页岩气开发的环境影响和环保策略

卢景美 高文磊 刘学考

1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中海油研究总院，北京 100027

0 前言

致密页岩中开采出的天然气称为页岩气，作为一种新型清洁能源，在国内陆上天然气勘探和开发中呈现快速增长的趋势。页岩气的开发为社会经济发展带来诸多机遇的同时也将出现一些环境问题，如水体污染、生态破坏和空气污染等。本文调研了国外页岩气开发现状、环境影响和技术措施，结合中国的资源状况分析，为中国石油公司和管理者在开发技术和环境保护方面提供经验借鉴。

1 国内外页岩气开发现状

1.1 美国页岩气开发现状

美国是页岩气开发最早的国家，富有机质的页岩广泛分布在21个陆上盆地和其他天然气区带。1986年，第一口页岩气水平井多段压裂成功，实现了页岩气勘探开发的突破；1980～2000年，页岩气的钻井和压裂技术飞速发展，从水平井钻探技术、重复水力压裂、水平井套管完井及分段压裂技术到微地震监测技术应用，促使了页岩气开发和生产逐渐向商业化发展并成为主体技术模式。Mitchell能源公司在1998年利用水膜压裂技术使Barnett页岩气开发成本降到4美元以下，实现了页岩气的商业化开发。

促使美国页岩气开发经济可行的因素有：水平井方面的技术进步；水力压裂技术；天然气价格的快速上涨；联邦税收抵免。水平井和水力压裂技术不仅能显著提高单井日产量，总产量也得到了明显增加，德克萨斯州的一次实验中单井采收率达到54%。如没有技术进步，很多非常规天然气开发将无经济价值［1］。20世纪90年代末，美国只有40套钻井设备能够完成陆上水平井，而2008年5月已增加到519台［2］；美国参与页岩气开发的公司从2005年23家发展到现今60多家。

美国85%的能源由天然气、煤和石油供应，其中天然气占总量的22%。在过去10年中，非常规能源的产量增加了65%，页岩气的年产量从1998年的1 529×108m3增加到 2007 年的 2 520×108m3［3］。 2000 年页岩气仅占美国天然气产量的1%，到2010年页岩气比例增加到20%。美国能源信息管理局预测，页岩气是美国未来天然气增产的主要来源，2035年46%的天然气供应将来自页岩气。

1.2 中国页岩气开发现状

煤炭在中国能源需求中占主导地位，但烧煤会释放大量有害物质。近两年，北方大部分城市四季频繁出现雾霾，并向南方蔓延，整个中国东部空气质量逐年下降，中国经济发展对清洁能源的需求日渐增高；另外中国在1992年就已经成为主要能源进口国［4］。因此在能源供应和空气质量日益恶化的背景下，天然气将成为传统煤炭能源重要的替代者。

我国已将页岩气开发纳入能源战略规划中，《国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》中明确提出了“推进煤层气、页岩气等非常规油气资源的开发和利用”。2011年，国家发改委等四部委联合推出《页岩气发展规划（2011～2015年）》，国土资源部共优选出180个有利区块。我国页岩气资源量为134×1012m3，其中技术可采量为25×1012m3［5］。 目前我国页岩气已进入实质性的勘探阶段，主要地区在四川盆地及其周缘、鄂尔多斯盆地、辽东凹陷等地。中国石油在川南钻探了约20口气井，平均每口井的日产量在10 000m3以上；中国石化在黔东、皖南和川东完钻5口评价井，其中2口井获得工业气流；中海油在皖浙、山西等地区也开展了前期勘探工作，申请了页岩气有利探区；延长石油在陕西延安地区3口井发现了页岩气。个别页岩气项目实现了商业化运营，但尚未实现大规模的商业开采。

中国著名的页岩气资源研究专家张金川教授认为，中国的页岩气开发可分为勘探阶段、钻井和开采阶段及商业应用阶段。从目前国内情况看，还没有一家能源公司能同时满足这三个阶段的条件要求，国内石油公司在页岩气勘探方面与国际水平较接近，核心问题在于钻井和开采及商业应用阶段。在中国，页岩气的商业化开发道路还很漫长，但可以先逐渐完善页岩气开发框架和环境保护法律法规。

2 页岩气开发的环境影响

页岩气资源具“低品位”和“高分散”的特征，和常规天然气开发相比技术难度大，因绝大多数页岩的渗透率非常低，不同地层中岩石的脆性和裂缝发育程度也不同，储层特征和渗流机制差异很大。页岩地层中毛细管压力较大，需要特殊的开发工艺才能获得经济性产量和理想开发效果。在众多技术中，水平井和水力压裂技术对页岩气开发的经济性虽起到关键性作用［6］，但在钻井、压裂、开发生产过程中会不断出现影响生态环境和水资源占用等问题。因环境问题，法国和保加利亚等国政府发布禁令，禁止水力压裂在页岩气开采中的使用。美国个别州也进行了立法，加强了环境监管和回收压裂液的管理。综合分析美国和加拿大页岩气开发生产案例，页岩气开发对环境的影响主要有三方面：水资源占用、水资源污染、空气污染和生态破坏。

2.1 水资源占用

页岩气开发需要消耗大量的水资源。统计北美典型的页岩气开发水平井，单井钻井和水力压裂用水量平均为 1.3×104～4.5×104m3；在马塞勒斯（Marcellus）页岩中钻井用水量1.5×104～4.5×104m3，其中压裂用水占98%；在巴奈特页岩中钻1口井至少消耗水1.4×104m3，压裂用水占85%［7］。不同盆地中的不同页岩，随埋藏深度和页岩厚度不同，用水量也有很大区别。总体趋势是随页岩埋深增大，钻井和压裂的用水量也增加，如加拿大的霍恩河页岩和美国的马塞勒斯页岩压裂用水量随埋深增加而成倍增加,北美页岩特点及用水量见表1。我国四川、重庆等地的页岩气埋藏深度普遍为2 600～3 000 m，储层厚度 20～800m［8］，压裂用水量和美国页岩气相比会有增加，单井用水量在20 000m3以上。

中国水资源和水力资源研究中心的调查表明，塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、华北平原、辽宁、山西、泰山和河西走廊地区面临严重的水资源短缺；我国地下水产水能力地区性差异大，地下水补给较贫乏和贫乏区主要集中在中部地区，包括东北三省、山东、山西、河北、河南、安徽、江西、四川、重庆等省（市）的丘陵山区，而中国有利页岩气勘探和开发区带基本上位于或者临近这些区域。这些区域目前已在进行页岩气勘探，将面临长期或者季节性水资源短缺［8］。

类别转换主要是发生在词与词之间的转换，即使用属于不同语法类别的目标语词项来翻译源语词项[4]。通过改变词性，以期顺应目标语的表达方式。

表1 北美页岩特点及用水量

表2 页岩气水力压裂添加剂类型及所占比例表

2.2 水资源污染

在水力压裂技术中，压裂液主要由高压水、砂和化学添加剂组成。清水压裂液以水和砂为主，占总量99%以上，化学添加剂占总量的1%，见表2。化学添加剂在压裂液中所占比例很小，但对地下水的污染不容小觑。在一些浅井中，由于微生物比较发育，要适当增加抗菌剂比重来减少微生物对裂缝的封堵和清除细菌产生的腐蚀性产物，因此在水力压裂过程中，化学物质可能会沿着裂缝从地下深处上升至浅层或地表，也可能由于采气管道的质量问题或操作不当造成化学添加剂泄露，污染蓄水层和地表的河流、湖泊水。

中国西北和华北地区页岩气富集区地下水补给不丰富和自身循环差，另外经济的快速发展使工业废水排放不达标及页岩气开发的高耗水量会导致水环境污染问题更加突出。页岩气开采的耗水量是常规天然气开采耗水量的10倍左右，循环后的水含有重金属、盐分及放射性物质等100余种污染物。目前我国页岩气的有利区带主要集中在地质条件复杂地下暗河溶洞多的川渝湘黔等地区［10］，若地下水污染，后果难以控制。

2.3 空气污染和生态破坏

页岩气开发将造成二氧化碳和有毒气体的排放及甲烷泄漏。我国页岩构造中含有大于1%的硫化氢，及少量的苯、正己烷等，若收集处置不当，将影响局部空气质量。而据预测，甲烷泄漏量可占整个气井预测总产量的1．7%～6．0%，会造成严重的环境隐患。美国页岩气开发中常出现类似气体泄漏，2010年4月，由于Exco能源公司的钻井造成浅层天然气泄漏，导致约150户迪索托居民被疏散，迫于压力钻机停钻。另外卡波特公司也被指控在开采天然气时，甲烷渗透进居民水井。

美国康奈尔大学的研究人员指出：在页岩气开发中，大部分甲烷被释放到大气中，没有被采集来作燃料。美国环境保护署也承认，在页岩气开发中，甲烷泄露的危害被严重低估。美国国家环保署（EPA）甚至提出要修订臭氧标准，将8 h臭氧标准从0.084×10-6减少到0.075×10-6，但迫于工业界人士和政府对美国经济复苏的压力而没有完成修订［11］，这说明了环境监管力度及臭氧标准会影响页岩气开发进度。

页岩气大规模商业化开发需要不断地建井场，钻井数量是常规天然气开发的百倍，大量钻井会导致土地资源占用和生态问题的出现。

3 环境保护策略

在中国，页岩气开发是双刃剑，一方面天然气能满足国内高速发展的经济需求，解决燃煤存在的诸多环境污染；另一方面页岩气开发过程中也会产生相应的水资源污染、空气污染和生态破坏。页岩气开发对环境的影响程度较大，有些压裂液对水资源的污染在几十年后才会显现出来。因此不仅要借鉴美国页岩气开发的开采技术，还应借鉴其防控污染的经验，防患于未然。

页岩气开发的环境保护工作可以从两方面开展，一是环保部门加强监管机制，制定法律、法规来规范勘探和开发的各个环节；二是倡导应用新技术开发页岩气，从源头上杜绝页岩气大规模商业化开发对环境的破坏。

3.1 完善环保法规

美国国家环保署2012年4月18日发布一项新法规，对在页岩气开采中，因使用水力压裂技术所造成的空气污染加以控制，这是美国控制页岩气开采环境污染的首个法规。该法规要求到2015年，所有采用水力压裂技术进行开采的页岩气井都必须安装相关设备，以减少可挥发性有机化合物及其他有害空气污染物的排放，如苯和正己烷等［12］。对于页岩气开发，我国目前的环境监管相关法律、法规和技术规范都未能全面考虑页岩气这一新矿种开发带来的特殊环境问题，对天然气开采排放标准和天然气捕捉技术等没有针对性的特殊规定。

在自然生态保护方面，为了保护野生动物，稳定地区生态平衡，设立特殊的自然保护区。如美国阿拉斯加野生动物保护区，禁止矿产资源的勘探与开发。

3.2 加强监管和专项研究

要使页岩气非常规能源快速发展，政府必须确保适当的政策和监管机制落实到位。包括：充分的透明度，对环境影响的测量和检测；当地民众的参与，谨慎选择钻探地点和措施，防止井内发生任何泄漏而进入附近的含水层；严格评估和检测对水的需求以及废水零排放措施；高标准规范企业行为，防止实施过程中的环境污染；改进项目的规划和监管。

设立页岩气等非常规天然气开发环境影响研究专项，选择国内试点项目，借鉴国外经验，重点从页岩气开发对生态、地下水、场地空气质量的影响以及排放的挥发性有机污染物对人群健康的影响等几方面进行量化研究，积累污染源数据和环境影响后果分析手段。在现有技术条件下，研究制定适合我国国情的页岩气开发环境管理标准体系和技术规范体系。

联合政府和企业的力量，加强环境监管和信息公开。根据页岩气开发工艺流程，寻找页岩气开发过程可能造成环境污染和生态破坏的风险源，加强监测，确保污染物浓度与总量控制在生态环境可接受范围内。作为页岩气开发过程环境保护工作的主体，企业应担负起社会责任，对位于城镇地区的井场周围环境监测信息进行公开，消除公众对环境的担忧。

3.3 采用国外新技术

美国页岩气开发新技术体现在水平井钻井技术、水力压裂监测技术和流体管理三方面。中国页岩气开发可以借鉴这些成熟技术，或者创新适合中国国情的先进技术。比如减少水平井的数量，在压裂过程中使用计算机进行监测和模拟，调查和管理开发区域的水资源，以及水压裂液体的回收和净化处理等。

3.3.1 水力压裂监测技术

较厚的页岩气储层段需采用分段压裂技术，即每一次只压裂一段储层。微地震成像技术能通过计算机模拟来实时监测压裂的结果并评价压裂效果。这一技术可以确定裂缝端部相对钻井的方位，并随着压裂工作的推进，还可记录裂缝的延伸轨迹，尤其是垂直方向上的裂缝生长情况。作业者需要时刻监测压裂轨迹，确保不偏离页岩储层。2013年，被中海油收购的尼克森公司在页岩气开发和生产中设置了5个微地震监测站，共监测到331 次水压裂事件［13］。

3.3.2 流体管理

流体管理指返出压裂液的管理。水力压裂过程需要消耗大量的水，压裂完成后压裂液返回到地面，这些废水中含有大量残余化学物质，如盐、重金属、放射性元素和有机化学物质等。如果能将废水进行回收处理并利用可减少环境污染，国外常用方法：采用分支井技术有利于采用封闭泥浆循环系统来保证各井中的泥浆质量，泥浆的循环再利用也能减少废料产生；对具有特殊用途只在钻井过程中小部分井段使用的泥浆，可以采用不锈钢泥浆罐单独灌装压裂液，然后将这些泥浆罐运送到其它井场中重复利用。

返出压裂液含有镭辐射和苯，约占压裂液的30%～70%。美国的一些州，产出液会重新注入井下并储存起来；美国联邦安全饮用水法的地下灌注控制程序对此有明确规定，此类灌注液不允许与活水层接触或联通；在宾西法尼亚州压裂液是回收利用的。对流体的统一管理，无论是地下灌注还是回收重复利用，都会降低对地下水的污染。

3.3.3 新技术创新和应用

空气钻井技术的效率高，但不适用于所有地质情况，这种钻井技术只产生少量的干废料，相比湿废料来说，更容易处理。中国国家能源委员会专家咨询委员会主任张国宝大胆提出用液化二氧化碳取代水以减少能源开发对环境的损害。

4 结论

a）页岩气开发过程中对环境的影响主要体现在水资源占用、水资源污染、空气污染和生态破坏。

b）我国页岩气开发刚刚起步，环保部门应尽快完善相关天然气排放、废液地下灌注的法律和法规，防患于未然。政府部门加强监管措施和专项研究，制定适合中国生态平衡的监管机制。

c）倡导应用新技术开发页岩气，从源头上杜绝页岩气大规模商业化开发对环境的破坏，保护自然环境，维护工业发展和自然生态之间的平衡。

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