基于生命周期理論的頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響評價研究

(四川大學 建筑與環(huán)境學院 四川 成都 610065)

中國頁巖氣可開采儲量為31.6萬億立方米，頁巖氣總資源儲量居世界首位[1]，而且頁巖氣是目前公認的清潔能源，因此，加快頁巖氣開發(fā)對我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)節(jié)能減排有著舉足輕重的作用。

但從環(huán)保的角度來看，頁巖氣開發(fā)是否能起到節(jié)能減排的作用？目前大多數(shù)對頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響的研究都只局限在某一個或幾個過程，而且沒有考慮原材料生產(chǎn)過程造成的環(huán)境影響，生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)是定量化、系統(tǒng)化評價各種產(chǎn)品、服務(wù)或技術(shù)的資源環(huán)境影響以及環(huán)境影響效率的標準評價方法[2]。

因此本文選擇用生命周期評價方法對頁巖氣開采環(huán)境足跡進行量化分析，從而更全面客觀地反映頁巖氣開采帶來的環(huán)境影響，識別出頁巖氣開發(fā)過程中對環(huán)境影響最大的因素，為頁巖氣綠色開發(fā)決策和綠色化技術(shù)改進提供參考。

一、頁巖氣開發(fā)全生命周期建模

(一)目標與范圍定義

目標與范圍定義中，需要描述系統(tǒng)邊界、功能單位與基準流、指標選擇、技術(shù)代表性等信息。

1.系統(tǒng)邊界

基本的生命周期系統(tǒng)邊界類型有兩種：一是從資源開采開始到產(chǎn)品出廠為止，即”搖籃到大門”；另一種是從資源開采開始到產(chǎn)品廢棄再生為止，即“搖籃到墳?zāi)埂盵3]。

本文選擇第一種類型，即從頁巖氣開采的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程開始到頁巖氣集輸?shù)郊瘹庹緸橹埂２澐窒到y(tǒng)邊界內(nèi)的單元過程，主要分為：施工期(鉆前工程、鉆井與完井工程、壓裂工程、試氣工程、集輸工程)，運行期(采氣工程)退役期(關(guān)井處理)如圖1所示。

圖1 頁巖氣開采生命周期系統(tǒng)邊界圖

2.功能單位[4]

本報告以以生產(chǎn)1萬m3頁巖氣作為功能單位。

3.技術(shù)代表性[5]

不同技術(shù)代表性的同類產(chǎn)品的生命周期評價結(jié)果差異很大，因此需要細分。在技術(shù)代表性中，需要描述打算做一個什么種類規(guī)格、在哪個國家地區(qū)、經(jīng)過什么生產(chǎn)過程、用什么技術(shù)和原料生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的LCA。

本文代表行業(yè)LCA-代表市場或技術(shù)平均水平(采用行業(yè)/技術(shù)/多家企業(yè)資料)，時間、地理、技術(shù)代表性如下：

(1)時間代表性：2018

(2)地理代表性：中國威遠202井區(qū)

(3)技術(shù)代表性，包括以下方面：

工藝設(shè)備：水平井技術(shù)、壓裂技術(shù)

生產(chǎn)規(guī)模：100億m3/a

主要原料：頁巖氣

主要能耗：柴油、網(wǎng)電

4.指標選擇

本文選擇根據(jù)“十三五”節(jié)能減排政策要求，選擇以下評價指標：

表1 頁巖氣開發(fā)LCA評價指標

(二)生命周期模型建立

使用億科環(huán)境科技有限公司的LCA平臺軟件efootprint建立頁巖氣開發(fā)全生命周期模型，模型結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 頁巖氣開發(fā)LCA模型結(jié)構(gòu)圖

1.數(shù)據(jù)收集

利用川慶鉆探公司提供的生產(chǎn)相關(guān)資料，得出威遠202井區(qū)大致生產(chǎn)情況，得出該區(qū)塊單井全壽命產(chǎn)量約為5400萬方，平均井深4900米，甲烷逸散率0.2%，平均每個井場6口井。

然后根據(jù)1.1.1中劃分的單元過程收集各過程的能耗，物耗以及污染物排放數(shù)據(jù)，并按建模要求整理為LCA清單數(shù)據(jù)，代入模型計算時，背景數(shù)據(jù)庫匹配億科環(huán)境科技有限公司的CLCD數(shù)據(jù)庫。以鉆井工程為例說明，如表2、表3所示。

表2 鉆井過程LCA清單數(shù)據(jù)表

表3 固井過程LCA清單數(shù)據(jù)表

二、計算結(jié)果

威202井區(qū)在單井全壽命產(chǎn)量5400萬方，平均井深4900米，甲烷逸散率0.2%，平均每個井場6口井的條件下，每生產(chǎn)1萬立方頁巖氣產(chǎn)生的環(huán)境影響如表4所示：

表4 頁巖氣開發(fā)LCA結(jié)果

三、靈敏度分析

靈敏度是指清單數(shù)據(jù)(各項消耗與排放數(shù)據(jù))單位變化率引起的某一項LCA指標結(jié)果變化率，也可以稱為指標貢獻率[6]，靈敏度大的清單數(shù)據(jù)是產(chǎn)品生命周期改進的重點。

以GWP指標的靈敏度表為例，如表4所示：

表4 GWP指標靈敏度(>1%)表

由表4可知，對GWP指標貢獻排名前三的因素分別是：(1)采氣過程中的甲烷逸散，貢獻率達到了24.48%，(2)鉆井過程的電耗，其發(fā)電過程產(chǎn)生的溫室氣體，貢獻率達到了13.84%，(3)鉆前工程基建所用的水泥，其過程所產(chǎn)生的溫室氣體，貢獻率達到了13.77%。

四、結(jié)論

本文通過全生命周期方法，從鉆前工程開始到采氣集輸為止劃定系統(tǒng)邊界，更全面客觀地量化評價了頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響，并通過靈敏度分析得出各LCA指標的主要影響因素，得出以下結(jié)論：

(1)通過控制采氣過程的甲烷逸散，減少基礎(chǔ)設(shè)施的水泥使用量，采用更節(jié)能的鉆井和壓裂設(shè)備，生產(chǎn)能耗盡可能地使用電能替代柴油，可以大大降低頁巖氣開發(fā)過程的溫室氣體、酸性物質(zhì)以及富營養(yǎng)化物質(zhì)的排放。

(2)研究新的壓裂技術(shù)，盡量取代水力壓裂技術(shù)，以減少水資源消耗。