我国页岩气开发环境保护面临的形势及对策

熊运实王彦昌吴军涛耿　宝李昌林

（1.中国石油安全环保技术研究院；2.北京中油建设项目劳动安全卫生预评价有限公司）

我国页岩气开发环境保护面临的形势及对策

熊运实1，2王彦昌1吴军涛1耿宝1李昌林1

（1.中国石油安全环保技术研究院；2.北京中油建设项目劳动安全卫生预评价有限公司）

页岩气作为一种重要的非常规新能源，已成为我国油气“十三五”规划的重点目标之一。文章借鉴美国、加拿大和欧洲多国的页岩气开发经验和教训，指出页岩气开发过程存在的生态破坏、水污染、甲烷泄漏、噪声污染、固体污染等潜在环境风险。压裂取水对区域生态环境和水资源的影响、压裂返排液对地下水环境的潜在影响、危险废物废弃油基泥浆和油基钻屑的环境风险等对我国页岩气可持续发展提出严峻考验。为此，我国相关部门正在加快相关环保技术研究、环保法律法规和标准规范的制定、实施战略环境影响评价等工作，逐步加强对页岩气开发过程的环境监管，完善全过程监管体制。

页岩气；生态；水污染；甲烷泄漏；噪声；危险废物；环境保护

0　引 言

2011年12月3日，经国务院批准，国土资源部发布公告，将页岩气作为我国第172个独立矿种进行加强管理。页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。根据国土资源部2012年调查评价的结果，我国页岩气储量丰富，页岩气技术可开采量为25.08万亿m3（不含青藏地区），超过常规天然气资源［1］。

为了合理有序、环境友好地可持续开发页岩气，国家能源局于2012年3月16日发布了《页岩气发展规划（2011—2015年）》，该规划明确指出在页岩气开发各个环节采取针对性措施，坚持开发与生态保护并重，减少或杜绝可能产生的各种环境问题。2014年3月，国家发改委、能源局和环保部联合发布《能源行业加强大气污染防治工作方案》，提出2017年我国页岩气供应能力达到100亿m3的宏伟目标。2014年11 月19日，国务院发布《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》，要求重点突破页岩气和煤层气开发，着力提高四川长宁-威远、重庆涪陵、云南昭通、陕西延安等国家级示范区产量规模，同时争取在湘鄂、云贵和苏皖等地区实现突破，到2020年，页岩气产量力争超过300亿m3［2］。

页岩气已成为我国油气“十三五”规划的重点目标之一。根据美国、加拿大、欧洲多国的经验，页岩气开采所带来的一系列潜在环境风险不容忽视，而环境一旦被破坏，其治理成本将远远超过资源开采的收益。因此，借鉴国外管理经验，我国相关部门正在加快制定配套的环境保护标准规范，完善我国页岩气开发环境监管体系，加强环境法规制度执行力，坚持开发与环境保护并重的原则，积极稳妥推进页岩气产业健康发展。

1　页岩气开发的潜在环境风险

页岩气开发过程中可能导致的最显著也是最为关注的潜在环境风险包括：生态破坏，水资源利用与水污染、甲烷泄漏、噪声及固体废物等。

1.1生态破坏

页岩气勘探开发过程中，钻前工程（丛式井场的建设、进场道路开辟与硬化）、地面集输工程和压裂供水工程等需要占用大量的土地资源，此外，为配合生产用水和处置废弃物的需要，必须在井场附近建设压裂储液池、废水池、泥浆池等池体，这无疑大幅增加了工程建设对土地的需求量。此外，本工程在建设期间将会大量取用区块内的地表水资源作为压裂用水的水源，如果不限制取水和不循环利用压裂返排液，工程的建设将可能对区块内的水资源及水生生态造成一定的影响。

1.1.1自然生态破坏

施工期间占用的土地类型一般包括耕地、林地及其他土地。以某页岩气示范区为例，单个井场及配套各类池体等占地规模就达18 000～42 000 m2。土石方工程的开挖和地面集输工程的建设不但会引起自然地貌的改变，还会破坏大面积原生植被，影响野生动物的生存环境，造成生物量和生产力的减少或降低，由此可能会引发区域生态环境破坏；工程弃土若处置不当，会造成新的水土流失，增加区域内的水土流失量，加剧环境的破坏。

1.1.2水生生态影响

与常规天然气藏的开发相比，页岩气开发所必需的水力压裂技术耗水量巨大。对某页岩气示范区压裂用水量的统计表明，绝大多数生产井的单井压裂用水量为25 000～35 000 m3。尽管页岩气开发用水量占地区用水总量的比例很小，但短期内汲取大量水资源仍不免对当地的用水分配造成冲击。对比我国各省份的水资源承载力［3］，我国页岩气发展规划指定的13个重点省份中有7个是水资源短缺地区。页岩气开发时巨大的耗水量必然会给当地正常的生产、生活带来 困扰［4-5］。

1.2水污染

与常规天然气开发相比，页岩气开发需要采用水力压裂技术来实现储层改造，如果井筒设计不当或操作不当，或者在没有很好的环境监管情况下，可能会发生压裂液及天然气（甲烷）窜入水层并对水层造成污染，大量的压裂液使用可能会造成极大的环境风险。受到污染的水或压裂液还会反流到地面，造成地表水及饮用水源地的污染。页岩气开发所用水力压裂液的主要成份是水和砂粒，两者占压裂液组成的98%～99.5%，另外0.5%～2%为各种化学添加剂，添加剂的使用是导致水污染的重要隐患。

1.2.1地表水质量

钻井液、压裂液以及井筒内的地层水在事故状态或处理不当的情况下都是潜在的地表水污染源。Olmstead［6］等人研究表明，处理后的废水径流进入地表水体构成了重要风险。然而，很少有实证研究表明页岩气开发活动对地表水质量造成了影响。

国外大量的实践证明，页岩气开发中的水力压裂法对水资源可能会造成不利的影响。为此，美国的一些州、加拿大、欧洲多国以及澳大利亚等都正在针对水压裂法开发页岩气制定相关的行为规范，特别是针对其中可能导致水污染的化学物质的规制成为各类立法的重点。其目的就是在开发利用页岩气这种新兴战略资源的过程中，避免对水环境造成不良的影响，实现可持续发展。

1.2.2地下水质量

页岩气开发活动是否会对地下饮用水水质造成影响一直是页岩气开发环境影响的争论热点，其影响途径包括甲烷的泄漏、钻井液、压裂液和地层水迁移等。通常有两种途径会污染饮用水含水层，一种是固井失效或井筒腐蚀失效导致污染物泄漏，另一种是污染物通过压裂裂隙、废弃井筒等迁移至饮用水含水层。

1.3甲烷的泄漏

页岩气的主要成分为甲烷，而甲烷是一种温室效应比二氧化碳更强的气体。稍早的研究表明，以25年和100年为周期，同等质量甲烷的温室效应分别是二氧化碳的72倍和25倍［7］。据保守估计，压裂液返排过程中页岩气的平均排放量约占页岩气井预测总产量的1.6%，后续的多段桥塞钻穿过程中的页岩气逸散量约占0.3%，储层压力越大，甲烷气的逸散量就越多。耗时较长的水平井钻井、完井和压裂过程，致使页岩气开发甲烷泄漏量高于常规天然气开发。康奈尔大学的研究人员研究后认为，页岩气的提取过程十分复杂，有害物质的泄漏渗透比常规的油气资源开采要严重得多。在一口页岩气勘探井的生产过程中，甲烷气体会以不同的形式逃逸到大气中。经估算，逃逸率为3.6%～7.9%，这是常规天然气井的两倍还多。高甲烷含量原本是页岩气促进二氧化碳减排的优势，然而目前关于甲烷的温室效应和开发过程中页岩气的排放和泄漏问题的争辩令这一优势饱受质疑［8］。

2012年4月18日，美国环保署（EPA）发布首部页岩气开采环保法规，要求到2015年1月，所有采用水力压裂法进行页岩气开采的气井都安装相关设备，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。该项法规将对美国约13 000口天然气井产生影响。而目前，我国针对页岩气开发过程中甲烷泄漏的主要措施是除了必要的放喷测试外，所有产出的流体全部进入事先安装的地面集输管网进行转输，以减少甲烷的泄漏。

1.4噪声污染

页岩气钻井和压裂过程中的噪声污染不可忽视，井场建设中大量重型机械的运行和交通运输，钻井和压裂施工都会产生高分贝噪声。交通运输和压裂作业可以通过限定作业时间来规避噪声对周边居民区正常生活作息的影响，而钻井的长期性、连续性则无法通过限定作业时间来消除噪声污染。后续天然气输送过程中，压缩机站的运行也将产生长期的噪声污染，即便安装了消声器也难以完全消除。长期的噪声环境会给人们的身心健康造成不利影响，特别是对患有高血压、冠心病、偏头疼等人群，有加剧病情的风险。

1.5固体废物污染

页岩气开采过程中还会产生大量的固体废物，按照废物的性质可以分为一般工业固废和危险废物。水基钻井阶段产生的废弃水基泥浆和水基钻屑属于一般工业固废，通常采取固化填埋、制砖和铺路等方式进行处理和综合利用；油基钻井段产生的废弃油基泥浆和油基钻屑属于危险废物。根据统计，某页岩气示范区每钻一口井最高会产生含油钻屑322 m3，一旦处置不当，则会对当地的土壤和地下水环境造成严重影响。

2　页岩气开发环境保护面临的形势

当前，在我国迫切需要加快调整优化能源结构的大形势下，未来十几年，天然气需求将快速增长，缺口将逐渐扩大，这就为我国页岩气大规模开发提供了宝贵的战略机遇，发展页岩气具有良好的市场前景，同时，我国页岩气产业化也面临一定挑战。为加大页岩气勘探开发力度，加快攻克页岩气勘探开发核心技术，国家在“大型油气田及煤层气开发”国家科技重大专项中设立“页岩气勘探开发关键技术”研究项目，成立了国家能源页岩气研发（实验）中心，以加大页岩气勘探开发关键技术研发力度。但是，与页岩气开发环境保护相关的法律法规、标准规范的研究却相对滞后，这就造成了与页岩气开发活动相关的环境保护工作面临着无合适的监管依据和标准规范及相应的环境保护技术等严峻形势。鉴于此，我国相关部门正在加快相关环保法律法规和标准规范的制定工作，并在“十三五”页岩气科技重大专项中重点考虑了页岩气开发的环境保护监管及环境保护技术等方面的研究，旨在推动页岩气产业健康快速发展，为页岩气的可持续开发保驾护航。

美国是最早进行页岩气勘探生产和开发研究的国家，也是现今页岩气商业化开发最成功的国家，但是，近几年来，美国在页岩气的开采过程中，出现压裂液对地层的破坏、甲烷泄漏等一系列问题，对环境造成了不可挽回的破坏，基于此，世界上许多国家对页岩气开发开始持谨慎稳健的态度。

美国已经有个别州如佛蒙特州立法禁止使用水力压裂技术开采页岩气。此外，国外其他国家也对页岩气开发持谨慎稳健的态度，如加拿大魁北克省出于环境保护的考虑，于2011年已暂停大部分新的页岩气开发项目，不列颠哥伦比亚省虽然没有出台严厉政策，但也对新勘探的页岩气区块采取审慎开发的态度；欧洲多数国家鉴于环境问题暂缓或者禁止对页岩气的开发，法国、保加利亚、捷克和波兰等国家明令禁止应用水力压裂方法开采页岩气；德国政府认为只有在能够全面杜绝水力压裂技术造成危险的情况下，才能做出开采页岩气的决定；罗马尼亚则要求，在有关水力压裂对环境影响的评估工作结束前，暂停页岩气钻井。由此可知，以欧洲各国为首的各个国家新法规的出台，将大大延缓页岩气开发的进程。从另一个角度看，严苛的政策也可能会促进无水压裂等新技术的发展［9］。

然而，从目前的各种研究当中可以了解到，页岩气开发过程中，水力压裂技术是目前唯一可以开启页岩气矿藏的钥匙。在我国，人均占有的水资源量仅占世界平均水平的四分之一，水资源匮乏已经是一个众所周知的环境问题，特别是在地域分布上，全国80%左右的水资源都分布在南方，北方很多河流都处于枯竭状况。因此，在页岩气开发过程中，水资源过度使用的问题势必成为首要考虑的问题。页岩气的开发在我国方兴未艾，国家也越来越重视在这方面工作，一旦页岩气开发形成规模，必须清醒地认识到页岩气开发行为可能导致的不利后果，特别是对水资源和水环境造成的不良影响。

大量的压裂液注入页岩气目的层位后，压裂液将会随着采气过程而返回至地表，压裂液返排率因地层条件的不同而有区别。据对某页岩气示范区的预测，其压裂液返排率累计高达60%以上，这些返排液经过简单处理后优先循环利用配制压裂液，返排液回用率为20%～30%，剩余的返排液则采取地下回注处理方式为主，送交有资质的单位进行处理为辅。如此大量的压裂返排液回注至地下，对深层地下水环境无疑构成了巨大的潜在污染源。

总之，页岩气已列入我国《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》和油气“十三五”规划的重点目标之一，随着页岩气开采力度的加大，压裂取水对区域生态环境和水资源的影响、压裂返排液对地下水环境的潜在影响、危险废物废弃油基泥浆和油基钻屑的环境风险等无疑会对我国页岩气可持续发展提出严峻考验。

3　建议及对策

美国30年的页岩气开发历程为我国的页岩气发展提供了范本。借鉴美国经验，立足我国国情，建议重点做好以下工作。

①加强页岩气开发环境保护工作，完善相关的环保制度。从国家层面来说，要加快制定与页岩气开发相配套的环保法律法规、标准规范及环境监管制度。在环评管理方面，要加快制定页岩气开发环评技术导则，废水和废气排放标准，制定跟踪评价和监测制度等环境管理规范性文件［10］。在此基础上，逐步加强对环境的监管，完善全过程监管体制，实现产量突破与环境保护双赢。

从企业层面来说，在国家尚未出台页岩气开发的有关环保制度前，企业应根据各级环保主管部门的要求，结合现有常规天然气开发的环保法律法规、标准规范、环评导则与技术方法，以水力压裂、废水回注等造成的潜在环境影响和危险废物废弃油基泥浆和油基钻屑处理后固废的环境风险研究为重点，加强污染防控技术和污染治理技术，特别要专门针对水力压裂、地下灌注和固体废物处置等重大环境风险，加强研究和污染治理示范工程试点，在此基础上，制定技术规范，作为国家规范出台前的过渡性规范，获得各级环保主管部门的认可。

②加快页岩气开采新技术的研发。美国页岩气井水力压裂的压裂液循环利用已取得很好效果，页岩气开发可以借鉴美国和国内油气田的水资源循环利用经验，深化页岩气开发过程的水资源循环利用技术研究。从页岩气水力压裂技术层面出发，探索节水工艺和甲烷减排工艺，以减少水资源消耗和甲烷排放。做好污染治理技术研究，加强企业和研究单位合作，针对页岩气压裂返排液的污染组分特性，设计高效的污染治理措施。加强页岩气水平井钻井技术研究，例如研究高效水基钻井液替代油基钻井液，实施水平井钻井的可行性。

③加快页岩气开发环境保护技术研究工作。一是要加强压裂返排液的处理技术及回注技术研究，提高回用率，减少回注。二是要加强废弃泥浆和钻屑的污染治理技术研究，特别是废弃油基泥浆和油基钻屑经处理后的固废危害鉴别的研究。根据目前国内正在实施的页岩气开发废弃泥浆和钻屑的污染治理情况，采用不落地随钻处理与资源化技术解决了水基泥浆和水基钻屑的处理，采用热脱附处理等技术处理废弃油基泥浆和油基钻屑也取得了明显的效果，但仍需进一步加强有关技术研究。与此同时，还应加快有关油基钻屑处理后废渣的固体废物性质鉴别工作，为油基钻屑处理后废渣的处理方式找到出路。

④建议使用不具有利用价值的咸水作为压裂液用水，以减少压裂用水与区域内其他用水的冲突；加强压裂液在地下的可能迁移途径研究，尤其是通过固井质量较差的井筒、废弃的井筒或者是压裂缝隙等途径的迁移规律研究，以充分了解并控制压裂液的去向。

⑤实施战略环境影响评价，从环境保护角度区分资源类别，对照相关环保要求，对不适宜开发的区域进行识别，从资源环境效率、生态环境承载力及环境风险水平等多方面，优化页岩气开发规划，支持和推进国家页岩气开发。综合考虑区域环境特征，从环境保护和环境风险防范的角度，对页岩气有利区进行分类、筛选、排序，优化页岩气开发的时序。

⑥加强页岩气开发前期的环境保护现状调查工作，在开发页岩气之前应对所在区域的土壤生态、地表水、地下水等环境等现状进行充分的调查和环境监测，摸清环境本底状况，特别是环境敏感区的分布情况。

［1］ 梁鹏，张希柱，童莉.我国页岩气开发过程中的环境影响与监管建议［J］.环境与可持续发展，2013（2）：25-26.

［2］ 国务院办公厅关于印发《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》的通知（国办发〔2014〕31号）［EB/ OL］.［2015-06-07］http：//www.gov.cn/zhengce/content/2014-11/19/content＿9222.htm.

［3］ 刘佳骏，董锁成，李泽红.中国水资源承载力综合评价研究［J］.自然资源学报，2011，26（2）：258-269.

［4］ Kuwayama Y，Olmstead S，Krupnick A.Emerging Issues in the Water-Energy Nexus：The Water Resource Impacts of Unconventional Fossil Fuels［J］.RFF Working Paper，2012.

［5］ Eichenseher T.Water：In Drilling Country，Water Rights Stir Fracking Questions［J］.Land Letter.E&E Publishing，Washington，DC，2012.

［6］ Olmstead S M，Muehlenbachs L，Shih J，etal.Shale Gas Development Impacts on Surface Water Quality in Pennsylvania［J］.Proc.Natl.Acad.Sci.，2013，110（13）：4962-4967.

［7］ Alan Krupnick，Zhongmin Wang，Yushuang Wang.Environmental Risks of Shale Gas Development in China［J］. Energy Policy，2014（75）：117-125.

［8］ 潘潇.页岩气开发的利与弊［J］.资源环境与工程，2014，28（2）：230.

［9］ 吴西顺.世界各国页岩气政策综述［C］//中国地质学会2013年学术年会论文摘要汇编.［S.l.］：［s.n.］，2013：21-26.

［10］梁睿，童莉，向启贵，等.中国页岩气开发的环评管理及建议［J］.天然气工业，2014，34（6）：135-140.

（编辑 王薇）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.001

1005-3158（2015）06-0001-04

2015-11-24）

熊运实，1991年毕业于中国科学院地理研究所化学地理专业，硕士，教授级高工，中国石油集团高级技术专家，现任中国石油安全环保技术研究院副总工程师，长期从事环保、安全、职业卫生评价及研究工作。通信地址：北京市昌平区沙河镇西沙桥西中国石油创新基地A座，102206