页岩气开采致水污染的途径及污染物特点＊

李亮国

（河南城建学院法学与公共管理学院）

页岩气开采致水污染的途径及污染物特点＊

李亮国

（河南城建学院法学与公共管理学院）

针对水平钻井和水力压裂技术开采页岩气所产生的水污染问题，基于水文地质学原理，对美国页岩气开采导致水污染的实例及压裂液成分等方面的文献予以分析，对页岩气开采导致水污染的途径及污染物的特点进行研究。结果表明：页岩气开采导致地下水及地表水污染的途径主要包括越流、井筒泄漏及地表人类活动等。页岩气开采长期持续产生水污染物，水污染物种类多、总量大、危害大，某些水污染物难以监测。该研究可以为我国页岩气开采水污染防治标准等规则的制订提供参考。

页岩气；水力压裂；水污染途径；水污染物；水污染防治

0 引 言

水平钻井及水力压裂技术在当前页岩气开采中不可或缺。页岩具有超低孔渗的特性，通常90%以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施［1］。水力压裂技术的基本工作过程是在钻井钻探和设备安装完成后，向井孔中注入压裂液使存气页岩层裂开，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以保持住裂缝，使其成为油气导向钻井的高速渗透通道［2］。水力压裂需要使用大量的水，而且需要加入化学物质，这将对环境产生不利的影响［3］。“费水”且产生大量“废水”的页岩气开采带来异于常规天然气开采的水污染问题。

1 页岩气开采致水污染的途径

页岩气开采涉及钻井、水力压裂、压裂液及废水存贮或运输等多种地表和地下活动。如果这些活动不能得到妥善管理，废水、钻屑等都可能进入地表或地下水体，导致地下水体和地表水体的双重污染。页岩气开采导致水污染的途径见图1。

页岩气开采导致水污染的途径主要包括四种。

1.1 越流

图1 页岩气开采导致水污染的途径

地层结构中的不同含水层所含的物质并不相同，页岩气开采所使用的水力压裂技术可能会导致含水层之间的沟通，甚至含水层之间的混合。譬如，地表水、地下不同含水层组水及采矿空间老空水将形成复杂的补排关系和交替模式，原采矿作业已疏干的含水层组及采矿扰动裂隙将被重新充水或淹没，地下不同含水层系统的水化学、同位素环境也同时发生明显变化，形成完全不同于矿山开采阶段的新的矿山环境问题［4］。诸如此类的地下水污染可以称为越流污染。它是页岩气开采中导致地下水污染的重要途径。

水力压裂在页岩储层中产生新的裂缝，这些裂缝沿着页岩地层层理可能延伸数千英尺。水力压裂液中的化学物质可能循着此类裂缝向上渗透进入地下含水层，从而导致水污染。在水力压裂中，添加剂中包括有减阻剂、杀虫剂、表面活性剂及膨胀抑制剂等化学制剂。尽管在压裂液中添加剂的比例一般不足0.5%，但是由于基数较大，化学制剂的量也是巨大的［5］。如果水力压裂操作不当，这些化学制剂可能随压裂液进入含水层，从而污染地下水。

1.2 井筒泄漏

在页岩气开采中，钻井以及完井需要通过使用贯穿含水层的套管来密封整个气井，以防止污染物流出而污染地下水。一个设计合理的套管井可以防止由于钻井液、压裂液或者天然气泄漏到含水层而导致的地下水污染［6］。在页岩气开采中，如果钻井或完井使用的套管不当，以至于未能很好地密封整个气井，则可能出现污染物从井筒泄漏出来而污染地下水的现象。

1.3 地表人类活动

生产现场的地表蓄水泄漏、水力压裂液的意外泄漏或钻井液的管理不善，都可能增加污染的风险。不完善的废水管理行为（包括返排水和生产水的贮存、处理和处置等）可能对地表水带来污染的风险。譬如，水力压裂液和废水在储存和往返于钻井现场的运输过程中可能会泄漏到地表。这不但可能污染地表水，而且因泄漏污染的土壤在淋滤的作用下也可能使地下水受到污染。

2 页岩气开采中水污染物的特点

页岩气开采所涉及的水污染物主要包含在水力压裂中所使用的压裂液及返排水和生产水等“废水”中。总体而言，这些水污染物具有以下四个方面的特点。

2.1 水污染物长时间持续产生

页岩气开发的全过程都产生水污染物。如水力压裂完成后，含有污染物的返排水大约需要3年时间才能完全排空。而在页岩气气井长达数10年的生产周期内，都会产生水污染物。

2.2 水污染物种类多

页岩气开采产生的水污染物涉及多种类型。据美国能源部统计，压裂液中常用的添加剂就有14种［7］。此外，水力压裂将产生大量废水，这些废水中含有多种污染物，包括高浓度盐、放射性粒子和随水带出来的地下岩层中的其他物质［8］。在页岩气开采中，甲烷、重金属、放射性物质、压裂液添加剂和其他污染物都可能通过多种途径污染地表水资源和地下水资源。

2.2.1 甲烷泄漏

页岩气开采过程中的甲烷泄漏量远高于常规油气开采中的泄漏量。有统计表明，甲烷泄漏量可达到产气量的3.6%～7.9%［9］。更高的甲烷泄漏量意味着更高的水污染概率。美国就发生过页岩气开采中甲烷污染地下饮用水的实例。2010年4月，一家能源公司的钻井机无意中造成浅层天然气的泄漏，甲烷渗入当地的饮用水井，致使大约150户居民被迫疏散［10］。

2.2.2 化学物质

页岩气开采中的压裂液、返排水及生产水中都含有多种化学物质。这些化学物质可能通过多种途径进入地表水或地下水，从而导致水污染。在化学制剂被注入地下、弃之垃圾堆、被运往水处理厂的过程中，都可能污染河流和饮用水源。譬如，水力压裂过程中出现越流等，压裂液就可能进入地下含水层从而污染地下水。此外，注入地下的水若被岩石吸收，则不能再回收利用［11］。压裂液中的化学物质也可能通过天然裂缝等进入地下水，从而导致水污染。

2.2.3 放射性物质和重金属

地下岩层中一般含有放射性物质，比如铀、钍及其同位素等；还有一些重金属元素，比如砷、铬、钴等；还可能含有酸性物质，比如黄铁矿及硫化物；还有大量的卤化物、溴化物。大量的水及添加剂的注入，造成岩石中的这些物质溶解或生成有毒的气体［5］。页岩气开采中，地下岩层中的放射性物质、重金属元素等有可能进入返排水等，从而致使其污染水环境。

2.3 水污染物总量巨大

页岩气开发极为“费水”，并产生大量“废水”。与此相应，页岩气开发产生的水污染物总量巨大。有关专家经过计算指出，大约需要450～1380口页岩气井，450万～1380万m3水，我国才能实现2015年生产65亿m3页岩气的目标［12］。按2015年65亿m3的产量规划，压裂液中的添加剂大约有2.44万～7.47万m3之巨。

3 结 论

美国页岩气开采实践表明，越流、井筒泄漏是页岩气开采导致地下水污染的主要途径；页岩气开采过程中的地表活动所致的入渗等也可能污染地下水及地表水。

页岩气开采运营时间长，长期持续产生水污染物。这些水污染物成分复杂、种类多样、总量巨大、难以监测。与常规油气开采相比，页岩气开采带来了更严峻的地下水及地表水污染问题。

页岩气开采中水污染物的数量、类型与压裂液息息相关，应在加快研发和推广新型压裂技术的同时，禁止某些特定压裂基液或添加剂的使用。

我国应基于页岩气开采导致地下水体及地表水体污染的具体途径及页岩气开采所产生的水污染物的特点，在常规油气开采水环境保护规范的基础上，制订更符合页岩气开采水污染防治特点的规范，如更具针对性的页岩气废水处理规范，及页岩气废水处理厂的相关标准等。

［1］ 张怀文,杨玉梅,程维恒,等.页岩气藏压裂工艺技术[J].新疆石油科技,2013,23(2):31.

［2］ 钱伯章,李武广.页岩气井水力压裂技术及环境问题探讨[J].天然气与石油,2013,31(1):49.

［3］ 许长春.国内页岩气地质理论研究进展[J].特种油气藏,2012,19(1):9-16.

［4］ 邢立亭,徐征和,王青.矿产资源开发利用与规划[M].北京:冶金工业出版社,2008.

［5］ 孙赞东,贾承造,李相方,等.非常规油气勘探与开发[M].北京:石油工业出版社,2011.

［6］ 凯特琳⋅M⋅纳什.页岩气开发技术[M].汪丽华,周靖,王建强,等,译.上海:上海科学技术出版社,2013.

［7］ 许帆婷,卫然.清洁压裂生产迫在眉睫[J].中国石化, 2013(3):59-60.

［8］ Hayes Jennifer M.Protecting Pennsylvania's Three Rivers' Water Resources from Shale Gas Development Impacts [C]//David S Steele.Duke Environmental Law&Policy Forum Symposium.Durham:Duke University,2012:387.

［9］ 毕淑娟.页岩气开发环境风险堪忧[N].中国联合商报, 2013-03-04(D02).

［10］肖钢,唐颖.页岩气及其勘探开发[M].北京:高等教育出版社,2012.

［11］牟雪江.直视页岩气开采环保黄牌[J].中国石油企业, 2012(5):31.

［12］王小聪.页岩气缺环保规范[J].新世纪,2012(43):56.

（编辑 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.001

：1005-3158（2015）03-0001-03

2015-01-15）

＊国家社会科学基金项目“资产管理和用途管制分离视角下的自然资源权利义务配置研究”（14XFX010）。

李亮国，2014年毕业于昆明理工大学矿产资源保护与法治专业，博士，现在河南城建学院法学与公共管理学院从事环境资源保护法治方面的研究。

通信地址：河南省平顶山市新城区龙翔大道河南城建学院，467036