页岩气热潮背后的环保思考

周美闻，秦勇军，张纯臻

（重庆市环境工程评估中心评估二部，重庆 400021）

页岩气是页岩层中分布的天然气，以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中，化学成分主要为甲烷，一般含量在85%以上，最高达到99.8%，另外还含有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦、氩等［1］。美国能源信息署（EIA）2011年4月的数据表明，当前全球（不包括俄罗斯及中东）页岩气可采资源量为189万亿m3，多于常规天然气可采储量。美国是唯一对页岩气进行工业化、规模化开采的国家，近年来，得益于技术进步、市场需求及政策支持，美国页岩气产量出现了爆发式增长。美国的“页岩气革命”正帮助美国逐渐迈向能源独立，也无疑给全球页岩气工业注入了一针强心剂，世界各国纷纷给予高度关注并积极采取应对措施。我国从2003年就开始了对页岩气的勘探工作，于2009年10月在重庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目，这标志着继美国和加拿大之后，中国正式开始对页岩气这一新型能源资源进行勘探与开发［2］。

1 页岩气钻探工艺

页岩气赋存于岩层的缝隙和夹层中，储量虽大但较分散，且孔隙度和渗透率较低，常规钻井工艺通常无法获得工业气流，且开采成本较高。页岩气开采通常采用“常规垂直钻井＋水平钻井＋水力压裂”工艺，其中水平钻井和水力压裂是页岩气开发过程中不可缺少的两项关键技术，也是唯一可以开启页岩气矿藏的金钥匙。水平钻井技术是通过垂直钻井至目标油气层，然后在油气层中水平钻探，这样可使油气井更充分地延伸至油气层，增大油气的汇入面积，从而提高页岩气的产量。水力压裂技术是指借助高压将大量水、化学物质、沙粒的混合物通过钻孔打入地下，当高压液体注入钻井并使岩层裂开后，高压液体中的支撑剂可保持住裂缝，使其成为油气导向钻井的高速渗透通道，将其中的油气从岩层中释放出来，从而提高页岩气的产量。如图1所示。

图1 水平钻井与水利压裂示意图

2 页岩气开采的环境影响

相对于常规天然气开采，页岩气在勘探与开发过程中钻井期较长（长达几年甚至几十年），耗水量更大（水力压裂），对大气环境、声环境、地表水环境、地下水环境及生态环境的不利影响都非常突出。正是由于对其环境风险的担忧，世界上各方面对页岩气开发争议较大，法国、保加利亚等国家甚至立法禁止页岩气开发。根据实践经验和现有资料，本文重点从水资源利用及水污染、大气环境影响、生态环境影响等方面探讨对环境的影响及环保措施。

2.1 水资源利用及水污染

页岩气开采意味着大量的水资源消耗，水力压裂技术需要将大量的水作为压裂液注入到岩层中。根据对美国多口页岩气井的统计，平均每口井年耗水量为7 500～15 000m3，其中70%为压裂液用水。我国的页岩气储量与美国相当，但地形更复杂，埋藏更深，且钻探工艺、压裂技术以及清洁生产水平都远不及美国，单井耗水量更多，若我国大力发展页岩气（以10万口井计），年耗水量约15亿m3，相当于2个长寿湖容量，而这些压裂水注入地下后，大部分都分散于地层中，对地下水有着难以预测的影响。中国是个缺水国家，“页岩气十二五发展规划”中指定的13个重点省、直辖市中有7个属于水资源短缺地区。厦门大学中国能源经济研究中心主任林伯强就页岩气的发展指出，中国目前页岩气开发的最大风险来自于资源的体系配套，具体来讲，就是我们目前仍未找到消除或减轻页岩气开发对水资源影响的对策。

注入地下的压裂液中有部分返排水，压裂液返排水的成分非常复杂，含有大量TDC、TSS、COD、钙盐、钠盐、氯化物等，若未及时处理或造成泄漏，对地表水的影响不可低估。在世界上最大的非常规天然气田——美国马塞勒斯页岩气田，大量返排水被倒入特拉华河流域，而该流域是宾夕法尼亚等州的饮用水来源。在页岩气成藏条件较好的区域内，井口数量相对于常规天然气开采更密集，注入地下并留在地层中的压裂液极有可能与各含水层发生广泛、长期的水力联系，进一步导致饮用水源的污染。

2.2 大气环境影响

天然气通常被公认为是一种清洁能源，页岩气中H2S含量比常规天然气更少，燃烧后产生水和二氧化碳，对大气环境影响较小，但页岩气开采过程中的泄漏才是污染环境空气的关键。由于页岩气钻井期较长，耗时较长的水平钻井、水力压裂等过程导致页岩气开采中甲烷泄漏量高于常规天然气开采，约占开采量的4%，泄漏的甲烷可能加剧温室效应。最新研究表明，在考虑了甲烷与气溶胶相互作用的情况下，以20年为周期，同等质量甲烷的温室效应是二氧化碳的105倍。美国康奈尔大学研究人员甚至认为页岩气生产过程中所产生的甲烷大部分都排放到大气中，而不是被捕捉为燃料。若不采取有效措施，页岩气使用过程中减少碳排放带来的环境效益可能被其开发过程中甲烷泄漏带来的环境破坏所抵消，这也给页岩气工业蒙上了一层阴影。

2.3 生态环境影响

页岩气储量虽大但分布较广，这就需要增加打井数量。同时由于施工工艺不同，页岩气井场需布置压裂液储存池、压裂设备、压裂液罐车等，占用土地比常规天然气井场更大；另一方面，页岩气田开采周期较长，对生态环境的扰动和影响时间较长。页岩气开采过程需要用水作为压裂液，消耗大量地表水和地下水，对局部地区生态用水有一定影响，同时压裂液反排水若处理不好，污染水环境，也会对水生生态系统造成不利影响。

3 重庆页岩气勘探与开发现状及问题

重庆市页岩气资源较富集，页岩气地质资源量约12.75万亿立方米，占全国的10% 左右；预计可采资源量达2.05万亿 m3，位列全国第3位［3］。2010年，国土资源部确定黔北、川南、渝东南、渝东北等6个国家页岩气先导试验区。重庆梁平、綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳和秀山等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，被确定为国家首批实地勘查工作目标区。2012年8月，重庆市政府召开全市页岩气发展专题工作会议，提出要努力把重庆建成全国页岩气开发的主战场。重庆属于早古生代海相沉积盆地并经历了多期复杂的构造运动，具备富集页岩气的有利地质构造，与美国东部地区具有较多的地质可比性。綦江、长寿、垫江一带的筇竹寺组页岩条件优越，达到了页岩气富集的总有机碳含量、成熟度、有效厚度等指标；彭水、黔江一带的五峰组－龙马溪组页岩条件良好，同样达到了页岩气富集标准。重庆綦江是我国第1批重点进行页岩气勘探与开发的地区，彭水是国内第1口页岩气井建设地，目前，重庆綦江、长寿、垫江、奉节、彭水、潼南等区县已开始了页岩气井的钻探，部分已获得工业气流。重庆与美国等大型页岩气开发公司进行了广泛、深入的合作，2012年9月11日，重庆地质矿产研究院与斯伦贝谢油田（新加坡）公司合资开发重庆页岩气资源，标志着重庆页岩气全面发展战略又迈出重要一步。但重庆基础较薄弱，在页岩气勘探与开发过程中存在以下环保问题：（1）勘探效率不高，部分页岩气井无法获得稳定工业气流，导致闲置或废弃，也浪费了环境成本；（2）钻井期压裂返排水得不到有效处理，目前大部分压裂返排水经处理后回注于深层地下，存在地下水污染的环境风险；（3）施工期环境监理缺失，环保投诉较多。

4 建议与措施

目前，页岩气的勘探与开发是我国规划的能源战略，势在必行，但若不加强环保方面的研究和管理，无序开采，最终将导致严重的环境污染问题，得不偿失。参考美国页岩气开发过程中出现的各种环境问题和公众忧虑，一方面应从国家层面建立并不断完善相应的环境保护政策、法律法规和管理要求，明确政府监管责任和企业环保责任；另一方面针对页岩气开发过程中污染物的产生环节和环境风险问题等开展深入的研究和探索，积累实际经验，并积极开展与美国等页岩气工业强国的合作，学习并利用先进的技术和经验。

4.1 完善相关政策、法律法规和管理要求

4.1.1 完善页岩气勘探开发建设项目环境评估制度

优先制定页岩气勘探与开发的产业政策及环保政策，将页岩气资源的勘探评估与区域水资源规划、环境保护规划、生态保护规划等结合在一起，综合评估开采的可行性。通过政府以立法的形式杜绝页岩气勘探与开发过程中对环境的污染。积极推进页岩气规划和建设项目环境影响评价、评估工作，充分论证其环境可行性，为决策提供可靠依据。

4.1.2 加强环境监理力度

根据页岩气勘探与开发工艺流程，明确页岩气开发过程中可能造成环境污染和生态破坏的各个环节，加强对页岩气钻井工程期间的环境监测，充分落实环保相关要求，反馈有效的环保信息，确保其对环境的影响在承载范围之类。

4.1.3 信息公开制度

参照美国的经验，公众对页岩气的恐惧心理是制约这个行业发展的重要因素，我们需要引导大众理性对待页岩气工业的发展，而不是煽动盲目恐惧。国家及地方环保部门可以考虑对页岩气矿区周边地区进行环境监测信息公开，加强与公众沟通。让他们了解页岩气产排污情况及相关措施，消除公众对环境污染的担忧。

4.2 加强环保研发

目前，美国页岩气开发技术已非常完善，水平钻井和水力压裂技术也越来越多地考虑环保因素，清洁生产水平也较高。美国已较全面掌握了页岩气勘探与开发的各项技术，并在不断地开发利于环保的新技术——液态二氧化碳水力压裂技术、节水工艺技术、返排水高效处理技术等。

我国页岩气勘探和开发尚处于探索阶段，应多借鉴其他国家的先进经验和技术，与之在研发、技术、市场等方面加强合作，不断将页岩气勘探开发技术更新与环保措施相结合，加大环保技术的研发和实践，提高水循环利用率，努力提高设备和工艺水平以减少水资源消耗和甲烷泄漏，完善压裂液返排水处理工艺，积极研发环境友好的压裂技术（如气体压裂技术等），最终通过技术的进步从根本上将页岩气勘探与开发过程中对环境的不利影响控制在可接受水平。鼓励开展国内页岩气勘探与开发科研项目，依靠但不依赖国外先进技术，在实践中逐步积累环保经验。

4.3 加强环境风险控制

页岩气勘探与开发过程中环境风险主要为：（1）钻井废水、压裂返排水发生泄漏、溢流等污染地表水（饮用水源）；（2）注入地下的压裂液与含水层发生水力联系污染地下水（饮用水源）；（3）天然气发生泄漏污染环境空气。在实践过程中需进一步提高清洁生产水平和钻井废水、压裂返排水处理效率，提高钻井工艺水平，减小压裂液与含水层发生水力联系的可能性，完善页岩气勘探、开采、储运过程中的各项工艺措施，降低气体泄漏事故概率。

5 结论

2011年12月30日，国务院批准页岩气为新的独立矿种，国土资源部也将按独立矿种制定投资政策，进行页岩气资源管理。2012年3月13日，国家发布了页岩气“十二五”发展规划，页岩气工业的宏伟蓝图已呈现在我们面前。目前，我国与美国等页岩气工业强国在诸多方面开展了合作，共同开发页岩气宝藏，但在这个过程中应将环保纳入页岩气勘探与开发的全过程，在合作的同时学习掌握关键技术，并将环保理念融入其中，不能以毁坏环境作为发展页岩气工业的代价。

［1］张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布［J］.天然气工业，2004，24（7）：15－18.

［2］张鸿翔.页岩气：全球油气资源开发的新亮点——我国页岩气开发的现状与关键问题［J］.战略与决策研究，2010，25（4）：406－410.

［3］张金川.中国页岩气资源勘探潜力［J］.天然气工业，2008，28（6）：136－140.