美國頁巖氣開發的水污染風險成因、爭議及對中國的啟示

夏良玉

摘要國內一些文獻在討論美國頁巖氣開發環境影響問題時，選擇了這樣的預設立場，即認為頁巖氣開發的環境危害顯著高于常規油氣開發。事實上，無論在美國的研究領域還是在實踐層面，對這個問題的認識都充滿了爭議，爭議的源頭和焦點是頁巖氣開發的潛在水污染風險。為了客觀認識頁巖氣開發過程中的水污染風險問題，本文從污染成因入手，聚焦爭議的關鍵點和產生來源，并在梳理各方觀點和證據的基礎上得出幾點認識：①關于地表泄露，并沒有證據表明與水力壓裂相關的泄露對水環境的負面影響程度高于其他作業環節，也不能判定頁巖氣開發的水污染風險高于常規油氣;②關于地下泄露，目前能夠認定甲烷氣是潛在的地下污染源，產生的原因是完井缺陷和特殊地質條件，而源自壓裂液和深層含鹽地層水的污染尚未得到證實;③盡管來自液體污染物的地下水污染尚未在頁巖氣采區得到證實，但當地下水層和壓裂作業層距離過近時，存在水污染的可能。在中國頁巖氣開發環境影響防治過程中，除了要借鑒美國經驗，還要注意到兩國之間的差異，這些差異有可能讓相似根源的問題產生相異的結果。建議考慮以下幾方面差異：首先，要認識到規制強度的差異，上述認識是在美國各州普遍進行嚴格監管的條件下得到的，如果監管放松，頁巖氣開發對環境的不利影響確實高于常規（非水力壓裂）油氣開發;其次，要重視中國特殊地質條件可能引發的新問題，如天然裂縫滑動導致生產套管變形甚至破裂、地下溶洞發育等會增大地下水污染的風險;最后，與美國不同，中國頁巖氣井場多位于丘陵或山地，還有一些氣田臨近人口稠密的村鎮，這些將增加地表泄露風險和泄露發生后的補救難度。

關鍵詞頁巖氣;環境影響;水污染風險;爭議

中圖分類號X37

文獻標識碼A文章編號1002-2104（2019）06-0031-09DOI：10.12062/cpre.20190328

我國的頁巖氣產業在全面研究和借鑒美國經驗的基礎之上起步和成長。在美國，頁巖氣開發的環境風險引起了社會的廣泛關注和學界的濃厚興趣[1-2]，在國內，這一問題也正在成為頁巖氣研究領域的熱點，并且會隨著頁巖氣產業的發展受到越來越多的關注。目前，以國內頁巖氣開發環境影響為對象的研究較少，絕大多數中國作者的文獻是從不同角度介紹、分析或評價美國的研究與實踐。故而，國內對頁巖氣環境影響的認知主要建立在美國的研究基礎上。需要特別指出，一些文獻在論述過程中有意或者無意地選擇了這樣的預設立場，即認為頁巖氣開發的環境危害（顯著）高于常規油氣開發。事實上，這一問題在美國也引發了激烈的爭論，美國環保署（EPA）組織了兩次專門調查，卻也沒有給出十分明確的結論[3]。在國內，即便輿論和學術界普遍強調頁巖氣開發的環境風險，但也有人持截然不同的觀點，例如，業內資深專家張抗認為，頁巖氣的開發方式根本就不會造成污染，“頁巖氣污染論”完全是危言聳聽[4]。

無論強調還是淡化環境危害，一旦偏離事實，都會對認知產生錯誤的導向，不利于協調產業發展和環境保護之間的矛盾。與頁巖氣開發有關的環境影響之中，最受關注的是其對水資源的潛在負面影響，包括水資源消耗和水污染風險。由于采用了耗水量較大的水力壓裂技術，頁巖氣開發引發了對水資源過度消耗的擔憂，然而，有研究指出，與其他耗水行業相比，水力壓裂的水消耗量并不突出，僅在干旱地區才有可能因為水力壓裂而產生階段性的水資源短缺[5]。關于頁巖氣開發中的水資源消耗問題并不存在認定困難或研究難點，也沒有學術上的爭議，故而，對頁巖氣開發水環境影響的關注實質上是對水污染風險的關注。通過對學術文獻和媒體事件進行梳理發現，水污染風險問題也是頁巖氣開發環境影響爭論的起因和焦點。盡管國內有文獻提及這一問題的爭議性，如文獻[6-7]，但未聚焦于此。故而，筆者希望通過梳理水污染風險的內在技術成因，并從成因角度分析其爭議來源，以期客觀呈現“頁巖氣污染論”的是與非，為中國頁巖氣發展提供借鑒。

1頁巖氣開發的潛在水污染成因、特征和分類

水平井鉆井和水力壓裂技術（以下簡稱水平井壓裂）是推動北美頁巖氣革命的核心技術，但也正是這項技術組合，尤其是水力壓裂，使頁巖氣開發飽受爭議。當前已有諸多文獻從不同方面闡述了頁巖氣開發過程中水污染風險來源和技術成因情景。更進一步地，這一部分將系統梳理這些研究成果，并從污染物來源、事故直接起因和可控性等方面來分析成因基本特征，按照成因與頁巖氣開發的相關性對成因情景歸類，同時，結合成因特征對成因情景進行篩選。

1.1水平井壓裂技術及潛在的水污染成因

（1）水平井壓裂與污染物來源。水平井是指最大井斜角度近乎垂直，并且水平段在目的層中維持一定長度的井。盡管水平井增加了井筒與產層的泄流面積，但由于頁巖滲透率極低，無自然產能，還必須借助壓裂實現產氣。水力壓裂是目前應用最為廣泛的壓裂技術——將水基壓裂液注入地下，壓開地層，形成由天然裂縫和人工裂縫連結而成的裂縫網絡作為產氣通道。壓裂完成后，部分壓裂液混合深層地層水返排至地表，返排壓裂液數量存在井間差異，據文獻[8]估計，返排比例在15%～80%之間。壓裂液和地層水混合而成的液體被稱之為返排水。

壓裂液和返排水含有危害健康的物質。水力壓裂采用的水基壓裂液（滑溜水）由水、支撐劑（比如砂）和化學添加劑構成，添加劑比例在0.01%～0.05%之間[3]。化學添加劑的構成組份被指含有多種有毒物質，如苯、二甲苯、甲苯、甲醛等致癌物;深層地層水也會攜帶放射性物質、腐蝕性鹽和苯等[9-10]。盡管壓裂液及返排水中的有毒物質占比很低，但由于壓裂液和返排水總量大[10]，有毒物質總量不低，污染風險不能忽視。

除了壓裂液和返排水中的有毒物質之外，作為頁巖氣主要成分的甲烷也被認為是污染物來源。“被點燃的自來水”成為環保組織開展反頁巖氣宣傳活動的佐證，媒體的宣傳報道也常聚焦于此。理論上，水中溶解的甲烷能夠對水質產生影響，例如，甲烷在細菌作用下發生氧化反應會消耗水中的氧氣，低氧環境將增加砷、鐵等元素的溶解度[2]。不過，甲烷在水中的溶解度極低（1個大氣壓下26mg/L），在美國并未將它視為健康威脅而加以規制。盡管甲烷直接危害健康的可能性較小，但甲烷氣的聚集可能會引發爆炸，因此甲烷也被視為潛在污染物。