頁巖氣勘探開發對水環境的影響及建議

王 丹，何 敏

(涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心，重慶 408011)

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頁巖氣勘探開發對水環境的影響及建議

王 丹，何 敏

(涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心，重慶 408011)

分析了頁巖氣勘探開發過程中可能出現的水環境問題，如大量消耗水資源、地下水污染及地表水污染等；總結了美國在水環境保護問題上的監管經驗，并在此基礎上提出了針對國內頁巖氣開發實際情況的水環境保護建議。

頁巖氣；開發；水環境問題；水環境保護；監管經驗；建議

1 頁巖氣勘探開發現狀

頁巖氣是一種以游離態、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非常規天然氣，具有自生自儲、連續聚集的特點[1]。美國能源署(EIA) 2011年4月公布的數據表明，除俄羅斯和中東國家外，全球頁巖氣可開采量為189萬億m3，中國頁巖氣儲量約100萬億m3，是常規天然氣儲量的2倍，其中可開采量為36萬億m3，約占全球可開采量的20%，比美國高約7%，位居世界第一[2]。

近年來，美國非常規天然氣工業快速發展，致使其成為頁巖氣商業開發最早的國家，開采技術也不斷創新，尤其是水平井技術和水力壓裂技術，成為了頁巖氣勘探開發過程中的關鍵技術。目前，中國的頁巖氣勘探開發正處在探索研究階段，在技術上仍須借鑒美國先進的開發技術，配套以自主研發的頁巖氣勘探開發配套技術，能為頁巖氣的大規模開發提供技術保障。隨著頁巖氣產量的急劇上升，日益凸顯的環境問題成為頁巖氣開采國家不可忽視的問題，這些環境問題主要包括：水環境污染、大氣環境污染、土地污染和地質災害，尤其以水環境污染問題最為嚴重。美國麻省理工學院(MIT)在2011年發表的天然氣年度報告中指出[3]：2001—2010年的10年間完鉆的頁巖氣井發生了43起廣泛報道的水污染事故，其中48%涉及鉆井液和壓裂液污染地下水資源，33%涉及現場污水泄漏，10%涉及返排水和空氣質量，9%涉及現場污水外排(圖1)。

2 頁巖氣勘探開發引發的水環境問題

頁巖氣是一種低滲透的非常規天然氣，需要采用水平井和水力壓裂技術提高其采收率。采用這兩種技術可能帶來的水環境問題主要有：水資源消耗、對地下水的污染及對地表水的污染。

2.1 水資源消耗

頁巖氣開采過程中的耗水量很大，尤其在水力壓裂階段用水強度達到最高，且隨著產層地質特點的不同，以及水平鉆井段的深度、長度和被壓裂水平段數目的差異，用水量還可能會產生很大的變化。根據美國能源部統計[4]，美國Marcellus頁巖氣田單井平均耗水量約為1.5萬m3，其中水力壓裂的耗水量占98%；Fayetteville頁巖氣田單井平均耗水量約為1.2萬m3，其中水力壓裂的耗水量占95%； Barnett頁巖氣田單井平均耗水量約為1萬m3，其中水力壓裂的耗水量占85%；Haynesville頁巖氣田單井平均耗水量約為1.4萬m3，其中水力壓裂的耗水量占73%。國內頁巖氣藏普遍埋藏較深，相對于國外需要消耗更多的水資源。頁巖氣開采中水力壓裂階段的耗水量是常規油氣井的50～100倍[5]，隨著頁巖氣開采量的不斷攀升，如此高的耗水量很可能對作業區環境造成累積影響，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，這些都將影響當地水生生物的生存、捕魚業、城市生活和工業用水等[6-7]。

我國頁巖氣勘探開發的有利區域主要集中在華北平原(黃淮海平原)、遼寧、山西、天山及河西走廊等地區，而這些區域也正是我國重點缺水地區。因此，這些地區的頁巖氣開采需依靠地下水，這就極有可能造成地下水資源枯竭、含水層能力喪失及水質惡化等問題。

2.2 對地下水的污染

頁巖氣開采對地下水的污染主要有三方面：甲烷對地下水的污染、鉆井液和壓裂液滲透至地層污染地下水、壓裂返排液回注造成的地下水污染。

頁巖氣的主要成分是甲烷。在頁巖氣勘探開發過程中，甲烷氣體向淺層地下水遷移，引起地下水甲烷含量超標。有研究者發現，距頁巖氣生產井直徑1km范圍內淺水井中具有高濃度的甲醛[8]。賓夕法尼亞州和紐約州68個私有水井中的甲烷含量超標，有些地區自來水中冒出的氣體還可以被點燃，研究證實，甲烷污染飲用水的現象與水力壓裂法開采頁巖氣有密切關系[9-10]。2012年9月，美國EPA發布“水力壓裂法對飲用水資源潛在影響研究”階段性報告[11]。從報告案例分析中發現頁巖氣勘探開發區淺層地下水中甲烷濃度異常現象，得出水力壓裂可能造成上層地下水甲烷污染的結論。但是，頁巖氣開發引起的含水層潛在甲烷污染成因機理尚不明確，還處在研究階段。目前國外關于頁巖氣開發引起含水層甲烷污染的機理有兩種[12]：①含水層中多種不同成因來源甲烷識別研究；②含水層甲烷污染途徑與遷移通道識別技術研究。

頁巖氣勘探開發過程中，鉆井液和壓裂液可能導致淺層地下水受到污染，而深部頁巖層的水與淺層地下水之間具有水力聯系，因此深層地下水受污染也可能導致淺部地下水受到污染。頁巖氣鉆井過程中，若發生嚴重的井漏，會使鉆井液通過裂縫、孔隙或溶洞進入地層并通過流體的遷移作用污染淺層地下水，甚至可能造成井噴或井塌卡鉆事故。而在水力壓裂過程中，壓裂獲得的高度密集的網狀裂縫系統為流體的遷移提供了通道，壓裂液中的化學添加劑，如殺菌劑、破膠劑、pH調節劑、降濾失劑以及表面活性劑等可能直接通過斷裂、裂縫系統自地下深處緩慢向上遷移至地表或淺層，并通過污染物在環境中的遷移轉化造成淺層水資源的污染。Warner等[13]通過同位素比值分析認為深部頁巖層和淺部水層之間存在聯通的裂縫和路徑。美國環境保護署于2011年12月公布的俄明州Pavillion頁巖氣田地下水污染初步調查報告中指出[14]：水力壓裂法與地下水源污染有關。雖然美國和中國的地質構造不同，氣藏埋深也不相同，國內的頁巖氣開采過程的水力壓裂法是否會對地下水源造成污染也無定論，但不能排除其風險。

另外，水力壓裂的同時還會產生部分壓裂返排液到地面，返排液中含有較高的COD、金屬元素和總溶解性固體(TDS)，隨意排放勢必會對地表水造成污染。目前對這類壓裂返排液的處理方式通常是經過處理后排放或處理后回注，但是現階段國內外還沒有針對頁巖氣壓裂返排液的達標排放標準、回注標準等，若這些返排液回注之前處理不當，回注也勢必會對地下水造成污染。這也是某些國家(如法國和保加利亞等)禁止水力壓裂技術勘探開采頁巖氣的主要原因[15]。據ENS環境新聞網報道，美國紐約州于2015年7月正式宣布將在全州范圍內禁止水力壓裂法開采油氣。

2.3 對地表水的污染

地表水的污染主要體現在鉆井廢水、壓裂返排液和采氣廢水不合理排放造成臨近河流等地表水的污染。

鉆井廢水是鉆井泥漿的高倍稀釋物和油類的混合物，包含了無機物、有機聚合物、油類物質、粘土和加重材料等，具有成分復雜、水質多變、COD濃度高、色度高及可生化性差等特點。這些物質進入地表水體后不僅會污染水體，還可能間接對人類和動植物造成危害。首先，高濃度的油類物質進入水體，會在水體表面形成厚度不一的油膜，破壞了復氧過程，導致水體的溶解氧濃度下降，從而影響水質和水生動、植物的生存。其次，有機烴類具有致癌、致畸性和毒性，直接對人類的身體健康造成威脅，且可經水生生物的富集在人體內殘留，在哺乳動物細胞中可通過代謝作用活化而形成高毒性的代謝產物，造成不可逆轉損傷生物大分子DNA。

壓裂過程產生的壓裂返排液及采氣過程產生的采氣廢水潛在的環境危害也較大。有數據表明[16]，在注入水力壓裂液并釋放壓力后，返回地面的壓裂液達到10%～70%。雖然多數情況下，壓裂返排液可用于重新配置壓裂液，但是仍有部分壓裂返排液不能滿足配置壓裂液的要求，需要對其進行處理。采氣過程中，每產生100萬m3的燃氣會伴隨3～13萬L的采氣廢水產生[17]。這兩類廢水中除了含有化學添加劑以外，還有儲集巖中浸出的烴類化合物、重金屬和大量的TDS等。若這些廢水未經處理或處理不達標流入地表水體，會引發嚴重的水污染。首先，地表水中的懸浮性或深沉污染物的濃度增加，促進磷等營養物質的混入可能導致地表水的富營養化；其次，返排水中的重金屬及細菌等有害微生物進入飲水源后會對人體造成傷害。賓夕法尼亞州Cabot地區由于頁巖氣開采過程中大量壓裂返排液流入特拉華河流域，已造成該地區23.3km2的區域被污染，嚴重缺乏飲用水[7]。返排液中的TDS雖然不會直接給人體帶來傷害，卻限制了其在農業灌溉和牲畜飲水等方面的潛在利用。

3 水環境問題帶來的思考

頁巖氣開發實踐表明，頁巖氣的開發不僅能夠帶來可觀的經濟效益，同時也引發了一系列的環境問題，其中最明顯的即是水環境問題。作為頁巖氣開發起步較晚的國家，我們不僅需要學習歐美國家先進的開發技術及環境風險控制措施，總結經驗教訓，更需要結合自身的實際情況，建立適應中國頁巖氣開發的環境管理體系，并制定相應的政策和標準。

3.1 美國頁巖氣開采的水環境監管經驗

美國不僅在頁巖氣開采的關鍵技術上走在了時代的前列，關于對頁巖氣開采帶來的水環境問題的防治與監管也處于領先水平，建立了相對完善的監管體系，包括水資源保護、地表廢水監管、地下灌注及壓裂液化學成分等。

(1)美國環境保護局(EPA)和各級州府環境保護局都有嚴格的水環境保護規劃，有明確的水環境保護目標、應對措施和污染處理設施，這些為頁巖氣開發過程的水環境監管提供了有力保障[18]。美國地質調查局還提出了3個要求限制頁巖氣開采過程中水資源消耗[17]：①鉆探用水不能給當地的水資源帶來沖擊；②避免小流域和河流的退化；③評估鉆探回收水的利用程度。這3個要求在一定程度上降低了地表水和地下水資源枯竭、含水層儲水能力喪失的風險。

(2)美國對頁巖氣開采過程中產生的廢水管理提出了5個基本的要求[17]：①最大限度減少廢水的產生量；②鉆井作業中進行循環回收和再利用；③廢水處理；④廢水處置；⑤處理后其他有益利用。聯邦《清潔水法》禁止天然氣點源廢水污染物直接排放，水力壓裂液不得直接排放到地表水體，必須運送到擁有排放授權的處理設施并通過國家污染物排放消除系統許可證制度落實。同時，政府針對頁巖氣壓裂返排廢水的特殊性，出臺了有別于常規油氣田廢物處置要求的規定，但各州差別較大[19]。

(3)美國《安全飲用水法》對天然氣開采廢水的地下灌注做出規定，創建了“地下灌注控制項目”(UIC)。根據此項目，EPA將地下灌注分為五級，每個級別適用于不同的標準和要求。UIC的內容包括許可程序、監測、監測和報告程序等，對注水井的選址、建設、操作、維護、監控、測試乃至關閉都做了相應的要求。通過此法對地下飲用水源注入廢物進行限制，也從側面降低了地下水源的污染風險。

(4)美國有14個州要求一定程度公開水力壓裂液的化學成分，有7個州要求給出具體的化學組成，2個州要求報告實際使用化學品濃度。同時美國公開發布一款“混合與測算模型”[19]，用以分析評估頁巖氣壓裂液所產生廢水的成分及廢液中有毒有害物質比例，以此來監管產生的廢液。

3.2 國內頁巖氣開采的水環境保護建議

美國雖然具有相對完善的水環境監管體系，但是早期仍然存在對水力壓裂技術水環境影響認識滯后和“哈里伯頓漏洞”等問題[20]。我們應借鑒美國在水環境保護監管方面的經驗教訓，結合國內頁巖氣勘探開發的現狀，建立屬于自己的水環境保護體系。

(1) 建立健全水環境監管法律法規體系，制定相關污染物控制標準及規范

我國擁有相對完善的水環境保護法律法規，如《環境保護法》、《水法》及《水污染防治法》等。根據這些法律法規，可以對頁巖氣開采進行監管，但是這些法律法規與頁巖氣開采的時序性及用水特征并不匹配。此外，我國缺乏對化學用料有效的評估和監管的措施。對頁巖氣這一非常規天然氣的開采，水力壓裂技術成為關鍵，水力壓裂液的成分被很多公司定義為商業秘密，并不對外公布。但是壓裂液中的化學成分相當復雜，如果這些化學物質因操作不當而滲透到水源中，會造成無法預測的危害。嚴格意義上說，我國針對頁巖氣開采的法律法規幾乎沒有，因此，需要建立針對性較強的法律法規，通過立法來制約頁巖氣開采對環境的破壞。

我國在常規能源開采上制定了相應的污染物排放控制標準及規范，如《海洋石油開發工業含油污水排放標準》、《陸上石油天然氣開采工業污染物排放標準》(征求意見稿)及《采油廢水治理工程技術規范》等；部分地區制定了地方標準與規范，如陜西省《石油開采廢水排放標準》、黑龍江省《廢棄鉆井液處置規范》等。而針對頁巖氣的開采，各類污染物的排放均沒有一個統一的標準或者處置規范來監督，因此，需要制定嚴格的標準規范來指引頁巖氣開采過程中的水環境保護。

(2)推動廢水處理工藝技術研究

針對頁巖氣開采過程產生的各類廢水的特殊性，在借鑒國外處理技術的基礎上，要自主研發符合國內開采現狀的廢水循環利用、回注以及達標排放的處理工藝技術，為降低水資源消耗和控制水污染提供技術支撐。廢水的循環利用需要考慮回收率(循環水量與初始注入水量之比)和循環水質量[3]。合理安排各井間循環水的使用，能減少清水的補充量。同時，循環水水質必須考慮以下指標：①鹽含量；②總固體懸浮物；③成垢化學品(Ba、Ca及Mn的鹽類)；④微生物含量。回注技術的研究，必須確保污水回注后不會威脅到當地的供水系統。

(3)以節約水資源為基礎，探索新的壓裂技術

水力壓裂技術耗水量大，因此對水資源的需求量以及對地表水和地下水的威脅也較大。為了改變這一現狀，可以探索新的壓裂技術，如用水量少的混合壓裂技術以及纖維壓裂、通道壓裂、干法壓裂及液化石油氣壓裂等無水技術[21]。這些壓裂技術能夠解決國內水資源匱乏、壓裂液處理技術繁瑣等問題，還能在施工時減少清水壓裂鋪砂不到位、強濾失、易脫砂等問題，提高頁巖氣的產量。尤其是液化石油氣壓裂，具有攜砂量大、造縫能力強、對地層無傷害、返排時間短及完全返排等特點[22]，應重點研究。在必須使用水力壓裂的情況下，研究綠色無害化的化學添加劑，可以降低壓裂液對水體的危害。

(4)定期開展水環境監測工作

頁巖氣開采過程中應定期開展環境監測和評估，加強對各類廢水排放量及污染物濃度的監管，并定期監測地表水和地下水中可能存在的污染物濃度，評估頁巖氣開采對地表水和地下水的環境風險，確保開采過程中不會出現水環境事故而影響周邊居民的生產和生活。

4 結束語

頁巖氣開采帶來可觀經濟效益的同時也引發了不可忽視的環境問題。水力壓裂技術的應用，不僅大量消耗了水資源，還可能引發地下水和地表水污染。中國還處在頁巖氣開采的初始階段，應借鑒美國等發達國家的經驗教訓，結合國內頁巖氣勘探開發的具體情況，建立屬于自己的水環境保護體系，推動新技術的研究，避免“先污染后治理”，做到經濟發展與環境保護協同并進。

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Impacts and Suggestions of Shale Gas Exploration and Development on Water

WANG Dan,HE Min

(Fuling Shale Gas Environmental Research and Technical Service Center, Chongqing 408011,China)

Exploration and development of shale gas in China is still in research phase, and inevitably brings a series of environmental issues such as water, air and soil pollution, especially water pollution. Therefore, this paper analyzed the water environmental problems in detail, such as water consumption, ground water pollution, and surface water pollution in exploration and development of shale gas, and threw out the water environmental protection suggestions about the Chinese actual situation of shale gas development based on the American water environmental protection supervision experience.

shale gas;inevitably ; water environmental problems; water environmental protection; supervision experience; suggestions

2016-06-23

王丹(1987-)，女，碩士，四川內江人，主要從事頁巖氣環境保護與技術研發工作。

X82

A

1673-9655(2016)06-0103-05