中國水環境能否支撐頁巖氣開采的重壓

據國土資源部專家張大偉估計，中國要完成《頁巖氣發展規劃（2011—2015年）》中提出的600億～1000億立方米的產量，需要打2萬口生產井。如果以單井用水量19000立方米計算，預計中國將需要3.8億立方米的水資源，這相當于1266萬城市人口一年的用水量。

“熱潮”背后的隱憂

以頁巖氣為代表的非常規油氣資源開發是進入21世紀后能源領域首屈一指的大事件。經過數十年的摸索，美國生產企業順利地將水平井技術和水力壓裂法運用到了頁巖氣和頁巖油的生產當中。頁巖氣和頁巖油從此具備了商業開發價值，成為可以被人類大規模利用的能源。

頁巖氣和頁巖油的開發動搖了“石油峰值論”，改變了世界能源格局，也再一次展示了技術進步對能源行業發展的深遠影響。美國能源信息署EIA（Energy Information Administration）在一項研究中指出豐富的頁巖氣和頁巖油資源遍布世界各國。由此“頁巖氣革命”跨越了美國國界，走向了世界各國。

中國的頁巖氣和頁巖油資源十分豐富。EIA的數據顯示中國的頁巖氣技術可采資源總量約為31.6萬億立方米，居世界首位；頁巖油的技術可采資源總量為320億桶，僅次于俄羅斯和美國，居世界第三位（見圖1和圖2）。從儲量上來看，中國完全可以借助本國的非常規油氣資源降低對進口化石能源的依賴。

目前中石化、中石油兩家公司和殼牌石油公司在中國西南地區的頁巖氣開發已經取得了不小的進展。在前兩輪頁巖氣“招標熱”的鼓勵下，國土資源部也在積極籌劃第三次頁巖氣探礦權招標工作。與中國的“頁巖氣熱”不同的是，同樣依賴國外油氣資源的大部分歐洲國家并沒有足夠的熱情開發本國的頁巖氣資源。除英國外，擁有技術和資金優勢的西歐國家反而在公民抗議聲中明令禁止頁巖氣的開發。

歐洲國家所擔憂的是頁巖油氣資源開發中可能產生的水資源污染以及誘發性地震隱患。歐洲環保人士認為，與美國相比歐洲的人口更加密集，一旦發生飲用水污染和地震將會造成比在美國更大的危害。歐洲的擔憂并非捕風捉影。雖然美國有一整套環境監管體系，但是仍無法避免本國水資源受到頁巖油氣資源開發的負面影響。此外，美國的地質學家也正在試圖進一步研究壓裂液污水注入地下深井與誘發性地震之間的聯系。

水從哪里來？

頁巖油氣的生產離不開水力壓裂法的支持。生產企業需要從地面通過高壓泵向地下灌入摻有化學物質的水，讓水壓將頁巖層壓出裂縫，并且使裂縫不斷擴大。與此同時壓裂液中的沙粒或者陶粒將支撐已經形成的裂縫，使其不致閉合。壓裂之后頁巖氣的產量會驟增，然后快速衰減。為了充分提升氣井的產量，生產企業可能會對同一口井進行多次壓裂作業。

除了個別美國企業在測試使用液化石油氣和液態二氧化碳代替水進行壓裂作業之外，水力壓裂法是讓頁巖氣和頁巖油商業化開發的唯一技術手段，因此水資源的獲取、利用和處理也就成為頁巖氣開發活動中貫穿始終的重要話題。

從開發的階段上來劃分，頁巖油氣開發中的水資源管理問題涉及鉆井和壓裂階段水資源的獲取和利用，以及壓裂完成階段污水的收集和處理兩個階段。

在第一個階段，生產企業面臨的最大問題就是水從哪里來？生產企業需要獲取大量的水用于鉆井和壓裂。水是鉆井液和壓裂液的重要組成部分，其中壓裂階段用水量占到整個生產流程總用水量的95%左右。北美地區的開發經驗表明，頁巖油和頁巖氣的生產單位能源耗水量分別與常規原油和天然氣生產相當，但是階段性的用水強度很高。以頁巖氣為例，美國的頁巖氣開采的單井用水量可達1.9萬立方米，其中有1.8萬立方米的用水量都集中在關鍵的半個月至一個月的時間里。

對于頁巖油氣生產企業來說如何在關鍵時期獲得足夠的水關乎開發活動的效率與成敗。生產企業可采用的水源無外乎4種：地表水和地下水、市政用水、收集的雨水、經處理循環使用的壓裂液。一般來說，只有地表水和地下水、市政用水才可以作為穩定的水源。

頁巖氣用水必然會造成礦區周邊水資源的階段性甚至是長期性的緊張。即便是在人均水資源相對豐富的美國，水資源緊張的現實已經迫使部分生產州出臺政策鼓勵生產企業提高壓裂液的循環使用比例。

據國土資源部專家張大偉估計，中國要完成《頁巖氣發展規劃（2011—2015年）》中提出的600億～1000億立方米的產量，需要打2萬口生產井。如果以單井用水量19000立方米計算，預計中國將需要3.8億立方米的水，相當于1266萬城市人口一年的用水量。

但是，中國的人均可再生水資源僅為美國的1/10、加拿大的1/42。因此，在人口密度較大且人均水資源緊張的中國，頁巖油氣生產必然加劇區域性的水資源緊張局面。此外，由于我國大部分地區處于季風氣候的控制之下，年度降水量可能出現較大的差別，因此不能排除我國西南的頁巖礦區的生產和生活用水受到干旱威脅的可能性。而塔里木盆地的頁巖氣開發可能將面臨更大的挑戰。如果就近采用地表水和地下水，那么勢必會破壞當地脆弱的生態環境。

獲取水資源的挑戰還在于解決水的運輸問題。中國西南的頁巖礦區地貌多為山區和交通不便的盆地，客觀上導致運水難度加大和成本上升。如果采用卡車運送水，那么在用水高峰期，礦區周邊的交通線路將承受相當的壓力，居民的生產生活也將受到很大的影響。

壓裂液里究竟有什么？

解決了水源問題之后，頁巖氣的生產就進入了下一個階段，即配制壓裂液。一般說來壓裂液中主要由水、沙子或者陶粒，以及添加劑構成。水和沙子占壓裂液體積的99.51%，而添加劑占0.49%（見圖3）左右。壓裂液的成分以及濃度可能因水質和具體的巖層特點而有所不同。一般情況下，壓裂液的添加劑中可能含有酸、殺菌劑、阻垢劑、阻蝕劑等，具體名稱和用途見表1。由表1可以發現，添加劑的主要成分被廣泛運用于日常的生產生活當中，不過其中一些成分存在毒性。

針對水力壓裂生產會污染水資源的指責最初指向的就是壓裂液中使用的這些化學成分。環保組織和民眾懷疑頁巖氣生產企業將含有有毒化學物質的壓裂液注入鉆井后的水力壓裂過程很有可能會污染地下水和地表水。同時企業在礦井周圍囤積的化學物質也完全有可能污染當地的空氣和土壤。

為保障公民知情權，美國有9個州以及美國土地管理局制定了公開化學物品的規定，但是生產企業往往以“專有的商業秘密”為由，拒絕公開壓裂液所含物質名稱和濃度。目前只有科羅拉多州要求公開所有化學物品名稱和濃度，而其他8個州或者不要求公布濃度，或者只要求公布有害物質的濃度。

令人頭疼的污水處理

不過美國政府和行業協會都認為如果生產企業能按照行業標準認真做好鉆井中的固井工作，并且能嚴格控制化學物品的存放和使用，壓裂液對地下水和地表水的污染完全是可以控制的。頁巖油氣生產對水資源的最大威脅在于如何處理壓裂完成之后的污水。

美國方面的研究顯示，頁巖油氣生產過程中產生的污水成分十分復雜，其中可能含有高濃度重金屬鹽、壓裂液、鉆井液，以及來自地下的放射性物質，如鐳228、鐳226和鈾238。此外，由于生產企業需要卡車運送設備和水，并且使用柴油發電機發電，因此柴油也可能是污水的成分之一。由于這些污染物往往都溶于水，如果草率處理將嚴重污染礦區河流、湖泊以及地下水，還可能造成土壤鹽堿化。

目前美國頁巖礦區的污水處置方式有兩種：凈化后再利用或者注入地下深井。從環境效益上來講污水凈化再利用應當是首選方案。污水的再利用可以降低礦區的用水總量，避免更多的水資源受到污染。在美國的馬塞勒斯頁巖氣礦區，污水回收率可達90%。

當然污水必須經過凈化處理才能投入使用，不然難以達到壓裂液應有的效果。頁巖油氣開發興起之后，專業的污水處理公司在美國迅速發展起來。這些公司的污水處理技術包括采用高技術含量的薄膜過濾特定的污染物，或者是采取直接的蒸餾方式分離污染物和水。

每一口礦井中產生的污水在很多方面都會有所不同，如污水的酸性、鹽分含量和污染物種類。專業的污水處理公司可以因地制宜地設計污水凈化方案。美國企業的處理技術已經達到很高水平。在一些情況下，由于處理過的污水過于純凈，企業不得不加入礦物質才能將其排放到河流當中。

傳統的市政污水處理廠對來自頁巖氣礦區的污水無能為力，因此凈化污水的重任只能由專業的污水處理公司完成。不過生產企業要為此付出高昂的代價：污水凈化成本可能占頁巖氣開采成本的5%左右。

在美國，將污水注入地下井是更普遍的處理方式，原油和天然氣產業上游產生的90%的污水都被注入美國環保署管理的超過15萬個二級注水井中。注水井深達千米以上，污水注入后將徹底與地表水和地下水水源隔絕。雖然注水井的造價在500萬美元以上，且生產企業需要支付運輸污水的費用，但是在他們眼中，這或許是最直接、也是最簡單的污水處理方式。

然而事實并非如此，采用注水井處理污水也隱藏著不小的隱患。污水進入注水井之后，就被完全隔離在大自然的水循環之外。這意味著一部分水資源徹底地從一個區域內流失了，當地的生態環境和居民生產生活可能受到不可逆轉的影響。

更大的隱患在于將污水注入深井的方法可能會誘發注水井附近的地震。美國能源部的文件指出抽取地下水或者向地下注水都有可能誘發地震，包括人們可以在地面察覺的有感地震，這已經是科學界的共識。美國國家科學院的研究報告指出，水力壓裂法誘發地震的可能性并不大，不過向地下深井注入污水則會造成不小的地質隱患。

哥倫比亞大學的地震學家John Armbruster也持同樣態度：頁巖氣井往往比較淺，而且水力壓裂持續時間較短，往往不足以對地殼斷層產生足夠大的影響。當然事情不能一概而論，美國的頁巖礦藏埋藏較淺，而世界其他地方卻并非如此。除了礦井深度的影響因素外，美國國家科學院指出注水的速度和壓力，注水量和持續時間都會影響誘發性地震出現的概率和震級。例如，英國就出現過壓裂活動引發地震的案例，該國的頁巖氣開發因此被中斷一年。

更多的證據將注水井和地震聯系到了一起。近幾年，得克薩斯州、科羅拉多州、俄亥俄州、俄克拉荷馬州和阿肯色州都出現了一系列的誘發性地震。一些地震甚至發生在從地質構造角度來講不太會發生地震的區域。在經歷了2011年冬天眾多小型地震之后，阿肯色州政府禁止了該州范圍內所有的深井注水作業。當地政府的地質監測機構發現，當注水井被關閉之后，地震活動隨即迅速下降。

以往的學術觀點認為，人類活動造成的誘發性地震往往震級較小，一般在2級以下，且破壞性較低，但是發生在俄克拉荷馬州的地震改變了人們的看法。2011年11月5日，該州Prague鎮發生了4.8級地震，隨后又發生了兩起地震，其中一起竟然高達5.7級！ 2013年美國地質協會出版的《地質學》雜志刊登了一篇由多位學者聯名發表的論文。文章用翔實的數據將該起地震與深井注水作業聯系在一起：地震發生在距離注水井僅僅幾百米的地方，它們之間明顯有直接聯系。

迫在眉睫：

中國應建立水資源專項管理體系

由于石油行業發展較為成熟，美國已經建立起一套完善的針對水力壓裂活動的水資源管理體系。這一管理體系主要分為三個維度：聯邦、地方和行業（見圖4），涉及聯邦和地方法規、行業標準。然而即便如此，美國依然無法完全杜絕頁巖油氣生產帶來的環境影響。

與國外不同的是，中國有關頁巖油氣的分析和報道多偏重該產業對國家經濟的影響，對生產活動中的環境影響缺少應有的關注。目前中國的頁巖氣生產基本上是處于“半透明”的狀態。除了頁巖氣產量和鉆井數量外，生產企業對媒體和公眾公布的信息十分有限，沒有涉及化學物品名錄及管理方式、污水處理情況、鉆井深度與地質構造的評估。考慮到人口密度大，人均水資源緊張，以及部分地區地質構造復雜的基本狀況，中國亟待建立一整套科學的頁巖油氣生產水資源專項管理體系。決不能飲鴆止渴，讓頁巖油氣開發對中國水資源和環境產生不可挽回的環境影響。 （本文作者為易貿研究中心研究員）