陳 莉 任 玉

（1. 中國石油工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都 610017；2. 中國石油新疆博州銷售公司，新疆博樂 833400）

頁巖氣開采的環(huán)境影響分析

陳 莉1任 玉2

（1. 中國石油工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都 610017；2. 中國石油新疆博州銷售公司，新疆博樂 833400）

頁巖氣開發(fā)熱潮席卷全球，頁巖氣開采過程是否會導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染引起眾多政府部門、專家學(xué)者和環(huán)保人士的爭議，尤其是水力壓裂法在頁巖氣開采中的應(yīng)用。本文針對頁巖氣開采工藝技術(shù)，結(jié)合美國頁巖氣開采現(xiàn)狀分析頁巖氣開采可能造成的環(huán)境污染，主要有：（1）大量消耗水資源；（2）污染地下水層；（3）甲烷泄漏；（4）引發(fā)地震。此外，就我國而言，還面臨因地理環(huán)境限制和環(huán)境立法不足更易造成環(huán)境污染的可能。在頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程中，我們應(yīng)重視頁巖氣開采的環(huán)境污染評估，爭取以技術(shù)進(jìn)步和相關(guān)環(huán)境立法來克服環(huán)境隱患。

頁巖氣開采；水力壓裂法；環(huán)境污染

1 頁巖氣資源概況

美國能源信息署［EIA］2011年4月數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前全球（不包括俄羅斯及中東國家）頁巖氣可采資源量189萬億立方米。EIA估算中國頁巖氣儲量約100萬億立方米（中國常規(guī)天然氣資源量的2倍），其中可開采資源量36萬億立方米。頁巖氣勘探開發(fā)已在北美洲、亞洲、歐洲、南美洲、大洋洲等地區(qū)蓬勃興起。從現(xiàn)有資料看，我國頁巖氣除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地外，在廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也都有分布。

頁巖氣是以吸附或游離狀態(tài)存在于泥頁巖中的非常規(guī)天然氣，具有資源潛力大、開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點。頁巖氣藏有別于常規(guī)天然氣，在成藏機(jī)理和賦存特征方面有其獨特之處，只能在特定條件下才能被開采出來。水平井鉆井技術(shù)和水力壓裂法是用于頁巖氣開采的核心技術(shù)。水平井鉆井技術(shù)可以更好利用儲層中的天然裂縫，并且井筒穿越更多儲層，增加滲流面積，從而能夠提高頁巖氣采收率。水力壓裂技術(shù)是用高壓液體使巖層裂開，高壓液體中支撐劑保持住裂縫，使油氣能夠從裂縫中溢出。水平井水力多段壓裂技術(shù)的廣泛運(yùn)用使原本低產(chǎn)或無氣流的頁巖氣井更具有工業(yè)價值。

美國已成功實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)規(guī)模化開采，逐年劇增的頁巖氣產(chǎn)量改變了美國天然氣供求關(guān)系，影響了美國的能源布局，甚至對世界能源格局產(chǎn)生重大影響。在美國頁巖氣開采獲得巨大成功的示范效應(yīng)下，在美國能源信息署公布多國具有巨量資源基礎(chǔ)下，在迅速膨脹的能源消費需求作用下，以及持續(xù)進(jìn)步的油氣勘探開發(fā)理論和技術(shù)帶動下，頁巖氣開發(fā)熱潮席卷全球。我國國土資源部發(fā)布2011年第30 號公告，國務(wù)院批準(zhǔn)頁巖氣為新的獨立礦種，全面推進(jìn)頁巖氣開發(fā)進(jìn)程。然而，頁巖氣開發(fā)給美國帶來日益突出的環(huán)境問題也在世界范圍內(nèi)引起爭議，這是正在或即將開發(fā)頁巖氣資源的國家都不能回避的問題。

2 頁巖氣開采對環(huán)境的影響

油氣開采過程中或多或少都會因為噪聲、廢水、廢氣及開采事故災(zāi)害而對環(huán)境造成污染。眾多專家和環(huán)保人士針對頁巖氣的開采過程和工藝，提出頁巖氣開采更加嚴(yán)重污染環(huán)境。美國2011年最熱門的環(huán)境問題就是水力壓裂法開采頁巖氣，某些地區(qū)的頁巖氣井因環(huán)境問題已暫時關(guān)閉。法國和保加利亞政府發(fā)布禁令，禁止水力壓裂法在頁巖氣開采中的使用，相當(dāng)于在目前技術(shù)條件下否定頁巖氣開采。但迄今為止，沒有權(quán)威政府部門給出頁巖氣開采污染環(huán)境的明確說法，以致有關(guān)爭論越演越烈。

2011年4月，康奈爾大學(xué)的羅伯特·哈沃斯研究小組在公布的一份關(guān)于頁巖氣的研究報告中痛批開發(fā)頁巖氣的數(shù)個弊端，包括會加劇氣候變化、破壞地下水資源等。5月4日，總部位于倫敦的全球變暖政策基金會（GWPF）發(fā)布報告的結(jié)論與哈沃斯完全相反，認(rèn)為頁巖氣是一種“儲量豐富、廉價且對環(huán)境友善的能源”。美國公共土地運(yùn)動立法代表本特利·約翰遜稱：“雖然在燃燒過程中，頁巖氣比一般化石能源排放的溫室氣體少，但是在開采和運(yùn)輸過程都是能源密集型的，而且存在污染隱患?！倍袊刭|(zhì)大學(xué)（北京）張金川教授認(rèn)為頁巖氣開發(fā)利用帶來的負(fù)面環(huán)境影響是各種化石燃料能源中最小的一種。

根據(jù)現(xiàn)有資料和實例分析，頁巖氣開采可能存在四個環(huán)境問題：大量消耗水資源、污染地下水層、甲烷泄漏以及引發(fā)地震。

2.1 大量消耗水資源

開采頁巖氣所用水力壓裂法中的壓裂液主要由高壓水、砂和化學(xué)添加劑組成，水和砂含量99%以上。開發(fā)頁巖氣用水量極大，每口頁巖氣井需耗費四、五百萬加侖（1加侖約合3.78升）的水才能使頁巖斷裂。夏玉強(qiáng)博士研究過美國頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境問題，他認(rèn)為頁巖氣鉆探大量消耗地表水或地下水，很可能影響當(dāng)?shù)厮锏纳?、捕魚業(yè)、城市和工業(yè)用水等。頁巖氣開發(fā)行業(yè)正試圖減少氣井鉆探以及水力壓裂帶來的環(huán)境足跡，如在每次壓裂完成之后，30%-70%的水回流被獲取再次利用，但也不能否定水力壓裂法大量消耗了水資源。

2.2 污染地下水層

有關(guān)石油公司將水力壓裂使用的壓裂液中的化學(xué)添加劑看成商業(yè)機(jī)密，而不對公眾披露，而正是這些化學(xué)物質(zhì)可能造成地下水層污染。

水力壓裂過程中，化學(xué)物質(zhì)可能直接通過斷裂、裂縫系統(tǒng)自地下深處緩慢向上運(yùn)移至地表或淺層，也可能頁巖氣采氣管道因質(zhì)量問題或操作不當(dāng)而破裂和空洞，化學(xué)物質(zhì)也會泄漏到地下水層中，污染河流、湖泊、蓄水層等水資源。水力壓裂過程完成之后，大部分壓裂液回流到地面，其中不僅有壓裂液中那些化學(xué)物質(zhì)，還有地殼中原本含有放射性物質(zhì)和大量鹽類。這些有毒污水先儲存在現(xiàn)場，然后再轉(zhuǎn)移到污水處理廠或回收再利用，過程中可能滲入地下或隨雨季到來外溢，進(jìn)而污染地下水。

天然氣開發(fā)公司堅持認(rèn)為開采活動并未污染地下水，因為地下水資源有介于蓄水層和更深的頁巖天然氣儲量之間的巖石保護(hù)，開采過程不會使兩個地質(zhì)層相互連接而使化學(xué)物質(zhì)和地下水混合。如果某處地下水由于水力壓裂液體污染，多數(shù)可能是由于不合理的施工而不是水力壓裂本身。不管是技術(shù)本身問題還是操作失誤，美國多個頁巖氣開發(fā)地區(qū)的實際情況說明當(dāng)?shù)氐叵滤_實因為頁巖氣開采而受到污染。美國環(huán)保局在事實面前也不得不表示：“根據(jù)已有證據(jù)，水力壓裂很有可能影響到地下水”。更可怕的是在可預(yù)見的未來，地下含水層污染是永久性的，不能被清理干凈。

2.3 甲烷泄漏

甲烷是一種比二氧化碳更強(qiáng)大的溫室氣體，甲烷逃逸到大氣中會加劇全球變暖，甲烷滲入地下蓄水層，會造成地下水污染。頁巖氣以甲烷為主要成分，頁巖氣井泄漏的甲烷比常規(guī)井要多。甲烷泄漏可能來自頁巖氣開發(fā)過程中的故意排氣，設(shè)備泄露，或者水力壓裂過程。

美國康奈爾大學(xué)的研究人員安東·因格雷夫及羅波爾·哈瓦斯在《氣候科學(xué)》的文章中表示：“頁巖氣生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的甲烷大部分都被排放到大氣中，而不是捕捉用做燃料。”美國環(huán)保局在報告中也承認(rèn)，嚴(yán)重低估了頁巖氣開發(fā)中的甲烷排放。采氣管道需要穿過含水層才能到達(dá)更深的頁巖層，如果管壁因質(zhì)量問題或者操作不當(dāng)而破裂和空洞，氣井內(nèi)壁的混凝土沒有鋪好或者老化而剝落，甲烷都有可能泄露到含水層中。水力壓裂過程打開的新裂縫連接天然存在的裂縫，可能提供甲烷向上滲入地下水層的通道，而且甲烷也可能溶解在廢水中因壓裂液回流而釋放到大氣中。

杜克大學(xué)環(huán)境科學(xué)教授Robert Jackson在賓夕法尼亞洲北部和紐約上洲的馬塞勒斯和尤蒂卡頁巖結(jié)構(gòu)的蓄水層中，找到頁巖氣開采導(dǎo)致甲烷對飲用水污染的系統(tǒng)性證據(jù)，鉆探地點附近的甲烷污染程度是沒有鉆探地點水井水樣的17倍。

2.4 引發(fā)地震

在美國阿肯色州、賓夕法尼亞州、俄亥俄州、俄克拉何馬州等地區(qū)的頁巖氣開發(fā)中廣泛使用了水力壓裂技術(shù)，而這些地區(qū)出現(xiàn)一連串輕微地震，理論上表明水力壓裂和地震之間具有關(guān)聯(lián)性，但具體原因還未查明。專家表示，地震不一定是由水力壓裂過程引起，而可能是水力壓裂使用過的大量壓裂液的處理，當(dāng)打入地下深井會導(dǎo)致地層應(yīng)力不穩(wěn)定而發(fā)生微震。當(dāng)然，水力壓裂過程是否導(dǎo)致地震還存在爭議，需要更多證據(jù)。

3 我國頁巖氣開采面臨的環(huán)境問題

頁巖氣資源在中國受到如此重視的原因在于國內(nèi)頁巖氣資源量大，能源消費增長快，減排壓力大，需要降低石油和煤炭資源依賴度。在頁巖氣開發(fā)的美好前景前，我國頁巖氣開采面臨的具體環(huán)境問題被忽視了。我們不僅面臨上述四種可能的環(huán)境問題，還有地理環(huán)境限制和環(huán)境立法不足等問題，這些都是頁巖氣開發(fā)中的環(huán)境隱患。

頁巖氣開發(fā)對當(dāng)?shù)刈匀粭l件有很強(qiáng)的依賴性。頁巖氣開采需要井?dāng)?shù)很多，鉆井和生產(chǎn)作業(yè)對地面影響較大。巴耐特頁巖氣田是目前世界上開發(fā)最成功的頁巖氣田，也是美國目前產(chǎn)量最大的頁巖氣田。國際能源署對其分析說明頁巖氣產(chǎn)量與鉆井?dāng)?shù)量和壓裂規(guī)模密切相關(guān)，頁巖氣藏需要的井?dāng)?shù)為常規(guī)氣藏的10倍，井距較小。美國頁巖分布地區(qū)地表條件優(yōu)越、地勢平坦，地廣人稀，而我國優(yōu)質(zhì)頁巖分布地區(qū)多復(fù)雜地形，地勢高差大，人口分布密集，如蜀南、鄂西、貴州、重慶等地區(qū)，頁巖氣埋藏深度較美國更深，保存條件也不夠理想。所以，大規(guī)模鉆井會對人口密集地區(qū)產(chǎn)生干擾，增加當(dāng)?shù)貙A(chǔ)設(shè)施的需求，也易誘發(fā)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。另一方面，頁巖氣開發(fā)能否成功的關(guān)鍵之一就是大量水資源，中國頁巖氣田的分布與缺水地區(qū)的分布重合比較多。在水量相對充裕的長江流域，只在四川和江漢盆地發(fā)現(xiàn)了頁巖氣，而在西北、華北地區(qū)，頁巖氣儲量豐富，水資源卻相當(dāng)緊張。所以，在不干擾當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)正常用水的前提下，供水能力不一能保證滿足頁巖氣井的鉆探與水力壓裂用水。

與美國頁巖氣蓬勃發(fā)展相伴而來的是環(huán)境問題，美國已著手修改頁巖氣開采的環(huán)境法律和政策。中國目前實施的水資源和環(huán)境保護(hù)法律，以及正在制定的《石油天然氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策（征求意見稿）》等，都沒有考慮頁巖氣開采引起的環(huán)境問題。

4 頁巖氣開采的利益—環(huán)境博弈

頁巖氣開發(fā)是政府、公眾和油氣企業(yè)之間關(guān)于利益和環(huán)保的博弈。政府必須在能源發(fā)展和環(huán)保間找到平衡，有責(zé)保護(hù)國家資源和公眾健康，監(jiān)管油氣企業(yè)頁巖氣開發(fā)過程，嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境保護(hù)規(guī)范，抵御規(guī)定外操作，提高群眾參與度，尊重群眾意見，以追求社會效益而不僅是經(jīng)濟(jì)效益為旨。公眾要理性看待頁巖氣開發(fā)，不能聽信環(huán)保人士“片面之言”對它全面否定，也不能被頁巖氣開發(fā)后帶來氣價降低的優(yōu)點迷惑，公眾要提高自身的環(huán)境意識，監(jiān)督油氣企業(yè)頁巖氣開發(fā)過程，維護(hù)自我財產(chǎn)生命安全。油氣企業(yè)是頁巖氣開發(fā)的主導(dǎo)力量，不能因擔(dān)心推高頁巖氣開發(fā)成本而忽視環(huán)保，吝于支付較高的環(huán)保費用和技術(shù)服務(wù)費，應(yīng)嚴(yán)格遵守國家環(huán)保法律政策，有責(zé)如實對公眾披露頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境問題，不能欺上瞞下。

5 結(jié)束語

頁巖氣的商業(yè)化開采可緩解油氣資源短缺，保障國家能源安全，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，其腳步已無法阻擋。水力壓裂法是否污染地下水，頁巖氣開發(fā)是否引發(fā)地震即使美國環(huán)境署和地質(zhì)調(diào)查局也沒有明確答案。但我們在大力推進(jìn)頁巖氣資源開發(fā)進(jìn)程，尋求高效經(jīng)濟(jì)時，不能忽視頁巖氣開采可能帶來的巨大環(huán)境問題，治理速度趕不上污染速度，事后補(bǔ)救成本遠(yuǎn)高于事前預(yù)防。我們需高度重視頁巖氣開采潛在環(huán)境污染評估，發(fā)展相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)技術(shù)和環(huán)境立法。當(dāng)然，還要大力發(fā)展頁巖氣開采技術(shù)，特別是水力壓裂替代技術(shù)，依靠技術(shù)進(jìn)步來從根本上避免環(huán)境污染。

總之，頁巖氣開采可能造成的環(huán)境污染主要有：（1）大量消耗水資源；（2）污染地下水層；（3）甲烷泄漏；（4）引發(fā)地震。就我國而言，同時還面臨因地理環(huán)境限制和環(huán)境立法不足更易造成環(huán)境污染的可能。因此，在頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程中，我國應(yīng)高度關(guān)注和重視頁巖氣開采的環(huán)境影響評估，盡力以技術(shù)進(jìn)步和相關(guān)環(huán)境立法來減緩其環(huán)境影響和防范環(huán)境污染隱患。為此建議：一是編制我國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)中長期發(fā)展規(guī)劃。在認(rèn)真分析世界頁巖氣勘探開發(fā)的態(tài)勢和我國現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)評價和分析我國頁巖氣資源潛力，開展頁巖氣探明儲量趨勢預(yù)測研究，編制頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)中長期發(fā)展規(guī)劃。二是高度重視潛在環(huán)境影響，建立加強(qiáng)頁巖氣開采環(huán)境影響評價管理。鑒于目前在科學(xué)上對頁巖氣開采的環(huán)境影響后果認(rèn)知較少，在技術(shù)上預(yù)測和控制其潛在地質(zhì)、生態(tài)、環(huán)境及安全影響缺乏手段，應(yīng)嚴(yán)把環(huán)境影響評價關(guān)，加強(qiáng)對頁巖氣開發(fā)的環(huán)境影響評價管理。三是加強(qiáng)現(xiàn)在運(yùn)行項目的環(huán)境監(jiān)管，完善頁巖氣勘探開發(fā)項目的環(huán)境管理規(guī)定。目前我國在頁巖氣勘探開發(fā)項目選址、安全、監(jiān)測等方面還缺乏相關(guān)法律法規(guī)，或現(xiàn)有法律法規(guī)缺乏相關(guān)規(guī)定，對頁巖氣勘探開發(fā)項目在審批、核準(zhǔn)等方面缺乏針對性規(guī)定，對捕獲、運(yùn)輸、封存等過程的環(huán)境影響與環(huán)境風(fēng)險缺乏監(jiān)管。四是加快制定頁巖氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。同時，密切關(guān)注世界頁巖氣發(fā)展動向，建立和完善頁巖氣國際合作交流機(jī)制。

［1］ 張鴻翔．頁巖氣：全球油氣資源開發(fā)的新亮點—我國頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題［J］．戰(zhàn)略與決策研究．2010, 25(4):406–410.

［2］ 夏玉強(qiáng)．Marcellus頁巖氣開采的水資源挑戰(zhàn)與環(huán)境影響［N］．科技導(dǎo)報．010, 28(18): 103–108.

［3］ 張煥芝，何艷青．全球頁巖氣資源潛力及開發(fā)現(xiàn)狀［J］．石油科技論壇．2010, 6: 53–57.

［4］ 胡進(jìn)科，李皋，陳文可等．國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)綜述［J］．重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）．2011, 13(2): 72–75.

［5］ 江懷友，宋新民，安曉旋等．世界頁巖氣資源與勘探開發(fā)技術(shù)綜述［J］．天然氣技術(shù)．2008, 2(6): 26–30.

［6］ Charles W. Schmidt.Blind Rush? Shale Gas Boom Proceeds Amid Human Health Questions［J］．Environ Health Perspect. 2011, 119: a348–a353.

Analyzing the Environmental Implications of Shale Gas Exploitation

CHEN Li1REN Yu2
(1. CNPC Engineering Company Limited Southwest, Sichuan Chengdu 610017;2. PetroChina Xinjiang Bo state sales, Xinjiang Bole 833400)

Shale gas development booms in the global. Many government departments, experts and environmentalists argue whether the shale gas exploitation results in serious environmental pollution or not, especially the application of hydraulic fracturing method.This paper mainly discusses the environment pollution which resulted by shale gas exploitation possibly, considering the shale gas exploitation technology and status of U.S shale gas exploitation. These pollutions are large water consumption, underground water pollution, methane leak, cause earthquake. Our country may be more likely to cause environmental pollution because of the geographic restrictions and environmental legislation shortage. In shale gas development process, we should pay more attention to the environment pollution assessment of shale gas exploitation, and strive for the technological progress and environmental legislation to overcome environmental harm.

shale gas;hydraulic fracturing; environment pollution

X820.3

A

1673-288X（2012）03-0052-04

陳莉, 碩士, 助理工程師, 研究方向: 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價