譚茜　　宋福忠 張代鈞 盧培利

摘要：頁巖氣作為重要的新興非常規(guī)能源，目前已成為全球天然氣勘探開發(fā)的重點。由于頁巖氣儲層具有滲透率低等特點，需要通過水力體積壓裂技術增加頁巖地層的透氣性才能進行有效開發(fā)。然而，水力壓裂會消耗大量的水資源，還可能導致地下水環(huán)境污染。本文借鑒美國相關經驗，提出了我國頁巖氣開發(fā)水力壓裂的環(huán)境監(jiān)管對策：基于區(qū)域水資源承載能力實施取水許可制度；加強建井評估和壓裂備案管理；實施壓裂液組分公開；加強對深井灌注活動的管理并鼓勵廢水回用；對井漏及其可能影響的地下水環(huán)境進行跟蹤監(jiān)測。

關鍵詞：

頁巖氣開發(fā)；水力壓裂；水資源；地下水；環(huán)境監(jiān)管

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.06.016

中圖分類號：X523文獻標識碼：A文章編號：2095-6444（2015）04-0068-06

近年來，頁巖氣的勘探開發(fā)在世界范圍內受到廣泛重視，許多國家和地區(qū)紛紛開展了頁巖氣開發(fā)活動。美國是最早進行頁巖氣開采的國家，2010年頁巖氣的生產總量達到1 378億m3，占其天然氣總產量的23%，并預計將于2035年增至天然氣總產量的49%。在歐洲，德國、英國、西班牙等國已開始開展頁巖氣研究和試探性開發(fā)，部分企業(yè)已著手商業(yè)性勘探開發(fā)。而我國頁巖氣技術可采量為31.57萬億m3，是世界范圍內頁巖氣資源最為豐富的國家，隨著重慶涪陵頁巖氣的成功開發(fā)，目前，我國頁巖氣已經進入大規(guī)模工業(yè)化開采階段。

由于頁巖氣礦藏埋深大、滲透率低，為實現工業(yè)產能，須采用水平井及水力壓裂技術。水力壓裂活動是指利用高壓將混有支撐劑和化學物質的水注入到地下頁巖層，用高壓水壓裂巖石，同時用沙或其他物質支撐裂口，使頁巖破碎釋放出氣體的過程。水力壓裂過程不僅會消耗大量水資源，壓裂液及返排液中含有的大量有害物質也可能對地下及地表水等造成污染。本文分析水力壓裂可能帶來的環(huán)境問題，總結美國的相關環(huán)境監(jiān)管經驗，提出符合我國實際情況的水力壓裂環(huán)境監(jiān)管對策。

1對水資源及水環(huán)境的影響

1.1大量消耗水資源

水力壓裂是頁巖氣開采中耗水量最大的活動，約占總耗水量的90%。相關研究人員對2010年到2013年間，美國幾個主要的頁巖氣開采州用于壓裂活動的水量進行了調查，結果見表1[1]。

可以看出各州的平均單井壓裂用水量為18 260 m3，與美國總審計局（GAO）2012年統(tǒng)計的Barnett（17 500 m3）、Haynesville（18 927 m3）頁巖氣平均單井壓裂耗水量相近，相當于143人一年的生活用水量[2]。美國能源部（DOE）指出，由于頁巖氣開采活動用水多取自地表及地下水，可能會降低水資源的可持續(xù)利用率，導致小流域和河流的退化，影響含水層的儲水能力，破壞周邊的能源基礎設施等。對此，美國得克薩斯州的大草原城于2012年明確限制了當地壓裂活動的用水量[3]。

美國頁巖氣開發(fā)主體深度為1 500～3 500 m3。而我國的頁巖氣埋深普遍要比美國大，其中埋深超過3 500 m的頁巖占65%，同時還受到開采技術的限制，因此壓裂需消耗更多的水。調查表明，我國重慶涪陵地區(qū)的單井壓裂用水量在31 500 m3左右，遠高于美國的平均水平，甚至是美國耗水量最大的阿肯色州的1.5倍。四川盆地是我國頁巖氣開采區(qū)中水資源較為豐富的地區(qū)，該地區(qū)的龍馬溪組頁巖氣田的單井壓裂用水量范圍為11 945～23 565 m3，相當于四川省特大城市中居民人均年用水量的200～400倍[4]。文獻報道[5]，四川盆地部分地區(qū)在2009年到2010年間遭遇了嚴重的干旱，6 000萬人受到了缺水的影響，650萬公頃的農田灌溉受到影響，并將持續(xù)面臨嚴重的水資源短缺的困境。

1.2對水環(huán)境的影響

壓裂液和返排液中含有重金屬、放射性物質、酚類、細菌等微生物及壓裂添加劑等多種化學物質，致使開采區(qū)及其附近的水環(huán)境（尤其是地下水環(huán)境）面臨巨大的環(huán)境風險。這些有害物質污染水環(huán)境的主要途徑有三種。其一，壓裂液和返排液在儲存、往返于井場的過程中發(fā)生地表溢漏；其二，當壓裂深度不夠，或是存在氣井套管破損、水泥固井密封不嚴等質量問題時，將導致壓裂液泄漏，流入地下地層或含水層；其三，壓裂液及其他污染物（如甲烷、放射性物質）還可能從自然裂縫、斷層或已存在的舊井孔中遷移出來。

2010年，位于賓夕法尼亞州的一處天然氣井發(fā)生防井噴器失靈事故，造成約130 m3壓裂液外泄。這些有毒物質泄漏后，不僅造成河流、湖泊等地表水的嚴重污染，而且還會因滲透作用污染蓄水層。美國杜克大學的研究人員研究發(fā)現，賓夕法尼亞州中使用水力壓裂開采頁巖氣區(qū)域比其他區(qū)域地下水中甲烷含量高出約17倍[6]。同月，通過對得克薩斯州Barnett頁巖氣田附近居民的尿液與血液樣本檢查結果發(fā)現，65%的居民體內含有甲苯，53%的居民體內含有可檢測水平的二甲苯[7]。

此外，壓裂液與地層的接觸導致返排液中TDS含量升高，其平均濃度超過100 g/L，最高可達350 g/L，影響水資源的可利用性。調查發(fā)現[8]，Marcellus頁巖氣開發(fā)區(qū)，由于廢水排放不當導致Monongahela河的TDS濃度升高至900 mg/L。

2水力壓裂的環(huán)境監(jiān)管

2.1建井評估

為防止鉆井液或壓裂液泄漏，保護地下水資源及地下地層，美國內政部土地管理局（BLM）在最新發(fā)布的關于油氣開采水力壓裂活動管理法規(guī)的草案中規(guī)定，頁巖氣開發(fā)商需要在水力壓裂活動前進行機械完整性測試[9]。這項活動是建井評估的一項重要內容，此外，還包括進行固井質量檢測（如水泥膠結性能檢測）、確定井深等。

美國使用水力壓裂的頁巖氣開采井平均深度為2 500 m，同時也存在某些壓裂井的井深僅僅為幾百米的情況。這種淺層壓裂由于壓裂層與含水層之間的距離小，對地下水資源的安全存在更大的威脅。目得德克薩斯州和科羅拉多州對其建井評估活動做出了特別許可及規(guī)定[1]。得州為其規(guī)定了不同的套管和水泥膠結過程評估及額外的壓力測試，并指出了具體的適用情況，即：（1）水力壓裂井與可用水（特指TDS含量低于3 000 mg/L的水資源）底部之間的垂直間隔少于300 m時；（2）得克薩斯州鐵路委員會的石油和天然氣部門管理人員認為壓裂井與飲用水之間的垂直間距不夠充分時；（3）石油和天然氣部門管理人員認為地質結構復雜時?？屏_拉多州則規(guī)定，對壓裂深度在600 m或少于600 m的壓裂活動，要求其進行額外的地質、水文地質和工程評估。在此基礎上，該州油氣保護委員會還可能會增加水泥膠結的相關要求或者限制壓裂增產活動。加拿大不列顛哥倫比亞規(guī)定，當壓裂深度不超過600 m時，水力壓裂活動需要獲得特殊的許可。德國則在2015年4月發(fā)布的建議草案中提出，壓裂深度小于3 000 m的水力壓裂活動都需要進行額外的科學評估。

我國頁巖氣資源普遍埋深大，但也存在少數地區(qū)埋深較淺的情況，通常低于1 500 m。文獻報道[10]，我國四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組中，須三有利區(qū)的頁巖氣埋深為1 300～4 000 m，須五西南區(qū)的頁巖氣埋深為500～3 000 m。湘西北地區(qū)陡山陀組頁巖氣區(qū)中靠近洞庭盆地地區(qū)的頁巖氣埋深基本在1 000 m以內。而我國目前對于壓裂深度較淺的水力壓裂活動沒有提出額外的監(jiān)管要求。

2.2備案（許可）管理

在美國，常規(guī)水力壓裂活動需要向內政部土地管理局進行事前備案，并根據部門的審查意見完善壓裂活動。備案材料通常包括固井方案、壓裂液的相關信息及返排液的處置等。

柴油作為壓裂基液時在運輸和傳遞支撐劑方面比水基更有效；還可作為添加劑調整壓裂液的性質；作為降濾失劑阻止液體濾失，使得柴油在水力壓裂活動中得到廣泛應用[11]。但由于柴油組分復雜、性質特殊，美國將使用柴油的水力壓裂活動從常規(guī)壓裂中獨立，進行特殊審查。要求使用柴油作為基液或添加劑的水力壓裂活動需要向BLM提出申請并獲得許可，且申請中提交的信息也更為全面，甚至包括監(jiān)管區(qū)域地下飲用水資源及地下地層的背景信息等。

我國部分頁巖氣開采地區(qū)存在地層松散，或是壓裂基液含有大量黏土組分的情況。在壓裂過程中使用柴油可有效緩解壓裂液的濾失，降低黏土膨脹情況，從而提高壓裂效率。但柴油中通常含有多種有害物質（如甲苯/甲基萘等）且監(jiān)管較為困難。我國目前未見使用柴油作為壓裂基液的報道。

2.3壓裂液組分公開

壓裂液是水力壓裂活動造成環(huán)境（尤其是地下水環(huán)境）污染的根源，其對環(huán)境的影響主要取決于配液水質及壓裂液的化學組成[12]。從目前美國披露的壓裂液信息來看，壓裂液中含量最高的成分為水和支撐劑，約占壓裂液總體積的99%，其次為交聯劑、破乳劑、降阻劑等多種添加劑，詳見表2[13]。

研究表明，壓裂液添加劑中大約25%的物質可能引發(fā)癌癥，37%的會破壞內分泌系統(tǒng)，40%～50%的會影響人類的神經、免疫和循環(huán)系統(tǒng)，75%以上的物質會影響人類的皮膚、眼睛和呼吸系統(tǒng)。美國商務委員會組織進行的一項調查顯示，2005年到2009年期間，參與調查的14家油氣公司使用的超過200種水力壓裂相關產品中包含750種化學物質及其他成分，其中有29種化學成分已確認或可能為人體致癌物質，同時也是《清潔空氣法案》中明確列出的有害空氣污染物[14]。

而公開壓裂液組分能使公眾及時了解到這些物質對環(huán)境及公眾健康的影響，有助于管理者評估應急響應計劃、運營商進行風險管理，激勵其尋求“綠色替代品”，降低環(huán)境污染。美國有15個州都規(guī)定運營商將壓裂活動所使用化學物質的信息輸入FracFocus數據庫，以實現披露；8個州要求將壓裂資料提交給州政府部門[15]。DOE于2012年對各州的壓裂液信息披露相關規(guī)定進行了調查研究，得到各州要求公開的信息見表3[9]。

然而，政府為促進商業(yè)投資，增強競爭，一些被認為是商業(yè)機密的信息，其披露通常只針對環(huán)保團體、研究者及政府機構，不向公眾披露。據統(tǒng)計，截至2013年10月，有大約600位商家向FracFocus數據庫提供了接近150萬種壓裂液成分，其中有13%的成分被標記為商業(yè)機密。

我國目前沒有任何國家或地方法規(guī)要求公開壓裂液組分的相關信息，導致公眾及相關行業(yè)的研究人員無法獲取需要的信息，也無法約束運營商在壓裂液中使用有害的添加劑。若繼續(xù)延續(xù)這種使無法可依的局面，將對環(huán)境及人類健康造成極大的威脅。

2.4深井灌注

雖有不斷研發(fā)的技術方法幫助進行廢水回用，仍然有相當數量的廢水亟待處置。然而，許多地區(qū)的水環(huán)境較為敏感，不能直接進行排放，深井灌注便成為較好的處置選擇。深井灌注是利用高壓，通過井筒將廢物傳送到地下的方式。美國在1974年通過的《安全飲用水法》中，明確提出了“地下灌注控制項目”（UIC），并授權環(huán)保局對其進行管理。該項目將灌注井分為六大類，分別進行管理，其中與頁巖氣開發(fā)相關的為II類井[16]。深井灌注II類井最早出現在19世紀30年代，主要用于處理在原油或天然氣生產過程中自然生成的鹽水。按照用途不同進一步將II類井分為增產井、處置井和油氣存儲井。

為保護地下水，避免灌注活動造成環(huán)境污染，相關部門從許可、建井、運營、維護等方面嚴格監(jiān)管灌注活動。環(huán)保局負責制定基本的規(guī)定，各州/部落則有權在遵守這些基本法規(guī)的基礎上爭取管理主導權或爭取與環(huán)保局共同管理灌注活動。目前，美國有33個州及3個地區(qū)擁有地下灌注活動管理的主導權，7個州與環(huán)保局共享管理主導權，其余州及地區(qū)則由環(huán)保局強制實施灌注監(jiān)管。具體監(jiān)管程序如下。

申請地下灌注的油氣運營商先向監(jiān)管部門提交一份包含有詳細信息的申請，且在部門審查申請的過程中必須包含公眾參與，如發(fā)布公眾通知或者舉行聽證會等。然后，要求將建井地址選在易于進入的地區(qū)，并考慮選址地區(qū)的地質條件，必須是非油氣層或油氣枯竭層，具有多孔的特質及良好的滲透性，且不能與地下飲用水資源連通。在灌注活動開始前，還應當進行一系列監(jiān)測活動，主要包括壓力測試、固井質量檢測等，并及時提交相關報告。一旦灌注開始，主要的監(jiān)管因素則為注入壓力、注入流量等[17]。

“UIC”正式啟動以來，到2013年，據統(tǒng)計，美國共有地下灌注II類井約144 000口，并通過II類灌注井安全處理了超過1 250億m3的油田鹽水，避免了其對地下飲用水資源的危害。其中，美國得克薩斯州約有12 000口II類鹽水處置井。以Cleburne附近的II類井為例，該州II類每口鹽水處置井平均每天能處理掉4 133 m3油田鹽水，每年則可處理35 961 m3。然而，并不是所有地區(qū)都能采用灌注的方式處理生產廢水。例如，美國的賓夕法尼亞州由于缺乏合適的灌注處理條件，需要將生產廢水運輸到俄亥俄州及西弗吉尼亞州進行灌注處理，這大大增加了廢水的處理成本[18]。

我國目前僅有油氣行業(yè)標準《氣田水回注方法》（SY/T 6596—2004），對地下深井灌注的液體提出了基本要求。在國家環(huán)境保護管理層面，還沒有關于地下灌注的相關法律法規(guī)。若不及時制定具體的監(jiān)管制度，隨著頁巖氣開發(fā)規(guī)模的擴大，越來越多地開采廢物將會對我國的環(huán)境造成極大的挑戰(zhàn)，甚至威脅到頁巖氣的開發(fā)。

2.5井漏監(jiān)管

水力壓裂活動過程中，可能由于開采區(qū)地層滲透好、井筒內外壓力差過大或固井工作不完善而發(fā)生井漏現象，導致壓裂液中的化學添加劑等多種有害物質泄漏，對地下水環(huán)境造成嚴重危害。

按照井漏發(fā)生原因的不同，可以將其分為滲透性漏失、裂縫性漏失、溶洞性漏失和破裂性漏失4大類[19]。為解決井漏問題，國內外開展了多項防漏堵漏工作，關鍵在于確定漏層的位置。國外主要運用儀器檢測方法確定漏層位置，如井下微地震裂縫監(jiān)測法、聲波測試儀、渦流測試儀、放射性示蹤儀、井溫測試儀[20]。其中，井下微地震監(jiān)測技術自1997年以后已進入商業(yè)化應用。上述方法雖能較為準確地監(jiān)測出發(fā)生井漏的位置，但很難對井漏產生的地下水污染情況進行跟蹤監(jiān)測。近年來，具有操作簡便、穿透深度達等優(yōu)點地球物理方法受到越來越廣泛的關注，其中包括電阻率法、自然電位法等。這類方法通常能實現地下水污染情況的跟蹤監(jiān)測。

涪陵頁巖氣田焦石壩地區(qū)自2012年以來完成鉆井162口，共發(fā)生337起井漏[21]。井漏問題主要表現為漏層位置判斷性差，堵漏難度大、成功率低。目前國內多采用經驗或采用試堵方法來判斷漏層的位置。但這類方法準確性差，影響堵漏效果。因此，建議鼓勵引進或研發(fā)新的技術方法，實現井漏位置的準確定位，提高堵漏效率，實施地下水污染跟蹤監(jiān)測，并為進一步實現井漏導致的地下水污染治理與修復提供監(jiān)測手段。

3監(jiān)管對策

我國頁巖氣儲量豐富，水力壓裂作為頁巖氣開采的核心技術，應用極廣。此外，我國頁巖氣可開采資源量較多的省份依次為四川、新疆、重慶等地，這些地方大都屬于水資源匱乏區(qū)及生態(tài)脆弱區(qū)。壓裂的大量用水及造成的水污染將嚴重干擾周邊的居民生產生活及其他活動。若壓裂活動不能得到嚴格的監(jiān)管，頁巖氣開采對于社會和環(huán)境的負面作用就很有可能會抵消開采所帶來的益處。

只有制定嚴格的環(huán)境標準，加強壓裂活動的評估、備案（審查許可）和監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)的環(huán)境監(jiān)管，才能有效避免環(huán)境破壞事故的發(fā)生，實現對頁巖氣資源的“環(huán)境友好型”開采。借鑒美國水力壓裂環(huán)境監(jiān)管經驗，并結合我國的情況，對我國水力壓裂環(huán)境監(jiān)管提出以下建議：

（1）基于區(qū)域水資源承載力取水，實施取水許可制度。根據對頁巖氣開采區(qū)域水資源供需平衡的分析及對區(qū)域水源信息、用水活動等情況的了解，制訂出合適的取水、用水方案。首先，取水地點的選擇應當優(yōu)先考慮大江、大河等水資源較為充沛的水源，盡量避免從小規(guī)模及敏感水源處取水。取水時間上應當注意避開枯水期及用水高峰期，避免與區(qū)域內其他的用水活動（如居民生活用水、農業(yè)灌溉用水等）發(fā)生沖突。取用的水量應以不對當地水資源的利用產生明顯的影響為原則，盡量做到不影響區(qū)域內其他的用水活動，取水活動（包括直接從水源取水和間接從其他取水用戶取水）須得到水行政部門的許可?？紤]到水力壓裂活動階段用水性強的特點，鼓勵開發(fā)商在氣田內選擇合適的地點建設臨時的雨洪截留設施，以供缺水時維持頁巖氣的開發(fā)活動。

（2）加強建井評估與水力壓裂備案管理。由于淺層壓裂對地下飲用水資源安全存在較大威脅，建議盡快制定相關法規(guī)，實現套管性能、固井質量等評估工作，規(guī)范淺層水力壓裂活動。對常規(guī)水力壓裂活動實施備案制度，促進頁巖氣開發(fā)企業(yè)在固井方案、壓裂液配方及返排液處置等方面的規(guī)范化和標準化。我國目前沒有針對使用柴油壓裂活動的監(jiān)管法規(guī)，且柴油組分復雜，對環(huán)境危害大，建議我國的頁巖氣開采活動不采用柴油壓裂的方式。

（3）公開壓裂液組分信息。由于我國壓裂活動中所使用壓裂液的組分與美國相似，存在多種有毒有害的添加物，因此建議公開壓裂液組成物質的種類，可不公開具體含量。不僅可以使公眾及時了解壓裂活動及其對環(huán)境的影響，還能督促運營商主動尋求安全、綠色的添加劑，減少環(huán)境危害。此外，為促進商業(yè)投資，鼓勵頁巖氣的開發(fā)，可以允許一部分涉及商業(yè)機密的壓裂液組分信息不向公眾公開，但仍然需要向環(huán)保局等監(jiān)管部門及專家披露。

（4）加強深井灌注監(jiān)管，鼓勵廢水回用。盡快建立國家層面的深井灌注法規(guī)，從建設、運營、監(jiān)管等多方面完善管理標準，地方監(jiān)管機構要參與深井灌注的監(jiān)管活動中。但是在灌注條件不符或水資源緊缺的開采地區(qū)，采用廢水回用的方式將優(yōu)于深井灌注。由于我國的頁巖氣開采地區(qū)多為水資源匱乏區(qū)，且目前缺乏可依據的法規(guī)，建議目前應嚴格限制或暫時禁止頁巖氣開發(fā)廢水的深井灌注活動。

（5）對井漏及其影響的地下水環(huán)境進行跟蹤監(jiān)測。我國目前已發(fā)展了一些防漏堵漏的方法，但在確定漏層及對井漏造成的水環(huán)境跟蹤監(jiān)測方面缺乏相關的技術支持。因此，建議及時引進國外先進的監(jiān)測技術，如井下微地震裂縫監(jiān)測法、自電位監(jiān)測法，對井漏及其可能影響的地下水環(huán)境進行跟蹤監(jiān)測，并及時開展防漏堵漏工作，保護地下水。

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