熊運實王彥昌吳軍濤耿 寶李昌林
(1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院;2.北京中油建設(shè)項目勞動安全衛(wèi)生預評價有限公司)
我國頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護面臨的形勢及對策
熊運實1,2王彥昌1吳軍濤1耿寶1李昌林1
(1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院;2.北京中油建設(shè)項目勞動安全衛(wèi)生預評價有限公司)
頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)新能源,已成為我國油氣“十三五”規(guī)劃的重點目標之一。文章借鑒美國、加拿大和歐洲多國的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗和教訓,指出頁巖氣開發(fā)過程存在的生態(tài)破壞、水污染、甲烷泄漏、噪聲污染、固體污染等潛在環(huán)境風險。壓裂取水對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和水資源的影響、壓裂返排液對地下水環(huán)境的潛在影響、危險廢物廢棄油基泥漿和油基鉆屑的環(huán)境風險等對我國頁巖氣可持續(xù)發(fā)展提出嚴峻考驗。為此,我國相關(guān)部門正在加快相關(guān)環(huán)保技術(shù)研究、環(huán)保法律法規(guī)和標準規(guī)范的制定、實施戰(zhàn)略環(huán)境影響評價等工作,逐步加強對頁巖氣開發(fā)過程的環(huán)境監(jiān)管,完善全過程監(jiān)管體制。
頁巖氣;生態(tài);水污染;甲烷泄漏;噪聲;危險廢物;環(huán)境保護
2011年12月3日,經(jīng)國務(wù)院批準,國土資源部發(fā)布公告,將頁巖氣作為我國第172個獨立礦種進行加強管理。頁巖氣是指賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣,成分以甲烷為主,是一種清潔、高效的能源資源。根據(jù)國土資源部2012年調(diào)查評價的結(jié)果,我國頁巖氣儲量豐富,頁巖氣技術(shù)可開采量為25.08萬億m3(不含青藏地區(qū)),超過常規(guī)天然氣資源[1]。
為了合理有序、環(huán)境友好地可持續(xù)開發(fā)頁巖氣,國家能源局于2012年3月16日發(fā)布了《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011—2015年)》,該規(guī)劃明確指出在頁巖氣開發(fā)各個環(huán)節(jié)采取針對性措施,堅持開發(fā)與生態(tài)保護并重,減少或杜絕可能產(chǎn)生的各種環(huán)境問題。2014年3月,國家發(fā)改委、能源局和環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布《能源行業(yè)加強大氣污染防治工作方案》,提出2017年我國頁巖氣供應(yīng)能力達到100億m3的宏偉目標。2014年11 月19日,國務(wù)院發(fā)布《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》,要求重點突破頁巖氣和煤層氣開發(fā),著力提高四川長寧-威遠、重慶涪陵、云南昭通、陜西延安等國家級示范區(qū)產(chǎn)量規(guī)模,同時爭取在湘鄂、云貴和蘇皖等地區(qū)實現(xiàn)突破,到2020年,頁巖氣產(chǎn)量力爭超過300億m3[2]。
頁巖氣已成為我國油氣“十三五”規(guī)劃的重點目標之一。根據(jù)美國、加拿大、歐洲多國的經(jīng)驗,頁巖氣開采所帶來的一系列潛在環(huán)境風險不容忽視,而環(huán)境一旦被破壞,其治理成本將遠遠超過資源開采的收益。因此,借鑒國外管理經(jīng)驗,我國相關(guān)部門正在加快制定配套的環(huán)境保護標準規(guī)范,完善我國頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管體系,加強環(huán)境法規(guī)制度執(zhí)行力,堅持開發(fā)與環(huán)境保護并重的原則,積極穩(wěn)妥推進頁巖氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
頁巖氣開發(fā)過程中可能導致的最顯著也是最為關(guān)注的潛在環(huán)境風險包括:生態(tài)破壞,水資源利用與水污染、甲烷泄漏、噪聲及固體廢物等。
1.1生態(tài)破壞
頁巖氣勘探開發(fā)過程中,鉆前工程(叢式井場的建設(shè)、進場道路開辟與硬化)、地面集輸工程和壓裂供水工程等需要占用大量的土地資源,此外,為配合生產(chǎn)用水和處置廢棄物的需要,必須在井場附近建設(shè)壓裂儲液池、廢水池、泥漿池等池體,這無疑大幅增加了工程建設(shè)對土地的需求量。此外,本工程在建設(shè)期間將會大量取用區(qū)塊內(nèi)的地表水資源作為壓裂用水的水源,如果不限制取水和不循環(huán)利用壓裂返排液,工程的建設(shè)將可能對區(qū)塊內(nèi)的水資源及水生生態(tài)造成一定的影響。
1.1.1自然生態(tài)破壞
施工期間占用的土地類型一般包括耕地、林地及其他土地。以某頁巖氣示范區(qū)為例,單個井場及配套各類池體等占地規(guī)模就達18 000~42 000 m2。土石方工程的開挖和地面集輸工程的建設(shè)不但會引起自然地貌的改變,還會破壞大面積原生植被,影響野生動物的生存環(huán)境,造成生物量和生產(chǎn)力的減少或降低,由此可能會引發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞;工程棄土若處置不當,會造成新的水土流失,增加區(qū)域內(nèi)的水土流失量,加劇環(huán)境的破壞。
1.1.2水生生態(tài)影響
與常規(guī)天然氣藏的開發(fā)相比,頁巖氣開發(fā)所必需的水力壓裂技術(shù)耗水量巨大。對某頁巖氣示范區(qū)壓裂用水量的統(tǒng)計表明,絕大多數(shù)生產(chǎn)井的單井壓裂用水量為25 000~35 000 m3。盡管頁巖氣開發(fā)用水量占地區(qū)用水總量的比例很小,但短期內(nèi)汲取大量水資源仍不免對當?shù)氐挠盟峙湓斐蓻_擊。對比我國各省份的水資源承載力[3],我國頁巖氣發(fā)展規(guī)劃指定的13個重點省份中有7個是水資源短缺地區(qū)。頁巖氣開發(fā)時巨大的耗水量必然會給當?shù)卣5纳a(chǎn)、生活帶來 困擾[4-5]。
1.2水污染
與常規(guī)天然氣開發(fā)相比,頁巖氣開發(fā)需要采用水力壓裂技術(shù)來實現(xiàn)儲層改造,如果井筒設(shè)計不當或操作不當,或者在沒有很好的環(huán)境監(jiān)管情況下,可能會發(fā)生壓裂液及天然氣(甲烷)竄入水層并對水層造成污染,大量的壓裂液使用可能會造成極大的環(huán)境風險。受到污染的水或壓裂液還會反流到地面,造成地表水及飲用水源地的污染。頁巖氣開發(fā)所用水力壓裂液的主要成份是水和砂粒,兩者占壓裂液組成的98%~99.5%,另外0.5%~2%為各種化學添加劑,添加劑的使用是導致水污染的重要隱患。
1.2.1地表水質(zhì)量
鉆井液、壓裂液以及井筒內(nèi)的地層水在事故狀態(tài)或處理不當?shù)那闆r下都是潛在的地表水污染源。Olmstead[6]等人研究表明,處理后的廢水徑流進入地表水體構(gòu)成了重要風險。然而,很少有實證研究表明頁巖氣開發(fā)活動對地表水質(zhì)量造成了影響。
國外大量的實踐證明,頁巖氣開發(fā)中的水力壓裂法對水資源可能會造成不利的影響。為此,美國的一些州、加拿大、歐洲多國以及澳大利亞等都正在針對水壓裂法開發(fā)頁巖氣制定相關(guān)的行為規(guī)范,特別是針對其中可能導致水污染的化學物質(zhì)的規(guī)制成為各類立法的重點。其目的就是在開發(fā)利用頁巖氣這種新興戰(zhàn)略資源的過程中,避免對水環(huán)境造成不良的影響,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
1.2.2地下水質(zhì)量
頁巖氣開發(fā)活動是否會對地下飲用水水質(zhì)造成影響一直是頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響的爭論熱點,其影響途徑包括甲烷的泄漏、鉆井液、壓裂液和地層水遷移等。通常有兩種途徑會污染飲用水含水層,一種是固井失效或井筒腐蝕失效導致污染物泄漏,另一種是污染物通過壓裂裂隙、廢棄井筒等遷移至飲用水含水層。
1.3甲烷的泄漏
頁巖氣的主要成分為甲烷,而甲烷是一種溫室效應(yīng)比二氧化碳更強的氣體。稍早的研究表明,以25年和100年為周期,同等質(zhì)量甲烷的溫室效應(yīng)分別是二氧化碳的72倍和25倍[7]。據(jù)保守估計,壓裂液返排過程中頁巖氣的平均排放量約占頁巖氣井預測總產(chǎn)量的1.6%,后續(xù)的多段橋塞鉆穿過程中的頁巖氣逸散量約占0.3%,儲層壓力越大,甲烷氣的逸散量就越多。耗時較長的水平井鉆井、完井和壓裂過程,致使頁巖氣開發(fā)甲烷泄漏量高于常規(guī)天然氣開發(fā)。康奈爾大學的研究人員研究后認為,頁巖氣的提取過程十分復雜,有害物質(zhì)的泄漏滲透比常規(guī)的油氣資源開采要嚴重得多。在一口頁巖氣勘探井的生產(chǎn)過程中,甲烷氣體會以不同的形式逃逸到大氣中。經(jīng)估算,逃逸率為3.6%~7.9%,這是常規(guī)天然氣井的兩倍還多。高甲烷含量原本是頁巖氣促進二氧化碳減排的優(yōu)勢,然而目前關(guān)于甲烷的溫室效應(yīng)和開發(fā)過程中頁巖氣的排放和泄漏問題的爭辯令這一優(yōu)勢飽受質(zhì)疑[8]。
2012年4月18日,美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布首部頁巖氣開采環(huán)保法規(guī),要求到2015年1月,所有采用水力壓裂法進行頁巖氣開采的氣井都安裝相關(guān)設(shè)備,以減少可揮發(fā)性有機化合物及其他有害空氣污染物的排放。該項法規(guī)將對美國約13 000口天然氣井產(chǎn)生影響。而目前,我國針對頁巖氣開發(fā)過程中甲烷泄漏的主要措施是除了必要的放噴測試外,所有產(chǎn)出的流體全部進入事先安裝的地面集輸管網(wǎng)進行轉(zhuǎn)輸,以減少甲烷的泄漏。
1.4噪聲污染
頁巖氣鉆井和壓裂過程中的噪聲污染不可忽視,井場建設(shè)中大量重型機械的運行和交通運輸,鉆井和壓裂施工都會產(chǎn)生高分貝噪聲。交通運輸和壓裂作業(yè)可以通過限定作業(yè)時間來規(guī)避噪聲對周邊居民區(qū)正常生活作息的影響,而鉆井的長期性、連續(xù)性則無法通過限定作業(yè)時間來消除噪聲污染。后續(xù)天然氣輸送過程中,壓縮機站的運行也將產(chǎn)生長期的噪聲污染,即便安裝了消聲器也難以完全消除。長期的噪聲環(huán)境會給人們的身心健康造成不利影響,特別是對患有高血壓、冠心病、偏頭疼等人群,有加劇病情的風險。
1.5固體廢物污染
頁巖氣開采過程中還會產(chǎn)生大量的固體廢物,按照廢物的性質(zhì)可以分為一般工業(yè)固廢和危險廢物。水基鉆井階段產(chǎn)生的廢棄水基泥漿和水基鉆屑屬于一般工業(yè)固廢,通常采取固化填埋、制磚和鋪路等方式進行處理和綜合利用;油基鉆井段產(chǎn)生的廢棄油基泥漿和油基鉆屑屬于危險廢物。根據(jù)統(tǒng)計,某頁巖氣示范區(qū)每鉆一口井最高會產(chǎn)生含油鉆屑322 m3,一旦處置不當,則會對當?shù)氐耐寥篮偷叵滤h(huán)境造成嚴重影響。
當前,在我國迫切需要加快調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的大形勢下,未來十幾年,天然氣需求將快速增長,缺口將逐漸擴大,這就為我國頁巖氣大規(guī)模開發(fā)提供了寶貴的戰(zhàn)略機遇,發(fā)展頁巖氣具有良好的市場前景,同時,我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)化也面臨一定挑戰(zhàn)。為加大頁巖氣勘探開發(fā)力度,加快攻克頁巖氣勘探開發(fā)核心技術(shù),國家在“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”國家科技重大專項中設(shè)立“頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”研究項目,成立了國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心,以加大頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)力度。但是,與頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護相關(guān)的法律法規(guī)、標準規(guī)范的研究卻相對滯后,這就造成了與頁巖氣開發(fā)活動相關(guān)的環(huán)境保護工作面臨著無合適的監(jiān)管依據(jù)和標準規(guī)范及相應(yīng)的環(huán)境保護技術(shù)等嚴峻形勢。鑒于此,我國相關(guān)部門正在加快相關(guān)環(huán)保法律法規(guī)和標準規(guī)范的制定工作,并在“十三五”頁巖氣科技重大專項中重點考慮了頁巖氣開發(fā)的環(huán)境保護監(jiān)管及環(huán)境保護技術(shù)等方面的研究,旨在推動頁巖氣產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展,為頁巖氣的可持續(xù)開發(fā)保駕護航。
美國是最早進行頁巖氣勘探生產(chǎn)和開發(fā)研究的國家,也是現(xiàn)今頁巖氣商業(yè)化開發(fā)最成功的國家,但是,近幾年來,美國在頁巖氣的開采過程中,出現(xiàn)壓裂液對地層的破壞、甲烷泄漏等一系列問題,對環(huán)境造成了不可挽回的破壞,基于此,世界上許多國家對頁巖氣開發(fā)開始持謹慎穩(wěn)健的態(tài)度。
美國已經(jīng)有個別州如佛蒙特州立法禁止使用水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣。此外,國外其他國家也對頁巖氣開發(fā)持謹慎穩(wěn)健的態(tài)度,如加拿大魁北克省出于環(huán)境保護的考慮,于2011年已暫停大部分新的頁巖氣開發(fā)項目,不列顛哥倫比亞省雖然沒有出臺嚴厲政策,但也對新勘探的頁巖氣區(qū)塊采取審慎開發(fā)的態(tài)度;歐洲多數(shù)國家鑒于環(huán)境問題暫緩或者禁止對頁巖氣的開發(fā),法國、保加利亞、捷克和波蘭等國家明令禁止應(yīng)用水力壓裂方法開采頁巖氣;德國政府認為只有在能夠全面杜絕水力壓裂技術(shù)造成危險的情況下,才能做出開采頁巖氣的決定;羅馬尼亞則要求,在有關(guān)水力壓裂對環(huán)境影響的評估工作結(jié)束前,暫停頁巖氣鉆井。由此可知,以歐洲各國為首的各個國家新法規(guī)的出臺,將大大延緩頁巖氣開發(fā)的進程。從另一個角度看,嚴苛的政策也可能會促進無水壓裂等新技術(shù)的發(fā)展[9]。
然而,從目前的各種研究當中可以了解到,頁巖氣開發(fā)過程中,水力壓裂技術(shù)是目前唯一可以開啟頁巖氣礦藏的鑰匙。在我國,人均占有的水資源量僅占世界平均水平的四分之一,水資源匱乏已經(jīng)是一個眾所周知的環(huán)境問題,特別是在地域分布上,全國80%左右的水資源都分布在南方,北方很多河流都處于枯竭狀況。因此,在頁巖氣開發(fā)過程中,水資源過度使用的問題勢必成為首要考慮的問題。頁巖氣的開發(fā)在我國方興未艾,國家也越來越重視在這方面工作,一旦頁巖氣開發(fā)形成規(guī)模,必須清醒地認識到頁巖氣開發(fā)行為可能導致的不利后果,特別是對水資源和水環(huán)境造成的不良影響。
大量的壓裂液注入頁巖氣目的層位后,壓裂液將會隨著采氣過程而返回至地表,壓裂液返排率因地層條件的不同而有區(qū)別。據(jù)對某頁巖氣示范區(qū)的預測,其壓裂液返排率累計高達60%以上,這些返排液經(jīng)過簡單處理后優(yōu)先循環(huán)利用配制壓裂液,返排液回用率為20%~30%,剩余的返排液則采取地下回注處理方式為主,送交有資質(zhì)的單位進行處理為輔。如此大量的壓裂返排液回注至地下,對深層地下水環(huán)境無疑構(gòu)成了巨大的潛在污染源。
總之,頁巖氣已列入我國《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》和油氣“十三五”規(guī)劃的重點目標之一,隨著頁巖氣開采力度的加大,壓裂取水對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和水資源的影響、壓裂返排液對地下水環(huán)境的潛在影響、危險廢物廢棄油基泥漿和油基鉆屑的環(huán)境風險等無疑會對我國頁巖氣可持續(xù)發(fā)展提出嚴峻考驗。
美國30年的頁巖氣開發(fā)歷程為我國的頁巖氣發(fā)展提供了范本。借鑒美國經(jīng)驗,立足我國國情,建議重點做好以下工作。
①加強頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護工作,完善相關(guān)的環(huán)保制度。從國家層面來說,要加快制定與頁巖氣開發(fā)相配套的環(huán)保法律法規(guī)、標準規(guī)范及環(huán)境監(jiān)管制度。在環(huán)評管理方面,要加快制定頁巖氣開發(fā)環(huán)評技術(shù)導則,廢水和廢氣排放標準,制定跟蹤評價和監(jiān)測制度等環(huán)境管理規(guī)范性文件[10]。在此基礎(chǔ)上,逐步加強對環(huán)境的監(jiān)管,完善全過程監(jiān)管體制,實現(xiàn)產(chǎn)量突破與環(huán)境保護雙贏。
從企業(yè)層面來說,在國家尚未出臺頁巖氣開發(fā)的有關(guān)環(huán)保制度前,企業(yè)應(yīng)根據(jù)各級環(huán)保主管部門的要求,結(jié)合現(xiàn)有常規(guī)天然氣開發(fā)的環(huán)保法律法規(guī)、標準規(guī)范、環(huán)評導則與技術(shù)方法,以水力壓裂、廢水回注等造成的潛在環(huán)境影響和危險廢物廢棄油基泥漿和油基鉆屑處理后固廢的環(huán)境風險研究為重點,加強污染防控技術(shù)和污染治理技術(shù),特別要專門針對水力壓裂、地下灌注和固體廢物處置等重大環(huán)境風險,加強研究和污染治理示范工程試點,在此基礎(chǔ)上,制定技術(shù)規(guī)范,作為國家規(guī)范出臺前的過渡性規(guī)范,獲得各級環(huán)保主管部門的認可。
②加快頁巖氣開采新技術(shù)的研發(fā)。美國頁巖氣井水力壓裂的壓裂液循環(huán)利用已取得很好效果,頁巖氣開發(fā)可以借鑒美國和國內(nèi)油氣田的水資源循環(huán)利用經(jīng)驗,深化頁巖氣開發(fā)過程的水資源循環(huán)利用技術(shù)研究。從頁巖氣水力壓裂技術(shù)層面出發(fā),探索節(jié)水工藝和甲烷減排工藝,以減少水資源消耗和甲烷排放。做好污染治理技術(shù)研究,加強企業(yè)和研究單位合作,針對頁巖氣壓裂返排液的污染組分特性,設(shè)計高效的污染治理措施。加強頁巖氣水平井鉆井技術(shù)研究,例如研究高效水基鉆井液替代油基鉆井液,實施水平井鉆井的可行性。
③加快頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護技術(shù)研究工作。一是要加強壓裂返排液的處理技術(shù)及回注技術(shù)研究,提高回用率,減少回注。二是要加強廢棄泥漿和鉆屑的污染治理技術(shù)研究,特別是廢棄油基泥漿和油基鉆屑經(jīng)處理后的固廢危害鑒別的研究。根據(jù)目前國內(nèi)正在實施的頁巖氣開發(fā)廢棄泥漿和鉆屑的污染治理情況,采用不落地隨鉆處理與資源化技術(shù)解決了水基泥漿和水基鉆屑的處理,采用熱脫附處理等技術(shù)處理廢棄油基泥漿和油基鉆屑也取得了明顯的效果,但仍需進一步加強有關(guān)技術(shù)研究。與此同時,還應(yīng)加快有關(guān)油基鉆屑處理后廢渣的固體廢物性質(zhì)鑒別工作,為油基鉆屑處理后廢渣的處理方式找到出路。
④建議使用不具有利用價值的咸水作為壓裂液用水,以減少壓裂用水與區(qū)域內(nèi)其他用水的沖突;加強壓裂液在地下的可能遷移途徑研究,尤其是通過固井質(zhì)量較差的井筒、廢棄的井筒或者是壓裂縫隙等途徑的遷移規(guī)律研究,以充分了解并控制壓裂液的去向。
⑤實施戰(zhàn)略環(huán)境影響評價,從環(huán)境保護角度區(qū)分資源類別,對照相關(guān)環(huán)保要求,對不適宜開發(fā)的區(qū)域進行識別,從資源環(huán)境效率、生態(tài)環(huán)境承載力及環(huán)境風險水平等多方面,優(yōu)化頁巖氣開發(fā)規(guī)劃,支持和推進國家頁巖氣開發(fā)。綜合考慮區(qū)域環(huán)境特征,從環(huán)境保護和環(huán)境風險防范的角度,對頁巖氣有利區(qū)進行分類、篩選、排序,優(yōu)化頁巖氣開發(fā)的時序。
⑥加強頁巖氣開發(fā)前期的環(huán)境保護現(xiàn)狀調(diào)查工作,在開發(fā)頁巖氣之前應(yīng)對所在區(qū)域的土壤生態(tài)、地表水、地下水等環(huán)境等現(xiàn)狀進行充分的調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測,摸清環(huán)境本底狀況,特別是環(huán)境敏感區(qū)的分布情況。
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[2] 國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》的通知(國辦發(fā)〔2014〕31號)[EB/ OL].[2015-06-07]http://www.gov.cn/zhengce/content/2014-11/19/content_9222.htm.
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(編輯 王薇)
10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.001
1005-3158(2015)06-0001-04
2015-11-24)
熊運實,1991年畢業(yè)于中國科學院地理研究所化學地理專業(yè),碩士,教授級高工,中國石油集團高級技術(shù)專家,現(xiàn)任中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院副總工程師,長期從事環(huán)保、安全、職業(yè)衛(wèi)生評價及研究工作。通信地址:北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙橋西中國石油創(chuàng)新基地A座,102206