏，但社會不應低估重大的投資和高度復雜的技術，需要采取安全和負責任的方式去做。 沃瑟指出，一些環保團體對這些資源開發潛在的安全和環境影響口誅筆伐。 這導致對水力壓裂影響的一些誤解。 沃瑟稱，壓裂是一個已經試用多年的技術。 最近引起更多關注的是溫室氣體排放，尤其是甲烷，它從頁巖氣生產中逸出。 沃瑟稱，使用成熟的技術可以顯著減少甲烷排放。 在美國懷俄明州的Pinedale 作業中，殼牌公司已安裝了一個系統，可用紅外攝像機檢測以幫助阻止甲烷泄漏。 但顯然仍需要更多的研究來了解天然氣行業甲烷排放的真實程度［14］。

3.3 國際能源局的評論

國際能源局于2012 年5 月29 日表示， 只有負責任地應對相關問題，頁巖氣產業才會“加快發展”。 如果頁巖氣這種非傳統的燃料要走向興旺，開發者必須解決頁巖氣開采的社會和環境問題。 國際能源局執行主任Maria van der Hoeven 表示， 技術應能應對非常規天然氣生產與環境有關的問題。 然而，她警告說：“如果不妥善解決對社會和環境的影響， 則一個非?，F實的可能性，是公眾反對頁巖氣和其它類型非常規天然氣的鉆探，這將使進入軌道的非常規天然氣革命停止。 ”行業必須通過展示出色的表現，以贏得公眾的信賴，政府必須確保適當的政策和監管制度落實到位。 這些措施包括：充分的透明度，對環境影響的測量和監測；當地社區的參與；謹慎選擇鉆探地點和措施，以防止從井內發生任何泄漏而進入附近的含水層；嚴格評估和監測對水的需求和廢水達零排放與最小的天然氣放向火矩的措施；以及改進項目的規劃和監管。 據稱，國際能源局的提法已獲得八國集團領導人最近在戴維營召開的首腦會議的贊同［15］。

國際能源局首席經濟學家Fatih Birol，在其報告中表示，該機構估計，額外的措施，可望使單一的頁巖井成本再增加7%，不過，對于較大型的開發其成本增加會低得多。提赫·比羅爾表示，如果遵循這些規則，非常規天然氣生產量將可望到2035 年增加2 倍至1.6×1012m3，但是，全球范圍內，如果不生產頁巖氣，未來可能會保持靜態，則天然氣在全球能源結構中將會削弱，價格將會上漲。

3.4 非常規氣清潔開發的黃金準則

頁巖氣開發需要采用特殊的技術，由此會帶來新的環境風險和挑戰。 根據美國凈化空氣任務組織的研究成果，具體的環境表現為：溫室效應、地面臭氧煙霧污染、地下水污染、地表水污染、局部地區水資源短缺。 必須對這些污染采取必要黃金準則，具體內容包括：采用全風險管理框架和最先進技術刻畫地質構造；在完井期間及完井后，啟動地下水監測體制，以確保第一時間發現地下水污染情況；采用嚴格的返排液處理標準，確保正常作業和意外泄漏導致的壓裂液和壓裂返排液及烴類排放與自然環境和地下水層隔絕；確保地表作業不影響淺部含水層；在非頁巖氣開發過程中，應該在現有環境法案框架基礎上，有針對性地制定環境保護政策［16］。

以上這些政策法規應該在推動上述標準實施過程中起重要作用。 美國已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；也頒布《FRAC》法案，要求披露水力壓裂中使用的化學藥劑情況等。 這些經驗表明，頁巖氣開發對環境的影響從一開始就應該考慮充分。 我國目前處于頁巖氣開采的初期階段，具有很好的環境和社會協調發展的基礎，因此，現在就必須把甲烷、有毒化學物質及水污染問題納入管理體系。 總之，在一定程度上，頁巖氣監督管理水平決定頁巖氣資源發展的未來。

4 結論

a）頁巖氣水力壓裂開采技術帶來了嚴重的環境污染和生態破壞問題。 開采過程中甲烷和使用水中大量化學物質的溢出將會嚴重危及公眾健康。

b）在頁巖氣勘探開發中，通過技術改進減少作業用水量， 同時采取措施處置含有污染物的鉆探回收水，并防止有毒氣體泄漏。 國家層面必須建立符合國家實際的頁巖氣勘探開發規范。

c）美國頁巖氣發展經驗表明，中國在頁巖氣開發初期就應該把環境污染問題納入管理體系。 加強頁巖氣開發過程中的環保技術，并制定相應的法律規范，使頁巖氣開發技術更成熟環保。

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