中國頁巖氣開發利用環境效益評估

余國合，吳巧生

(中國地質大學(武漢)經濟管理學院，湖北 武漢 430074)

中國頁巖氣開發利用環境效益評估

余國合，吳巧生

(中國地質大學(武漢)經濟管理學院，湖北 武漢 430074)

頁巖氣開發利用的環境效益產生于頁巖氣能源對于煤炭能源的替代價值。因此，其環境效益評估體系應包含頁巖氣與煤炭資源兩方面，其環境效益評估的基礎是煤炭資源開發利用的環境成本核算。本文在比較頁巖氣能源與煤炭能源的環境屬性基礎上，構建了頁巖氣環境效益評估體系，提出了環境效益評估模型，并對中國頁巖氣開發實際環境效益進行了評估。評估結果：每1m3頁巖氣生產帶來0.60元環境效益，環境效益巨大。環境效益的主要貢獻在于有害氣體的大幅減排；環境風險的最大來源是壓裂液返排。因此，加強生產環節監管、完善頁巖氣管理體系、注重壓裂技術創新，是減少頁巖氣環境風險的重要手段。

頁巖氣；環境效益；評估體系；評估模型

中國煤炭能源消費比例長期穩定在70%左右水平，造成了嚴重的環境問題。為了改善環境，中國政府近年來一直致力于改善能源結構，但收效甚微。美國頁巖氣革命給美國帶來了原油、原煤消費比例明顯下降，天然氣消費比例明顯上升，能源結構優化、二氧化碳排放減少，能源安全度提高等社會效益，增加了美國社會經濟活力[1]。美國的成功經驗給予中國極大鼓舞，中國頁巖氣資源豐富，儲量與美國大致相當，中國完全可以通過頁巖氣資源開發利用，實質性改變能源消費結構，改善環境。

頁巖氣屬于非常規天然氣，開采成本較大，單從純粹經濟效益考慮，頁巖氣缺少競爭力。然而，頁巖氣相對于煤炭能源而言，空氣污染物排放量大幅度減少，環境效益明顯。但頁巖氣開采與常規天然氣相比存在著水污染更嚴重、對地質環境破壞性更大等風險[2]。在此背景下，研究中國頁巖氣開發利用的整體環境效益，并給出科學的評估結論，對于幫助政府制定合理的頁巖氣產業發展政策，促進頁巖氣大規模商業化具有重要的理論與實際意義。

1 頁巖氣環境效益評估體系

1.1 煤炭資源開發利用的環境影響

頁巖氣環境效益體現在對煤炭能源的替代過程中，因此煤炭生產的環境成本是計算頁巖氣環境效益的依據。煤炭生產過程的環境影響包括以下方面。

1)土地塌陷。煤炭開采破壞了地表植被和水系，造成嚴重的地面沉降、地面不均勻塌陷，甚至倒塌，引發地質災害和破壞農業生產，導致采區出現嚴重的經濟和社會問題。

2)污染水資源。煤炭開發利用導致大量地下水資源因煤系地層破壞而滲漏到礦井并被排出，這些礦井水形成對礦區周邊環境新的污染，加劇了資源地區水資源緊張狀況，導致了巨大的生產、生活用水壓力。

3)污染大氣環境。煤炭是二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和煙塵排放的最主要來源，其中，二氧化碳導致全球暖化，SO2、NOx 等氣體，會加劇空氣污染及酸雨等問題。

4)土壤污染。開采過程中的大量廢石大多與礦石一道被運到地表，占用耕地和土地，造成土壤污染侵蝕，使得農作物、牲畜等受污染毒害而減產，或致使農牧產品品質變壞。

5)噪音污染。開采產生的噪音常迫使一些動物轉移棲息地，影響生態平衡；在居民生活區，則嚴重影響人體生物節律和神經系統，產生疾病。

1.2 頁巖氣資源開發利用的環境影響

頁巖氣開發利用也存在著對環境的破壞性影響，具體包括以下風險因素。

1)水污染風險。頁巖氣水力壓裂技術中采用的壓裂液主要由水、砂和化學添加劑組成。壓裂過程會有一定比例的壓裂液返排。此外，鉆井過程會和洗井過程也會產生一定量的廢水、廢液，這些污水廢液含有一定量的化學物資，對地表水有污染風險。

2)空氣污染風險。頁巖氣燃燒排放的氮氧化物、碳氫化合物會污染大氣。此外，在開發、運輸及存儲過程中還有少量的甲烷逸出，甲烷溫室效應強，對大氣環境威脅大。

3)巖屑污染風險。頁巖氣鉆進時，會產生大量巖屑，形成污染源。其中，膨潤土漿鉆進、清水鉆進和水基鉆進，會產生不含油的普通巖屑；油基鉆井會產生含油巖屑。

4)其他環境風險。頁巖氣鉆井、水力壓裂、井場建設等，由于使用了大型機械設備，存在噪音污染。此外，頁巖氣開采過程使用高壓，可能會引發局部地區一些地震、泥石流等地質災害等。

1.3 頁巖氣開發利用環境效益評估體系

根據頁巖氣資源與煤炭資源開發利用的主要環境影響，構建頁巖氣開發利用環境效益評價體系(圖1)。

2 中國頁巖氣環境效益評估

2.1 評估模型

頁巖氣環境效益一是來自于污染氣體減排帶來的大氣環境效益；一是煤炭資源開發利用中固體廢物、廢水、土地塌陷等方面的環境成本。而頁巖氣開發利用過程中產生的固體廢物、壓裂液返排的環境成本應予扣減。對于噪聲污染，中國目前是按照噪聲污染超標等級收費，環境成本很小，基本可忽略不計。對于頁巖氣開采過程中的地質災害，由于至今國內外尚未出現地質災害事故報導，因此，地質災害的環境價值評估尚不具備基礎。根據圖1，構建頁巖氣環境效益評估模型見下式。

式中：Ce為頁巖氣開發利用環境效益；qi為頁巖氣開發利用過程中第i種氣體減排量(i=二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵)；pi為頁巖氣開發利用過程中第i種氣體環境市場單價；sj為煤炭資源開采過程中第j種污染物產生量(j=煤矸石、粉煤灰、廢水、土地塌陷)；pj為煤炭資源開采過程中第j種污染物治理單價；rk為頁巖氣開采過程中第k種污染物產生量(k=巖屑、返排液、廢水)；pk為頁巖氣開采過程中第k種污染物處理成本。

2.2 頁巖氣大氣環境效益評估

煤炭能源在我國主要用于火力發電，因此頁巖氣大氣環境效益應以燃燒煤炭火力發電污染物排放為參考，計算廢氣減排環境效益。根據國家發改委能源研究所制定的“污染物排放量計算規定”[3]，計算污染物排放量(表1)。

頁巖氣主要成分與常規天然氣一致，燃氣電廠二氧化硫排放量幾乎為零，且不排放煙塵。天然氣發電與煤炭發電污染物排放對比見表2。

以1t標準煤熱值為計算基準。頁巖氣生產中甲烷泄露量折合二氧化碳排放量從二氧化碳減排量中扣減，其中甲烷泄露率3.20%[5]。1kg甲烷燃燒相當于排放21kg二氧化碳。

圖1 頁巖氣開發利用環境效益評價體系

污染物排放量/kg二氧化硫16．00二氧化碳2493．00氮氧化物7．60煙塵10．00

表2 500MW燃氣電廠、燃煤電廠污染物排放對比表

注：數據主要根據張輝等“燃氣與燃煤電廠主要污染物排放估算分析”[4]整理。

折標系數： 104kWh=1.229tce；1t (原煤)=0.714 tce；1000m3頁巖氣=1.33tce；1tce=751.88 m3頁巖氣。根據表1、表2相關數據，計算氣體減排收益見表3。

高端消費階層不同于普通消費者的消費心理是促進這一經濟市場發展的內部因素之一，針對特殊的消費人群，可以設定獨特的、符合其審美理念的產品和服務。在高端定制下，民族體育旅游可以成為一種藝術熏陶，從而使高端定制式的民族體育旅游不僅是一種消費形式，更是一種藝術感染力。在高端定制式民族體育旅游過程，游客不僅收獲身體上的健康，心理上的滿足，還從中找到文化認同感，是民族體育未來發展的方向。當然，消費者的個性需求也是促進高端定制式民族體育旅游模式的發展內因之一。游客希望可以自由選擇旅游產品的服務標準、線路和出行時間，這也是高端定制的基本要求。

表3 燃氣電廠751.88 m3頁巖氣(1tce)減排收益計算表

注：有關氣體排污權交易價格，主要根據2012年“關于山西省主要污染物排污權交易基準價及有關事項的通知”。二氧化碳排放權交易價格，則是根據深圳碳市場2013年上半年運行數據計算，即在總成交量19萬t、總成交額1300萬元下，推算碳排放平均交易價格68.42元/t[6]。

由表3可知，頁巖氣開發利用的空氣環境收益為0.53元/m3。

2.3 頁巖氣其它環境效益評估

頁巖氣開發利用其他環境效益指的是煤炭資源開發利用中固體廢物污染、水污染和土地塌陷等環境危害付出的環境成本，這些成本構成了頁巖氣開發利用的相對環境收益。煤炭開發環境成本核算見表4。

表4 煤炭開發環境成本核算

注：單位 t 指1噸原煤。

1)土地塌陷的環境成本。土地塌陷的主要環境危害是引發相關地質災害及土地資源損耗。根據文獻，噸煤造成的礦山地質災害治理費用2007年約3元/t[7]。假定地質災害治理成本年均增長6%，到2013年，治理費用估計為4.26元/t。據統計，每開采1萬噸煤就有平均0.2hm2(約3畝)的土地塌陷。土地塌陷造成的土地資源的損耗其經濟價值可按土地征用標準核算，土地征用費用包括土地補償費、安置補助費以及地上附著物和青苗的補償費。由于各地經濟發展水平不同，補償標準差異較大，一般在三、四萬元/畝到十幾萬元/畝之間。礦區土地價值相對較低，平均每畝可按下限3萬元核算。因此，噸煤土地塌陷經濟損失約9元/t。土地塌陷總環境成本為13.26元/t。

2)煤矸石的環境成本。煤矸石造成的損失主要是占地損耗和污染。我國煤矸石排放量為煤炭開采量的10%～20%。目前全國歷年積存的矸石量超過40多億噸，占用土地約1.5萬hm2(約相當于萬噸煤矸石排放量占地0.04 hm2，約0.6畝)[8]。以1t煤排放0.2t煤矸石核算，目前每噸煤矸石治污費用為5元，則每噸原煤煤矸石污染費用為1.00元/t；煤矸石占用土地，根據上述核算標準，每畝土地價值3萬元，則每噸原煤煤矸石土地占用費用3.60元/t。兩者總計4.6元/t。

3)粉煤灰污染的環境成本。粉煤灰是火力發電的必然產物，通常每消耗4t煤，就會產生1 t粉煤灰[9]。粉煤灰具有一定綜合利用價值，我國目前綜合利用率大約在60%，即每噸煤產生粉煤灰0.25t，其中，排污0.1t。根據2003年國務院“排污費征收使用管理條例”，粉煤灰排污費30元/t(目前仍在執行)，則每噸原煤粉煤灰經濟損失3.0元/t。

4)水污染的環境成本。據山西省水利廳 2007 年11月《山西省煤炭開采對水資源的影響評價及其防治對策》，2006年，煤礦開采對水資源影響的經濟損失為每噸煤13.92～14.72元，其平均值為每噸煤 14.32元/t[10]。中國近年來水價連續大幅調整，水價年平均漲幅達到7%左右，按7%核算，2013年水資源經濟損失估計為22.99元/t。

2.4 頁巖氣其它環境成本評估

頁巖氣生產過程中還存在著固體廢物和廢水、廢液等污染。固體廢物是在鉆井過程中形成的巖屑，其中，普通巖屑需要進行固化、填埋；油基巖屑必須要進行脫油特殊工藝處理，達標后再按普通巖屑處理。廢水、廢液來源有三個，一是鉆井過程中產生的剩余鉆井液，主要包括水基鉆井液和油基鉆進液；二是洗井廢水，清水反復清洗井壁完成后返回的廢水；三是頁巖氣水力壓裂液返排，隨著壓力釋放，部分壓裂液返回地面。

頁巖氣生產過程中形成的污染物需要治理才能對環境無害，因此，相關治理成本就是頁巖氣的環境成本。巖屑處理成本，由于含油巖屑處理成本遠高于普通巖屑，假設普通巖屑與含油巖屑處理成本比例為1∶3。根據“中國石化江漢油田分公司采氣廠焦頁13-1HF、13-2HF、13-3HF井鉆井工程環境影響報告書”(簡稱報告書)，三井普通巖屑量為1516m3，含油巖屑為586m3，巖屑處理總成本估計為100萬元，根據這些數據計算巖屑處理成本。鉆井液處理成本，水基鉆進液可用于其它頁巖氣井，其處理成本可忽略不計。油基鉆井液回收后還可多次循環利用，一般經過四次利用后，油基鉆井液完全廢棄。因此，單井油基鉆井液實際處理量為剩余量的1/4。根據報告書，單井油基鉆井液剩余量為184m3，則單井實際所需處理油基鉆井液為46m3[12]。油基鉆井液處理工藝與含油巖屑處理工藝相似，可假定其處理成本與含油巖屑一致。廢水廢液處理成本，中國頁巖氣單井大約要處理污水廢液1萬立方米，處理費用高達600多萬元[11]，則1t廢水處理成本估計600多元。工藝規定洗井廢水和返排液經過處理作為壓裂液使用，因此兩者的處理成本基本一致。

根據筆者在重慶市涪陵區焦石鎮的調研和報告書中的數據，焦頁井區單井消耗水資源量平均在2萬～3萬m3，壓裂液釋放壓力后返排率一般在6%～10%之間。壓裂液和返排液取平均水平，則單井壓裂液為2.5萬m3，返排率為8%。單井產能，2013年焦頁井區完成試氣13口井，單井產能0.17億～1.03億m3/年(氣井基本為1年期新井)，平均單井產能為0.46億m3/年。頁巖氣井生產周期很長，可達30～40年，但第一年產能最大，以后快速衰減。根據產量衰減曲線，氣井產能基本可分三個階段，第一年為第一階段，第二至第五年是第二階段，第六年至壽期為第三階段。假定每一階段產氣量基本相當，則焦頁單井平均總產能為1.38億m3。頁巖氣單井環境成本相關核算參數見表5。

表5 頁巖氣單井其它環境成本核算表

由表5可知，頁巖氣單井固廢和廢水廢液處理總成本估計為188.45萬元，單井平均總產能為1.38億m3，頁巖氣其他環境成本為0.013元/m3。

綜上所述，頁巖氣環境效益=大氣環境效益+其他環境效益-其他環境成本=0.53+0.08-0.01=0.60元/m3。

3 結論

頁巖氣開發利用相對于煤炭資源開發利用而言帶來了溫室氣體及有害氣體減排的環境效益，但也存在著過度消耗水資源、壓裂液返排污染水源等環境風險。本文通過構建頁巖氣環境效益評估體系，提出了環境效益評估模型，并對中國頁巖氣開發實際環境效益進行了評估。通過理論與實際分析，得到如下結論。

1)頁巖氣開發利用的環境效益主要來自溫室氣體及有害氣體的減排，其中有害氣體二氧化硫的大幅減排是頁巖氣環境效益的主要來源。

2)頁巖氣開發利用的環境效益還在于井場生產范圍小，生產相對清潔。相對于煤炭資源開采而言，不僅對周邊生態環境影響較小，而且產生的固體廢物和廢水相對較少，地質災害的危害也不如煤炭資源開采嚴重。

3)頁巖氣環境效益評估涉及到諸多環節、諸多因素，由于技術性因素和實踐層面的因素，難以全面兼顧。因此，評估過程存在著一定的保守性，整體評估結果相對保守，實際頁巖氣環境效益應超過評估結果。

5 建議

通過對評估結果的分析，提出如下建議。

第一，政府要做好頁巖氣生產企業的資質審核和生產環節的監控，避免生產過程中甲烷泄露和廢水污染。

第二，政府要做好頁巖氣輸送管網等基礎設施建設規劃，避免頁巖氣井的采氣不能及時輸送而排空帶來的巨大環境危害。

第三，頁巖氣開發利用大量消耗水資源，盲目進行大規模頁巖氣開發，將帶來巨大的水資源耗減環境成本，大大弱化頁巖氣環境效益。隨著頁巖氣大規模商業化推進，應向無水壓裂技術方向發展，保護水資源。

第四，中國頁巖氣開發利用各個環節現階段脫節嚴重，比如生產企業既要管生產，又要管銷售，還要管道路等基礎設施建設。因此，有必要分離各個環節，建立各環節相互獨立、協調的運作體系。

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Assessment on the environmental benefits of shale gas development and utilization in China

YU Guo-he， WU Qiao-sheng

(School of Economy and Management，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China)

The environmental benefits of shale gas development and utilization come from the shale gas energy substitution for the coal energy.Therefore，the environmental benefit assessment system of shale gas should include the environmental effect of coal，and the assessment should be based on the environmental cost accounting of coal resources development and utilization.According to the environmental attributes of shale gas energy and coal energy，this paper constructs the assessment system of shale gas environmental benefits，and put forwards the evaluation model，what’s more，this paper assesses the environmental benefits of shale gas development and utilization in China，and gives the result that one cubic meters of shale gas production would bring 0.60 yuan environmental benefits.Through assessment，this paper point out that the greenhouse gas emissions reduced sharply is the main source of environmental benefits，and the fracturing fluid is the largest environmental risk.In short，some means should be taken to control the environmental risk of shale gas development and utilization，which include strengthening the supervision of production links and improving management system，especially paying attention to the fracturing technology innovation.

shale gas；environmental benefits；assessment system；assessment model

2014-05-08

國家社科基金重點項目“頁巖氣和煤層氣開發利用的能源安全效益、環境效益和其他社會效益評估”資助(編號：13AZD078)

余國合(1966-)，男，湖北漢川人，副教授，博士，主要研究方向為資源產業經濟。E-mail：ygh_66@sina.com；

吳巧生(1969-)，男，湖南婁底人，教授，博士，中國地質大學(武漢)經濟管理學院副院長，主要研究方向為能源經濟。

X820.3

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1004-4051(2015)07-0024-05