頁巖氣開發的環境影響和環保策略

盧景美 高文磊 劉學考

1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中海油研究總院，北京 100027

0 前言

致密頁巖中開采出的天然氣稱為頁巖氣，作為一種新型清潔能源，在國內陸上天然氣勘探和開發中呈現快速增長的趨勢。頁巖氣的開發為社會經濟發展帶來諸多機遇的同時也將出現一些環境問題，如水體污染、生態破壞和空氣污染等。本文調研了國外頁巖氣開發現狀、環境影響和技術措施，結合中國的資源狀況分析，為中國石油公司和管理者在開發技術和環境保護方面提供經驗借鑒。

1 國內外頁巖氣開發現狀

1.1 美國頁巖氣開發現狀

美國是頁巖氣開發最早的國家，富有機質的頁巖廣泛分布在21個陸上盆地和其他天然氣區帶。1986年，第一口頁巖氣水平井多段壓裂成功，實現了頁巖氣勘探開發的突破；1980～2000年，頁巖氣的鉆井和壓裂技術飛速發展，從水平井鉆探技術、重復水力壓裂、水平井套管完井及分段壓裂技術到微地震監測技術應用，促使了頁巖氣開發和生產逐漸向商業化發展并成為主體技術模式。Mitchell能源公司在1998年利用水膜壓裂技術使Barnett頁巖氣開發成本降到4美元以下，實現了頁巖氣的商業化開發。

促使美國頁巖氣開發經濟可行的因素有：水平井方面的技術進步；水力壓裂技術；天然氣價格的快速上漲；聯邦稅收抵免。水平井和水力壓裂技術不僅能顯著提高單井日產量，總產量也得到了明顯增加，德克薩斯州的一次實驗中單井采收率達到54%。如沒有技術進步，很多非常規天然氣開發將無經濟價值［1］。20世紀90年代末，美國只有40套鉆井設備能夠完成陸上水平井，而2008年5月已增加到519臺［2］；美國參與頁巖氣開發的公司從2005年23家發展到現今60多家。

美國85%的能源由天然氣、煤和石油供應，其中天然氣占總量的22%。在過去10年中，非常規能源的產量增加了65%，頁巖氣的年產量從1998年的1 529×108m3增加到 2007 年的 2 520×108m3［3］。 2000 年頁巖氣僅占美國天然氣產量的1%，到2010年頁巖氣比例增加到20%。美國能源信息管理局預測，頁巖氣是美國未來天然氣增產的主要來源，2035年46%的天然氣供應將來自頁巖氣。

1.2 中國頁巖氣開發現狀

煤炭在中國能源需求中占主導地位，但燒煤會釋放大量有害物質。近兩年，北方大部分城市四季頻繁出現霧霾，并向南方蔓延，整個中國東部空氣質量逐年下降，中國經濟發展對清潔能源的需求日漸增高；另外中國在1992年就已經成為主要能源進口國［4］。因此在能源供應和空氣質量日益惡化的背景下，天然氣將成為傳統煤炭能源重要的替代者。

我國已將頁巖氣開發納入能源戰略規劃中，《國民經濟和社會發展“十二五”規劃綱要》中明確提出了“推進煤層氣、頁巖氣等非常規油氣資源的開發和利用”。2011年，國家發改委等四部委聯合推出《頁巖氣發展規劃（2011～2015年）》，國土資源部共優選出180個有利區塊。我國頁巖氣資源量為134×1012m3，其中技術可采量為25×1012m3［5］。 目前我國頁巖氣已進入實質性的勘探階段，主要地區在四川盆地及其周緣、鄂爾多斯盆地、遼東凹陷等地。中國石油在川南鉆探了約20口氣井，平均每口井的日產量在10 000m3以上；中國石化在黔東、皖南和川東完鉆5口評價井，其中2口井獲得工業氣流；中海油在皖浙、山西等地區也開展了前期勘探工作，申請了頁巖氣有利探區；延長石油在陜西延安地區3口井發現了頁巖氣。個別頁巖氣項目實現了商業化運營，但尚未實現大規模的商業開采。

中國著名的頁巖氣資源研究專家張金川教授認為，中國的頁巖氣開發可分為勘探階段、鉆井和開采階段及商業應用階段。從目前國內情況看，還沒有一家能源公司能同時滿足這三個階段的條件要求，國內石油公司在頁巖氣勘探方面與國際水平較接近，核心問題在于鉆井和開采及商業應用階段。在中國，頁巖氣的商業化開發道路還很漫長，但可以先逐漸完善頁巖氣開發框架和環境保護法律法規。

2 頁巖氣開發的環境影響

頁巖氣資源具“低品位”和“高分散”的特征，和常規天然氣開發相比技術難度大，因絕大多數頁巖的滲透率非常低，不同地層中巖石的脆性和裂縫發育程度也不同，儲層特征和滲流機制差異很大。頁巖地層中毛細管壓力較大，需要特殊的開發工藝才能獲得經濟性產量和理想開發效果。在眾多技術中，水平井和水力壓裂技術對頁巖氣開發的經濟性雖起到關鍵性作用［6］，但在鉆井、壓裂、開發生產過程中會不斷出現影響生態環境和水資源占用等問題。因環境問題，法國和保加利亞等國政府發布禁令，禁止水力壓裂在頁巖氣開采中的使用。美國個別州也進行了立法，加強了環境監管和回收壓裂液的管理。綜合分析美國和加拿大頁巖氣開發生產案例，頁巖氣開發對環境的影響主要有三方面：水資源占用、水資源污染、空氣污染和生態破壞。

2.1 水資源占用

頁巖氣開發需要消耗大量的水資源。統計北美典型的頁巖氣開發水平井，單井鉆井和水力壓裂用水量平均為 1.3×104～4.5×104m3；在馬塞勒斯（Marcellus）頁巖中鉆井用水量1.5×104～4.5×104m3，其中壓裂用水占98%；在巴奈特頁巖中鉆1口井至少消耗水1.4×104m3，壓裂用水占85%［7］。不同盆地中的不同頁巖，隨埋藏深度和頁巖厚度不同，用水量也有很大區別。總體趨勢是隨頁巖埋深增大，鉆井和壓裂的用水量也增加，如加拿大的霍恩河頁巖和美國的馬塞勒斯頁巖壓裂用水量隨埋深增加而成倍增加,北美頁巖特點及用水量見表1。我國四川、重慶等地的頁巖氣埋藏深度普遍為2 600～3 000 m，儲層厚度 20～800m［8］，壓裂用水量和美國頁巖氣相比會有增加，單井用水量在20 000m3以上。

中國水資源和水力資源研究中心的調查表明，塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、華北平原、遼寧、山西、泰山和河西走廊地區面臨嚴重的水資源短缺；我國地下水產水能力地區性差異大，地下水補給較貧乏和貧乏區主要集中在中部地區，包括東北三省、山東、山西、河北、河南、安徽、江西、四川、重慶等省（市）的丘陵山區，而中國有利頁巖氣勘探和開發區帶基本上位于或者臨近這些區域。這些區域目前已在進行頁巖氣勘探，將面臨長期或者季節性水資源短缺［8］。

類別轉換主要是發生在詞與詞之間的轉換，即使用屬于不同語法類別的目標語詞項來翻譯源語詞項[4]。通過改變詞性，以期順應目標語的表達方式。

表1 北美頁巖特點及用水量

表2 頁巖氣水力壓裂添加劑類型及所占比例表

2.2 水資源污染

在水力壓裂技術中，壓裂液主要由高壓水、砂和化學添加劑組成。清水壓裂液以水和砂為主，占總量99%以上，化學添加劑占總量的1%，見表2。化學添加劑在壓裂液中所占比例很小，但對地下水的污染不容小覷。在一些淺井中，由于微生物比較發育，要適當增加抗菌劑比重來減少微生物對裂縫的封堵和清除細菌產生的腐蝕性產物，因此在水力壓裂過程中，化學物質可能會沿著裂縫從地下深處上升至淺層或地表，也可能由于采氣管道的質量問題或操作不當造成化學添加劑泄露，污染蓄水層和地表的河流、湖泊水。

中國西北和華北地區頁巖氣富集區地下水補給不豐富和自身循環差，另外經濟的快速發展使工業廢水排放不達標及頁巖氣開發的高耗水量會導致水環境污染問題更加突出。頁巖氣開采的耗水量是常規天然氣開采耗水量的10倍左右，循環后的水含有重金屬、鹽分及放射性物質等100余種污染物。目前我國頁巖氣的有利區帶主要集中在地質條件復雜地下暗河溶洞多的川渝湘黔等地區［10］，若地下水污染，后果難以控制。

2.3 空氣污染和生態破壞

頁巖氣開發將造成二氧化碳和有毒氣體的排放及甲烷泄漏。我國頁巖構造中含有大于1%的硫化氫，及少量的苯、正己烷等，若收集處置不當，將影響局部空氣質量。而據預測，甲烷泄漏量可占整個氣井預測總產量的1．7%～6．0%，會造成嚴重的環境隱患。美國頁巖氣開發中常出現類似氣體泄漏，2010年4月，由于Exco能源公司的鉆井造成淺層天然氣泄漏，導致約150戶迪索托居民被疏散，迫于壓力鉆機停鉆。另外卡波特公司也被指控在開采天然氣時，甲烷滲透進居民水井。

美國康奈爾大學的研究人員指出：在頁巖氣開發中，大部分甲烷被釋放到大氣中，沒有被采集來作燃料。美國環境保護署也承認，在頁巖氣開發中，甲烷泄露的危害被嚴重低估。美國國家環保署（EPA）甚至提出要修訂臭氧標準，將8 h臭氧標準從0.084×10-6減少到0.075×10-6，但迫于工業界人士和政府對美國經濟復蘇的壓力而沒有完成修訂［11］，這說明了環境監管力度及臭氧標準會影響頁巖氣開發進度。

頁巖氣大規模商業化開發需要不斷地建井場，鉆井數量是常規天然氣開發的百倍，大量鉆井會導致土地資源占用和生態問題的出現。

3 環境保護策略

在中國，頁巖氣開發是雙刃劍，一方面天然氣能滿足國內高速發展的經濟需求，解決燃煤存在的諸多環境污染；另一方面頁巖氣開發過程中也會產生相應的水資源污染、空氣污染和生態破壞。頁巖氣開發對環境的影響程度較大，有些壓裂液對水資源的污染在幾十年后才會顯現出來。因此不僅要借鑒美國頁巖氣開發的開采技術，還應借鑒其防控污染的經驗，防患于未然。

頁巖氣開發的環境保護工作可以從兩方面開展，一是環保部門加強監管機制，制定法律、法規來規范勘探和開發的各個環節；二是倡導應用新技術開發頁巖氣，從源頭上杜絕頁巖氣大規模商業化開發對環境的破壞。

3.1 完善環保法規

美國國家環保署2012年4月18日發布一項新法規，對在頁巖氣開采中，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，如苯和正己烷等［12］。對于頁巖氣開發，我國目前的環境監管相關法律、法規和技術規范都未能全面考慮頁巖氣這一新礦種開發帶來的特殊環境問題，對天然氣開采排放標準和天然氣捕捉技術等沒有針對性的特殊規定。

在自然生態保護方面，為了保護野生動物，穩定地區生態平衡，設立特殊的自然保護區。如美國阿拉斯加野生動物保護區，禁止礦產資源的勘探與開發。

3.2 加強監管和專項研究

要使頁巖氣非常規能源快速發展，政府必須確保適當的政策和監管機制落實到位。包括：充分的透明度，對環境影響的測量和檢測；當地民眾的參與，謹慎選擇鉆探地點和措施，防止井內發生任何泄漏而進入附近的含水層；嚴格評估和檢測對水的需求以及廢水零排放措施；高標準規范企業行為，防止實施過程中的環境污染；改進項目的規劃和監管。

設立頁巖氣等非常規天然氣開發環境影響研究專項，選擇國內試點項目，借鑒國外經驗，重點從頁巖氣開發對生態、地下水、場地空氣質量的影響以及排放的揮發性有機污染物對人群健康的影響等幾方面進行量化研究，積累污染源數據和環境影響后果分析手段。在現有技術條件下，研究制定適合我國國情的頁巖氣開發環境管理標準體系和技術規范體系。

聯合政府和企業的力量，加強環境監管和信息公開。根據頁巖氣開發工藝流程，尋找頁巖氣開發過程可能造成環境污染和生態破壞的風險源，加強監測，確保污染物濃度與總量控制在生態環境可接受范圍內。作為頁巖氣開發過程環境保護工作的主體，企業應擔負起社會責任，對位于城鎮地區的井場周圍環境監測信息進行公開，消除公眾對環境的擔憂。

3.3 采用國外新技術

美國頁巖氣開發新技術體現在水平井鉆井技術、水力壓裂監測技術和流體管理三方面。中國頁巖氣開發可以借鑒這些成熟技術，或者創新適合中國國情的先進技術。比如減少水平井的數量，在壓裂過程中使用計算機進行監測和模擬，調查和管理開發區域的水資源，以及水壓裂液體的回收和凈化處理等。

3.3.1 水力壓裂監測技術

較厚的頁巖氣儲層段需采用分段壓裂技術，即每一次只壓裂一段儲層。微地震成像技術能通過計算機模擬來實時監測壓裂的結果并評價壓裂效果。這一技術可以確定裂縫端部相對鉆井的方位，并隨著壓裂工作的推進，還可記錄裂縫的延伸軌跡，尤其是垂直方向上的裂縫生長情況。作業者需要時刻監測壓裂軌跡，確保不偏離頁巖儲層。2013年，被中海油收購的尼克森公司在頁巖氣開發和生產中設置了5個微地震監測站，共監測到331 次水壓裂事件［13］。

3.3.2 流體管理

流體管理指返出壓裂液的管理。水力壓裂過程需要消耗大量的水，壓裂完成后壓裂液返回到地面，這些廢水中含有大量殘余化學物質，如鹽、重金屬、放射性元素和有機化學物質等。如果能將廢水進行回收處理并利用可減少環境污染，國外常用方法：采用分支井技術有利于采用封閉泥漿循環系統來保證各井中的泥漿質量，泥漿的循環再利用也能減少廢料產生；對具有特殊用途只在鉆井過程中小部分井段使用的泥漿，可以采用不銹鋼泥漿罐單獨灌裝壓裂液，然后將這些泥漿罐運送到其它井場中重復利用。

返出壓裂液含有鐳輻射和苯，約占壓裂液的30%～70%。美國的一些州，產出液會重新注入井下并儲存起來；美國聯邦安全飲用水法的地下灌注控制程序對此有明確規定，此類灌注液不允許與活水層接觸或聯通；在賓西法尼亞州壓裂液是回收利用的。對流體的統一管理，無論是地下灌注還是回收重復利用，都會降低對地下水的污染。

3.3.3 新技術創新和應用

空氣鉆井技術的效率高，但不適用于所有地質情況，這種鉆井技術只產生少量的干廢料，相比濕廢料來說，更容易處理。中國國家能源委員會專家咨詢委員會主任張國寶大膽提出用液化二氧化碳取代水以減少能源開發對環境的損害。

4 結論

a）頁巖氣開發過程中對環境的影響主要體現在水資源占用、水資源污染、空氣污染和生態破壞。

b）我國頁巖氣開發剛剛起步，環保部門應盡快完善相關天然氣排放、廢液地下灌注的法律和法規，防患于未然。政府部門加強監管措施和專項研究，制定適合中國生態平衡的監管機制。

c）倡導應用新技術開發頁巖氣，從源頭上杜絕頁巖氣大規模商業化開發對環境的破壞，保護自然環境，維護工業發展和自然生態之間的平衡。

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