頁巖氣熱潮背后的環(huán)保思考

周美聞，秦勇軍，張純臻

（重慶市環(huán)境工程評估中心評估二部，重慶 400021）

頁巖氣是頁巖層中分布的天然氣，以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中，化學(xué)成分主要為甲烷，一般含量在85%以上，最高達(dá)到99.8%，另外還含有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微量的惰性氣體，如氦、氬等［1］。美國能源信息署（EIA）2011年4月的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前全球（不包括俄羅斯及中東）頁巖氣可采資源量為189萬億m3，多于常規(guī)天然氣可采儲量。美國是唯一對頁巖氣進(jìn)行工業(yè)化、規(guī)模化開采的國家，近年來，得益于技術(shù)進(jìn)步、市場需求及政策支持，美國頁巖氣產(chǎn)量出現(xiàn)了爆發(fā)式增長。美國的“頁巖氣革命”正幫助美國逐漸邁向能源獨(dú)立，也無疑給全球頁巖氣工業(yè)注入了一針強(qiáng)心劑，世界各國紛紛給予高度關(guān)注并積極采取應(yīng)對措施。我國從2003年就開始了對頁巖氣的勘探工作，于2009年10月在重慶市綦江縣啟動了中國首個頁巖氣資源勘查項(xiàng)目，這標(biāo)志著繼美國和加拿大之后，中國正式開始對頁巖氣這一新型能源資源進(jìn)行勘探與開發(fā)［2］。

1 頁巖氣鉆探工藝

頁巖氣賦存于巖層的縫隙和夾層中，儲量雖大但較分散，且孔隙度和滲透率較低，常規(guī)鉆井工藝通常無法獲得工業(yè)氣流，且開采成本較高。頁巖氣開采通常采用“常規(guī)垂直鉆井＋水平鉆井＋水力壓裂”工藝，其中水平鉆井和水力壓裂是頁巖氣開發(fā)過程中不可缺少的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是唯一可以開啟頁巖氣礦藏的金鑰匙。水平鉆井技術(shù)是通過垂直鉆井至目標(biāo)油氣層，然后在油氣層中水平鉆探，這樣可使油氣井更充分地延伸至油氣層，增大油氣的匯入面積，從而提高頁巖氣的產(chǎn)量。水力壓裂技術(shù)是指借助高壓將大量水、化學(xué)物質(zhì)、沙粒的混合物通過鉆孔打入地下，當(dāng)高壓液體注入鉆井并使巖層裂開后，高壓液體中的支撐劑可保持住裂縫，使其成為油氣導(dǎo)向鉆井的高速滲透通道，將其中的油氣從巖層中釋放出來，從而提高頁巖氣的產(chǎn)量。如圖1所示。

圖1 水平鉆井與水利壓裂示意圖

2 頁巖氣開采的環(huán)境影響

相對于常規(guī)天然氣開采，頁巖氣在勘探與開發(fā)過程中鉆井期較長（長達(dá)幾年甚至幾十年），耗水量更大（水力壓裂），對大氣環(huán)境、聲環(huán)境、地表水環(huán)境、地下水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境的不利影響都非常突出。正是由于對其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂，世界上各方面對頁巖氣開發(fā)爭議較大，法國、保加利亞等國家甚至立法禁止頁巖氣開發(fā)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有資料，本文重點(diǎn)從水資源利用及水污染、大氣環(huán)境影響、生態(tài)環(huán)境影響等方面探討對環(huán)境的影響及環(huán)保措施。

2.1 水資源利用及水污染

頁巖氣開采意味著大量的水資源消耗，水力壓裂技術(shù)需要將大量的水作為壓裂液注入到巖層中。根據(jù)對美國多口頁巖氣井的統(tǒng)計(jì)，平均每口井年耗水量為7 500～15 000m3，其中70%為壓裂液用水。我國的頁巖氣儲量與美國相當(dāng)，但地形更復(fù)雜，埋藏更深，且鉆探工藝、壓裂技術(shù)以及清潔生產(chǎn)水平都遠(yuǎn)不及美國，單井耗水量更多，若我國大力發(fā)展頁巖氣（以10萬口井計(jì)），年耗水量約15億m3，相當(dāng)于2個長壽湖容量，而這些壓裂水注入地下后，大部分都分散于地層中，對地下水有著難以預(yù)測的影響。中國是個缺水國家，“頁巖氣十二五發(fā)展規(guī)劃”中指定的13個重點(diǎn)省、直轄市中有7個屬于水資源短缺地區(qū)。廈門大學(xué)中國能源經(jīng)濟(jì)研究中心主任林伯強(qiáng)就頁巖氣的發(fā)展指出，中國目前頁巖氣開發(fā)的最大風(fēng)險(xiǎn)來自于資源的體系配套，具體來講，就是我們目前仍未找到消除或減輕頁巖氣開發(fā)對水資源影響的對策。

注入地下的壓裂液中有部分返排水，壓裂液返排水的成分非常復(fù)雜，含有大量TDC、TSS、COD、鈣鹽、鈉鹽、氯化物等，若未及時(shí)處理或造成泄漏，對地表水的影響不可低估。在世界上最大的非常規(guī)天然氣田——美國馬塞勒斯頁巖氣田，大量返排水被倒入特拉華河流域，而該流域是賓夕法尼亞等州的飲用水來源。在頁巖氣成藏條件較好的區(qū)域內(nèi)，井口數(shù)量相對于常規(guī)天然氣開采更密集，注入地下并留在地層中的壓裂液極有可能與各含水層發(fā)生廣泛、長期的水力聯(lián)系，進(jìn)一步導(dǎo)致飲用水源的污染。

2.2 大氣環(huán)境影響

天然氣通常被公認(rèn)為是一種清潔能源，頁巖氣中H2S含量比常規(guī)天然氣更少，燃燒后產(chǎn)生水和二氧化碳，對大氣環(huán)境影響較小，但頁巖氣開采過程中的泄漏才是污染環(huán)境空氣的關(guān)鍵。由于頁巖氣鉆井期較長，耗時(shí)較長的水平鉆井、水力壓裂等過程導(dǎo)致頁巖氣開采中甲烷泄漏量高于常規(guī)天然氣開采，約占開采量的4%，泄漏的甲烷可能加劇溫室效應(yīng)。最新研究表明，在考慮了甲烷與氣溶膠相互作用的情況下，以20年為周期，同等質(zhì)量甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的105倍。美國康奈爾大學(xué)研究人員甚至認(rèn)為頁巖氣生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的甲烷大部分都排放到大氣中，而不是被捕捉為燃料。若不采取有效措施，頁巖氣使用過程中減少碳排放帶來的環(huán)境效益可能被其開發(fā)過程中甲烷泄漏帶來的環(huán)境破壞所抵消，這也給頁巖氣工業(yè)蒙上了一層陰影。

2.3 生態(tài)環(huán)境影響

頁巖氣儲量雖大但分布較廣，這就需要增加打井?dāng)?shù)量。同時(shí)由于施工工藝不同，頁巖氣井場需布置壓裂液儲存池、壓裂設(shè)備、壓裂液罐車等，占用土地比常規(guī)天然氣井場更大；另一方面，頁巖氣田開采周期較長，對生態(tài)環(huán)境的擾動和影響時(shí)間較長。頁巖氣開采過程需要用水作為壓裂液，消耗大量地表水和地下水，對局部地區(qū)生態(tài)用水有一定影響，同時(shí)壓裂液反排水若處理不好，污染水環(huán)境，也會對水生生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響。

3 重慶頁巖氣勘探與開發(fā)現(xiàn)狀及問題

重慶市頁巖氣資源較富集，頁巖氣地質(zhì)資源量約12.75萬億立方米，占全國的10% 左右；預(yù)計(jì)可采資源量達(dá)2.05萬億 m3，位列全國第3位［3］。2010年，國土資源部確定黔北、川南、渝東南、渝東北等6個國家頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)。重慶梁平、綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽和秀山等區(qū)縣是頁巖氣資源最有利的成礦區(qū)帶，被確定為國家首批實(shí)地勘查工作目標(biāo)區(qū)。2012年8月，重慶市政府召開全市頁巖氣發(fā)展專題工作會議，提出要努力把重慶建成全國頁巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場。重慶屬于早古生代海相沉積盆地并經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動，具備富集頁巖氣的有利地質(zhì)構(gòu)造，與美國東部地區(qū)具有較多的地質(zhì)可比性。綦江、長壽、墊江一帶的筇竹寺組頁巖條件優(yōu)越，達(dá)到了頁巖氣富集的總有機(jī)碳含量、成熟度、有效厚度等指標(biāo)；彭水、黔江一帶的五峰組－龍馬溪組頁巖條件良好，同樣達(dá)到了頁巖氣富集標(biāo)準(zhǔn)。重慶綦江是我國第1批重點(diǎn)進(jìn)行頁巖氣勘探與開發(fā)的地區(qū)，彭水是國內(nèi)第1口頁巖氣井建設(shè)地，目前，重慶綦江、長壽、墊江、奉節(jié)、彭水、潼南等區(qū)縣已開始了頁巖氣井的鉆探，部分已獲得工業(yè)氣流。重慶與美國等大型頁巖氣開發(fā)公司進(jìn)行了廣泛、深入的合作，2012年9月11日，重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院與斯倫貝謝油田（新加坡）公司合資開發(fā)重慶頁巖氣資源，標(biāo)志著重慶頁巖氣全面發(fā)展戰(zhàn)略又邁出重要一步。但重慶基礎(chǔ)較薄弱，在頁巖氣勘探與開發(fā)過程中存在以下環(huán)保問題：（1）勘探效率不高，部分頁巖氣井無法獲得穩(wěn)定工業(yè)氣流，導(dǎo)致閑置或廢棄，也浪費(fèi)了環(huán)境成本；（2）鉆井期壓裂返排水得不到有效處理，目前大部分壓裂返排水經(jīng)處理后回注于深層地下，存在地下水污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；（3）施工期環(huán)境監(jiān)理缺失，環(huán)保投訴較多。

4 建議與措施

目前，頁巖氣的勘探與開發(fā)是我國規(guī)劃的能源戰(zhàn)略，勢在必行，但若不加強(qiáng)環(huán)保方面的研究和管理，無序開采，最終將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，得不償失。參考美國頁巖氣開發(fā)過程中出現(xiàn)的各種環(huán)境問題和公眾憂慮，一方面應(yīng)從國家層面建立并不斷完善相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)政策、法律法規(guī)和管理要求，明確政府監(jiān)管責(zé)任和企業(yè)環(huán)保責(zé)任；另一方面針對頁巖氣開發(fā)過程中污染物的產(chǎn)生環(huán)節(jié)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題等開展深入的研究和探索，積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并積極開展與美國等頁巖氣工業(yè)強(qiáng)國的合作，學(xué)習(xí)并利用先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

4.1 完善相關(guān)政策、法律法規(guī)和管理要求

4.1.1 完善頁巖氣勘探開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評估制度

優(yōu)先制定頁巖氣勘探與開發(fā)的產(chǎn)業(yè)政策及環(huán)保政策，將頁巖氣資源的勘探評估與區(qū)域水資源規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)規(guī)劃等結(jié)合在一起，綜合評估開采的可行性。通過政府以立法的形式杜絕頁巖氣勘探與開發(fā)過程中對環(huán)境的污染。積極推進(jìn)頁巖氣規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)、評估工作，充分論證其環(huán)境可行性，為決策提供可靠依據(jù)。

4.1.2 加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)理力度

根據(jù)頁巖氣勘探與開發(fā)工藝流程，明確頁巖氣開發(fā)過程中可能造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞的各個環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對頁巖氣鉆井工程期間的環(huán)境監(jiān)測，充分落實(shí)環(huán)保相關(guān)要求，反饋有效的環(huán)保信息，確保其對環(huán)境的影響在承載范圍之類。

4.1.3 信息公開制度

參照美國的經(jīng)驗(yàn)，公眾對頁巖氣的恐懼心理是制約這個行業(yè)發(fā)展的重要因素，我們需要引導(dǎo)大眾理性對待頁巖氣工業(yè)的發(fā)展，而不是煽動盲目恐懼。國家及地方環(huán)保部門可以考慮對頁巖氣礦區(qū)周邊地區(qū)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測信息公開，加強(qiáng)與公眾溝通。讓他們了解頁巖氣產(chǎn)排污情況及相關(guān)措施，消除公眾對環(huán)境污染的擔(dān)憂。

4.2 加強(qiáng)環(huán)保研發(fā)

目前，美國頁巖氣開發(fā)技術(shù)已非常完善，水平鉆井和水力壓裂技術(shù)也越來越多地考慮環(huán)保因素，清潔生產(chǎn)水平也較高。美國已較全面掌握了頁巖氣勘探與開發(fā)的各項(xiàng)技術(shù)，并在不斷地開發(fā)利于環(huán)保的新技術(shù)——液態(tài)二氧化碳水力壓裂技術(shù)、節(jié)水工藝技術(shù)、返排水高效處理技術(shù)等。

我國頁巖氣勘探和開發(fā)尚處于探索階段，應(yīng)多借鑒其他國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，與之在研發(fā)、技術(shù)、市場等方面加強(qiáng)合作，不斷將頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)更新與環(huán)保措施相結(jié)合，加大環(huán)保技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐，提高水循環(huán)利用率，努力提高設(shè)備和工藝水平以減少水資源消耗和甲烷泄漏，完善壓裂液返排水處理工藝，積極研發(fā)環(huán)境友好的壓裂技術(shù)（如氣體壓裂技術(shù)等），最終通過技術(shù)的進(jìn)步從根本上將頁巖氣勘探與開發(fā)過程中對環(huán)境的不利影響控制在可接受水平。鼓勵開展國內(nèi)頁巖氣勘探與開發(fā)科研項(xiàng)目，依靠但不依賴國外先進(jìn)技術(shù)，在實(shí)踐中逐步積累環(huán)保經(jīng)驗(yàn)。

4.3 加強(qiáng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制

頁巖氣勘探與開發(fā)過程中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要為：（1）鉆井廢水、壓裂返排水發(fā)生泄漏、溢流等污染地表水（飲用水源）；（2）注入地下的壓裂液與含水層發(fā)生水力聯(lián)系污染地下水（飲用水源）；（3）天然氣發(fā)生泄漏污染環(huán)境空氣。在實(shí)踐過程中需進(jìn)一步提高清潔生產(chǎn)水平和鉆井廢水、壓裂返排水處理效率，提高鉆井工藝水平，減小壓裂液與含水層發(fā)生水力聯(lián)系的可能性，完善頁巖氣勘探、開采、儲運(yùn)過程中的各項(xiàng)工藝措施，降低氣體泄漏事故概率。

5 結(jié)論

2011年12月30日，國務(wù)院批準(zhǔn)頁巖氣為新的獨(dú)立礦種，國土資源部也將按獨(dú)立礦種制定投資政策，進(jìn)行頁巖氣資源管理。2012年3月13日，國家發(fā)布了頁巖氣“十二五”發(fā)展規(guī)劃，頁巖氣工業(yè)的宏偉藍(lán)圖已呈現(xiàn)在我們面前。目前，我國與美國等頁巖氣工業(yè)強(qiáng)國在諸多方面開展了合作，共同開發(fā)頁巖氣寶藏，但在這個過程中應(yīng)將環(huán)保納入頁巖氣勘探與開發(fā)的全過程，在合作的同時(shí)學(xué)習(xí)掌握關(guān)鍵技術(shù)，并將環(huán)保理念融入其中，不能以毀壞環(huán)境作為發(fā)展頁巖氣工業(yè)的代價(jià)。

［1］張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（7）：15－18.

［2］張鴻翔.頁巖氣：全球油氣資源開發(fā)的新亮點(diǎn)——我國頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題［J］.戰(zhàn)略與決策研究，2010，25（4）：406－410.

［3］張金川.中國頁巖氣資源勘探潛力［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（6）：136－140.