江 麗 劉春艷 王紅娟 于勁磊 宮 航

1. 中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2. 頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室

頁巖氣開發(fā)在帶來良好經(jīng)濟社會效益的同時，也潛藏著不容忽視的環(huán)境風險。需要從頁巖氣開發(fā)項目的規(guī)劃選址、生產(chǎn)過程污染控制、污染修復與補救、跟蹤監(jiān)測評估等方面共同著手，采取有效措施，確保既能促進頁巖氣行業(yè)的健康發(fā)展，又能有效防控環(huán)境風險，實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)共贏。

綠色開發(fā)頁巖氣需要建立系統(tǒng)完整的頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管體系，為此，根據(jù)頁巖氣開發(fā)過程中的主要環(huán)境影響和環(huán)境風險，在深入研究中國、美國、加拿大關(guān)于頁巖氣開發(fā)相關(guān)環(huán)保政策法規(guī)與標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，對頁巖氣開發(fā)過程中廢水外排、廢水地下回注等8個方面的重點環(huán)境問題進行適應性對標分析，借鑒國外成熟的環(huán)境管理經(jīng)驗，提出針對中國頁巖氣開發(fā)的環(huán)境管理建議，以期實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)全過程環(huán)境監(jiān)管，推進頁巖氣綠色開發(fā)。

1 中國頁巖氣開發(fā)相關(guān)環(huán)保政策標準

與傳統(tǒng)天然氣開發(fā)相比，頁巖氣開發(fā)的最大特點是水平鉆井和水力壓裂技術(shù)的應用[1-3]。但從根本上來說，兩者并無太大區(qū)別。頁巖氣開發(fā)過程中，需要防范壓裂作業(yè)、地下水及地表水環(huán)境壓力、鉆井固體廢物處置（尤其是含油巖屑處置）、壓裂返排液處理、甲烷的無組織排放及泄漏、水資源消耗等多方面的環(huán)境影響和風險[4-5]。頁巖氣開發(fā)過程中的主要污染物排放如表1所示。

表1 頁巖氣開發(fā)過程中的主要污染物排放一覽表

中國在相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策與規(guī)劃、國家及地方環(huán)境保護政策和建設(shè)項目環(huán)評管理等文件中明確了頁巖氣開發(fā)的環(huán)境管理思路和原則性要求，但缺乏專項適用的環(huán)境保護政策、標準規(guī)范，執(zhí)行的均是通用性要求。環(huán)境管理的行業(yè)針對性不強，主要在外排廢水的溶解性總固體（TDS）和氯化物控制、地下回注要求、現(xiàn)場廢物管理等方面存在環(huán)境管理瓶頸。中國頁巖氣開發(fā)的主要環(huán)保政策標準如表2所示。

表2 （續(xù)）

頁巖氣壓裂返排液水質(zhì)復雜，溶解性總固體（TDS）高、氯化物高、有機物含量高[6-9]。壓裂返排液、采出水等頁巖氣開發(fā)廢水不能回用時，無論是選擇外排環(huán)境，還是選擇地下回注，都面臨著很大的管理制度和控制技術(shù)障礙。

含油巖屑是以礦物油為連續(xù)相配制鉆井泥漿用于石油和天然氣開采所產(chǎn)生的鉆井巖屑，其含油率可達10%～30%，還含有多環(huán)芳烴等有機污染物和其他重金屬雜質(zhì)（如砷、鉻、鉛等），含油巖屑已被列入《國家危險廢物名錄》（2021年版）。單井含油巖屑產(chǎn)生量介于300～400 m3，目前作為頁巖氣主產(chǎn)區(qū)的四川省每年頁巖氣等油氣開采產(chǎn)生含油巖屑約20×104t，不當處置將對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅[10-12]。尤其隨著我國頁巖氣大規(guī)模效益開發(fā)的快速推進，亟待處置的含油巖屑量也在迅速增大。目前，國家鼓勵企業(yè)自行配套建設(shè)高標準的危險廢物利用處置設(shè)施，優(yōu)先實行企業(yè)內(nèi)部資源化利用危險廢物。但由于國家尚未出臺含油巖屑資源化利用污染控制標準或技術(shù)規(guī)范，致使含油巖屑及其回收基礎(chǔ)油后剩余固相的處置利用受到嚴重影響，這已成為制約頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)的瓶頸問題之一。

2 頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理對比分析及建議

2.1 美國頁巖氣開發(fā)相關(guān)環(huán)保法規(guī)標準

2.1.1 概述

美國是頁巖氣商業(yè)開發(fā)最早、最成功的國家，其環(huán)保法規(guī)、標準也相對完善。美國對頁巖氣開發(fā)活動的環(huán)境監(jiān)管具有3個特點：①在傳統(tǒng)的石油、天然氣開發(fā)環(huán)保相關(guān)法規(guī)和標準基礎(chǔ)上進行管理，適當補充水力壓裂的特殊要求；②通過生產(chǎn)許可（如壓裂許可證）、排污許可（地下回注處置許可證）的方式進行管理，法規(guī)、標準要求納入許可條件；③因“哈利伯頓漏洞”的存在，頁巖氣開發(fā)中的一些環(huán)保要求在聯(lián)邦層面上被豁免（如水力壓裂作業(yè)地下回注的責任免除），各州為此制定法規(guī)以彌補聯(lián)邦環(huán)境監(jiān)管的不足。美國環(huán)保技術(shù)法規(guī)相當于中國的強制性標準，每年編纂列入《聯(lián)邦法規(guī)典》（CFR）第40部分，其中很多法規(guī)直接稱作“標準”。美國對頁巖氣開發(fā)活動的環(huán)保管理既有嚴格的管控要求，如廢水的地表水體排放、大氣污染物排放，也有相對寬松的管控要求（如油氣廢物管理）甚至豁免，美國聯(lián)邦的主要環(huán)境監(jiān)管框架如表3所示[13-15]。

表3 美國聯(lián)邦關(guān)于頁氣開發(fā)活動的主要環(huán)境監(jiān)管框架表

2.1.2 廢水排放

對于陸上油氣開發(fā)項目，美國環(huán)境保護署（EPA）認為處置采出水的可行技術(shù)是地下回注，因此禁止采出水向地表水體直接排放。禁止非常規(guī)油氣開發(fā)廢水向城鎮(zhèn)污水處理廠排放是2016年追加的要求。EPA認為，非常規(guī)油氣開發(fā)廢水含鹽高，同時含有其他化學物質(zhì)，排入公共污水處理廠會干擾污水處理廠的正常運行，造成污泥量增加并產(chǎn)生破壞菌群活性的有害副產(chǎn)物等[16]。根據(jù)《清潔水法》（CWA）的豁免條款，油氣開發(fā)活動中未受污染的場地雨水排放從《清潔水法》中豁免（其他行業(yè)排放場地雨水需獲得NPDES許可）。

美國《安全飲用水法》（SDWA）建立了地下回注控制計劃（UIC），EPA制定的地下回注法規(guī)列入聯(lián)邦法規(guī)典40 CFR 144～148部分，其中40 CFR 146《地下回注控制計劃：基準和標準》對回注井的建設(shè)、運行、監(jiān)測、報告和閉井等進行了規(guī)定，油氣開發(fā)廢水地下回注需要滿足Ⅱ類處置井的各項要求，各州是實施地下回注控制計劃（UIC）的首要責任人。

美國對水力壓裂作業(yè)的監(jiān)管采用壓裂許可證制度( Fracking Permits)。各州政府制定具體的標準、規(guī)范和披露要求，雖然各州法規(guī)的內(nèi)容不同，但其意圖都在于向公眾提供壓裂液中化學制劑的信息。同時，水力壓裂技術(shù)因其成分復雜且含有毒化學物質(zhì)而受到《安全飲用水法》（SDWA）的制約，而2005 年美國通過了《能源政策法案》（Energy Policy Act），將水力壓裂排除在UIC的管轄范圍之外，使美國頁巖氣開發(fā)獲得了歷史發(fā)展良機[17-20]。因此，Ⅱ類處置井地下回注要求不適用于頁巖氣開發(fā)水力壓裂過程[參見SDWA，Sec. 1421(d)(1)(B)(ii)條款]。

2.1.3 大氣污染物排放

美國頁巖氣開發(fā)活動執(zhí)行的《新建污染源實施標準》( NSPS) 主要包括40 CFR 60 Subpart KKK（陸上天然氣處理廠VOCs泄漏）、40 CFR 60 Subpart OOOO（石油和天然氣生產(chǎn)、傳輸和配送）和40 CFR 60 Subpart OOOOa（2015.9.18后建設(shè)的石油和天然氣設(shè)施）等。頁巖氣開發(fā)活動執(zhí)行的《國家污染源大氣有害污染物排放標準》（NESHAP）主要包括40 CFR 63 Subpart HH（油氣生產(chǎn)設(shè)施）、40 CFR 63 Subpart HHH（天然氣傳輸和儲存設(shè)施）等。

馮連勇等[20-24]的研究結(jié)果表明，頁巖氣的生命周期碳足跡顯著高于常規(guī)天然氣，頁巖氣開發(fā)完井階段的甲烷排放量約占其總產(chǎn)量的0.6%～3.2%，遠高于常規(guī)天然氣的0.01%。綠色完井技術(shù)是對水力壓裂過程的甲烷進行收集，盡可能減少其排放，這是2015年1月1日后對水力壓裂法開采天然氣的全面要求，在此之前建設(shè)的水力壓裂井，則可采用火炬或綠色完井技術(shù)，兩者選擇其一，減少甲烷排放。根據(jù)40 CFR 98《強制性溫室氣體報告》的要求，年排放量超過25 000 t CO2（以等當量計）的石油天然氣生產(chǎn)設(shè)施，需要從2012年起報告每年的CH4、CO2、N2O排放情況。

2.1.4 固體廢物污染控制

廢物污染控制的關(guān)鍵問題是界定所產(chǎn)生廢物的屬性及恰當?shù)奶幚硖幹梅椒ā?980年美國修訂《資源保護與回收法》（RCRA）時，考慮到鉆井液、采出水和其他油氣開發(fā)活動產(chǎn)生廢物的特殊性，要求EPA對油氣和地熱資源開發(fā)活動產(chǎn)生的廢物進行研究并采取適宜的管理措施[參見RCRA，Sec. 3001(b)(2)、Sec. 8002(m) 條款]。1987年12月28日，EPA向國會提交了報告，認為如此巨大體量的油氣開發(fā)廢物按危險廢物進行管理是不現(xiàn)實的，并于1988年7月6日在聯(lián)邦公報（53 FR 25446）上明確了油氣開發(fā)廢物不受RCRA Subtitle C（危險廢物）管轄。相應地，在EPA制定的40 CFR 261《危險廢物鑒別與名錄》中，將油氣和地熱資源開發(fā)活動產(chǎn)生的鉆井液、采出水及其他廢物排除在外[參見40 CFR 261.4(b)(5)條款]。因此，美國對油氣廢物不作為危險廢物進行管理?？紤]到油氣廢物的特殊性質(zhì)，各州一般將其視為特殊類型的固體廢物，通過法規(guī)提出嚴格的收集、儲存、利用、處置等過程管理與污染控制要求。

1）各州均對油氣廢物管理提出全過程控制管理要求，例如廢料坑的襯里和最小富余高度、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的建筑后退、固體廢物管理機構(gòu)許可以及關(guān)閉和復墾等等。

2）各州針對一些監(jiān)管參數(shù)也提出了不同要求，如滲濾液收集、地下水監(jiān)測、空氣監(jiān)測以及廢物特性描述等。

3）根據(jù)油氣廢物種類和性質(zhì)的不同，采用不同的利用、處置方式，包括回用、農(nóng)業(yè)應用、土地利用、地下回注、集中處置等等。雖然各州規(guī)定的儲存、利用、處置方式多樣，但都規(guī)定了相應的具體措施要求和操作標準，在環(huán)境管理的可行性和風險控制的有效性之間取得了平衡。

2.2 加拿大頁巖氣開發(fā)相關(guān)環(huán)保法規(guī)標準

加拿大建立了系統(tǒng)的油氣開發(fā)活動監(jiān)管框架，通過條例（Regulation）、指令（Directive）、指南（Guideline）、暫行指令（ID-Interim Directive）等技術(shù)法規(guī)進行管理，如表4所示。

表4 加拿大聯(lián)邦政府和阿爾伯特省關(guān)于頁氣開發(fā)活動的主要環(huán)境監(jiān)管框架表

加拿大要求保護頁巖氣開發(fā)過程中的水資源，廢水不允許排入地表水（例如湖泊和溪流）或用于飲用水供應的近地表含水層。在鉆井、完井過程中，開展地層完整性測試、地層流量測試和套管壓力測試，采用雙重屏障系統(tǒng)隔離壓裂液等措施保護地下水。

加拿大自然資源部的GHGenius生命周期分析模型可用于模擬頁巖氣的溫室氣體排放。生命周期分析考慮了燃料生產(chǎn)、加工、運輸和最終使用各個階段的所有重大溫室氣體排放，以提供完整的碳足跡。研究發(fā)現(xiàn)，頁巖氣的排放量比常規(guī)天然氣略高（高4%），但排放量卻比石油產(chǎn)品或煤炭低得多（低29%～38%）[25]。對頁巖氣開發(fā)過程中的廢氣排放，如完井過程中排氣、壓縮機以及氣動裝置的排氣等，要求捕集回收或燃燒處理（豁免除外）；同時要求開展設(shè)備與管線組件的泄漏檢測與修復工作。

鉆井、完井、生產(chǎn)操作過程中產(chǎn)生的任何垃圾、污水、廢液或其他廢棄材料，包括用過的或剩余的鉆井液、巖屑，要求確保處理不會對安全或環(huán)境造成危害，對于無法回收或再利用的流體注入深層地下巖層。對于水力壓裂液，要求企業(yè)報告壓裂流體數(shù)據(jù)（如服務商、水力壓裂情況、載液類型、支撐劑類型和壓裂液中化學添加劑成分信息）和水源數(shù)據(jù)等，并在FracFocus.ca網(wǎng)站上披露[25-26]。

為了在項目生命周期結(jié)束時正確恢復石油和天然氣場所，公司必須遵循相關(guān)場地修復法規(guī)標準?；謴秃螅總€公司都必須獲得恢復證書，以關(guān)閉其項目。

2.3 對比分析及建議

2.3.1 對比分析

在研究美國、加拿大和中國頁巖氣開發(fā)相關(guān)環(huán)保法規(guī)、標準的基礎(chǔ)上，對廢水外排、廢水地下回注、壓裂作業(yè)風險管控（地下水保護）、廢氣排放、廢物儲存與現(xiàn)場管理、固廢利用與處置、場地修復與恢復、生態(tài)紅線與敏感目標保護共8個方面重點問題進行適應性對標分析，同時借鑒國外成熟管理經(jīng)驗，提出中國頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理建議，如表5所示。

美國、加拿大的頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理系統(tǒng)完善，污染物排放標準遵循的是“技術(shù)強制”原則[27]，強調(diào)對新源及有害污染物的控制，行業(yè)排放標準占主導地位，實施全過程精細化管控，具體包括廢水禁止外排、地下回注控制、水力壓裂作業(yè)風險控制、壓裂液信息公開、綠色完井技術(shù)、差異化管理現(xiàn)場廢物、多樣化利用與處置廢物等等，行業(yè)針對性強，可操作性強，標準文本包含了標準實施的具體內(nèi)容。

與美國、加拿大相比，中國頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理還有很多不足，環(huán)保管理還未實現(xiàn)精細化管控：①未實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)全過程環(huán)境監(jiān)管，借用傳統(tǒng)油氣項目的管理經(jīng)驗，操作性不強，遇到水力壓裂環(huán)境風險管控、含油巖屑處置、高鹽廢水外排或地下回注、溫室氣體控制等新問題，不能提出明確的指導意見，環(huán)境管理遇到瓶頸；②尚未建立系統(tǒng)完善的頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護標準體系，目前執(zhí)行的各項環(huán)保要求沒有專門適用于頁巖氣開發(fā)的，廢水、廢氣、固廢、噪聲、場地修復與恢復等都是一些通用性的標準規(guī)范和指南，行業(yè)針對性不強，“過保護”“欠保護”現(xiàn)象同時存在，不能滿足當前的環(huán)境管理需要。

2.3.2 中國頁巖氣開發(fā)的環(huán)境管理建議

2.3.2.1 廢水外排

《污水綜合排放標準》（GB 8978）在頁巖氣開發(fā)行業(yè)針對性不強，建議制訂頁巖氣開采水污染物排放標準，明確TDS和氯化物等特征污染物控制要求、直接排放和間接排放兩種不同的管控要求、場地初期雨水控制要求。

2.3.2.2 廢水地下回注

針對地下回注無系統(tǒng)性環(huán)境管理要求，過程控制的系統(tǒng)性、風險防范的充分性不明確等問題，建議完善廢水地下回注全過程環(huán)境監(jiān)管體系，制訂專門的注入水污染控制標準，制訂回注井建設(shè)與運行規(guī)范，從注入層的選擇、回注井建設(shè)要求（套管、水泥固井等）、運行監(jiān)控要求（注入壓力、流量等）、構(gòu)造完整性測試等方面進行系統(tǒng)性規(guī)定，制訂回注區(qū)域周邊地下水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，對周邊地下水環(huán)境進行長期跟蹤監(jiān)測。

2.3.2.3 壓裂作業(yè)風險管控（地下水保護）

針對水力壓裂作業(yè)的環(huán)境風險問題，建議建立水力壓裂作業(yè)環(huán)境風險管控體系，從壓裂液配方、地層封閉（套管與固井）、構(gòu)造完整性測試（地層泄漏測試）、運行控制（井控）、跟蹤監(jiān)測與后評價等方面進行系統(tǒng)規(guī)定；制訂套管與固井技術(shù)要求、構(gòu)造完整性測試技術(shù)規(guī)范、注入井運行監(jiān)控技術(shù)要求、壓裂液配方披露指南、水力壓裂跟蹤監(jiān)測與后評價技術(shù)規(guī)范等。

2.3.2.4 廢氣排放

《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297）等通用性標準在頁巖氣開發(fā)行業(yè)針對性不強，《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB 39728—2020）不適用于頁巖氣開采活動，建議制訂頁巖氣開采大氣污染物排放標準，明確有組織和無組織排放控制、溫室氣體排放等技術(shù)要求，回收放空的天然氣，形成嚴密、有效的監(jiān)控體系。

2.3.2.5 廢物儲存與現(xiàn)場管理

中國對頁巖氣開發(fā)活動中廢水、廢液、固體廢物的儲存與現(xiàn)場管理十分薄弱。建議針對頁巖氣開發(fā)中不同廢物的不同屬性和產(chǎn)生量，如泥漿池、采出水儲池/儲罐、放噴池等，制訂差異化的現(xiàn)場儲存與管理技術(shù)規(guī)范；從儲存形式選擇（儲池、儲坑、儲罐等）、選址（防護距離）、建造要求（堤壩、防護網(wǎng)、防滲材料等）、運行控制要求、關(guān)閉與現(xiàn)場恢復要求，以及防滲及滲漏檢測、二次圍堰、防止溢流等風險防范措施等方面提出具體技術(shù)要求與管理要求，實現(xiàn)精細化管控。

2.3.2.6 固廢利用與處置

針對固廢廢物（很多屬于危險廢物）利用與處置途徑受限，與巨大體量的固廢產(chǎn)生量之間矛盾突出，以及含油巖屑處理殘渣仍然需要通過鑒別界定屬性等問題，建議借鑒美國、加拿大的多樣化利用與處置途徑（如農(nóng)業(yè)應用、土地處理、建筑與市政應用等），拓展固廢利用渠道，制訂含油巖屑、廢棄鉆井泥漿、含油污泥等固體廢物多途徑資源化利用的污染控制標準、技術(shù)規(guī)范和指南。

2.3.2.7 場地修復與恢復

針對封井廢棄后，場地清理與復原、植被與生態(tài)恢復、現(xiàn)場評估與管理等環(huán)境管理要求缺失的問題，建議制訂退役井場現(xiàn)場評估與管理技術(shù)指南、封井技術(shù)要求、場地清理與復原技術(shù)規(guī)范、生態(tài)恢復與復墾技術(shù)指南、場地恢復效果評估與確認技術(shù)規(guī)范等，形成全鏈條系列標準和規(guī)范。

2.3.2.8 生態(tài)紅線與敏感目標保護

針對項目規(guī)劃、選址階段敏感目標保護要求不明確，保護尺度不統(tǒng)一的問題，建議從水力壓裂滲漏風險、事故溢流風險控制、噪聲擾民等角度，提出距離水井、飲用水源、自然水體、居住區(qū)、公共場所等的防護距離，制訂鉆井與生產(chǎn)設(shè)施防護距離標準，或納入相關(guān)環(huán)境管理政策文件中。

3 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)天然氣開發(fā)相比，頁巖氣開發(fā)的最大特點在于水平鉆井和水力壓裂技術(shù)的應用。頁巖氣開發(fā)過程中，需要防范壓裂作業(yè)、地下水及地表水環(huán)境壓力、鉆井固體廢物處置（尤其是含油巖屑處置）、壓裂返排液處理、甲烷的無組織排放及泄漏、水資源消耗等多方面的環(huán)境影響和風險。

2）美國、加拿大的頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理系統(tǒng)完善，污染物排放標準遵循“技術(shù)強制”原則，實施全過程精細化管控，具體包括廢水禁止外排、地下回注控制、水力壓裂作業(yè)風險控制、壓裂液信息公開、綠色完井技術(shù)、差異化管理現(xiàn)場廢物、多樣化利用與處置含油巖屑等等，行業(yè)針對性強，措施具體、操作性強。

3）與美國、加拿大成熟系統(tǒng)的精細化環(huán)境管理相比，中國僅明確了頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護的管理思路、原則性、通用性要求，缺乏專項適用的環(huán)保標準規(guī)范，尚未建立系統(tǒng)完整的頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管體系，現(xiàn)有的相關(guān)環(huán)保標準規(guī)范在水力壓裂環(huán)境風險管控、含油巖屑處置、高鹽廢水外排或地下回注、溫室氣體控制等方面的適用性不足，行業(yè)針對性不強，無法滿足中國當前頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)的環(huán)境管理需要。

4）針對中國頁巖氣開發(fā)環(huán)境管理，建議制訂頁巖氣開采污染物排放標準，明確溶解性總固體（TDS）與氯化物等特征污染物、場地初期雨水、溫室氣體等管控要求；建立并完善廢水地下回注環(huán)境監(jiān)管體系、水力壓裂作業(yè)環(huán)境風險管控體系，制訂壓裂液配方披露指南，加強全過程環(huán)境管控；根據(jù)廢物的不同屬性和產(chǎn)生量，制訂差異化的固體廢物現(xiàn)場儲存與管理技術(shù)規(guī)范，制訂含油巖屑等固體廢物多途徑資源化利用的污染控制標準和技術(shù)規(guī)范；制訂鉆井與生產(chǎn)設(shè)施防護距離標準、封井技術(shù)要求、場地恢復效果評估與確認技術(shù)規(guī)范等，形成生態(tài)環(huán)境保護全鏈條系列標準和規(guī)范。