北美頁巖氣開發環境的挑戰與應對

陸　輝卞曉冰

1.長江大學石油工程學院 2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院

北美頁巖氣開發環境的挑戰與應對

陸輝1卞曉冰2

1.長江大學石油工程學院 2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院

陸輝等.北美頁巖氣開發環境的挑戰與應對. 天然氣工業，2016，36（7）：110-116.

近年來，為緩解油氣資源短缺的難題，全球不少地區的頁巖氣開發都步入了快車道，特別是北美和中國的頁巖氣產業，已經進入工業投產階段。但是，開采頁巖氣所引發的大量環境問題也逐漸浮現。為此，通過廣泛調研北美地區頁巖氣產業開發中所遇到的環境問題，逐一分析了開發過程可能形成污染物的來源、運移通路以及潛在的環境損害后果，認為頁巖氣開發主要存在地下水污染、有害氣體泄漏、淡水損耗、微地震發生等多個方面的環境風險。其次，總結了當地政府針對頁巖氣開發的環境風險所采取的應對措施，認為應重點著手于防范返排液污染、降低甲烷排放量、監測微型地震等。最后，針對中國的頁巖氣開發形勢，指出在越來越嚴格的環保要求將成為新常態的背景下，政府監管部門和頁巖氣開發企業應立足于國內的實際情況，充分借鑒北美頁巖氣開發的經驗、汲取已有的教訓，從政策法規、技術和信息公開等方面入手，多管齊下，以規避頁巖氣開發中所面臨的環境風險。

北美地區 非常規能源 壓裂 水污染 溫室氣體 對策 新常態 政策法規 中國 環境風險

近年來，為緩解油氣資源短缺的難題，全球不少地區的頁巖氣開發都步入了快車道，特別是北美和中國，頁巖氣產業已經進入工業投產階段。但是，在這股開發熱潮的背后，開采頁巖氣所引發的大量水資源消耗、地下水層污染、有毒氣體泄漏以及地質災害等環境問題也逐漸浮現。為此，筆者分析研究了美國和加拿大頁巖氣開發的環境保護的經驗和教訓，以期從環境保護角度為我國頁巖氣產業的發展提供建議。

1　頁巖氣開發可能導致的環境風險分析

1.1地下水的污染

頁巖氣開發對地下水的污染威脅主要包括：鉆井過程中的泄漏、壓裂液中污染流體的泄漏以及返排液的處理等。

鉆井過程中漏失的流體主要是廢棄鉆井液和鉆井廢水，鉆遇異常低壓地層或裂縫，會造成鉆井液漏失，引發地下水污染。作業事故引發的溢流井噴，以及大量鉆井液通過井噴后壓井作業失敗形成的裂縫進入地層，都會造成污染。研究表明，美國采用水平井開發的頁巖氣藏，其鉆井過程中會比常規直井開采的氣藏產生更多的廢水。在Marcellus頁巖氣田，水平井鉆井過程中，單井產生廢水為660±115 m3，而常規直井鉆井僅為102±6 m3［1］，采用水平井而產生的大量鉆井廢水在一定程度上也加大了地下水污染以及泥漿池、排污溝的鉆井污水發生滲漏和溢流的機率。

頁巖中存在著多種潛在的污染流體，主要指束縛水和壓裂液中的抗菌劑：壓裂目標層內已存在于地下數百萬年的束縛水中通常含有高濃度的鹽類、苯、砷和汞等污染物，以及伴生放射性物質；而用于抑制細菌生長的鹽酸、戊二醛等抗菌劑均對環境有一定的危害性，對水體可造成污染［2］。這些污染流體一般在壓裂鉆塞作業完成后，通過井筒返排回地表，且這個返排周期最長可以延續整個生產期間［3］。研究顯示，頁巖氣藏壓裂液返排率較低，僅為10%～40%［4］。針對大量沒有被回收的壓裂液去向，Engelder分析了Marcellus頁巖氣田的測井資料后發現，低滲透的頁巖僅含有較少的游離水，大量的壓裂液可以就此被頁巖吸收［5］。這些殘留在頁巖層內的壓裂液，一般不會對位于儲層數百米上方的地下水層造成污染，但是在返排液的回收以及處理過程中易造成污染，特別是壓裂液和地層水中的天然污染物可以穿過井筒和套管之間沒有完全密閉的環空，或者壓裂目標層以外的天然裂縫以及斷層等水文通道，運移到含水層造成對地下水的污染［6-7］。而近來的研究發現，當前對于返排廢水的放射性評估集中在單一元素鐳上［8］，忽略了鈾、釷、錒等放射性元素，大大低估了其總放射性污染水平，從而也低估了污染流體造成淡水污染的風險。

在返排液處置前的臨時存儲或者運輸過程中，也存在著環境污染的風險。這些液體通常被儲藏在管線中甚至露天蒸發池里，暴雨和大風等極端天氣可能導致蒸發池中的返排液溢出，造成徑流污染，進而給當地的生態環境和社會生產生活帶來難以預計的影響［9］。

1.2有害氣體的泄漏

頁巖氣開采過程中所泄漏的有害氣體主要就是甲烷。甲烷是頁巖氣的主要成分，同時也是導致全球氣候變暖的溫室氣體之一，當前全球氣候變暖1/3的原因可以歸結于甲烷氣體的排放［10］。研究證明，在過去100年間，甲烷的暖化能力比二氧化碳高33倍［11］。此外，泄漏的甲烷在地層中可以被細菌氧化，導致氧氣耗盡，而低氧濃度則會導致地層中砷、鐵離子的溶解度增加，污染地下水質［12］，并且低氧濃度下厭氧細菌增殖可以將硫酸鹽還原為硫化物，會進一步加劇地下水和大氣的污染風險。因此限制頁巖氣開采過程中的甲烷泄漏具有重要意義。

開采頁巖氣藏時所泄漏的甲烷一般要多于常規氣藏［13］。這是由于在壓裂后返排期內，返排液回流到地表的同時，伴隨著大量的甲烷氣體，并最終排放到大氣中，導致了大氣中甲烷氣體含量的增加。Howarth等人研究了頁巖層水力壓裂后溫室氣體的排放情況。結果表明，在頁巖氣生產過程中，占總產量3.6%～7.9%的甲烷泄漏到大氣中，而這些泄漏的甲烷量超出常規氣藏開發泄漏量的30%～200%［14］。

頁巖氣開發過程中，環空中的密封不嚴也可以導致部分甲烷泄漏，泄漏的通道如圖1所示。在氣井建井施工中，如果固井失敗或者環空密封不嚴，會造成甲烷沿井筒外壁竄至飲用水層或其他巖層［15］，引發環境風險。據統計，在2008—2013年間，賓夕法尼亞州6 466口非常規氣井施工過程中出現219次故障，故障率達到了3.4%，其中套管和水泥膠結的故障率為1%～2%［16］。泄漏的甲烷進入到飲用水層，可造成飲用水混濁，當甲烷濃度達到10 mg/L的極端情況時會發生爆炸［15-17］。隨著頁巖氣開發力度的加大，發生甲烷泄漏的風險也不斷提高。而美國相當一部分頁巖氣工區位于人口稠密的地區，近年來，得克薩斯州的DeSoto、賓夕法尼亞州的Dimock和Milanville等地頁巖氣工區的鄰近居民水井中常有甲烷被發現［18］。關于這些甲烷的來源存在著分歧，即甲烷是來自頁巖氣開采中的泄漏還是由淡水系統中微生物合成的［19］。

圖1　甲烷泄漏的通道圖

其他層中的甲烷，同頁巖層中的甲烷一樣，都可以通過斷層由地層深處向上運移，或者通過裂縫由沼澤或冰磧層進行橫向運移［20］，并最終進入飲用水層中；此外，居民水井中的甲烷也可能來自儲氣罐、煤礦、垃圾填埋場、天然氣管道和被遺棄的氣井等［21］；當甲烷在地下運移時，也可能被部分氧化，進而與其他氣體混合，或者沿著移動路徑逐漸稀釋，這在一定程度上加大了確定甲烷來源的難度。因此，除了對甲烷泄漏地區水井和頁巖氣生產過程進行長期地下水取樣以及檢測之外，也應當采用多種手段分析水井中甲烷的來源，減小甲烷泄漏帶來的地下水層環境風險［22］。

頁巖氣開采過程中產生的有害氣體還包括氮氧化物（NOx）、返排液中易揮發的有機廢氣、PM2.5和PM10等大氣顆粒懸浮物以及臭氧等大氣有毒物。Robinson對上述有害氣體排放的主要來源和次要來源做出了分析（表1），氮氧化物的來源主要是建井過程中的鉆機和壓裂泵等，有機廢氣的來源主要是完井放空，PM2.5等大氣懸浮物主要來源自建井過程［23］。

1.3淡水的損耗

當前頁巖氣商業性開發的迅猛增長與以水平井和水力壓裂為代表的頁巖氣開發關鍵技術獲得突破是密不可分的［24］，然而這也以水資源的大量消耗為代價。在Marcellus頁巖氣田，單口水平井整個生產過程需要用水7 500～27 000 m3［25］，與之相比，由于接觸面積小，直井只需要用水3 700 m3（圖2）。統計結果顯示，Marcellus頁巖氣田天然氣開采用水量平均為70 780 m3/d，且其中的95%都消耗在水力壓裂上，而壓裂用水大部分（60%～70%）是來自地表水提取。在生產高峰期，該氣田的用水量甚至達到了賓夕法尼亞州淡水消耗量的1%［26］。在生產區當地過度取水或在干旱條件下維持生產，還會帶來更加嚴重的環境問題，而這些問題在美國西南部和西部干燥的頁巖氣區塊是普遍存在的。此外，頁巖氣的產量與生產井數目密切相關［7］，頁巖氣產量的增加必然要求氣井井數急劇增加，也就意味著消耗水量的進一步增加，水資源短缺的問題將變得更加嚴重。

表1　有害氣體的泄漏來源

圖2　Marcellus頁巖單井開采頁巖氣地下水的消耗量圖

1.4微地震的發生

頁巖氣開發中需要注意的風險還包括水力壓裂以及污水回注可能導致的低震級地震，學者們對于頁巖氣開發是否能誘發地震持有不同的觀點。

Frohlich等的研究認為得克薩斯州Fort Worth盆地（Barnett頁巖氣藏所在地）發生的低震級地震與該地區頁巖氣開采中的水力壓裂之間沒有確鑿的聯系，但是發現返排液加壓回注鹽水處理井后，部署在附近水井中的井下地震儀陣列檢測到了約1 000次微地震，其中最大的震級約為里氏1.6級［27］。Ellsworth的研究也發現俄克拉荷馬州一系列微地震的增加主要是由于返排液廢水回注引起的，和壓裂關系不大［28］。

De Pater等則持有不同的觀點，他們認為水力壓裂引發低震級地震的可能性非常大，這是因為在壓裂液高壓注入斷裂帶后，緩解了斷層間的摩擦，使其更加容易滑移，從而引發地震［29］。Lamontagne的研究發現，在加拿大的不列顛哥倫比亞省和阿爾貝塔省，較為頻繁中等強度的地震與水力壓裂相關，震級最高達到里氏4.4級［30］，而這一地區在開展壓裂之前，僅有較微弱的地震發生。

1.5其他方面的威脅

Soeder等的研究認為頁巖氣建井施工中，低等級的農村公路難以承受重型設備的移動，安全隱患大、破損嚴重，而拓寬或新辟道路又存在造成小溪和小流域侵蝕以及污染的可能［31］。同時，道路和井場的建設需要侵占大量的耕地，侵占耕地及鉆井、壓裂等活動也可能會影響到附近野生動物種群的棲息和繁育。

與常規油氣藏的水力壓裂相比，頁巖氣藏水力壓裂作業規模大、排量高，一般在12～14 m3/min之間，壓裂車施工時產生的噪音巨大，對壓裂現場附近居民的生活會造成一定影響。

2　環境風險的應對措施

在頁巖氣革命的推動下，頁巖氣產量的快速增長是過去30年來世界能源生產端的巨大變革。特別是在美國，2012年頁巖氣的產量已占其天然氣總產量的39%。然而在商業開發高速增長的背后，不可避免地帶來諸多環境問題，這也引發了美國政府和民間的廣泛關注。政府的監管部門和頁巖氣開發企業已開始采取大量的補救措施。

2.1地下水保護對策

早在2005年，為促進頁巖氣開發，美國國會曾將水力壓裂排除在國家環境保護局所制訂的《安全飲用水法案》之外，企業也不需要公開壓裂液的化學成分，這就降低了對于頁巖氣開發的環保要求。隨著近年來頁巖氣開采的環境污染問題逐漸被重視，得克薩斯州等8個州已要求企業公布壓裂液中所添加的化學添加劑配方，其余州的很多企業已經主動公開了這些信息［32］。與此同時，眾多科研單位加緊研究更環保的綠色壓裂液，這也有助于降低壓裂液污染所造成的環境和健康風險。

對于有可能造成環境污染的返排液，美國頁巖氣工業處置方式主要有以下兩種：①Barnett、Woodford、Fayetteville以及Haynesville等氣田的處理方法是將返排液直接注入地下鹽水層，如Barnett氣田頁巖層下面的Ellenberger組石灰巖層［33］；②Marcellus氣田的處理方法則是借助于城市污水處理系統，凈化處理后的返排液可以被淡水稀釋后重新作為壓裂液注入［34］。對返排液的循環利用可以最大限度地減少壓裂用水量。然而由于近年來壓裂作業數目大增，產氣量大幅提升，Marcellus頁巖氣田的處理設施已經不能滿足劇增的返排液處理需求，也缺乏處理鉆井過程中所產生的高鹽度廢水的設備，不能達到重復使用返排液進行后續壓裂作業的要求。此外，賓夕法尼亞州環境保護局要求開發企業，對于移動儲罐、蒸發池和井口之間的流體等必須長期監測并定期測試，對于運輸至注入井和處理廠的返排液，必須采取嚴格的預防措施，以防止泄漏。

2.2控制有害氣體排放

在控制頁巖氣開發過程中的地層水及地表水污染的同時，美國還采取了一系列措施限制溫室氣體的排放，國家環境保護局已將甲烷納入污染源監測范圍，并設定氣井的天然氣放空和燃燒的限值，嚴格要求在井口安裝甲烷捕集設備，以減少甲烷的排放量［35］。目前，已有多項捕集技術被應用，甲烷的排放量可以降低80%［36］。同時甲烷在地層中的運移也受到了極大的重視。在Marcellus頁巖氣田投入開發前，已有在私人水井中發現甲烷的相關報道，經分析后認為這些甲烷是由地下（如煤層，冰磧巖或頁巖）運移而來的。然而，由于缺乏可靠的數據，在頁巖氣井投入開采之后，公眾很容易將這類甲烷運移引發的環境事故歸因于天然氣開采活動。因此，匹茲堡大學的研究者建議，在建井前應廣泛收集和整理地層的詳細地質資料，在此基礎上，進一步使用多種技術手段可以更好地分析甲烷的運移情況，從而采取適當措施減少甲烷的排放量［37］。

2.3其他方面

水力壓裂施工過程中可能造成大量的微地震，雖然這些地震震級較小且在地表難以被檢測，但是在施工過程中的地震監測對于防止壓裂引發高震級地震是必不可少的。美國地質調查局正在對誘發地震的地質條件和工業實踐進行研究，以制定應對地震風險的方法［28］。

3　對于中國頁巖氣開發的啟示

近年來，公眾的環保意識逐漸加強，更加嚴格的環保要求將成為“新常態”。因此，分析美國頁巖氣環境保護政策的發展演變以及防范的具體技術措施，將會為我國頁巖氣產業安全、綠色發展提供許多的啟示。

首先在政策層面，應盡早制訂和完善與開采頁巖氣相關的政策和法規，并對污水泄漏和其他意外排放、低震級地震等風險進行全面的評估，基于國內頁巖氣開發的特點，可以參照美國當前實施的和正在制訂的聯邦法律法規，以及相關州的法規，進而制訂中國頁巖氣開發環境監管法律體系。根據頁巖氣開發工區的地質特征和開發特點，建立相應的生產技術標準，特別要對壓裂液返排過程進行全程動態跟蹤分析，并且對返排液的處理和泄漏、甲烷的排放和泄漏以及壓裂施工中的低震級地震進行嚴格的監測。

同時，進一步加大技術層面上的投入力度。例如，加大對于壓裂液體系研發的投入，研發出性能穩定、無腐蝕性、低傷害的壓裂液。針對壓裂時注入流體中大部分未在返排期間排出的情況，應建立基于目標層地球物理和地球化學特征的數學模型，以精確計算整個壓裂流體的流量，并預測流體的運移通路以及注入流體的最終分布位置。在此基礎之上，結合壓裂液返排過程和低震級地震監測的“大數據”，可以更加有效地鎖定污染源，協助環保部門更好地預測未來發展趨勢。這也有助于緩解外界對于頁巖氣開采造成環境風險的疑慮。

最后，應加強頁巖氣開采過程中的用水管理。淡水資源的大量消耗是頁巖氣開發過程面臨的主要環境風險之一，相對于Marcellus頁巖較淺的埋深（1 291～2 591 m），涪陵頁巖氣田正在開發的層系埋深在2 200～2 400 m之間，這意味著需要消耗更多的水資源。此外，我國頁巖氣資源儲量豐富的地區大多數也是季節性缺水嚴重的地區，淡水資源匱乏。因此必須對頁巖氣開發過程中水資源的消耗加以重視。而根據美國的經驗，用水管理的關鍵在于返排液的重復利用。壓裂返排液通過技術處理達標后，被重新配制成壓裂液，用于下次施工，實現循環利用。此外，考慮到頁巖氣滾動勘探開發的特點，有必要在投產之前預先安排設計返排液處理設備，避免因產量快速增長、循環處理設備不足而產生環境危害。對于無法避免的污水泄漏和其他意外排放所形成的環境風險要進行全面風險評估和監管，力爭做到對于水資源合理、有效地利用。

4　結束語

未來數十年間，頁巖氣產業的發展將逐漸成為世界經濟的重要推進器。縱觀北美地區30年來開發頁巖氣的歷程，在頁巖氣開發初期就要對其環境風險予以足夠的重視。我國的頁巖氣產業處于起步階段，頁巖氣藏主要分布地區，地形往往較為復雜，人口比較稠密，加之近年來公眾的環保意識逐漸提升，因此監管部門和開發企業應立足于頁巖氣田當地的實際情況，充分借鑒北美地區頁巖氣開發的經驗和教訓，完善相關政策法規，加強技術投入，利用監測過程中產生的“大數據”助力環境保護，從政策、技術和信息公開等角度入手，始終把安全環保、綠色低碳放在首位，堅持資源開發和環境保護并重，多管齊下以規避頁巖氣開發中所面臨的環境風險。

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Lessons from North American shale gas development : How to mitigate such associated environmental risks

Lu Hui1， Bian Xiaobing2
（1. Petroleum Engineering College， Yangtze University， Wuhan， Hubei 430100， China； 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering， Beijing 100029， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.110-116， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

In order to alleviate oil and gas shortage， shale gas has been recently developed at a high speed all over the world， especially in North America and China where the industrialized shale gas production has been carried out. However， a great number of environmental issues have arisen accordingly. In this paper， the environmental issues occurred in the shale gas development in North America were investigated， and then the potential sources， migration pathways and consequential environmental damages of pollutants formed in shale gas development were analyzed one by one. Such environmental risks are believed to be attributed to groundwater pollution， harmful gas leakage， freshwater loss and micro earthquakes. Moreover， the countermeasures taken by local governments to address the environmental risks were reviewed. It is recommended that flowback fluid pollution prevention， methane emissions reduction and micro earthquakes monitoring be focused. Finally， in view of China's shale gas development situation， it is proposed that， under the New Normal of increasingly rigorous environmental requirements， relevant governmental regulators and shale gas development enterprises should combine the practical situations in China and the available experiences both in China and abroad to minimize the environmental risks in shale gas development， from the aspects of policies and regulations， technologies and information disclosure.

North America； Unconventional energy； Fracturing； Water pollution； Greenhouse gas； Countermeasure； New Normal； Policies and regulations； China； Environmental risk

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.016

2016-03-20 編 輯 陳 嵩）

國家科技重大專項“3000型成套壓裂裝備研制及應用示范工程”（編號：2011ZX05048）、長江大學博士啟動基金（編號：801110010145）。

陸輝，1980年生，博士；主要從事非常規能源方面的研究工作。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區蔡甸街大學路111號。ORCID：0000-0002-1718-7364。E-mail：luxhui@yahoo.com