探析頁(yè)巖氣開發(fā)帶來(lái)的環(huán)境影響

張?jiān)姾剑苡⒅鴰洠瑓呛疲蹊鱽?lái)

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 4301000； 2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

探析頁(yè)巖氣開發(fā)帶來(lái)的環(huán)境影響

張?jiān)姾?，管英柱1，曾帥2，吳浩1，王梓來(lái)1

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 4301000； 2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷進(jìn)行，非常規(guī)油氣的開發(fā)扮演者愈發(fā)重要的角色，其中頁(yè)巖氣的開發(fā)已成為當(dāng)今能源行業(yè)一道亮麗的風(fēng)景線。基于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快了天然氣的需求，隨著技術(shù)的發(fā)展提升了頁(yè)巖氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，加上政府的鼓勵(lì)政策和措施，我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的勢(shì)頭方興未艾，未來(lái)頁(yè)巖氣市場(chǎng)十分廣闊。水平井分段壓裂技術(shù)是改善頁(yè)巖氣藏的重要措施更是高效開發(fā)的關(guān)鍵。但是在壓裂的同時(shí)也帶來(lái)了若干方面的問題如：水資源消耗、引發(fā)地震、溫室氣體逃逸、水污染等。為了環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的開發(fā)頁(yè)巖氣，需要加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)、創(chuàng)新綠色科技、加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管的制度。綠色高效地開發(fā)頁(yè)巖氣具有解決我國(guó)能源短缺與環(huán)境保護(hù)相統(tǒng)一的現(xiàn)實(shí)意義。闡述了頁(yè)巖氣開發(fā)帶來(lái)的環(huán)境影響以及提出了幾點(diǎn)措施，期望為我國(guó)頁(yè)巖氣的綠色高效開發(fā)提供參考。

頁(yè)巖氣；水力壓裂；環(huán)境污染；水資源

Abstract:With the continuous exploration and development of oil and gas, the development of unconventional oil and gas plays an increasingly important role, in which the development of shale gas has become a hot spot in the energy industry. The environmental protection and economic development accelerate the demand for natural gas; with the development of technology, the economy of shale gas production is enhanced; due to government encourage policies and measures, China's shale gas development is fast, the future shale gas market is very broad.The horizontal well fracturing technology is an important measure to improve the shale gas reservoir and is the key to efficient development. But at the same time, there are some problems in the fracturing, such as water consumption, triggering earthquakes, escaping of greenhouse gas, water pollution and so on.For environmental protection and economic development of shale gas, we need to strengthen environmental awareness, innovate green technologies, and strengthen the system of environmental supervision. The green and efficient development of shale gas has practical significance to solve the problems of energy shortage and environmental protection in China. In this paper, the environmental impact of shale gas development was analyzed, and several measures were puts forward, which could provide some reference for green and efficient development of shale gas in China.

Key words:Shale gas;Hydraulic fracturing;Environmental pollution;Water resources

頁(yè)巖氣的概念首次由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的Cuirts教授提出[1]。頁(yè)巖氣是一種以吸附或游離狀態(tài)賦存于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中的清潔、高效、非常規(guī)天然氣資源[2-5]。頁(yè)巖氣本屬清潔能源但其儲(chǔ)層超低滲特點(diǎn)需要通過儲(chǔ)層改造來(lái)獲得工業(yè)氣流，水平井和壓裂技術(shù)的結(jié)合能更好的改善儲(chǔ)層特性，在改善儲(chǔ)層的同時(shí)也來(lái)了一系列的環(huán)境問題[6-9]。美國(guó)和加拿大在頁(yè)巖氣開采過程中存在對(duì)環(huán)境影響的爭(zhēng)議，有些國(guó)家對(duì)頁(yè)巖氣的開發(fā)持謹(jǐn)慎態(tài)度[10]。在探索頁(yè)巖氣開發(fā)的同時(shí)，必須重視頁(yè)巖氣開發(fā)帶來(lái)的環(huán)境影響。學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)及管理模式，從而為我國(guó)頁(yè)巖氣綠色高效的開發(fā)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

北美頁(yè)巖氣的迅速發(fā)展改變了北美天然氣的供應(yīng)格局，影響了世界能源的供給結(jié)構(gòu)，中國(guó)是全球除北美以外地區(qū)率先開發(fā)頁(yè)巖氣的國(guó)家[11]。頁(yè)巖氣作為一種清潔、儲(chǔ)量豐富的非常規(guī)天然氣資源，成為全球能源領(lǐng)域勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)，我國(guó)頁(yè)巖氣的開發(fā)與政府的鼓勵(lì)措施和政策是息息相關(guān)的。從2005年開始，我國(guó)借鑒北美經(jīng)驗(yàn)啟動(dòng)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與勘探開發(fā)先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，2009年，我國(guó)開展了頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)及有利區(qū)帶優(yōu)選，2011年12月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)頁(yè)巖氣為第172個(gè)獨(dú)立礦種[12]，國(guó)家對(duì)頁(yè)巖氣開采補(bǔ)貼見表1[13,14]，隨著政府的大力支持我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)會(huì)不斷攀升。

表1 頁(yè)巖氣開發(fā)政府補(bǔ)貼Table 1 Shale gas development government subsidies

頁(yè)巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，美國(guó)能源信息署（EIA）發(fā)布了全球頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量評(píng)價(jià)結(jié)果，中國(guó)頁(yè)巖氣風(fēng)險(xiǎn)氣藏量為1.44×106億m3，技術(shù)可采資源量為3.61×105億m3，我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量十分豐富，技術(shù)可采儲(chǔ)量雄踞世界第一。四川、新疆、重慶、貴州、湖北、湖南、陜西這7個(gè)地方頁(yè)巖氣資源較多占全國(guó)總資源量的68.87%，各地區(qū)資源量見圖 1[15]。我國(guó)建立的涪陵國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)、四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)等國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)取得了豐碩的成果。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的需求會(huì)不斷增加，頁(yè)巖氣及其他非常規(guī)資源有望成為能源的重要補(bǔ)給。

圖1 中國(guó)部分地區(qū)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量Fig.1 Geological resources of shale gas in some areas of China

頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）[16]中提到“十二五”期間，我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)取得重大突破，成為北美洲之外第一個(gè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)開發(fā)的國(guó)家，為“十三五”產(chǎn)業(yè)化大發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)伴隨著機(jī)遇發(fā)展的同時(shí)也面臨著頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)尚未掌握、勘探開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)不足、建產(chǎn)投資規(guī)模大、市場(chǎng)開拓較困難等挑戰(zhàn)。在深層水平鉆完井技術(shù)、深層水平井多段壓裂技術(shù)、頁(yè)巖氣開發(fā)優(yōu)化技術(shù)、頁(yè)巖氣開采環(huán)境評(píng)價(jià)及保護(hù)技術(shù)等方面需進(jìn)行攻關(guān)研究。

1.2 美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

美國(guó)第一口頁(yè)巖氣生產(chǎn)井完成于1821年，它位于紐約Fredonia鎮(zhèn)附近的泥盆紀(jì)頁(yè)巖區(qū)[17]。美國(guó)頁(yè)巖氣開采已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)模式，2009年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量接近1 000億m3，超過我國(guó)常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量[18]，2014年美國(guó)頁(yè)巖氣的產(chǎn)量為3 805.5億m3是2009年頁(yè)巖氣產(chǎn)量的4倍左右，近幾年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量如圖2[19]。

圖2 2008-2014年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量變化Fig.2 2008 - 2014 US shale gas production change

在北美“頁(yè)巖革命”的帶動(dòng)下，頁(yè)巖氣開發(fā)浪潮席卷全球。美國(guó)頁(yè)巖氣大規(guī)模的商業(yè)化開采引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，頁(yè)巖氣的開發(fā)改變了美國(guó)大量進(jìn)口天然氣的局面實(shí)現(xiàn)了能源自主，同時(shí)對(duì)國(guó)際能源格局和國(guó)際地緣政治產(chǎn)生了一定的影響[20]。美國(guó)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)化開采與其先進(jìn)的技術(shù)和管理密不可分，我國(guó)還缺乏頁(yè)巖氣勘探開發(fā)相關(guān)技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，還需不斷學(xué)習(xí)從而為我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣綠色高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 頁(yè)巖氣開發(fā)帶來(lái)的環(huán)境影響

2.1 水資源消耗

頁(yè)巖氣在成藏與賦存方面有別于常規(guī)天然氣，其儲(chǔ)層具有超低孔滲的特征，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)氣流須通過相關(guān)技術(shù)來(lái)改善儲(chǔ)層。水平井與水力壓裂所具有的優(yōu)勢(shì)成為了當(dāng)前開采頁(yè)巖氣最廣泛的技術(shù)，水力壓裂和水平井技術(shù)的結(jié)合來(lái)帶了美國(guó)油氣行業(yè)的繁榮，這兩種技術(shù)的結(jié)合在改善儲(chǔ)層的同時(shí)也消耗了大量的水資源[4]。表2[21]給出了美國(guó)不同頁(yè)巖產(chǎn)區(qū)每口水平井多級(jí)分段壓裂用水量。我國(guó)四川盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，頁(yè)巖氣開發(fā)單井需水量在10 000～

40 000 m3不等，壓裂用水量平均每口井為3.15×104m3，比美國(guó)壓裂用水量大[22]。我國(guó)西北地區(qū)存在缺水現(xiàn)象，但頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，如果進(jìn)行大規(guī)模開采會(huì)加劇缺水局面。

表2 水平井多級(jí)分段壓裂每口井平均用水量Table 2 Average water consumption in multistage fracturing per horizontal well

2.2 水資源污染

頁(yè)巖氣開發(fā)不僅造成水資源消耗還會(huì)帶來(lái)水資源污染，這與頁(yè)巖氣水力壓裂中壓裂液有著密切的關(guān)系。頁(yè)巖氣開發(fā)采用大規(guī)模水力壓裂，其原理是將含有多種添加劑的壓裂液在高壓條件下注入地層，從而改善儲(chǔ)層裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)達(dá)到增產(chǎn)的目的。壓裂液中含有殺蟲劑、減阻劑、防垢劑、交聯(lián)劑、表面活性劑等多種化學(xué)添加劑（表 3）[23]。如果注入的壓裂液進(jìn)入地下水層這將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的水污染。壓裂液返排到地面不僅有添加劑的成分而且還含有溶解性鹽類、放射性元素、重金屬等其他化學(xué)物質(zhì)，壓裂液中鹽分含量可達(dá)10%以上，大量廢水進(jìn)入水體，對(duì)水環(huán)境的影響十分嚴(yán)重[24]。返排出的壓裂液成分復(fù)雜處理難度大。

表3 水力壓裂液主要成分的體積分?jǐn)?shù)Table 3 The volume content of main components of hydraulic fracturing fluid

2.3 大氣污染

頁(yè)巖氣的主要成分是甲烷，和常規(guī)天然氣一樣在開發(fā)過程中有部分甲烷泄漏到空氣中，與常規(guī)天然氣開發(fā)相比在頁(yè)巖氣開發(fā)過程中甲烷泄漏量要多些（表 4）[25]。甲烷可以從壓裂的裂縫中逸出，也可能有部分甲烷溶解在壓裂液中，從而隨著返排液帶到地面。甲烷是一種重要的溫室氣體其溫室效應(yīng)是二氧化碳28倍[26]。從溫室效應(yīng)的角度考慮，在頁(yè)巖氣開發(fā)中甲烷的泄漏不容忽視，應(yīng)該有效的減少泄漏并提高利用率。在生產(chǎn)的過程中應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免甲烷的泄漏造成大氣污染以及資源的浪費(fèi)。

表4 常規(guī)天然氣與頁(yè)巖氣在開發(fā)過程中甲烷泄漏對(duì)比Table 4 Methane leakage contrast in the development process of conventional natural gas and shale gas

2.4 其他方面影響

頁(yè)巖氣在開發(fā)過程中可能誘發(fā)輕微的地震，雖然誘發(fā)的地震震級(jí)微小，但是人們應(yīng)該引起足夠的重視。在開發(fā)初期選址建設(shè)場(chǎng)地會(huì)占用一部分土地，在生產(chǎn)作業(yè)過程中機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)噪音，從而影響周圍居民的生活。四川地區(qū)頁(yè)巖氣生產(chǎn)作業(yè)過程中帶來(lái)的影響，導(dǎo)致居民不讓工程車進(jìn)村的情況[27]。頁(yè)巖氣開采所帶來(lái)的環(huán)境影響使得人們對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)產(chǎn)生了質(zhì)疑，有些國(guó)家如德國(guó)、英國(guó)等相繼加入了禁止開采頁(yè)巖氣的行列。因此在頁(yè)巖氣開發(fā)的同時(shí)務(wù)必重視其帶來(lái)的影響。

3 頁(yè)巖氣綠色高效開發(fā)的建議

3.1 探索和采用新技術(shù)

水力壓裂消耗了大量的水資源，壓裂液注入到地層中引起的水資源污染以及壓裂返排液中成分復(fù)雜、處理難度大等一系列由水力壓裂引起的問題。可以探索CO2泡沫壓裂技術(shù)、LPG等無(wú)水壓裂技術(shù)，來(lái)改善水力壓裂所帶來(lái)的環(huán)境影響。在壓裂的同時(shí)采用裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展動(dòng)態(tài)，研發(fā)與探索新型壓裂液體系降低污染程度。

3.2 完善頁(yè)巖氣開發(fā)評(píng)價(jià)與監(jiān)管體系

在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)選址評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中將水資源和環(huán)境影響指標(biāo)納入其中，頁(yè)巖氣開發(fā)選址應(yīng)秉承不影響周圍居民生活、河水流域、農(nóng)林業(yè)等方面的原則。明確頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的污染源，對(duì)污染源所帶來(lái)的污染要有詳盡的評(píng)估方案。加強(qiáng)頁(yè)巖氣開采過程中的監(jiān)測(cè)力度，從而最大程度減少污染。建立監(jiān)管評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)的企業(yè)進(jìn)行定期審查。

4 結(jié)束語(yǔ)

頁(yè)巖氣作為重要的非常規(guī)油氣資源，已成為全球油氣資源勘探與開發(fā)的新亮點(diǎn)，其在改變能源供給結(jié)構(gòu)的同時(shí)也帶來(lái)了若干方面的問題如水資源消耗、水體污染、溫室氣體排放等方面問題。以綠色、環(huán)保、高效開發(fā)為宗旨，為了減少水力壓裂帶了的影響可以探索其他的壓裂技術(shù)如 CO2泡沫壓裂技術(shù)、LPG壓裂技術(shù)等，在改進(jìn)技術(shù)的同時(shí)還需要建立完善的監(jiān)管評(píng)價(jià)體系。我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)相對(duì)其他國(guó)家而言起步較晚，在自主探索的同時(shí)需要學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)。

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Analysis on the Environmental Impact of Shale Gas Development

ZHANG Shi-hang1,GUAN Ying-zhu1,ZENG Shuai2,WU Hao1,WANG Zi-lai1

（1. Institute of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China；2. Institute of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China）

TE 662.2

A

1671-0460（2017）09-1855-04

2017-06-21

張?jiān)姾剑?992-），男，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向：采油氣工藝?yán)碚撆c技術(shù)。E-mail：1002372784@qq.com。

管英柱（1972-），男，副教授，博士，主要從事油氣開采技術(shù)研究。E-mail：guanyzh@yangtzeu.edu.cn。