袁 夢(mèng)，田原宇，張君濤

(西安石油大學(xué)石油煉化工程技術(shù)中心，陜西 西安 710065)

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淺談我國頁巖氣開發(fā)過程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)策

袁 夢(mèng)，田原宇，張君濤

(西安石油大學(xué)石油煉化工程技術(shù)中心，陜西 西安 710065)

我國頁巖氣儲(chǔ)存量十分豐富，主要地區(qū)的頁巖氣可開采量約為2.6×1014m3以上。目前我國頁巖氣開發(fā)還處于初級(jí)階段，投入的大部分資金都集中在頁巖氣的勘探和開發(fā)上，所以對(duì)頁巖氣開發(fā)過程中帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不夠重視?？偨Y(jié)了我國頁巖氣開發(fā)過程中面臨的水資源消耗和污染、地表和植被破壞、溫室氣體排放和噪聲污染等方面的環(huán)境問題。并且從防治技術(shù)的研究以及完善管理制度兩方面針對(duì)性的提出對(duì)策，為中國頁巖氣勘探開發(fā)過程中如何處理好環(huán)境與資源的關(guān)系提供了參考。

頁巖氣；環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；水資源消耗；溫室氣體

頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣資源，產(chǎn)自極低的孔滲、和富含有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲(chǔ)集巖系納米級(jí)孔隙的裂縫與礦物顆粒表面[1]，另有一部分頁巖氣可能在頁巖內(nèi)的瀝青質(zhì)和干酪根有機(jī)質(zhì)中呈溶解態(tài)儲(chǔ)存[2]。頁巖氣是一種綠色環(huán)保清潔型能源,在解決未來新能源需求方面起到至關(guān)重要作用。目前，頁巖氣已是國際能源開發(fā)戰(zhàn)略的新亮點(diǎn)，在美國的“頁巖氣革命”和國內(nèi)頁巖氣巨大資源潛能的推動(dòng)下，我國在頁巖氣勘探、開發(fā)等領(lǐng)域開始瘋狂的探索研究。然而，我國頁巖氣的勘探、開發(fā)仍處于初級(jí)階段，在頁巖氣開發(fā)環(huán)境問題認(rèn)識(shí)和解決上與世界先進(jìn)水平存在著較大的差距，由于水力壓裂等技術(shù)的限制和頁巖氣分布分散等地質(zhì)的限制，將出現(xiàn)水資源消耗過度、地下水污染嚴(yán)重、溫室氣體逃逸、引發(fā)巨大地震等一系列的環(huán)境問題[2]。

1 國內(nèi)外頁巖氣資源概況

1.1 國外頁巖氣資源現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)世界頁巖氣儲(chǔ)量估計(jì)為2×1015m3以上[3]。美國是第一個(gè)大規(guī)模商業(yè)化開采頁巖氣的國家。2010年，美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到1.379×1011m3，對(duì)比2008年相繼增長(zhǎng)了80%，占美國天然氣年總產(chǎn)量的23%[4]；2011年，其產(chǎn)量達(dá)到了1.8×1011m3，占美國天然氣年總產(chǎn)量的34%。2013年美國頁巖氣產(chǎn)量將占據(jù)天然氣年總產(chǎn)量的35%，2015年年開采量為6.5×109m3，預(yù)計(jì)2030年會(huì)進(jìn)一步上升到55%[5]。

加拿大是世界上第二個(gè)對(duì)頁巖氣進(jìn)行勘探開發(fā)利用的國家。其頁巖氣儲(chǔ)存量也很豐富，原地資源量大于4.25×1013m3，主要分布在BC省東北部中泥盆統(tǒng)的Horn River盆地、三疊系Montney頁巖、阿爾伯達(dá)省與薩斯喀徹溫省的白堊系Colorado群、魁北克省的奧陶系Utica頁巖、新布倫斯威克省和新斯克舍省的石炭系Horton Bluff頁巖中。此外,歐洲、亞洲、南美洲等多國也認(rèn)識(shí)到頁巖氣資源的潛在價(jià)值,不同程度的對(duì)頁巖氣勘探、評(píng)估、開采也在如火如荼的進(jìn)行著。

1.2 我國頁巖氣資源存儲(chǔ)與開發(fā)現(xiàn)狀

我國頁巖氣儲(chǔ)量十分豐富，富集地質(zhì)條件也十分的優(yōu)越，在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、揚(yáng)子地臺(tái)區(qū)、青藏等廣大地區(qū)均有分布[7]。

2012年3 月，國土資源部首次披露了我國頁巖氣資源的官方評(píng)估數(shù)據(jù)。我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力預(yù)計(jì)可達(dá)1.34 × 1014m3，技術(shù)可采儲(chǔ)量高達(dá)2.5 × 1013m3(不含青藏地區(qū))位居世界首位[8]。2013年底累計(jì)完成頁巖氣鉆井285口，頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到2.0× 108m3[9]。2014年我國頁巖氣開采量有了質(zhì)的飛躍,增長(zhǎng)到1.25× 109m3,并且年產(chǎn)量在2015年超過4× 109m3,累計(jì)頁巖氣產(chǎn)量超過6× 109m3[10]?；陧搸r氣的大規(guī)模生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn),中國成為世界上第三大的頁巖氣生產(chǎn)商，目前國內(nèi)的開采技術(shù)大體能夠滿足頁巖氣開采需求，仍存在大部分地區(qū)水平井鉆井速度低、鉆井周期長(zhǎng)、成本高、成井質(zhì)量低等問題,這將對(duì)環(huán)境問題造成了嚴(yán)重的威脅。

2 頁巖氣開采過程中潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

2.1 水資源方面的風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1 地下水的污染

成功地開采頁巖氣需要結(jié)合多種技術(shù)手段和方法,采用地質(zhì)儲(chǔ)量評(píng)估技術(shù)、鉆井技術(shù)、固井技術(shù)、完井技術(shù)、壓裂技術(shù)等一系列技術(shù)才能夠低風(fēng)險(xiǎn)，高效率，低成本地開采頁巖氣。其中水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開采的關(guān)鍵技術(shù)，水力壓裂是指用大量摻入化學(xué)物質(zhì)的水灌入頁巖層來增加生產(chǎn)儲(chǔ)層的滲透性，從而頁巖氣更加容易通過井筒采出的新技術(shù)。

然而水力壓裂技術(shù)過程中產(chǎn)生的廢水，很容易造成地下水污染。因?yàn)樗麎毫咽褂玫膲毫褎┲谐税?9.51%的水、砂之外，還含有大量的化學(xué)添加劑，如殺菌劑、表面活性劑等影響水質(zhì)的物質(zhì)[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，頁巖氣的水力壓裂過程所使用的添加劑中對(duì)環(huán)境和人體有害的就有五種(見表1[2])。并且在頁巖氣開采過程中，大量的有毒有害物質(zhì)都會(huì)通過常規(guī)鉆井作業(yè)或意外井噴發(fā)生泄露，對(duì)地下水資源產(chǎn)生巨大污染。

表1 頁巖氣開采中的污染物及影響

備注：GHS是歐盟化學(xué)品(含危險(xiǎn)品)標(biāo)簽標(biāo)志與象形符號(hào)。

隨著頁巖氣的大規(guī)模開采壓裂液的用量日益增加，返排回地面的60%～80%壓裂返排液[12],混有大量的化學(xué)物質(zhì)，如果長(zhǎng)久存于頁巖層還會(huì)混入懸浮有機(jī)物、天然放射性物質(zhì)、油脂、重金屬等多種污染物[13-15]。除此之外，頁巖氣的開發(fā)過程中還會(huì)產(chǎn)生沖洗鉆井臺(tái)、鉆具和其它設(shè)備廢水，生活廢水等。在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移廢水時(shí)由于人為故意偷排或操作不當(dāng)使廢水泄漏到地下，嚴(yán)重污染河流、湖泊和地下水資源，給水生態(tài)系統(tǒng)帶來難以預(yù)計(jì)的災(zāi)難[16]。

2.1.2 水資源的大量消耗

水力壓裂技術(shù)目前仍然是頁巖氣開采的主要儲(chǔ)層改造技術(shù)，但是它的耗水量是常規(guī)油氣井的50～100倍，每口井的壓裂的耗水量是0.38×104～1.51×104m3[17]。我國水資源十分緊缺，西北地區(qū)尤其缺水，然而我國西北地區(qū)的頁巖氣儲(chǔ)量卻十分豐富[2]，注入地下的水并不能完全地被回收利用，其鉆完井、水力壓裂、開采后的處理、運(yùn)輸、分銷和應(yīng)用等過程均有大量水資源的消耗、持續(xù)這樣大規(guī)模的開采，勢(shì)必為我國水資源緊缺的局面雪上加霜[11]。并且地表水和地下水的大量的消耗會(huì)造成地下水資源枯竭，導(dǎo)致含水層儲(chǔ)水能力減弱，水體質(zhì)量總體下滑，威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡，嚴(yán)重影響水資源的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 甲烷泄露和大氣污染的風(fēng)險(xiǎn)

美國的研究者曾在ClimaticChange期刊上發(fā)表文獻(xiàn)指出，頁巖氣比常規(guī)天然氣更容易泄漏，泄漏量在完井鉆穿氣孔的時(shí)候會(huì)大幅度的增加[18]。頁巖氣的主要成分是甲烷(CH4)，然而開采過程中壓裂液的返排和重復(fù)壓裂的過程都會(huì)造成大量的甲烷氣體泄漏，據(jù)統(tǒng)計(jì)排放甲烷氣體最多的途徑是水力壓裂液的返排過程并且頁巖氣的泄漏量會(huì)達(dá)到巖氣井預(yù)測(cè)總產(chǎn)量1.6%左右。美國宇航局(NASA)戈達(dá)德太空研究所負(fù)責(zé)Hansen J 認(rèn)為，“造成全球變暖的主要因素是CH4而不是CO2”[19]。通過大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，平均每分子CH4的溫室增溫潛力是CO2的25倍，所以無論從短期還是長(zhǎng)期來看，CH4對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響都應(yīng)當(dāng)引起我們的重視。與此同時(shí)甲烷氣體融入地下水也容易給地下水帶來污染，如果空氣中聚集大量的甲烷氣體，遇火源就會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，形成的沖擊波超壓、熱輻射和拋射碎片等危及作業(yè)人員安全同時(shí)也損壞機(jī)械設(shè)備設(shè)施，這樣就會(huì)造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。除了甲烷等溫室氣體的泄露外，頁巖氣開采過程中遇到地層的有毒氣體(APH)以及鉆井設(shè)備和頁巖氣壓縮時(shí)釋放的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)等的泄露都會(huì)對(duì)大氣造成不同程度的污染[20]。

2.3 地質(zhì)、地表災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

一般而言，把高壓水通過鉆桿注入地下1500～3000 m沖擊頁巖層而使巖層出現(xiàn)裂縫水是力壓裂技術(shù)的技術(shù)要求，從而通過裂縫中被開采出來頁巖氣。并且水力壓裂作業(yè)通常具有規(guī)?；奶卣?，如果開發(fā)井位建設(shè)的十分密集，反復(fù)壓裂的過程中，高壓液體從上而下注入頁巖層，從而使頁巖產(chǎn)生許多的裂縫，頁巖的抗壓強(qiáng)度會(huì)慢慢的減小，從而引起地面的沉陷、山體的塌陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[2]。最危險(xiǎn)的是當(dāng)壓裂液注入深井，鉆井液的浸泡可能會(huì)導(dǎo)致井壁巖層的松動(dòng)塌陷和地層應(yīng)力不穩(wěn)定，大面積規(guī)?；拈_采頁巖氣，很可能誘發(fā)產(chǎn)生地震[21]。尤其是我國的揚(yáng)子臺(tái)地區(qū)本就是地震多發(fā)帶，如果在這一地帶大面積規(guī)模化的開采頁巖氣，誘發(fā)產(chǎn)生地震可能性會(huì)大大增加，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦娜松戆踩蜕姝h(huán)境。

頁巖氣的勘探、開發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)輸過程中，由于建設(shè)井場(chǎng)，道路和管道基建等難以避免會(huì)進(jìn)行大面積的地表清理工作，例如頁巖氣井水力壓裂液儲(chǔ)蓄池的挖掘、壓裂設(shè)備的布置等土地占用面積遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣藏的鉆井井場(chǎng)[22]。在原生態(tài)地區(qū)，開采頁巖氣會(huì)造成大量的野生植被破壞，不僅會(huì)影響野生動(dòng)物的棲息環(huán)境，而且還會(huì)導(dǎo)致局部水土流失和泥石流災(zāi)害等；在農(nóng)墾區(qū)，頁巖氣的開采會(huì)占用大量的耕地資源，從而加劇耕地匱乏的矛盾。

2.4 其他環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

除過上述環(huán)境問題，頁巖氣的開發(fā)過程中還會(huì)帶來其它的環(huán)境問題。如噪音污染、空氣污染、身體病害等一系列問題。水平鉆井、水力壓裂、井場(chǎng)建設(shè)和天然氣運(yùn)輸中所用的壓縮機(jī)運(yùn)行等方面都會(huì)存在噪音污染，對(duì)周圍居民生活不可避免的造成一定的影響[23]；水力壓裂的過程需要大量壓裂液會(huì)需要很多罐車往返運(yùn)輸，在一些非硬化路面就會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，并且給當(dāng)?shù)氐慕煌◣砗艽蟮膲毫24]；在鉆井和水力壓裂過程中會(huì)排出地質(zhì)層中鈾、釷及其衰變產(chǎn)物鐳等一些放射性元素，這些會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的身體健康造成嚴(yán)重影響。

3 頁巖氣開采環(huán)保問題建議與對(duì)策

3.1 對(duì)于水資源消耗和地下水污染的處理對(duì)策

(1)由于我國的頁巖氣開發(fā)起步較晚，壓裂開采技術(shù)都不夠成熟，所以現(xiàn)階段的頁巖氣開采，水力壓裂技術(shù)暫時(shí)是無法取代的。水力壓裂之后，15%～80%的壓裂液會(huì)返排回地面，建議研發(fā)廢液處理技術(shù)，來去除壓裂液里的添加劑、天然輻射物、懸浮固體等，實(shí)現(xiàn)廢液回用，緩解水資源的緊張[26]；(2)科學(xué)研究清潔性高的壓裂液，諸如：低毒油基鉆井液，降低化學(xué)添加劑的使用，減輕廢水治理的難度[27]；(3)加大對(duì)壓裂返排液系統(tǒng)的循環(huán)利用技術(shù)的研究,極力推廣如低分子可回收壓裂體系(LMF)技術(shù)、常規(guī)瓜爾膠壓裂返排液多次利用體系一類的新興技術(shù)的應(yīng)用，提高水資源可重復(fù)利用率[28]；(4)發(fā)生廢液泄漏時(shí),用廢水罐車把廢液運(yùn)到安全地點(diǎn)，泄漏到地表的廢液,要堵住泄漏缺口，防止廢水流入下游河水、湖泊等造成水污染。相關(guān)部門應(yīng)制定廢水排放的技術(shù)規(guī)范，運(yùn)輸?shù)骄畧?chǎng)外排放的污水必須經(jīng)過嚴(yán)格的處理，達(dá)標(biāo)后才可以排放到地表[29]。

3.2 甲烷泄露和大氣污染的對(duì)策

(1)優(yōu)化開采方案，使頁巖氣儲(chǔ)層與其他地層完全隔離。在水力壓裂階段，頁巖氣從抽出井口輸送時(shí)采用密閉的形式，并儲(chǔ)存在密封的儲(chǔ)罐內(nèi)，以保證在很大程度上杜絕頁巖氣的泄露[30]；(2)在頁巖氣輸送階段，提前要對(duì)輸送設(shè)備的嚴(yán)密性和試壓進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，輸送時(shí)要定期對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，防止泄露對(duì)大氣造成的危害；(3)使用塑料管道或塑料襯墊，防護(hù)涂料在金屬管道、復(fù)合包裝修復(fù)泄漏損失,優(yōu)化的壓力水平,改造設(shè)備的限制[31]；(4)在頁巖氣的開采地周圍都安裝甲烷氣體檢測(cè)設(shè)備、報(bào)警裝置，在初期發(fā)生泄漏時(shí)及時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，采取措施及時(shí)處理。

3.3 對(duì)地質(zhì)、地表危害的對(duì)策

(1)頁巖氣開采前期加強(qiáng)地質(zhì)探測(cè)評(píng)價(jià)工作和儲(chǔ)存地層的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，盡量減小對(duì)地層結(jié)構(gòu)的傷害，頁巖氣開發(fā)地的選址盡量遠(yuǎn)離人群居住區(qū)集中開采；(2)抓緊對(duì)頁巖氣井壁穩(wěn)定性、頁巖氣開采對(duì)儲(chǔ)存地層傷害的研究，降低水力壓裂技術(shù)和氣井鉆采作業(yè)對(duì)頁巖層的傷害[32]；(3)對(duì)開采廠區(qū)周圍多種植被或防護(hù)林，形成隔離帶減小對(duì)周圍生態(tài)的影響，容易山體滑坡的地區(qū)可以采用灌漿、錨固和支擋物等措施防范。

3.4 對(duì)減少噪音、揚(yáng)塵等的對(duì)策

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行消音處理，根據(jù)周邊居民區(qū)的分布，設(shè)立隔音屏障阻斷噪聲的傳播；(2)頁巖氣開發(fā)初期對(duì)運(yùn)輸路面進(jìn)行硬化，并且經(jīng)常對(duì)運(yùn)輸路面和廠區(qū)灑水有效的減少揚(yáng)塵，還可以調(diào)整作業(yè)時(shí)間來舒緩交通壓力[33]；(3)對(duì)有放射性的泥漿、壓裂液和廢水等做特殊的處理，不能隨地廢棄，頻繁接觸這些放射性物質(zhì)的工作人員需要穿著防護(hù)服裝等。

3.5 加強(qiáng)監(jiān)管，保護(hù)環(huán)境

由于頁巖氣開發(fā)過程中造成的一系列環(huán)境污染問題，政府需要采取相關(guān)的環(huán)境保護(hù)措施，加強(qiáng)保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，頒布相關(guān)法令來嚴(yán)格規(guī)范開采行為。同時(shí)，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，加快制定包括地下水、土壤、生態(tài)、地質(zhì)等多方面法令。通過立法機(jī)關(guān)制定強(qiáng)制的排污標(biāo)準(zhǔn)，用法律加強(qiáng)監(jiān)管保護(hù)環(huán)境。

4 結(jié) 論

目前，我國頁巖氣開發(fā)的環(huán)境監(jiān)管方面機(jī)制不健全，開發(fā)過程中帶來的環(huán)境影響及污染等問題尚未系統(tǒng)研究和制定相應(yīng)對(duì)策。作為頁巖氣資源儲(chǔ)量豐富的國家，我們即將進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)時(shí)期，頁巖氣的開發(fā)為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來諸多機(jī)遇的同時(shí)，也對(duì)我國水資源問題、大氣污染問題、地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文結(jié)合我國頁巖氣開發(fā)的實(shí)際情況，進(jìn)行了大量的調(diào)查研究，針對(duì)開發(fā)過程中面臨的主要環(huán)境問題，制定了相應(yīng)的對(duì)策，從而保證了頁巖氣資源的開發(fā)與環(huán)境相協(xié)調(diào)。為保障我國頁巖氣可持續(xù)開發(fā)，我們應(yīng)繼續(xù)著重研究頁巖氣開采的政策和技術(shù)，加快完善頁巖氣勘探、鉆井等技術(shù)，開發(fā)一系列符合中國地質(zhì)情況國情的頁巖氣開采工藝。與此同時(shí)在環(huán)境保護(hù)方面務(wù)必嚴(yán)格把關(guān)，要把環(huán)境保護(hù)、群眾健康生活和生態(tài)影響等因素納入考慮范圍。

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Brief Analysis of Environmental Problems in Exploitation of Shale Gas in China

YUANMeng,TIANYuan-yu,ZHANGJun-tao

(Petroleum Refining Engineering Technology Center of Xi’an Petroleum University, Shaanxi Xi’an 710000, China)

Abundant of shale gas has geological resources in our country, 2.6×1014m3of shale gas is recoverable in major basins and regions of China. At present, the development of shale gas in our country is still in its infancy, most of the money is focused on shale gas exploration and development, environmental problems about shale gas exploration and development may be not taking seriously enough. The environmental problems of shale gas development in China, such as water consumption and pollution, the earth’s surface and vegetation destruction, greenhouse gas emissions and noise pollution, and so on, were summarized. And from two aspects in the research of the prevention and control technology and perfect management system, countermeasures were put forward, which could provide the reference for Chinese shale gas exploration and development to handle the relationship between the environment and resources.

shale gas; environmental risk; water consumption; greenhouse gas

袁夢(mèng)(1993-)，女，西安石油大學(xué)碩士研究生。

張君濤，教授，博士，主要從事煉油化工工藝及催化新材料研究。

TE99

A

1001-9677(2016)021-0144-04