頁巖氣開采致水污染的途徑及污染物特點＊

李亮國

（河南城建學院法學與公共管理學院）

頁巖氣開采致水污染的途徑及污染物特點＊

李亮國

（河南城建學院法學與公共管理學院）

針對水平鉆井和水力壓裂技術開采頁巖氣所產生的水污染問題，基于水文地質學原理，對美國頁巖氣開采導致水污染的實例及壓裂液成分等方面的文獻予以分析，對頁巖氣開采導致水污染的途徑及污染物的特點進行研究。結果表明：頁巖氣開采導致地下水及地表水污染的途徑主要包括越流、井筒泄漏及地表人類活動等。頁巖氣開采長期持續產生水污染物，水污染物種類多、總量大、危害大，某些水污染物難以監測。該研究可以為我國頁巖氣開采水污染防治標準等規則的制訂提供參考。

頁巖氣；水力壓裂；水污染途徑；水污染物；水污染防治

0 引 言

水平鉆井及水力壓裂技術在當前頁巖氣開采中不可或缺。頁巖具有超低孔滲的特性，通常90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產措施［1］。水力壓裂技術的基本工作過程是在鉆井鉆探和設備安裝完成后，向井孔中注入壓裂液使存氣頁巖層裂開，當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以保持住裂縫，使其成為油氣導向鉆井的高速滲透通道［2］。水力壓裂需要使用大量的水，而且需要加入化學物質，這將對環境產生不利的影響［3］。“費水”且產生大量“廢水”的頁巖氣開采帶來異于常規天然氣開采的水污染問題。

1 頁巖氣開采致水污染的途徑

頁巖氣開采涉及鉆井、水力壓裂、壓裂液及廢水存貯或運輸等多種地表和地下活動。如果這些活動不能得到妥善管理，廢水、鉆屑等都可能進入地表或地下水體，導致地下水體和地表水體的雙重污染。頁巖氣開采導致水污染的途徑見圖1。

頁巖氣開采導致水污染的途徑主要包括四種。

1.1 越流

圖1 頁巖氣開采導致水污染的途徑

地層結構中的不同含水層所含的物質并不相同，頁巖氣開采所使用的水力壓裂技術可能會導致含水層之間的溝通，甚至含水層之間的混合。譬如，地表水、地下不同含水層組水及采礦空間老空水將形成復雜的補排關系和交替模式，原采礦作業已疏干的含水層組及采礦擾動裂隙將被重新充水或淹沒，地下不同含水層系統的水化學、同位素環境也同時發生明顯變化，形成完全不同于礦山開采階段的新的礦山環境問題［4］。諸如此類的地下水污染可以稱為越流污染。它是頁巖氣開采中導致地下水污染的重要途徑。

水力壓裂在頁巖儲層中產生新的裂縫，這些裂縫沿著頁巖地層層理可能延伸數千英尺。水力壓裂液中的化學物質可能循著此類裂縫向上滲透進入地下含水層，從而導致水污染。在水力壓裂中，添加劑中包括有減阻劑、殺蟲劑、表面活性劑及膨脹抑制劑等化學制劑。盡管在壓裂液中添加劑的比例一般不足0.5%，但是由于基數較大，化學制劑的量也是巨大的［5］。如果水力壓裂操作不當，這些化學制劑可能隨壓裂液進入含水層，從而污染地下水。

1.2 井筒泄漏

在頁巖氣開采中，鉆井以及完井需要通過使用貫穿含水層的套管來密封整個氣井，以防止污染物流出而污染地下水。一個設計合理的套管井可以防止由于鉆井液、壓裂液或者天然氣泄漏到含水層而導致的地下水污染［6］。在頁巖氣開采中，如果鉆井或完井使用的套管不當，以至于未能很好地密封整個氣井，則可能出現污染物從井筒泄漏出來而污染地下水的現象。

1.3 地表人類活動

生產現場的地表蓄水泄漏、水力壓裂液的意外泄漏或鉆井液的管理不善，都可能增加污染的風險。不完善的廢水管理行為（包括返排水和生產水的貯存、處理和處置等）可能對地表水帶來污染的風險。譬如，水力壓裂液和廢水在儲存和往返于鉆井現場的運輸過程中可能會泄漏到地表。這不但可能污染地表水，而且因泄漏污染的土壤在淋濾的作用下也可能使地下水受到污染。

2 頁巖氣開采中水污染物的特點

頁巖氣開采所涉及的水污染物主要包含在水力壓裂中所使用的壓裂液及返排水和生產水等“廢水”中。總體而言，這些水污染物具有以下四個方面的特點。

2.1 水污染物長時間持續產生

頁巖氣開發的全過程都產生水污染物。如水力壓裂完成后，含有污染物的返排水大約需要3年時間才能完全排空。而在頁巖氣氣井長達數10年的生產周期內，都會產生水污染物。

2.2 水污染物種類多

頁巖氣開采產生的水污染物涉及多種類型。據美國能源部統計，壓裂液中常用的添加劑就有14種［7］。此外，水力壓裂將產生大量廢水，這些廢水中含有多種污染物，包括高濃度鹽、放射性粒子和隨水帶出來的地下巖層中的其他物質［8］。在頁巖氣開采中，甲烷、重金屬、放射性物質、壓裂液添加劑和其他污染物都可能通過多種途徑污染地表水資源和地下水資源。

2.2.1 甲烷泄漏

頁巖氣開采過程中的甲烷泄漏量遠高于常規油氣開采中的泄漏量。有統計表明，甲烷泄漏量可達到產氣量的3.6%～7.9%［9］。更高的甲烷泄漏量意味著更高的水污染概率。美國就發生過頁巖氣開采中甲烷污染地下飲用水的實例。2010年4月，一家能源公司的鉆井機無意中造成淺層天然氣的泄漏，甲烷滲入當地的飲用水井，致使大約150戶居民被迫疏散［10］。

2.2.2 化學物質

頁巖氣開采中的壓裂液、返排水及生產水中都含有多種化學物質。這些化學物質可能通過多種途徑進入地表水或地下水，從而導致水污染。在化學制劑被注入地下、棄之垃圾堆、被運往水處理廠的過程中，都可能污染河流和飲用水源。譬如，水力壓裂過程中出現越流等，壓裂液就可能進入地下含水層從而污染地下水。此外，注入地下的水若被巖石吸收，則不能再回收利用［11］。壓裂液中的化學物質也可能通過天然裂縫等進入地下水，從而導致水污染。

2.2.3 放射性物質和重金屬

地下巖層中一般含有放射性物質，比如鈾、釷及其同位素等；還有一些重金屬元素，比如砷、鉻、鈷等；還可能含有酸性物質，比如黃鐵礦及硫化物；還有大量的鹵化物、溴化物。大量的水及添加劑的注入，造成巖石中的這些物質溶解或生成有毒的氣體［5］。頁巖氣開采中，地下巖層中的放射性物質、重金屬元素等有可能進入返排水等，從而致使其污染水環境。

2.3 水污染物總量巨大

頁巖氣開發極為“費水”，并產生大量“廢水”。與此相應，頁巖氣開發產生的水污染物總量巨大。有關專家經過計算指出，大約需要450～1380口頁巖氣井，450萬～1380萬m3水，我國才能實現2015年生產65億m3頁巖氣的目標［12］。按2015年65億m3的產量規劃，壓裂液中的添加劑大約有2.44萬～7.47萬m3之巨。

3 結 論

美國頁巖氣開采實踐表明，越流、井筒泄漏是頁巖氣開采導致地下水污染的主要途徑；頁巖氣開采過程中的地表活動所致的入滲等也可能污染地下水及地表水。

頁巖氣開采運營時間長，長期持續產生水污染物。這些水污染物成分復雜、種類多樣、總量巨大、難以監測。與常規油氣開采相比，頁巖氣開采帶來了更嚴峻的地下水及地表水污染問題。

頁巖氣開采中水污染物的數量、類型與壓裂液息息相關，應在加快研發和推廣新型壓裂技術的同時，禁止某些特定壓裂基液或添加劑的使用。

我國應基于頁巖氣開采導致地下水體及地表水體污染的具體途徑及頁巖氣開采所產生的水污染物的特點，在常規油氣開采水環境保護規范的基礎上，制訂更符合頁巖氣開采水污染防治特點的規范，如更具針對性的頁巖氣廢水處理規范，及頁巖氣廢水處理廠的相關標準等。

［1］ 張懷文,楊玉梅,程維恒,等.頁巖氣藏壓裂工藝技術[J].新疆石油科技,2013,23(2):31.

［2］ 錢伯章,李武廣.頁巖氣井水力壓裂技術及環境問題探討[J].天然氣與石油,2013,31(1):49.

［3］ 許長春.國內頁巖氣地質理論研究進展[J].特種油氣藏,2012,19(1):9-16.

［4］ 邢立亭,徐征和,王青.礦產資源開發利用與規劃[M].北京:冶金工業出版社,2008.

［5］ 孫贊東,賈承造,李相方,等.非常規油氣勘探與開發[M].北京:石油工業出版社,2011.

［6］ 凱特琳?M?納什.頁巖氣開發技術[M].汪麗華,周靖,王建強,等,譯.上海:上海科學技術出版社,2013.

［7］ 許帆婷,衛然.清潔壓裂生產迫在眉睫[J].中國石化, 2013(3):59-60.

［8］ Hayes Jennifer M.Protecting Pennsylvania's Three Rivers' Water Resources from Shale Gas Development Impacts [C]//David S Steele.Duke Environmental Law&Policy Forum Symposium.Durham:Duke University,2012:387.

［9］ 畢淑娟.頁巖氣開發環境風險堪憂[N].中國聯合商報, 2013-03-04(D02).

［10］肖鋼,唐穎.頁巖氣及其勘探開發[M].北京:高等教育出版社,2012.

［11］牟雪江.直視頁巖氣開采環保黃牌[J].中國石油企業, 2012(5):31.

［12］王小聰.頁巖氣缺環保規范[J].新世紀,2012(43):56.

（編輯 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.001

：1005-3158（2015）03-0001-03

2015-01-15）

＊國家社會科學基金項目“資產管理和用途管制分離視角下的自然資源權利義務配置研究”（14XFX010）。

李亮國，2014年畢業于昆明理工大學礦產資源保護與法治專業，博士，現在河南城建學院法學與公共管理學院從事環境資源保護法治方面的研究。

通信地址：河南省平頂山市新城區龍翔大道河南城建學院，467036