頁巖氣開發環境影響評價探討

周志恩 方維凱 陳敏 羅倩 王曉宸 陳剛才

摘要：中國是繼美國、加拿大后第三個對頁巖氣進行開發利用的國家。但是，頁巖氣開發的環境影響問題突出，主要集中在大量占用土地、大量消耗水資源、水力壓裂水污染風險、頁巖氣泄漏風險等方面。目前，我國頁巖氣項目環境影響評價工作，主要依據《環境影響評價技術導則陸地石油天然氣開發建設項目》，在污染因子選擇及其量化分析上缺少較明確的指導。本文借鑒美國頁巖氣開發經驗，對頁巖氣開發需要注意的突出環境問題進行分析總結，探討頁巖氣開發環境影響評價技術導則應補充的內容，以完善環境影響評價體系。

關鍵詞：

環境影響評價；頁巖氣；水力壓裂；泄漏；溫室氣體

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.06.015

中圖分類號：X820.3文獻標識碼：A文章編號：2095-6444（2015）06-0062-06

頁巖氣開發最早可追溯至1821年在美國紐約Dunkirk頁巖完鉆的第一口頁巖氣井[1]。但直到20世紀30年代，基于基質與裂縫雙重結構的認識和Dunkirk大量頁巖氣井增鉆，頁巖氣研究開始迅速發展。1977年，美國啟動東部頁巖氣工程開發項目（EGSP）。20世紀80年代，基于頁巖氣吸附機理的認識，發現Barnett等6套高產頁巖。20世紀90年代，基于水力壓裂技術的關鍵性突破和成功應用，含氣頁巖在美國已達商業化開采程度，其年產量占據美國主要能源產量的29%。頁巖氣研究也從單孔單滲理論逐漸發展出雙孔單滲、雙孔雙滲等模型[26]。

中國是繼美國、加拿大后第三個對頁巖氣進行開發利用的國家。近年來，對水力壓裂技術的研究轉化、對頁巖氣成藏機理的研究均有突破[79]，頁巖氣開發項目增長迅猛[10]，為中國能源格局和能源經濟帶來深遠影響。

1頁巖氣概述

1.1頁巖氣

頁巖氣屬于頁巖氣藏[11]，指賦存于富含有機質的頁巖層中，以吸附氣、游離氣和溶解氣狀態儲藏的天然氣，主體上是自生自儲成藏的連續性氣藏，屬于非常規天然氣，可通過體積壓裂改造獲得商業氣流[12]。泥頁巖既是頁巖氣生成的烴源巖，又是頁巖氣聚集和儲藏的儲層，賦存環境自然壓力低、孔滲性能差、開采難度大、技術要求高[9]。常規天然氣與非常規天然氣關系見圖1。

1.2我國頁巖氣開發存在的問題

與北美地區相比，我國頁巖氣選區評價工作對污水處理與環保、地貌環境改變、輸氣管網建設等方面的評價未強制性要求，不利于頁巖氣開發區的環境保護工作。

2000—2010年，美國2萬口頁巖氣發生43起事故，涉及鉆井液、井場表面泄漏、取水、空氣污染、井噴、場外處置不當等問題[10，15]，可見頁巖氣開發環境問題突出。而《環境影響評價技術導則陸地石油天然氣開發建設項目》對頁巖氣開發過程的水資源消耗、水力壓裂污染風險、泄漏風險等[1620]沒有明確評價依據。因此，須加快制訂并完善相關標準。

2土壤環境影響

2.1生產設施土地占用

頁巖氣開發土地需求與井場土地密度，井場占地面積，井數量，開發頁巖層性質緊密相關。水平井通常穿越多個井場，使這些井場可以用同一套配套設施，有效減少土地需求[21]。

2.3固體廢棄物

研究表明[10]，鉆井巖屑產量可達1 000 m3/井，主要為Al、Si、Ca、Fe化合物以及有機物； 廢泥漿產量800～1 200 m3，含烴類、鹽類、聚合物、木質素磺酸鹽、重金屬離子和重金石等，嚴重威脅環境。固體廢棄物通常儲存在井場內的廢泥漿巖屑池，若不及時處置或處置不當會大量占用土地并污染土壤。國外巖氣開發產生的固體廢棄物一般采用衛生填埋和還田法進行處置，衛生填埋占60%（237 kg/m），還田占40%（158 kg/m）

3水環境影響

3.1水資源需求

頁巖氣開采耗水量是常規天然氣開采的102～105倍，用水集中在水力壓裂過程。而我國頁巖氣發展規劃中7個重點省份是水資源短缺地區，川、渝、云、貴、贛近年頻遭嚴重干旱困擾[2425]。頁巖氣開發必然會給當地生產、生活用水帶來沖擊，對水環境和生態環境造成威脅[19]。

3.2鉆井過程

頁巖氣開采主要使用水平井，其技術難度較高，并導致事故率也較高，對周邊環境尤其是水環境存在較高的污染風險。2006年，四川某地區發生了廢泥漿堆放池垮塌泥漿下泄事故和鉆井廢水遇降雨漏排事故，使附近農田、地表水體水質受到不同程度的污染，嚴重影響了當地居民的生產與生活[16]。Laurence Stamford[12]對鉆井過程的物料消耗和鉆井廢棄物進行了統計，詳見表4。

3.3水力壓裂過程

3.3.1壓裂液

壓裂液中化學添加劑多達750余種，核心化學成分有596種，可能引發癌癥，影響內分泌、神經、循環和免疫系統，損傷皮膚、眼睛和呼吸道[2830]。添加劑使用占比小但總量大，對環境存在潛在的沖擊，詳見表5。

3.3.2壓裂液使用與返排

返排液除含壓裂液中的化學添加劑，還含烴類化合物，重金屬和水溶性鹽類等。返排液中對環境和人體產生潛在威脅的化學物質包括：有目的添加化學品，在壓裂過程中從巖石滲透到壓裂液中的天然致癌物質，包括放射性物質鈾、輕腐蝕性鹽和苯[31]。

3.3.3返排液收集處置

壓裂返排液中富含化學添加劑、石油烴類、高濃度鹽類，被認為是最難處理的工業廢水[32]。有研究稱[33]，回流水高溶解固體（TDS）平均含量為90 g/L，硫化物含量約20 mg/L，氯化物平均含量60 g/L。返排液的水質變化大，有咸水、鹵水、超飽和鹵水，TDS甚至超過400 g/L，若不經處理直接排放，會嚴重破壞地表水環境。壓裂返排液蒸餾處理技術在Barnett和Marcellus頁巖氣田均已成功應用，約80%返排液可回收利用，成本較低廉。此外，頁巖氣開發出地面之后脫水過程中，會產生VOCs[34]。

4大氣環境影響

4.1頁巖氣泄漏

4.1.1泄漏途徑

頁巖氣泄漏可分為甲烷人為泄漏和地質構造泄漏兩類：前者因完井工藝和質量問題造成頁巖氣沿各類井筒、原有廢棄井大量釋放；后者頁巖氣通過未被發現的斷裂或封閉不良的“蓋層”發生泄漏。

4.1.2泄漏量

R. W. Howarth保守估計壓裂液返排過程中頁巖氣泄漏量占頁巖氣井總產量的1.6%，后續的多段壓裂段鉆穿過程的頁巖氣泄漏量占0.3%[23]。美國頁巖氣開發數據表明：整個頁巖氣井的鉆井、壓裂和完井過程中，甲烷排放量占頁巖氣產量的3.6%～7%[3536]。本文取表1中的組分濃度均值和焦頁1井—焦頁3井區五峰組—龍馬溪組一段投產的56口井的大氣污染物排放量（以下簡稱“涪陵焦頁”，產量380 m3/d，產能600 m3/d），以及泄漏量1.6%～7%對頁巖氣開發過程泄漏量進行核算，詳見表8。

4.2大氣污染物排放

本文使用Ecoinvent[12]中頁巖氣氣開采的廢氣排放量，推算氣藏千米井深和涪陵焦頁的大氣污染物排放量，詳見表7。

從表中可以看出，頁巖氣開采的大氣污染物主要產生于燃燒放空階段。H2S主要是泄漏產生。若發生井噴事故，氣體高壓溢出，H2S瞬時排放量巨大，對環境造成巨大沖擊，并嚴重危及周邊人員生命安全。同時，Rn等放射性元素也應該納入環境影響評價范疇。

除以上大氣污染物外，隨著VOCs造成的二次氣溶膠污染問題的凸顯，對烴類物質中的苯系物（BTEX）應當特別關注。2010年1月，TCEQ公布了監測程序兼備忘錄，在接近井口5英尺高的地方采集的空氣樣本中檢測出了35種化學元素，頁巖氣井口的苯濃度高達15 ppm。

4.3溫室氣體排放

天然氣開采項目多、產氣量大，排放的CO2和CH4總量較大，應考慮溫室氣體排放量。頁巖氣開采溫室氣體排放主要來源于天然氣生產過程的放空燃燒、天然氣輸送過程中的泄漏以及事故，詳見圖2。

本研究根據《省級溫室氣體清單編制指南》中的“ICPP第二次評估報告值”，計算CO2、CH4的全球變暖潛能值（GWP100）。頁巖氣開發過程中排放的溫室氣體主要為CH4和CO2，絕大部分來自頁巖氣的燃燒與放空。

涪陵焦頁的GWP100約為2.35萬噸，而據《重慶市工業生產過程溫室氣體清單報告（2010年）》統計數據顯示，重慶市2010年工業生產產生的GWP100約為1100萬噸，因此涪陵焦頁的GWP100約占當年工業溫室氣體排放總量的2‰，單井排放量占0.4‰。盡管占比小，但頁巖產氣開采區一般有上千口井，排放總量巨大。

5地質災害風險

5.1水土流失、植被破壞

頁巖氣鉆井施工，嚴重破壞場地土體結構，大型鉆井設備和工程車的重壓以及大規模的水力壓裂易導致土壤裂隙產生，可能誘發地面塌陷，營養元素隨之流失造成土壤養分短缺，土壤承載力下降，進而引起植被破壞，最終導致工區大面積人工裸地，產生土壤揚塵。另外，水力壓裂可能破壞巖層穩定性，增加山體滑坡風險。新暴露的巖土在風雨侵蝕作用下極易風化成巖屑，為水土流失提供了豐富的物質來源，使水土更易移動，水土流失加劇。我國頁巖氣開采集中于降雨量大的西南部，土地破壞風險增大。

5.2誘發地震

在采用水力壓裂法開采頁巖氣的過程中，即使是小規模注入液體也可能會誘發地震。美國阿肯色州頁巖氣采活動誘發了近千起3級以下地震，而在地質條件更不穩定地區可能會誘發3級以上地震。我國華北任丘油田、山東勝利油田等也曾有過注水開采誘發地震的現象，在四川自貢地區曾對天然氣采空廢井人為加壓注水，周邊地震活動相應出現了明顯增強的異常現象，甚至先后出現4.4級和4.2級地震。在英國東北部黑潭市的頁巖氣開采區域2 km處發生里氏1.5級的地震。加拿大近幾年隨著頁巖氣的開采，小型地震的數量每年增加20多起。

6結論

頁巖氣開發作為能源戰略的重要一環，應當優先考慮其開發過程的環境影響，在按照常規天然氣環境影響評價體系之上，分析評價土地占用及水土流失，水資源消耗，土壤及水體污染，壓裂液返排，溫室氣體排放等因素對環境的影響。同時，應當特別關注開發過程中的壓裂液泄漏，甲烷氣泄漏和H2S泄漏等事故的環境沖擊，分析評價其影響，制訂應對方案。為充分發揮我國頁巖氣的資源和環境優勢，環境影響評價工作的開展是十分重要的內容，它從源頭盡可能地預防或者減少負面環境影響，為頁巖氣產業健康發展保駕護航。

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