國內外頁巖氣開發環境管理現狀及對比

江 麗 劉春艷 王紅娟 于勁磊 宮 航

1. 中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院 2. 頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室

頁巖氣開發在帶來良好經濟社會效益的同時，也潛藏著不容忽視的環境風險。需要從頁巖氣開發項目的規劃選址、生產過程污染控制、污染修復與補救、跟蹤監測評估等方面共同著手，采取有效措施，確保既能促進頁巖氣行業的健康發展，又能有效防控環境風險，實現頁巖氣開發與環境保護的協調共贏。

綠色開發頁巖氣需要建立系統完整的頁巖氣開發環境監管體系，為此，根據頁巖氣開發過程中的主要環境影響和環境風險，在深入研究中國、美國、加拿大關于頁巖氣開發相關環保政策法規與標準規范的基礎上，對頁巖氣開發過程中廢水外排、廢水地下回注等8個方面的重點環境問題進行適應性對標分析，借鑒國外成熟的環境管理經驗，提出針對中國頁巖氣開發的環境管理建議，以期實現頁巖氣開發全過程環境監管，推進頁巖氣綠色開發。

1 中國頁巖氣開發相關環保政策標準

與傳統天然氣開發相比，頁巖氣開發的最大特點是水平鉆井和水力壓裂技術的應用[1-3]。但從根本上來說，兩者并無太大區別。頁巖氣開發過程中，需要防范壓裂作業、地下水及地表水環境壓力、鉆井固體廢物處置（尤其是含油巖屑處置）、壓裂返排液處理、甲烷的無組織排放及泄漏、水資源消耗等多方面的環境影響和風險[4-5]。頁巖氣開發過程中的主要污染物排放如表1所示。

表1 頁巖氣開發過程中的主要污染物排放一覽表

中國在相關的產業政策與規劃、國家及地方環境保護政策和建設項目環評管理等文件中明確了頁巖氣開發的環境管理思路和原則性要求，但缺乏專項適用的環境保護政策、標準規范，執行的均是通用性要求。環境管理的行業針對性不強，主要在外排廢水的溶解性總固體（TDS）和氯化物控制、地下回注要求、現場廢物管理等方面存在環境管理瓶頸。中國頁巖氣開發的主要環保政策標準如表2所示。

表2 （續）

頁巖氣壓裂返排液水質復雜，溶解性總固體（TDS）高、氯化物高、有機物含量高[6-9]。壓裂返排液、采出水等頁巖氣開發廢水不能回用時，無論是選擇外排環境，還是選擇地下回注，都面臨著很大的管理制度和控制技術障礙。

含油巖屑是以礦物油為連續相配制鉆井泥漿用于石油和天然氣開采所產生的鉆井巖屑，其含油率可達10%～30%，還含有多環芳烴等有機污染物和其他重金屬雜質（如砷、鉻、鉛等），含油巖屑已被列入《國家危險廢物名錄》（2021年版）。單井含油巖屑產生量介于300～400 m3，目前作為頁巖氣主產區的四川省每年頁巖氣等油氣開采產生含油巖屑約20×104t，不當處置將對生態環境構成嚴重威脅[10-12]。尤其隨著我國頁巖氣大規模效益開發的快速推進，亟待處置的含油巖屑量也在迅速增大。目前，國家鼓勵企業自行配套建設高標準的危險廢物利用處置設施，優先實行企業內部資源化利用危險廢物。但由于國家尚未出臺含油巖屑資源化利用污染控制標準或技術規范，致使含油巖屑及其回收基礎油后剩余固相的處置利用受到嚴重影響，這已成為制約頁巖氣規模效益開發的瓶頸問題之一。

2 頁巖氣開發環境管理對比分析及建議

2.1 美國頁巖氣開發相關環保法規標準

2.1.1 概述

美國是頁巖氣商業開發最早、最成功的國家，其環保法規、標準也相對完善。美國對頁巖氣開發活動的環境監管具有3個特點：①在傳統的石油、天然氣開發環保相關法規和標準基礎上進行管理，適當補充水力壓裂的特殊要求；②通過生產許可（如壓裂許可證）、排污許可（地下回注處置許可證）的方式進行管理，法規、標準要求納入許可條件；③因“哈利伯頓漏洞”的存在，頁巖氣開發中的一些環保要求在聯邦層面上被豁免（如水力壓裂作業地下回注的責任免除），各州為此制定法規以彌補聯邦環境監管的不足。美國環保技術法規相當于中國的強制性標準，每年編纂列入《聯邦法規典》（CFR）第40部分，其中很多法規直接稱作“標準”。美國對頁巖氣開發活動的環保管理既有嚴格的管控要求，如廢水的地表水體排放、大氣污染物排放，也有相對寬松的管控要求（如油氣廢物管理）甚至豁免，美國聯邦的主要環境監管框架如表3所示[13-15]。

表3 美國聯邦關于頁氣開發活動的主要環境監管框架表

2.1.2 廢水排放

對于陸上油氣開發項目，美國環境保護署（EPA）認為處置采出水的可行技術是地下回注，因此禁止采出水向地表水體直接排放。禁止非常規油氣開發廢水向城鎮污水處理廠排放是2016年追加的要求。EPA認為，非常規油氣開發廢水含鹽高，同時含有其他化學物質，排入公共污水處理廠會干擾污水處理廠的正常運行，造成污泥量增加并產生破壞菌群活性的有害副產物等[16]。根據《清潔水法》（CWA）的豁免條款，油氣開發活動中未受污染的場地雨水排放從《清潔水法》中豁免（其他行業排放場地雨水需獲得NPDES許可）。

美國《安全飲用水法》（SDWA）建立了地下回注控制計劃（UIC），EPA制定的地下回注法規列入聯邦法規典40 CFR 144～148部分，其中40 CFR 146《地下回注控制計劃：基準和標準》對回注井的建設、運行、監測、報告和閉井等進行了規定，油氣開發廢水地下回注需要滿足Ⅱ類處置井的各項要求，各州是實施地下回注控制計劃（UIC）的首要責任人。

美國對水力壓裂作業的監管采用壓裂許可證制度( Fracking Permits)。各州政府制定具體的標準、規范和披露要求，雖然各州法規的內容不同，但其意圖都在于向公眾提供壓裂液中化學制劑的信息。同時，水力壓裂技術因其成分復雜且含有毒化學物質而受到《安全飲用水法》（SDWA）的制約，而2005 年美國通過了《能源政策法案》（Energy Policy Act），將水力壓裂排除在UIC的管轄范圍之外，使美國頁巖氣開發獲得了歷史發展良機[17-20]。因此，Ⅱ類處置井地下回注要求不適用于頁巖氣開發水力壓裂過程[參見SDWA，Sec. 1421(d)(1)(B)(ii)條款]。

2.1.3 大氣污染物排放

美國頁巖氣開發活動執行的《新建污染源實施標準》( NSPS) 主要包括40 CFR 60 Subpart KKK（陸上天然氣處理廠VOCs泄漏）、40 CFR 60 Subpart OOOO（石油和天然氣生產、傳輸和配送）和40 CFR 60 Subpart OOOOa（2015.9.18后建設的石油和天然氣設施）等。頁巖氣開發活動執行的《國家污染源大氣有害污染物排放標準》（NESHAP）主要包括40 CFR 63 Subpart HH（油氣生產設施）、40 CFR 63 Subpart HHH（天然氣傳輸和儲存設施）等。

馮連勇等[20-24]的研究結果表明，頁巖氣的生命周期碳足跡顯著高于常規天然氣，頁巖氣開發完井階段的甲烷排放量約占其總產量的0.6%～3.2%，遠高于常規天然氣的0.01%。綠色完井技術是對水力壓裂過程的甲烷進行收集，盡可能減少其排放，這是2015年1月1日后對水力壓裂法開采天然氣的全面要求，在此之前建設的水力壓裂井，則可采用火炬或綠色完井技術，兩者選擇其一，減少甲烷排放。根據40 CFR 98《強制性溫室氣體報告》的要求，年排放量超過25 000 t CO2（以等當量計）的石油天然氣生產設施，需要從2012年起報告每年的CH4、CO2、N2O排放情況。

2.1.4 固體廢物污染控制

廢物污染控制的關鍵問題是界定所產生廢物的屬性及恰當的處理處置方法。1980年美國修訂《資源保護與回收法》（RCRA）時，考慮到鉆井液、采出水和其他油氣開發活動產生廢物的特殊性，要求EPA對油氣和地熱資源開發活動產生的廢物進行研究并采取適宜的管理措施[參見RCRA，Sec. 3001(b)(2)、Sec. 8002(m) 條款]。1987年12月28日，EPA向國會提交了報告，認為如此巨大體量的油氣開發廢物按危險廢物進行管理是不現實的，并于1988年7月6日在聯邦公報（53 FR 25446）上明確了油氣開發廢物不受RCRA Subtitle C（危險廢物）管轄。相應地，在EPA制定的40 CFR 261《危險廢物鑒別與名錄》中，將油氣和地熱資源開發活動產生的鉆井液、采出水及其他廢物排除在外[參見40 CFR 261.4(b)(5)條款]。因此，美國對油氣廢物不作為危險廢物進行管理。考慮到油氣廢物的特殊性質，各州一般將其視為特殊類型的固體廢物，通過法規提出嚴格的收集、儲存、利用、處置等過程管理與污染控制要求。

1）各州均對油氣廢物管理提出全過程控制管理要求，例如廢料坑的襯里和最小富余高度、關鍵基礎設施的建筑后退、固體廢物管理機構許可以及關閉和復墾等等。

2）各州針對一些監管參數也提出了不同要求，如滲濾液收集、地下水監測、空氣監測以及廢物特性描述等。

3）根據油氣廢物種類和性質的不同，采用不同的利用、處置方式，包括回用、農業應用、土地利用、地下回注、集中處置等等。雖然各州規定的儲存、利用、處置方式多樣，但都規定了相應的具體措施要求和操作標準，在環境管理的可行性和風險控制的有效性之間取得了平衡。

2.2 加拿大頁巖氣開發相關環保法規標準

加拿大建立了系統的油氣開發活動監管框架，通過條例（Regulation）、指令（Directive）、指南（Guideline）、暫行指令（ID-Interim Directive）等技術法規進行管理，如表4所示。

表4 加拿大聯邦政府和阿爾伯特省關于頁氣開發活動的主要環境監管框架表

加拿大要求保護頁巖氣開發過程中的水資源，廢水不允許排入地表水（例如湖泊和溪流）或用于飲用水供應的近地表含水層。在鉆井、完井過程中，開展地層完整性測試、地層流量測試和套管壓力測試，采用雙重屏障系統隔離壓裂液等措施保護地下水。

加拿大自然資源部的GHGenius生命周期分析模型可用于模擬頁巖氣的溫室氣體排放。生命周期分析考慮了燃料生產、加工、運輸和最終使用各個階段的所有重大溫室氣體排放，以提供完整的碳足跡。研究發現，頁巖氣的排放量比常規天然氣略高（高4%），但排放量卻比石油產品或煤炭低得多（低29%～38%）[25]。對頁巖氣開發過程中的廢氣排放，如完井過程中排氣、壓縮機以及氣動裝置的排氣等，要求捕集回收或燃燒處理（豁免除外）；同時要求開展設備與管線組件的泄漏檢測與修復工作。

鉆井、完井、生產操作過程中產生的任何垃圾、污水、廢液或其他廢棄材料，包括用過的或剩余的鉆井液、巖屑，要求確保處理不會對安全或環境造成危害，對于無法回收或再利用的流體注入深層地下巖層。對于水力壓裂液，要求企業報告壓裂流體數據（如服務商、水力壓裂情況、載液類型、支撐劑類型和壓裂液中化學添加劑成分信息）和水源數據等，并在FracFocus.ca網站上披露[25-26]。

為了在項目生命周期結束時正確恢復石油和天然氣場所，公司必須遵循相關場地修復法規標準。恢復后，每個公司都必須獲得恢復證書，以關閉其項目。

2.3 對比分析及建議

2.3.1 對比分析

在研究美國、加拿大和中國頁巖氣開發相關環保法規、標準的基礎上，對廢水外排、廢水地下回注、壓裂作業風險管控（地下水保護）、廢氣排放、廢物儲存與現場管理、固廢利用與處置、場地修復與恢復、生態紅線與敏感目標保護共8個方面重點問題進行適應性對標分析，同時借鑒國外成熟管理經驗，提出中國頁巖氣開發環境管理建議，如表5所示。

美國、加拿大的頁巖氣開發環境管理系統完善，污染物排放標準遵循的是“技術強制”原則[27]，強調對新源及有害污染物的控制，行業排放標準占主導地位，實施全過程精細化管控，具體包括廢水禁止外排、地下回注控制、水力壓裂作業風險控制、壓裂液信息公開、綠色完井技術、差異化管理現場廢物、多樣化利用與處置廢物等等，行業針對性強，可操作性強，標準文本包含了標準實施的具體內容。

與美國、加拿大相比，中國頁巖氣開發環境管理還有很多不足，環保管理還未實現精細化管控：①未實現頁巖氣開發全過程環境監管，借用傳統油氣項目的管理經驗，操作性不強，遇到水力壓裂環境風險管控、含油巖屑處置、高鹽廢水外排或地下回注、溫室氣體控制等新問題，不能提出明確的指導意見，環境管理遇到瓶頸；②尚未建立系統完善的頁巖氣開發環境保護標準體系，目前執行的各項環保要求沒有專門適用于頁巖氣開發的，廢水、廢氣、固廢、噪聲、場地修復與恢復等都是一些通用性的標準規范和指南，行業針對性不強，“過保護”“欠保護”現象同時存在，不能滿足當前的環境管理需要。

2.3.2 中國頁巖氣開發的環境管理建議

2.3.2.1 廢水外排

《污水綜合排放標準》（GB 8978）在頁巖氣開發行業針對性不強，建議制訂頁巖氣開采水污染物排放標準，明確TDS和氯化物等特征污染物控制要求、直接排放和間接排放兩種不同的管控要求、場地初期雨水控制要求。

2.3.2.2 廢水地下回注

針對地下回注無系統性環境管理要求，過程控制的系統性、風險防范的充分性不明確等問題，建議完善廢水地下回注全過程環境監管體系，制訂專門的注入水污染控制標準，制訂回注井建設與運行規范，從注入層的選擇、回注井建設要求（套管、水泥固井等）、運行監控要求（注入壓力、流量等）、構造完整性測試等方面進行系統性規定，制訂回注區域周邊地下水監測技術規范，對周邊地下水環境進行長期跟蹤監測。

2.3.2.3 壓裂作業風險管控（地下水保護）

針對水力壓裂作業的環境風險問題，建議建立水力壓裂作業環境風險管控體系，從壓裂液配方、地層封閉（套管與固井）、構造完整性測試（地層泄漏測試）、運行控制（井控）、跟蹤監測與后評價等方面進行系統規定；制訂套管與固井技術要求、構造完整性測試技術規范、注入井運行監控技術要求、壓裂液配方披露指南、水力壓裂跟蹤監測與后評價技術規范等。

2.3.2.4 廢氣排放

《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297）等通用性標準在頁巖氣開發行業針對性不強，《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》（GB 39728—2020）不適用于頁巖氣開采活動，建議制訂頁巖氣開采大氣污染物排放標準，明確有組織和無組織排放控制、溫室氣體排放等技術要求，回收放空的天然氣，形成嚴密、有效的監控體系。

2.3.2.5 廢物儲存與現場管理

中國對頁巖氣開發活動中廢水、廢液、固體廢物的儲存與現場管理十分薄弱。建議針對頁巖氣開發中不同廢物的不同屬性和產生量，如泥漿池、采出水儲池/儲罐、放噴池等，制訂差異化的現場儲存與管理技術規范；從儲存形式選擇（儲池、儲坑、儲罐等）、選址（防護距離）、建造要求（堤壩、防護網、防滲材料等）、運行控制要求、關閉與現場恢復要求，以及防滲及滲漏檢測、二次圍堰、防止溢流等風險防范措施等方面提出具體技術要求與管理要求，實現精細化管控。

2.3.2.6 固廢利用與處置

針對固廢廢物（很多屬于危險廢物）利用與處置途徑受限，與巨大體量的固廢產生量之間矛盾突出，以及含油巖屑處理殘渣仍然需要通過鑒別界定屬性等問題，建議借鑒美國、加拿大的多樣化利用與處置途徑（如農業應用、土地處理、建筑與市政應用等），拓展固廢利用渠道，制訂含油巖屑、廢棄鉆井泥漿、含油污泥等固體廢物多途徑資源化利用的污染控制標準、技術規范和指南。

2.3.2.7 場地修復與恢復

針對封井廢棄后，場地清理與復原、植被與生態恢復、現場評估與管理等環境管理要求缺失的問題，建議制訂退役井場現場評估與管理技術指南、封井技術要求、場地清理與復原技術規范、生態恢復與復墾技術指南、場地恢復效果評估與確認技術規范等，形成全鏈條系列標準和規范。

2.3.2.8 生態紅線與敏感目標保護

針對項目規劃、選址階段敏感目標保護要求不明確，保護尺度不統一的問題，建議從水力壓裂滲漏風險、事故溢流風險控制、噪聲擾民等角度，提出距離水井、飲用水源、自然水體、居住區、公共場所等的防護距離，制訂鉆井與生產設施防護距離標準，或納入相關環境管理政策文件中。

3 結論

1）與傳統天然氣開發相比，頁巖氣開發的最大特點在于水平鉆井和水力壓裂技術的應用。頁巖氣開發過程中，需要防范壓裂作業、地下水及地表水環境壓力、鉆井固體廢物處置（尤其是含油巖屑處置）、壓裂返排液處理、甲烷的無組織排放及泄漏、水資源消耗等多方面的環境影響和風險。

2）美國、加拿大的頁巖氣開發環境管理系統完善，污染物排放標準遵循“技術強制”原則，實施全過程精細化管控，具體包括廢水禁止外排、地下回注控制、水力壓裂作業風險控制、壓裂液信息公開、綠色完井技術、差異化管理現場廢物、多樣化利用與處置含油巖屑等等，行業針對性強，措施具體、操作性強。

3）與美國、加拿大成熟系統的精細化環境管理相比，中國僅明確了頁巖氣開發環境保護的管理思路、原則性、通用性要求，缺乏專項適用的環保標準規范，尚未建立系統完整的頁巖氣開發環境監管體系，現有的相關環保標準規范在水力壓裂環境風險管控、含油巖屑處置、高鹽廢水外排或地下回注、溫室氣體控制等方面的適用性不足，行業針對性不強，無法滿足中國當前頁巖氣規模效益開發的環境管理需要。

4）針對中國頁巖氣開發環境管理，建議制訂頁巖氣開采污染物排放標準，明確溶解性總固體（TDS）與氯化物等特征污染物、場地初期雨水、溫室氣體等管控要求；建立并完善廢水地下回注環境監管體系、水力壓裂作業環境風險管控體系，制訂壓裂液配方披露指南，加強全過程環境管控；根據廢物的不同屬性和產生量，制訂差異化的固體廢物現場儲存與管理技術規范，制訂含油巖屑等固體廢物多途徑資源化利用的污染控制標準和技術規范；制訂鉆井與生產設施防護距離標準、封井技術要求、場地恢復效果評估與確認技術規范等，形成生態環境保護全鏈條系列標準和規范。