頁巖氣開發的環境影響因素研究綜述

游聲剛，郭 茜，吳述林，陳雪嬌，鄧 智，吳艷婷

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710077；3.中石化西南分公司川西采氣廠，四川德陽 618000 ；4.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；5.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042)

頁巖氣開發的環境影響因素研究綜述

游聲剛1，郭 茜1，吳述林2，陳雪嬌3，鄧 智4，5，吳艷婷1

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710077；3.中石化西南分公司川西采氣廠，四川德陽 618000 ；4.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；5.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042)

中國頁巖氣地質資源量豐富，我國主要盆地和地區的頁巖氣可采資源量為26萬億m3。當前我國正在積極推進頁巖氣勘探開發工作，更多的資金和政策都集中在頁巖氣的勘探和開發上，對頁巖氣勘探開發過程中可能帶來的環境問題重視不夠。本文梳理了美國頁巖氣開發過程中產生的環境問題及國內固體礦產開發中引起的環境問題，認為目前我國頁巖氣開發可能面臨如下環境問題：土地占用、破壞與污染；水資源消耗與污染；大氣污染與溫室氣體排放；地質災害。并針對性的提出了一些環保建議，如探索頁巖氣開發新技術；建立環境評價體系；建立相關法規和應急方案。以期為中國頁巖氣勘探開發過程中如何處理好環境與資源的關系提供參考。

頁巖氣；土地污染；大氣污染；水污染；地質災害；環境保護

1 國內外頁巖氣開發現狀

頁巖氣是指以游離態、吸附態或溶解態賦存于暗色富有機質和極低孔隙度滲透率的泥頁巖、泥質粉砂巖，以及砂巖夾層系統的孔隙、裂縫和有機質表面中的天然氣，是自生自儲、連續聚集的非常規天然氣藏[1]。由于頁巖氣主要以吸附態為主，決定了其主要以水平井開采為主，并且還需應用水力壓裂等儲層改造工藝。

美國是世界上最早進行頁巖氣商業開發的國家，近年來，美國非常規氣工業迅猛發展，頁巖氣產量大規模的攀升。1998～2007年的10年間，美國的非常規天然氣產量由1258×108m3增加至2519×108m3，其中，頁巖氣對非常規天然氣產量增加的貢獻達到40%[2]；2009 年美國頁巖氣產量接近1000×108m3，超過我國常規天然氣的年產量[3]；2010年美國頁巖氣產量達到1378×108m3，占全美天然氣總產量的23%，超過中國2011年天然氣總產量。2011年，產量超過1700×108m3，占美國天然氣總產量的1/4[4]。據美國能源信息署的數據，2013年美國頁巖氣產量更是達到3368×108m3[5]。伴隨著產量增加的是水平井數量的增加，美國頁巖氣井的數量從2006年的40000口增加到2009年的98590口，比2006年增長了1倍多[6]。目前，美國主要有5套具有商業開發價值的頁巖氣系統，即：FortWorth盆地密西西比系Barnett頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Michigan盆地泥盆系Antrim 頁巖、Illinois盆地的泥盆系New Albany頁巖和 San Juan盆地白堊系Lewis 頁巖[3]。隨著產量急劇上升，頁巖氣開發對當地環境和居民生活的影響明顯加劇。主要環境問題包括水資源污染、大氣環境污染、土地污染及地質災害。

中國的頁巖氣勘探開發尚處于探索研究階段，已取得一定的階段性成果，目前已有區塊投入商業性開發階段。2009年國土資源部在重慶啟動我國首個頁巖氣資源勘查項目，標志著我國頁巖氣勘探開發已提上日程；2011年底國土資源部批準頁巖氣成為獨立礦種，對其按單獨礦種進行投資管理；2012年，財政部和國家能源局聯合發布《關于出臺頁巖氣開發利用補貼政策的通知》，《通知》界定了頁巖氣的標準及補貼條件，中央財政對頁巖氣開采企業給予補貼，2012～2015年的補貼標準為0.4元/ m3；2013年10月國家能源局發布《頁巖氣產業政策》，該《政策》主要包括產業監管、示范區建設、產業技術政策、市場與運輸、環境保護、支持政策等內容。可以看出，從上游的勘探權、到下游的補貼及貫穿勘探開發全過程的環保措施，上述一系列政策的出臺為我國頁巖氣產業的健康快速發展鋪好了路。我國富有機質頁巖廣泛分布，橫向上從南到北，縱向上從古生界到新生界，沉積環境上從海相-海陸過渡相-陸相都廣泛分布有富有機質頁巖，下寒武統牛蹄塘組和上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組海相富有機質頁巖是我國南方地區的重點勘探層系；中、新生代以來，在我國北部形成了穩定沉積的陸相頁巖，如松遼盆地下白堊統青山口組頁巖、鄂爾多斯盆地上三疊統延長組頁巖為我國陸相盆地重點勘探的層系。近幾年，我國頁巖氣勘探開發不斷取得突破。頁巖氣勘探相關鉆探活動活躍，2008～2013年的6年間，中石油、中石化和延長石油等多家油氣公司相關部門已累計鉆探約130口頁巖氣井，其中勘探評價井約100口，其余為地質調查取芯淺井[7]；已建成商業性頁巖氣田，自2012年11月焦頁1井在龍馬溪組試獲高產工業氣流以來，多口井在焦石壩構造連續試獲高產工業氣流，發現了焦石壩頁巖氣田[8]；頁巖氣開發已形成規模產能，2012年為全國頁巖氣產量為3000m3[9]，2013年全國頁巖氣年產量超過2億m3[10]；突破關鍵技術瓶頸，自主研發形成了頁巖氣勘探開發配套技術，為頁巖氣的大規模開發提供技術保障，四川油氣田通過開展自主攻關和現場試驗，逐步形成了集復合橋塞分段及多簇射孔工藝、大規模滑溜水體積壓裂技術、低摩阻滑溜水壓裂液體系、大型壓裂施工配套技術、連續油管鉆磨橋塞技術為一體的頁巖氣水平井分段壓裂技術，現場測試成功率高[11]。

2 頁巖氣開發引起的主要環境問題

水平井和水力壓裂技術是頁巖氣開采的關鍵技術，在頁巖氣開發初期，由于工程規模有限，頁巖氣的開采對環境的影響沒有顯現，隨著水平井鉆井、水力壓裂技術不斷成熟及天然氣價格的不斷攀升，頁巖氣開采工作全面鋪開，工程量上升，據美國能源信息署的消息，美國天然氣井在1999年之后呈爆發式的增長，從1999年的302421口井增加到2013年的487286口井，頁巖氣產量也不斷取得突破，伴隨的環境問題也逐漸凸顯，加拿大近幾年隨著頁巖氣的開采，小型地震的數量每年約增20多起[12]。從目前的頁巖氣開發實踐來看，頁巖氣開采可能存在以下四個環境問題：土地占用與破壞、水資源消耗與污染、空氣污染、誘發地質災害。

2.1 土地破壞、占用與污染

頁巖氣鉆井施工，嚴重破壞了山坡土體結構，加上大型鉆井設備和工程車的重壓以及大規模的水力壓裂導致土壤裂隙產生甚至引發地面塌陷，而土壤中的營養元素也隨著裂隙、地表徑流流失，造成許多地方土壤養分短缺，土壤承載力下降，植被破壞，最終導致工區大面積人工裸地的形成；而水力壓裂破壞巖層的穩定性，增加山體滑坡的風險[13]。而新暴露的巖土在風雨侵蝕作用下極易風化成巖屑，為水土流失提供了豐富的物質來源，使水土更易移動，水土流失加劇[14-15]。特別是我國目前的頁巖氣鉆井施工活動大多處于降雨量大的西南部地區，可能導致更為嚴重的土地破壞。

與傳統油氣開采相比，頁巖氣井所需設備更多，占地面積較大，通常陸上常規氣田每10km2不到1口氣井，而頁巖氣田氣井數可能超過10口[16]。打井的土石方、用來做隔離層的水泥以及儲水池、配套道路、輸氣設備、返排液處理設備等，將占用更多的土地[17]。在美國的頁巖氣開采區，數以萬計立方米的水通過卡車運輸到壓裂施工井場；而用于壓裂后的返排液同樣需要交通運輸工具運送到廢水處理地，因此，運輸對附近道路壓力大，損毀加劇，有時意味著占用新的土地面積修新的道路。

石油中含有豐富的有機化合物，油頁巖礦渣在井場的堆積會使得大量石油進入土壤，對土壤、生物造成嚴重污染[18]，和油頁巖相比，頁巖中的有機質在成分和賦存方式可能有所差別，但是經過在井場長時間的暴露、淋濾，仍有可能對周邊的土地造成污染；鉆井液、壓裂返排液中存在大量的成分及其復雜的化學物質和重金屬，在鉆井過程中或在對廢液集中處理之前的存放過程中可能發生外滲，使周邊的土地受到污染[19]；很多頁巖氣開發目的層具有高的壓力系數，在鉆井或壓裂過程中如處理不當易發生井噴，使施工現場周邊的土地受到污染，2011年4月，切薩皮克公司在濱州北部的一口頁巖氣井壓裂作業過程中發生井噴，數千加侖壓裂液流向周圍的土地。

2.2 水資源消耗與污染

水力壓裂技術目前仍然是頁巖氣開采的主要儲層改造技術。采用該技術會帶來兩個問題：水資源大量消耗；壓裂液中大量的化學添加劑可能對地下水和地表水造成污染。頁巖氣井水力壓裂耗水量是常規油氣井的50～100倍[20]，每口井的壓裂用水量高達幾萬立方米，在現有工農業用水的基礎上，大量增加的頁巖氣開采用水將會引起對環境的累積影響，如河流等地表水和地下水資源的枯竭、含水層儲水能力的喪失，危害當地生態系統[17]。Marcellus頁巖氣田的每一個鉆井平均用水量約1.5萬m3，其中用于水力壓裂的水量占98%；Barnett頁巖氣田每個鉆井需水1萬m3，水力壓裂水占85%；Fayetteville頁巖氣井需1.2萬m3，水力壓裂水占95%；Haynesville頁巖氣井需1.4萬m3，水力壓裂水占73%[21]。頁巖氣開發耗水量占地區用水量的比例較小，美國德州頁巖氣開發耗水量占比小于1%；賓夕法尼亞和西弗吉尼亞兩州的頁巖氣井需水量占Marcellus頁巖區總水量的0.52%～0.92%。盡管用水量小，但由于頁巖氣井的鉆探周期較短，在短期內大量消耗當地地表水或地下水，很可能會影響當地水生生物的生存、捕魚業、城市和工業用水等[22]。

頁巖氣是一種超低滲透的非常規天然氣，通常為了提高采收率都要使用水平井和水力壓裂技術，通過高壓使儲層產生誘導縫，為了盡量縮短誘導縫的閉合時間，通常在水力壓裂的過程中還要加入支撐劑，從而改善儲層的裂縫網絡系統。壓裂液由水、砂和化學添加劑組成，砂和水占比達到99%以上，化學添加劑占比1%，即使是這1%的添加劑，我們仍不能忽視它對環境造成的影響，這些添加劑中包含了減阻劑、殺菌劑、防垢劑、粘土穩定劑和表面活化劑等260多種類型[23]。2000～2010年間，美國鉆探2萬口頁巖氣井中發生與水力壓裂有關的水體污染事件有43起，其中48%與天然氣或鉆井液有關，33%涉及井場表面泄漏，10%涉及取水和空氣質量以及井噴問題，剩下9%涉及井場外的處置不當問題[24]。頁巖氣勘探開發過程中與水相關的污染主要指由水力壓裂引起的地下水污染和地表水污染。頁巖氣開采對地下水的污染的主要體現在以下三個方面[25]：①甲烷氣體向淺層地下水遷移，引起地下水甲烷含量超標。賓夕法尼亞州和紐約州五個68個私有水井中的甲烷含量超標，在部分地區，居民甚至能點燃自來水中中冒出的氣體，研究證實，飲用水受甲烷污染的現象與用水力壓裂法開采頁巖氣密切有關[26-27]；②深部頁巖層的水和淺層地下水之間的水力聯系，鉆井液導致淺部含水層受污染，同位素比值分析認為深部頁巖層和淺部含水層之間存在聯通的裂縫[28]；③返排液和產出水回灌造成的地下水污染。壓裂后有15%～85%的返排液會返排至地面，返排液中含有較高的COD、金屬元素和TDS[29]，目前對這些大量的返排液的處理方式比較棘手，處理方式通常有就地排放、拉到污水處理廠處理之后排放和經過處理之后回灌的方式，如果對這些含有有毒物質的返排液回灌之前處理不當，回灌過程中勢必會造成地下水污染。地表水污染主要體現在返排液的不合理排放造成臨近河流等地表水的污染，嚴重威脅到當地居民的飲水安全。賓夕法尼亞州Cabot地區由于頁巖氣開采過程中大量返排液倒入特拉華河流域，已造成該區23.3km2的區域被污染，使得當地居民沒有飲用水可采[22]。

2.3 大氣污染與溫室氣體排放

頁巖氣開發過程中對大氣造成的污染來源主要包括鉆井設備和卡車排放的顆粒和有毒氣體、開采過程中造成的甲烷氣體的泄露所引發的溫室效應和煙霧污染。頁巖氣的主要成分是甲烷，雖然甲烷燃燒所產生的碳排放量相對較低，但甲烷的泄露會不僅會造成當地空氣污染，也會引起溫室效應，其溫室效應影響約是二氧化碳的25倍。有研究顯示，在頁巖氣開發過程中約有1.19%的甲烷泄漏，再考慮加工、輸氣和配氣環節則整個泄漏量約為2.01%[30]。頁巖氣井泄漏的甲烷比常規天然氣井要多，泄漏量可占到整個氣井預測總產量的3.6%～7.9%，美國頁巖氣行業甲烷泄漏率為3.2%，比天然氣高出30%～100%[31]。大氣污染的來源主要有地面臭氧煙霧污染、鉆采過程中鉆遇到的地層有毒氣體及鉆采設備和卡車排放的有毒氣體。天然氣燃燒釋放的氮氧化物、碳氫化合物經過一系列復雜的化學變化生成臭氧煙霧，在頁巖氣大規模開發的地區形成地面臭氧煙霧污染[32]；在四川盆地頁巖氣開發過程中在部分地層中測得含有H2S氣體，而且還高達15g/m3以上[33-34]，鉆采過程中如果處理不當，不僅會造成環境污染，更有可能損傷施工人員的身體甚至帶來生命危險。2012年美國環境保護署發布了控制頁巖氣開采大氣污染的首個法規，要求使用水力壓裂法生產的所有頁巖氣井必須安裝有害氣體捕捉裝置[17]。

2.4 誘發地質災害

頁巖氣開發工程具有占地面積大、壓裂規模化、裂縫網絡化、影響深度大的特點，在開發過程中會直接或間接的帶來一些地質災害。在山區壓裂施工過程中容易誘發山體崩塌、滑坡等地質災害；水力壓裂破壞了地層的原始抗壓強度，從而引起地面沉降，破壞作業區的房屋、道路和農田。美國多地頁巖氣作業區都有過地震發生的報道[35]，而且最近幾年地震活動的更為頻繁，目前有關水力壓裂與地震的關系還不清楚，地震有可能由水力壓裂本身引起，也可能由于返排液的回灌引起地層的不穩定活動誘發[36]。雖然誘發的地震震級小，不能被人類察覺到，但由水力壓裂引發的地震仍不可忽視。

2.5 其他環境問題

水平鉆井、水力壓裂、井場建設和天然氣運輸所需的壓縮機不免會帶來噪音，特別是水力壓裂，施工時間長，多臺壓裂設備同時工作，不可避免的對周圍居民造成影響[37]，四川地區頁巖氣鉆探施工過程中就出現過居民因抱怨施工帶來噪音而不讓工程車進村的情況。在頁巖氣開采作業過程中將產生一定量的固體廢棄物，主要包括鉆井廢棄泥漿、巖屑、廢堵漏材料以及作業區生活垃圾等。廢堵漏材料和生活垃圾的量比較少，某氣田開發過程中，每口井巖屑的產量約為1000m3，廢泥漿產量在800～1200m3之間，廢棄泥漿中含有烴類、鹽類、各種聚合物、木質素磺酸鹽、重金屬離子和重金石等危害環境的成分；廢棄巖屑的主要成分為鋁、硅、鈣、鐵的化合物及有機物[38-39]。這些污染物通常儲存在井場內的廢泥漿巖屑池，待完井后統一進行妥善處理。

3 頁巖氣開發環保建議

頁巖氣開發實踐表明，頁巖氣開發在帶來資源和經濟效益的同時，也帶來一系列的環境問題，如土地破壞、水資源挑戰、空氣污染和地質災害等。我國目前也正面臨著嚴重的環境問題，北方霧霾天氣年年出現，西南頻頻被大旱和泥石流侵襲，政府必須嚴格的從源頭把關，避免在現有的環境問題沒解決前又出現新的環境問題。在此背景下，為了盡量降低頁巖氣開發對環境造成的負面影響，針對頁巖氣勘探開發過程中各個環節的不同特點，提出如下環保建議。

3.1 引進探索頁巖氣開發新技術

我國單口頁巖氣壓裂用水在15000～30000m3之間，隨井深的加大，個別井的用水量更大[40]。可以探索用液量少的混合壓裂技術及纖維壓裂、通道壓裂、干法壓裂、液化石油氣壓裂等無水壓裂技術。干法壓裂費用高，但無需使用水，經濟環保，在美國的應用證實具有較高的經濟性。液化石油氣壓裂具有攜砂量大、造縫能力強、地層無損害、返排時間短及完全返排等優點[41-42]，應重點推廣。伴隨頁巖氣的開采，地層壓力不斷釋放，會導致支撐劑破損，從而降低壓裂縫的導流能力，不得不進行重復壓裂。可加強低密度、高強度支撐劑的研究，在增大攜砂量的同時也能提高支撐性能，盡量避免重復壓裂。在我國資源家底尚不清楚的階段，不得不使用水力壓裂的情況下，應探索返排液回收處理重復利用技術。

3.2 建立頁巖氣開發環境評價體系

頁巖氣特殊的開采方式導致其開采過程中不確定的環境風險因素眾多，應該從風險預防的原則出發，充分考慮可能涉及的環境問題，構建頁巖氣開發環境評價指標，根據各區塊的不同特點賦予各評價指標不同的權重系數，計算出環境影響的綜合值[43-44]。對頁巖氣開發帶來的環境影響作出科學性、前瞻性的評價，為頁巖氣的開發規劃提供科學依據。

3.3 建立頁巖氣開發相關律法規

建立適應中國國情的頁巖氣開發相關的水、氣、生態環境等方面的針對性的法律法規，在企業進行施工前審查其環保資質，監督相關法規在實踐中的落實情況。使得頁巖氣開采有法可依，從源頭上杜絕頁巖氣開采帶來的環境問題。

3.4 建立突發事件應急方案

頁巖氣開發施工中不可避免會遇到一些突發事件，如井噴、井漏、山體滑坡、有毒氣體泄露、水資源枯竭、污染等。應有針對性的建立相應的預防機制，爭取出現問題時能第一時間得到解決，避免造成更大的破壞。

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Review of environmental factors of shale gas development

YOU Sheng-gang1，GUO Qian1，WU Shu-lin2，CHEN Xue-jiao3，DENG Zhi4，5，WU Yan-ting1，5

(1.College of Geosciences and Survey Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.China Petroleum Logging Co.Ltd.，Xi’an 710077，China；3.Sinpoec Southwest Oil/Gas Co.Chuanxi Gas Production，Deyang 618000，China；4.Key Laboratory of Shale Gas Exploration，Ministry of Land and Resources，Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China；5.Chongqing Engineering Research Center for Shale Gas Resource & Exploration， Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China)

Abundant of shale gas geological resources in China，26 trillion m3of recoverable shale gas resource in major basins and regions of China.At present，China is actively promoting the shale gas exploration and development work，more money and policy focused on the exploration and development，environmental problems about shale gas exploration and development may bring do not seriously enough.This paper reviews the environmental problems during the shale gas development in US and domestic mineral development，thinking that may face below environmental problems in china’s shale gas exploration and development：land occupation，destruction and pollution；water consumption and pollution；air pollution and greenhouse gas emissions；geological disasters.And making a number of specific environmental protection proposals，such as developing new technologies of shale gas exploration and development；the establishment of environmental evaluation system；the establishment of relevant regulations and contingency plans.To provide a reference how to handle the relationship between the environment and resources for China’s shale gas exploration and development.

shale gas；land pollution；air pollution；water pollution；geological disasters；environmental protection

2015-01-19

頁巖氣產業發展扶持政策及環境保護政策研究項目資助(編號：12120114020201)

游聲剛(1987-)，男，博士，湖北荊州人，主要研究方向為非常規油氣地質工程管理。E-mail：715634020@qq.com.

X820.3

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1004-4051(2015)05-0053-05