页岩气开发环境问题研究

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【摘要】 随着页岩气勘探的逐步推进，页岩气开发的诸多环境问题凸显，引发了国际众多领域学者的质疑和讨论，有的国家甚至因环保压力减缓了页岩气的开发进程。我国的页岩气勘探开发正处于起步阶段，应谨慎面对页岩气勘探开发中的环保问题。唯有对其进行科学的分析和评估，探寻出适应我国国情的应对策略，才能推进该资源的有序、健康和快速发展。

【关键词】 页岩气 开发 环境问题 研究

页岩气在全球范围内大量开采的同时，环境问题也日益凸显，有的甚至影响到了政府开采的决心。事实上，已有页岩气商业开采的美国、加拿大都存在对页岩气开采过程中环境影响的争议，部分州、地区也因环境问题中止了部分页岩气开发项目。除波兰外，欧洲的大部分地区尚未进行页岩气系统勘探，欧洲对页岩气开发还存在不小的疑问。2011年法国成为第一个对页岩气开采说“不”的国家，英国也对页岩气开发持谨慎态度，至今已有许多国际环保组织开展了类似“反对页岩气开采”的活动。

我国业界在该领域的研究尚属起步阶段，针对其中的关键问题，应客观分析现状，充分利用已有研究成果和国外先进经验，以积极的态度应对新型能源时代所带来的环境问题。

一、页岩气开发过程中的主要环境问题

2011年4月，美国康奈尔大学的研究小组公布了一份关于页岩气的研究报告，该报告严厉指出了页岩气开发所带来的包括温室气体排放和破坏水资源等在内的一系列环境问题。不久BBC也制作了一期节目，斥责页岩气的清洁程度甚至不如煤炭。同年7月，美国著名杂志《今日物理》刊载David Krame的题为“页岩气开采面临越来越大的公众反对压力和法规监管挑战”的文章，认为页岩气开采过程的环境问题延误了其在美国东北地区的发展。

页岩气开发过程中面临的主要环境问题有以下几种：一是水力压裂过程中使用压裂液的潜在风险；二是压裂之后的废水处理问题；三是压裂造成的地下水污染问题；四是淡水资源的大量消耗问题；五是温室气体排放问题；六是开采过程中伴生的其他环境问题。

1、水力压裂过程中使用压裂液的潜在风险

水力压裂技术是目前唯一可以开启页岩气矿藏的金钥匙，高压液体注入井下并使岩层裂开，液体中的支撑剂可以保持住裂缝，使其成为油气导向井筒的高速渗透通道。页岩气水力压裂技术主要使用砂子和水，行业最初拒绝透露用于水力压裂的压裂液成份，称其为“商业秘密”。近年来，在监管机构的压力下，压裂液的成份也逐渐明晰。通常情况下，压裂液的成份为：94.62%的水，5.24%的砂子，0.05%的降阻剂，0.05%的抗菌剂，0.03%的盐酸以及0.01%的防垢剂，其中的化学添加剂达250余种，包括苯、甲苯、二甲苯等这些已知的人类致癌物，并且是被美国政府法律管制的污染物。美国14家油气公司过去5年使用了约295万立方米压裂液，其中包括750种化学产品和有毒物质。也有研究报告称，这些化学成分被广泛应用于各种领域，甚至很多日常产品中也有应用，在高稀释的情况下，是不大可能对人类健康造成风险的。但无论怎样解释，压裂液中的确含有多种致癌有害物质，且使用量巨大，潜在风险极高。

2、压裂之后的废水处理问题

压裂过程中，使用的压裂液完成操作后会有注入量的15%～

80%回流到地表，这些巨量废水的处理问题也非常严峻。废水中的化学物质部分来自于压裂液中的苯等，部分来自于压裂过程中深层岩石渗透出的放射性物质，如铀、盐和苯，有时还有少量的镭，其有毒盐水浓度是海水浓度的6倍。

水力压裂给水处理带来了巨大挑战：页岩气井中回收的废水含有碳氢化合物、重金属、污垢以及化学盐分，普遍认为是最难处理的一类工业污水。美国目前的废水处理办法主要有三种：注回地下、处理后排放到地表水系、循环再利用。注回地下有严格的条件限制，取决于废弃矿井的位置、评估地下水污染风险等；排放到地表要做无害化处理，对水处理公司要求很高，非专业技术不能达到；若投以循环再利用，则是最为经济和安全的办法，无论从成本还是环保考虑，水资源的循环利用都是油气工业发展的未来趋势。但是专业水处理公司的存在和发展都将直接制约该产业的健康运转和环境的良性走向。有人计算严格的废水处理将导致单一的页岩气井成本增加7%，但对较大型的页岩气开发，成本将会低很多。

3、压裂造成的地下水污染问题

至于地下水的渗透问题，一般来说，饮用水含水层通常在地表以下的百米左右，而页岩气储层则在数百米甚至千米以下。即使在垂直裂隙发育地区，含水层深度与页岩气储层仍有一定距离。通过水层的井管是用混凝土和钢材料包裹，气体泄露基本上是不可能的，但是若有失败，也会及时用水泥密封。美国的页岩气业界声称，“地下水污染更频繁的发生在与页岩气无关的产业，在页岩气被严格监管的情况下，没有地下水的污染或破坏被归因于页岩气的水力压裂行为”（Joseph J. Lee，宾夕法尼亚州环保部）。

能源界认为出现污染案例并非压裂技术的问题，而是由于井身缺陷、管理不当等原因造成的，可以通过加强管理避免。但是可以证实的是，2011年5月，美国杜克大学的研究人员表示，在宾夕法尼亚州使用水力压裂法开采页岩气的地区，地下水中甲烷含量比未钻探区域高出17倍。可能是由于钻探设备缺陷导致的，而研究并未发现注入页岩层的化学物质会向上流动影响浅层地下水。这些物质是否会在地下发生移动，从而污染地下水，目前还需要更多研究证实。虽然这个问题缺乏研究和有效证据，但风险尚不能排除，而一旦证实或发生了危害，后果将非常严重。

4、淡水资源的大量消耗问题

在美国，采用水力压裂法的页岩气开采是耗水量最多的行业之一，水平井压裂的用水量是直井压裂用水量的5倍左右。页岩气离开水平井，大型压裂就没有产量，即便如此，单井日产量大多低于1万立方米，因此要上产量，就要多打井。大型压裂每口井平均用水2—4万立方米，美国有5万多口页岩气井，用水量可想而知。这完全可能影响当地生活、城市以及工业用水，对于缺水和干旱地区，这一巨大负担更难以承受。

如此巨大的耗水量，加上压裂中添加的化学剂对地下水和地表水可能造成的污染，导致美国、加拿大等地区开始叫停页岩气开发项目。实际上，人类对能源和淡水的争夺越来越激烈，据美国能源信息署统计，2008—2035年世界能源需求将上涨53%，许多国家抽取地下水的速度快于水源自我补给速度。中国资源人均占有量低，加上长期以来的粗放型经济发展，环境的承载能力更加脆弱，对待这种开发方式还是要慎之又慎。

5、温室气体排放问题

页岩气“十二五”规划认定：页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，用途广泛。

美国康奈大学的研究学者认为，高强度水力压裂开采的页岩气温室气体排放非常严重，数据指出至少有页岩气产量的3.6%～7%的甲烷被泄露到大气中，比天然气高出30%～100%。甲烷泄露发生于两个时间段，一是水力压裂过程中甲烷随压裂回流液泄露，二是压裂后采气过程。报告认为甲烷的温室气体作用远高于二氧化碳，尤其是在排放后的最初几十年中更为突出。同时也有研究认为企业可以采取甲烷回收技术，以降低对气候环境的影响，但是几乎没有企业愿意这么做，不仅仅由于成本的额外消费，更是由于企业违法的成本太低。

全球变暖政策基金会（GWPF）的研究报告认为页岩气和煤炭燃烧产生相同能量的情况下，其排放出的温室气体比煤炭低50%以上。我国相关研究机构认为：开发利用页岩气有利于减少二氧化碳排放，保护生态环境。按页岩气的年产量65亿立方米计算，与煤炭相比，如果用于发电，可减少二氧化碳年排放约1400万吨、二氧化硫排放约11.5万吨、氮氧化合物排放约4.3万吨和烟尘排放约5.8万吨。

6、开采过程中伴生的其他环境问题

采用水力压裂技术从页岩中获得碳氢化合物，作业者需要灌注大量的沙子以及其他物质到地底下，根据美国环境学家和受到影响的当地居民称，开采沙子对当地的空气、水的质量产生了很大的影响。一直以来有人担心，在采用水力压裂法开采页岩气的过程中，小规模地注入液体可能会导致地震。另外，作业过程中还会产生占地、运输压力、噪声污染、生物多样化破坏、动物栖息地丧失等问题。

上述问题，在美国开采页岩气以来的几十年里均有出现，并且很多问题出现的频率很高，不得不引起有关部门的重视。目前美国非常重视页岩气开发过程中的环保问题，并制定了相关法律条文进行约束，加强了监管力度。

二、目前国际研究成果

作为页岩气开发的先行者，美国自20世纪70年代开始，相关机构就投入了大量资金用于页岩气研究，经过几十年的努力，在地质理论研究和技术开发上不断深入，页岩气探明储量和产量迅速增加，大大提高了本国能源自给率，降低了能源对外依存度。美国在页岩气领域取得的巨大成功，得益于市场、技术、财税、政策和法律等方面的合力。然而，上世纪90年代以来，页岩气的环保问题开始随着其规模开发不断显现，政府开始不断遭到环保问题的质疑和投诉。2010年，奥巴马政府委托美国环保署（EPA）对水力压裂是否造成地下水污染进行调查，2012年4月EPA一项新法规，对页岩气开采中因使用水力压裂技术所造成的空气污染加以控制，这是美国控制页岩气开采造成环境污染的首个法规。该法规要求，到2015年1月所有采用水力压裂法进行页岩气开采的气井都必须安装相关设备，以减少可挥发性有机化合物及其他有害空气污染物的排放，如苯和正乙烷等。一批国际领先的专业技术服务公司，如哈里伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯等也围绕页岩气的开采，在政府的资助下，进行了大量环境评估、治理与改善的研发工作，取得了显著成效。“欧洲页岩气研究计划”（GASH）于2009年在德国启动，拟通过6年时间推动完成。其工作目标是通过收集欧洲各个地区的页岩样品、测井试井和地震资源数据，建立欧洲的页岩数据库，与美国的含气页岩进行对比研究，在此基础上寻找和发现页岩气以满足当地和区域的需求。

1、高效、配套技术的应用可减少对环境的破坏

在健康和安全环节，技术上采用有害气体探测仪，如二氧化硫感应器、甲烷红外气体分析器等，并制定紧急情况反应预案，对作业者进行日常培训。在环境评估方面，要对选址和生物多样性等方面进行评估，包括意见调查和公众会议。在压裂液的使用环节，Ecosphere公司使用臭氧为主的系统，以臭氧破坏细胞壁，从而杀灭细菌，用以代替化学杀菌剂。这一处理技术一方面降低了企业淡水的消费成本，另一方面也降低了废水循环利用的处理成本。另有许多研发公司已实验利用高强度的超声波、过滤器或其他环保化学用品代替杀菌剂。在废水处理环节，针对不同作业区要求不同的废水处理方案：美国Aqua Most公司使用催化紫外线对废水进行氧化处理，不但能达到大部分处理要求，还能脱掉金属；Water Tectonics 水处理公司采用高能电凝技术，能脱去废水中的重金属、生物质和碳氢化合物，但在地层中含盐量高的地区将不能使用该技术；西门子公司采用浮选/过滤技术，能在原地进行水处理并回收使用，不仅能缓解淡水资源短缺问题，还能大大降低开发成本；Origin Oil利用藻类收获过程仅在第一阶段就可以在废水试样中去除98%的烃类。在空气质量的保证方面，使用双燃料（柴油和天然气）技术设备，从而减少温室效应排放，钻井平台使用催化剂技术，从而大量减少排放；采用管道运输而不是陆路运输，从而减少空气污染和交通压力；噪音问题可以采用隔音板等装置，并与当地自然环保组织合作，以保证生物栖息地安全。另外，我国权威专家也肯定了关于利用超临界CO2开发非常规油气藏的有效性，这为非常规油气开发，特别是页岩气的开发提供了新的思路。其环保优势在于，利用超临界CO2作为介质，从某种程度上可替代大量的水资源，适于我国国情。另外也可有效利用CO2，降低温室气体排放量。

2、成熟、完备的法律体系可保证其环境友好性

美国通过几十年的研究与实践，建立了一整套环保法律体系，防止页岩气开采对环境造成的破坏：职业安全与健康管理局负责制定与生产安全和职业健康相关的各种法规，并对弃井操作有严格要求；国家的环境法案要求对环境影响进行评估，部分州政府要求进行现场检查；国家要求对环境有危害的排放物进行征税，各州制定安全排放标准，并禁止某些危害大的排放物；要求报告从发动机、气体处理设备到其他与钻井和生产相关的排放量；限制白天和夜晚的噪音水平；保护濒危野生动物，不能破坏濒危动物栖息地环境等。

目前，美国已制定《美国联邦环境法》、《美国清洁水法案》、《饮用水安全法》、《资源保护和恢复法》、《清洁空气法》等法律，并就页岩气相关的环境问题作出了许可和规定。

美国国家污染物排放消减制度（NPDES）已成为美国控制水资源清洁的一项重要措施，其四项基本原则之一就是不管受纳水体状况如何，废水在排放之前必须采取经济可行的最佳处理技术；美国净化空气任务组织（CATF）提出非常规天然气开发气体排放、地表水和地下水的黄金准则，以控制温室气体排放和淡水污染；美国地质调查局（USGS）就此提出了着重注意的三个水资源问题，并强调页岩气能否成功开发的关键因素是，在不干扰当地工农业正常用水的前提下，当地水资源的供水能力是否能够满足页岩气井的钻探与水力压裂用水。

在页岩气的发展初期，美国并未对页岩气采取特殊的环境监管，随着页岩气开采规模的扩大及其对环境影响问题的争论升级，美国对页岩气的环境监管趋严，通过修改法律关闭了“哈里伯顿漏洞”，授予环境保护局对页岩气开采的监督权限，并颁布“FRAC”法案，要求披露水力压裂中使用的化学制剂情况，以便充分评估其对地下水的影响。

3、通过制定国家级研究规划，保证页岩气的健康开发

我国通过制定页岩气发展的“十二五“规划，明确了页岩气健康开发之路，并制定了开发环境保护措施。页岩气开采工艺与常规气大部分相同，可能产生的环境和生态破坏与常规气基本相同。在页岩气开发各个环节采取有针对性的措施，可有效减少或杜绝可能产生的各种环境问题。一是工厂化作业减少地表植被破坏。页岩气开发多采用丛式水平井群，一个井场可以向不同方向钻多口水平井，大大减少了井场数量，较好地解决了占地多和地表植被破坏多的问题。二是压裂液循环利用减少用水量。页岩气压裂用水量比生产同等能量的煤和燃料乙醇的用水量要少得多，且出于成本考虑，页岩气压裂液须多口井循环重复利用，客观上节约大量用水。三是严格钻完井规程，杜绝污染地下水。页岩气井钻井液为天然气人工合成的油基泥浆，短时间内可自然降解；页岩气层比地下饮用水层深很多，且中间夹有多层不可渗透岩层，压裂液污染地下水的可能性很小。如严格执行钻完井操作规程，保证套管和固井质量，可彻底杜绝水层污染。目前，全球尚未发生开采页岩气导致重大地下水污染的事件。四是加强环保监测实现压裂液无污染排放。压裂开采石油天然气已有60年历史，压裂液成份和排放标准均有严格法规要求。通过加强日常生产中的环保监测检查，可保证压裂液无害排放，防止土壤和地表水污染。

三、机遇与挑战

1、我国页岩气资源潜力巨大

2011年12月30日，页岩气被国务院批准为我国第172种矿产，国土资源部也将按独立矿种制定投资政策，进行页岩气资源管理。页岩气作为一种新型能源，需要全新的勘查开采技术手段和管理方式，它的快速发展高度依赖于技术进步。2012年，我国将大力加强页岩气资源评价和开发技术攻关，尤其是加大页岩气调查评价力度，缓解我国油气资源短缺现状，形成油气勘探开发新格局。2011年，美国页岩气产量达1800亿立方米，据国土资源部2012年3月1日新闻会资料，我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，对以外所有陆域盆地开展的评价结果显示，可采资源潜力为25.08万亿立方米。我国页岩气资源量与美国旗鼓相当，预计2020年产量将超过1000亿立方米，达到目前常规天然气生产水平；2030年产量有望与常规天然气相当，与美国接近。

2、积极开展页岩气国际交流与合作

2010年11月，中美政府签订合作开发中国页岩气的备忘录，中国公司开始投资北美页岩气项目，并引进壳牌等外国公司开发中国国内页岩，我国政府希望通过国内页岩气的开采使中国能源结构发生巨大变化，并将促进中国能源安全、降低环境污染、减缓温室气体排放增长。

继续跟踪国外页岩气勘探开发技术进展，关注环保技术的利用更新，在页岩气资源调查和勘探开发初期，可以考虑与国际公司合作，引进勘探开发的关键技术，降低勘探成本，减少环境隐患。在学习借鉴的基础上，开展页岩气勘探开发核心技术、工艺的研发和联合攻关，关注世界页岩气发展动向，以平等合作、互利共赢的原则，积极参与页岩气国际合作组织，促进双边、多边合作。

3、制定资源开发利用的系列环保规范和评估体系

我国尚处于页岩气发展初期阶段，具有很好的实施环境和社会协调发展的基础，因此在发展伊始就要把甲烷、有毒物以及水污染问题纳入管理体系，注重并加强页岩气勘查开发的环境保护相关制度的制定：跟踪研究页岩气勘查开发对地质环境、生态环境的影响，建立环境影响评估制度、压裂混合液化学成分报告和披露制度；加强页岩气勘查开发矿区的环境监测，对回流水处理实行严格的监督管理；对于示范基地建设，要率先建立起相应的环保制度，包括前期的环境影响评估、开发过程的环境检测、预防和紧急应对方案等。可以肯定的是，管理体系和监管水平决定页岩气资源的未来。

4、亟待开展页岩气勘探开发环境问题研究

页岩气具有广阔的发展前景，页岩气开发的利弊之争还在持续高涨，其环境风险不容忽视。我国页岩气的勘探开发刚刚起步，在勘探开发的同时要兼顾到环境保护问题，进行页岩气勘探开发的环境问题综合研究，通过加强基础建设、提高环保基准、加强监管等手段，减少资源开发对环境造成的影响，并加大治理和监管力度，建立符合我国实际的页岩气勘探开发规范，使页岩气最终能以一种真正意义上的清洁、高效能源推动现代化进程。目前，我国页岩气开发尚处于初级阶段，环境问题还未完全展现，但参照国际开发经验和教训，极有必要开展相关研究，做到未雨绸缪。要加大资源环保相关研究工作量的投入，逐步认清和掌握其发展规律和变化趋势，确保新能源开发的顺利进行。

（注：本文得到全国油气资源战略选区调查与评价国家专项（第二批）项目资助。）

【参考文献】

[1] The shale gas shock.The Global Warming Policy Foundation[M].U.S： Matt Ridley.2011.

[2] 夏玉强：Marcellus页岩气开采的水资源挑战与环境影响[J].科技导报，2010，28（18）.