頁巖氣開采的環境影響分析

陳 莉 任 玉

（1. 中國石油工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610017；2. 中國石油新疆博州銷售公司，新疆博樂 833400）

頁巖氣開采的環境影響分析

陳 莉1任 玉2

（1. 中國石油工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610017；2. 中國石油新疆博州銷售公司，新疆博樂 833400）

頁巖氣開發熱潮席卷全球，頁巖氣開采過程是否會導致嚴重環境污染引起眾多政府部門、專家學者和環保人士的爭議，尤其是水力壓裂法在頁巖氣開采中的應用。本文針對頁巖氣開采工藝技術，結合美國頁巖氣開采現狀分析頁巖氣開采可能造成的環境污染，主要有：（1）大量消耗水資源；（2）污染地下水層；（3）甲烷泄漏；（4）引發地震。此外，就我國而言，還面臨因地理環境限制和環境立法不足更易造成環境污染的可能。在頁巖氣勘探開發進程中，我們應重視頁巖氣開采的環境污染評估，爭取以技術進步和相關環境立法來克服環境隱患。

頁巖氣開采；水力壓裂法；環境污染

1 頁巖氣資源概況

美國能源信息署［EIA］2011年4月數據表明，當前全球（不包括俄羅斯及中東國家）頁巖氣可采資源量189萬億立方米。EIA估算中國頁巖氣儲量約100萬億立方米（中國常規天然氣資源量的2倍），其中可開采資源量36萬億立方米。頁巖氣勘探開發已在北美洲、亞洲、歐洲、南美洲、大洋洲等地區蓬勃興起。從現有資料看，我國頁巖氣除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地外，在廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也都有分布。

頁巖氣是以吸附或游離狀態存在于泥頁巖中的非常規天然氣，具有資源潛力大、開采壽命長和生產周期長的優點。頁巖氣藏有別于常規天然氣，在成藏機理和賦存特征方面有其獨特之處，只能在特定條件下才能被開采出來。水平井鉆井技術和水力壓裂法是用于頁巖氣開采的核心技術。水平井鉆井技術可以更好利用儲層中的天然裂縫，并且井筒穿越更多儲層，增加滲流面積，從而能夠提高頁巖氣采收率。水力壓裂技術是用高壓液體使巖層裂開，高壓液體中支撐劑保持住裂縫，使油氣能夠從裂縫中溢出。水平井水力多段壓裂技術的廣泛運用使原本低產或無氣流的頁巖氣井更具有工業價值。

美國已成功實現頁巖氣的商業規?；_采，逐年劇增的頁巖氣產量改變了美國天然氣供求關系，影響了美國的能源布局，甚至對世界能源格局產生重大影響。在美國頁巖氣開采獲得巨大成功的示范效應下，在美國能源信息署公布多國具有巨量資源基礎下，在迅速膨脹的能源消費需求作用下，以及持續進步的油氣勘探開發理論和技術帶動下，頁巖氣開發熱潮席卷全球。我國國土資源部發布2011年第30 號公告，國務院批準頁巖氣為新的獨立礦種，全面推進頁巖氣開發進程。然而，頁巖氣開發給美國帶來日益突出的環境問題也在世界范圍內引起爭議，這是正在或即將開發頁巖氣資源的國家都不能回避的問題。

2 頁巖氣開采對環境的影響

油氣開采過程中或多或少都會因為噪聲、廢水、廢氣及開采事故災害而對環境造成污染。眾多專家和環保人士針對頁巖氣的開采過程和工藝，提出頁巖氣開采更加嚴重污染環境。美國2011年最熱門的環境問題就是水力壓裂法開采頁巖氣，某些地區的頁巖氣井因環境問題已暫時關閉。法國和保加利亞政府發布禁令，禁止水力壓裂法在頁巖氣開采中的使用，相當于在目前技術條件下否定頁巖氣開采。但迄今為止，沒有權威政府部門給出頁巖氣開采污染環境的明確說法，以致有關爭論越演越烈。

2011年4月，康奈爾大學的羅伯特·哈沃斯研究小組在公布的一份關于頁巖氣的研究報告中痛批開發頁巖氣的數個弊端，包括會加劇氣候變化、破壞地下水資源等。5月4日，總部位于倫敦的全球變暖政策基金會（GWPF）發布報告的結論與哈沃斯完全相反，認為頁巖氣是一種“儲量豐富、廉價且對環境友善的能源”。美國公共土地運動立法代表本特利·約翰遜稱：“雖然在燃燒過程中，頁巖氣比一般化石能源排放的溫室氣體少，但是在開采和運輸過程都是能源密集型的，而且存在污染隱患。”而中國地質大學（北京）張金川教授認為頁巖氣開發利用帶來的負面環境影響是各種化石燃料能源中最小的一種。

根據現有資料和實例分析，頁巖氣開采可能存在四個環境問題：大量消耗水資源、污染地下水層、甲烷泄漏以及引發地震。

2.1 大量消耗水資源

開采頁巖氣所用水力壓裂法中的壓裂液主要由高壓水、砂和化學添加劑組成，水和砂含量99%以上。開發頁巖氣用水量極大，每口頁巖氣井需耗費四、五百萬加侖（1加侖約合3.78升）的水才能使頁巖斷裂。夏玉強博士研究過美國頁巖氣開發過程中的環境問題，他認為頁巖氣鉆探大量消耗地表水或地下水，很可能影響當地水生生物的生存、捕魚業、城市和工業用水等。頁巖氣開發行業正試圖減少氣井鉆探以及水力壓裂帶來的環境足跡，如在每次壓裂完成之后，30%-70%的水回流被獲取再次利用，但也不能否定水力壓裂法大量消耗了水資源。

2.2 污染地下水層

有關石油公司將水力壓裂使用的壓裂液中的化學添加劑看成商業機密，而不對公眾披露，而正是這些化學物質可能造成地下水層污染。

水力壓裂過程中，化學物質可能直接通過斷裂、裂縫系統自地下深處緩慢向上運移至地表或淺層，也可能頁巖氣采氣管道因質量問題或操作不當而破裂和空洞，化學物質也會泄漏到地下水層中，污染河流、湖泊、蓄水層等水資源。水力壓裂過程完成之后，大部分壓裂液回流到地面，其中不僅有壓裂液中那些化學物質，還有地殼中原本含有放射性物質和大量鹽類。這些有毒污水先儲存在現場，然后再轉移到污水處理廠或回收再利用，過程中可能滲入地下或隨雨季到來外溢，進而污染地下水。

天然氣開發公司堅持認為開采活動并未污染地下水，因為地下水資源有介于蓄水層和更深的頁巖天然氣儲量之間的巖石保護，開采過程不會使兩個地質層相互連接而使化學物質和地下水混合。如果某處地下水由于水力壓裂液體污染，多數可能是由于不合理的施工而不是水力壓裂本身。不管是技術本身問題還是操作失誤，美國多個頁巖氣開發地區的實際情況說明當地地下水確實因為頁巖氣開采而受到污染。美國環保局在事實面前也不得不表示：“根據已有證據，水力壓裂很有可能影響到地下水”。更可怕的是在可預見的未來，地下含水層污染是永久性的，不能被清理干凈。

2.3 甲烷泄漏

甲烷是一種比二氧化碳更強大的溫室氣體，甲烷逃逸到大氣中會加劇全球變暖，甲烷滲入地下蓄水層，會造成地下水污染。頁巖氣以甲烷為主要成分，頁巖氣井泄漏的甲烷比常規井要多。甲烷泄漏可能來自頁巖氣開發過程中的故意排氣，設備泄露，或者水力壓裂過程。

美國康奈爾大學的研究人員安東·因格雷夫及羅波爾·哈瓦斯在《氣候科學》的文章中表示：“頁巖氣生產過程中所產生的甲烷大部分都被排放到大氣中，而不是捕捉用做燃料?！泵绹h保局在報告中也承認，嚴重低估了頁巖氣開發中的甲烷排放。采氣管道需要穿過含水層才能到達更深的頁巖層，如果管壁因質量問題或者操作不當而破裂和空洞，氣井內壁的混凝土沒有鋪好或者老化而剝落，甲烷都有可能泄露到含水層中。水力壓裂過程打開的新裂縫連接天然存在的裂縫，可能提供甲烷向上滲入地下水層的通道，而且甲烷也可能溶解在廢水中因壓裂液回流而釋放到大氣中。

杜克大學環境科學教授Robert Jackson在賓夕法尼亞洲北部和紐約上洲的馬塞勒斯和尤蒂卡頁巖結構的蓄水層中，找到頁巖氣開采導致甲烷對飲用水污染的系統性證據，鉆探地點附近的甲烷污染程度是沒有鉆探地點水井水樣的17倍。

2.4 引發地震

在美國阿肯色州、賓夕法尼亞州、俄亥俄州、俄克拉何馬州等地區的頁巖氣開發中廣泛使用了水力壓裂技術，而這些地區出現一連串輕微地震，理論上表明水力壓裂和地震之間具有關聯性，但具體原因還未查明。專家表示，地震不一定是由水力壓裂過程引起，而可能是水力壓裂使用過的大量壓裂液的處理，當打入地下深井會導致地層應力不穩定而發生微震。當然，水力壓裂過程是否導致地震還存在爭議，需要更多證據。

3 我國頁巖氣開采面臨的環境問題

頁巖氣資源在中國受到如此重視的原因在于國內頁巖氣資源量大，能源消費增長快，減排壓力大，需要降低石油和煤炭資源依賴度。在頁巖氣開發的美好前景前，我國頁巖氣開采面臨的具體環境問題被忽視了。我們不僅面臨上述四種可能的環境問題，還有地理環境限制和環境立法不足等問題，這些都是頁巖氣開發中的環境隱患。

頁巖氣開發對當地自然條件有很強的依賴性。頁巖氣開采需要井數很多，鉆井和生產作業對地面影響較大。巴耐特頁巖氣田是目前世界上開發最成功的頁巖氣田，也是美國目前產量最大的頁巖氣田。國際能源署對其分析說明頁巖氣產量與鉆井數量和壓裂規模密切相關，頁巖氣藏需要的井數為常規氣藏的10倍，井距較小。美國頁巖分布地區地表條件優越、地勢平坦，地廣人稀，而我國優質頁巖分布地區多復雜地形，地勢高差大，人口分布密集，如蜀南、鄂西、貴州、重慶等地區，頁巖氣埋藏深度較美國更深，保存條件也不夠理想。所以，大規模鉆井會對人口密集地區產生干擾，增加當地對基礎設施的需求，也易誘發山體滑坡等地質災害。另一方面，頁巖氣開發能否成功的關鍵之一就是大量水資源，中國頁巖氣田的分布與缺水地區的分布重合比較多。在水量相對充裕的長江流域，只在四川和江漢盆地發現了頁巖氣，而在西北、華北地區，頁巖氣儲量豐富，水資源卻相當緊張。所以，在不干擾當地工農業正常用水的前提下，供水能力不一能保證滿足頁巖氣井的鉆探與水力壓裂用水。

與美國頁巖氣蓬勃發展相伴而來的是環境問題，美國已著手修改頁巖氣開采的環境法律和政策。中國目前實施的水資源和環境保護法律，以及正在制定的《石油天然氣開采業污染防治技術政策（征求意見稿）》等，都沒有考慮頁巖氣開采引起的環境問題。

4 頁巖氣開采的利益—環境博弈

頁巖氣開發是政府、公眾和油氣企業之間關于利益和環保的博弈。政府必須在能源發展和環保間找到平衡，有責保護國家資源和公眾健康，監管油氣企業頁巖氣開發過程，嚴格執行環境保護規范，抵御規定外操作，提高群眾參與度，尊重群眾意見，以追求社會效益而不僅是經濟效益為旨。公眾要理性看待頁巖氣開發，不能聽信環保人士“片面之言”對它全面否定，也不能被頁巖氣開發后帶來氣價降低的優點迷惑，公眾要提高自身的環境意識，監督油氣企業頁巖氣開發過程，維護自我財產生命安全。油氣企業是頁巖氣開發的主導力量，不能因擔心推高頁巖氣開發成本而忽視環保，吝于支付較高的環保費用和技術服務費，應嚴格遵守國家環保法律政策，有責如實對公眾披露頁巖氣開發過程中的環境問題，不能欺上瞞下。

5 結束語

頁巖氣的商業化開采可緩解油氣資源短缺，保障國家能源安全，滿足經濟發展需求，其腳步已無法阻擋。水力壓裂法是否污染地下水，頁巖氣開發是否引發地震即使美國環境署和地質調查局也沒有明確答案。但我們在大力推進頁巖氣資源開發進程，尋求高效經濟時，不能忽視頁巖氣開采可能帶來的巨大環境問題，治理速度趕不上污染速度，事后補救成本遠高于事前預防。我們需高度重視頁巖氣開采潛在環境污染評估，發展相應的環境保護技術和環境立法。當然，還要大力發展頁巖氣開采技術，特別是水力壓裂替代技術，依靠技術進步來從根本上避免環境污染。

總之，頁巖氣開采可能造成的環境污染主要有：（1）大量消耗水資源；（2）污染地下水層；（3）甲烷泄漏；（4）引發地震。就我國而言，同時還面臨因地理環境限制和環境立法不足更易造成環境污染的可能。因此，在頁巖氣勘探開發進程中，我國應高度關注和重視頁巖氣開采的環境影響評估，盡力以技術進步和相關環境立法來減緩其環境影響和防范環境污染隱患。為此建議：一是編制我國頁巖氣資源戰略調查和勘探開發中長期發展規劃。在認真分析世界頁巖氣勘探開發的態勢和我國現狀的基礎上，科學評價和分析我國頁巖氣資源潛力，開展頁巖氣探明儲量趨勢預測研究，編制頁巖氣資源戰略調查和勘探開發中長期發展規劃。二是高度重視潛在環境影響，建立加強頁巖氣開采環境影響評價管理。鑒于目前在科學上對頁巖氣開采的環境影響后果認知較少，在技術上預測和控制其潛在地質、生態、環境及安全影響缺乏手段，應嚴把環境影響評價關，加強對頁巖氣開發的環境影響評價管理。三是加強現在運行項目的環境監管，完善頁巖氣勘探開發項目的環境管理規定。目前我國在頁巖氣勘探開發項目選址、安全、監測等方面還缺乏相關法律法規，或現有法律法規缺乏相關規定，對頁巖氣勘探開發項目在審批、核準等方面缺乏針對性規定，對捕獲、運輸、封存等過程的環境影響與環境風險缺乏監管。四是加快制定頁巖氣技術標準和規范。同時，密切關注世界頁巖氣發展動向，建立和完善頁巖氣國際合作交流機制。

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［4］ 胡進科，李皋，陳文可等．國內外頁巖氣勘探開發綜述［J］．重慶科技學院學報（自然科學版）．2011, 13(2): 72–75.

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Analyzing the Environmental Implications of Shale Gas Exploitation

CHEN Li1REN Yu2
(1. CNPC Engineering Company Limited Southwest, Sichuan Chengdu 610017;2. PetroChina Xinjiang Bo state sales, Xinjiang Bole 833400)

Shale gas development booms in the global. Many government departments, experts and environmentalists argue whether the shale gas exploitation results in serious environmental pollution or not, especially the application of hydraulic fracturing method.This paper mainly discusses the environment pollution which resulted by shale gas exploitation possibly, considering the shale gas exploitation technology and status of U.S shale gas exploitation. These pollutions are large water consumption, underground water pollution, methane leak, cause earthquake. Our country may be more likely to cause environmental pollution because of the geographic restrictions and environmental legislation shortage. In shale gas development process, we should pay more attention to the environment pollution assessment of shale gas exploitation, and strive for the technological progress and environmental legislation to overcome environmental harm.

shale gas;hydraulic fracturing; environment pollution

X820.3

A

1673-288X（2012）03-0052-04

陳莉, 碩士, 助理工程師, 研究方向: 技術經濟評價