页岩气开发环境影响评价探讨

周志恩 方维凯 陈敏 罗倩 王晓宸 陈刚才

摘要：中国是继美国、加拿大后第三个对页岩气进行开发利用的国家。但是，页岩气开发的环境影响问题突出，主要集中在大量占用土地、大量消耗水资源、水力压裂水污染风险、页岩气泄漏风险等方面。目前，我国页岩气项目环境影响评价工作，主要依据《环境影响评价技术导则陆地石油天然气开发建设项目》，在污染因子选择及其量化分析上缺少较明确的指导。本文借鉴美国页岩气开发经验，对页岩气开发需要注意的突出环境问题进行分析总结，探讨页岩气开发环境影响评价技术导则应补充的内容，以完善环境影响评价体系。

关键词：

环境影响评价；页岩气；水力压裂；泄漏；温室气体

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.06.015

中图分类号：X820.3文献标识码：A文章编号：2095-6444（2015）06-0062-06

頁岩气开发最早可追溯至1821年在美国纽约Dunkirk页岩完钻的第一口页岩气井[1]。但直到20世纪30年代，基于基质与裂缝双重结构的认识和Dunkirk大量页岩气井增钻，页岩气研究开始迅速发展。1977年，美国启动东部页岩气工程开发项目（EGSP）。20世纪80年代，基于页岩气吸附机理的认识，发现Barnett等6套高产页岩。20世纪90年代，基于水力压裂技术的关键性突破和成功应用，含气页岩在美国已达商业化开采程度，其年产量占据美国主要能源产量的29%。页岩气研究也从单孔单渗理论逐渐发展出双孔单渗、双孔双渗等模型[26]。

中国是继美国、加拿大后第三个对页岩气进行开发利用的国家。近年来，对水力压裂技术的研究转化、对页岩气成藏机理的研究均有突破[79]，页岩气开发项目增长迅猛[10]，为中国能源格局和能源经济带来深远影响。

1页岩气概述

1.1页岩气

页岩气属于页岩气藏[11]，指赋存于富含有机质的页岩层中，以吸附气、游离气和溶解气状态储藏的天然气，主体上是自生自储成藏的连续性气藏，属于非常规天然气，可通过体积压裂改造获得商业气流[12]。泥页岩既是页岩气生成的烃源岩，又是页岩气聚集和储藏的储层，赋存环境自然压力低、孔渗性能差、开采难度大、技术要求高[9]。常规天然气与非常规天然气关系见图1。

1.2我国页岩气开发存在的问题

与北美地区相比，我国页岩气选区评价工作对污水处理与环保、地貌环境改变、输气管网建设等方面的评价未强制性要求，不利于页岩气开发区的环境保护工作。

2000—2010年，美国2万口页岩气发生43起事故，涉及钻井液、井场表面泄漏、取水、空气污染、井喷、场外处置不当等问题[10，15]，可见页岩气开发环境问题突出。而《环境影响评价技术导则陆地石油天然气开发建设项目》对页岩气开发过程的水资源消耗、水力压裂污染风险、泄漏风险等[1620]没有明确评价依据。因此，须加快制订并完善相关标准。

2土壤环境影响

2.1生产设施土地占用

页岩气开发土地需求与井场土地密度，井场占地面积，井数量，开发页岩层性质紧密相关。水平井通常穿越多个井场，使这些井场可以用同一套配套设施，有效减少土地需求[21]。

2.3固体废弃物

研究表明[10]，钻井岩屑产量可达1 000 m3/井，主要为Al、Si、Ca、Fe化合物以及有机物； 废泥浆产量800～1 200 m3，含烃类、盐类、聚合物、木质素磺酸盐、重金属离子和重金石等，严重威胁环境。固体废弃物通常储存在井场内的废泥浆岩屑池，若不及时处置或处置不当会大量占用土地并污染土壤。国外岩气开发产生的固体废弃物一般采用卫生填埋和还田法进行处置，卫生填埋占60%（237 kg/m），还田占40%（158 kg/m）

3水环境影响

3.1水资源需求

页岩气开采耗水量是常规天然气开采的102～105倍，用水集中在水力压裂过程。而我国页岩气发展规划中7个重点省份是水资源短缺地区，川、渝、云、贵、赣近年频遭严重干旱困扰[2425]。页岩气开发必然会给当地生产、生活用水带来冲击，对水环境和生态环境造成威胁[19]。

3.2钻井过程

页岩气开采主要使用水平井，其技术难度较高，并导致事故率也较高，对周边环境尤其是水环境存在较高的污染风险。2006年，四川某地区发生了废泥浆堆放池垮塌泥浆下泄事故和钻井废水遇降雨漏排事故，使附近农田、地表水体水质受到不同程度的污染，严重影响了当地居民的生产与生活[16]。Laurence Stamford[12]对钻井过程的物料消耗和钻井废弃物进行了统计，详见表4。

3.3水力压裂过程

3.3.1压裂液

压裂液中化学添加剂多达750余种，核心化学成分有596种，可能引发癌症，影响内分泌、神经、循环和免疫系统，损伤皮肤、眼睛和呼吸道[2830]。添加剂使用占比小但总量大，对环境存在潜在的冲击，详见表5。

3.3.2压裂液使用与返排

返排液除含压裂液中的化学添加剂，还含烃类化合物，重金属和水溶性盐类等。返排液中对环境和人体产生潜在威胁的化学物质包括：有目的添加化学品，在压裂过程中从岩石渗透到压裂液中的天然致癌物质，包括放射性物质铀、轻腐蚀性盐和苯[31]。

3.3.3返排液收集处置

压裂返排液中富含化学添加剂、石油烃类、高浓度盐类，被认为是最难处理的工业废水[32]。有研究称[33]，回流水高溶解固体（TDS）平均含量为90 g/L，硫化物含量约20 mg/L，氯化物平均含量60 g/L。返排液的水质变化大，有咸水、卤水、超饱和卤水，TDS甚至超过400 g/L，若不经处理直接排放，会严重破坏地表水环境。压裂返排液蒸馏处理技术在Barnett和Marcellus页岩气田均已成功应用，约80%返排液可回收利用，成本较低廉。此外，页岩气开发出地面之后脱水过程中，会产生VOCs[34]。

4大气环境影响

4.1页岩气泄漏

4.1.1泄漏途径

页岩气泄漏可分为甲烷人为泄漏和地质构造泄漏两类：前者因完井工艺和质量问题造成页岩气沿各类井筒、原有废弃井大量释放；后者页岩气通过未被发现的断裂或封闭不良的“盖层”发生泄漏。

4.1.2泄漏量

R. W. Howarth保守估计压裂液返排过程中页岩气泄漏量占页岩气井总产量的1.6%，后续的多段压裂段钻穿过程的页岩气泄漏量占0.3%[23]。美国页岩气开发数据表明：整个页岩气井的钻井、压裂和完井过程中，甲烷排放量占页岩气产量的3.6%～7%[3536]。本文取表1中的组分浓度均值和焦页1井—焦页3井区五峰组—龙马溪组一段投产的56口井的大气污染物排放量（以下简称“涪陵焦页”，产量380 m3/d，产能600 m3/d），以及泄漏量1.6%～7%对页岩气开发过程泄漏量进行核算，详见表8。

4.2大气污染物排放

本文使用Ecoinvent[12]中页岩气气开采的废气排放量，推算气藏千米井深和涪陵焦页的大气污染物排放量，详见表7。

从表中可以看出，页岩气开采的大气污染物主要产生于燃烧放空阶段。H2S主要是泄漏产生。若发生井喷事故，气体高压溢出，H2S瞬时排放量巨大，对环境造成巨大冲击，并严重危及周边人员生命安全。同时，Rn等放射性元素也应该纳入环境影响评价范畴。

除以上大气污染物外，随着VOCs造成的二次气溶胶污染问题的凸显，对烃类物质中的苯系物（BTEX）应当特别关注。2010年1月，TCEQ公布了监测程序兼备忘录，在接近井口5英尺高的地方采集的空气样本中检测出了35种化学元素，页岩气井口的苯浓度高达15 ppm。

4.3温室气体排放

天然气开采项目多、产气量大，排放的CO2和CH4总量较大，应考虑温室气体排放量。页岩气开采温室气体排放主要来源于天然气生产过程的放空燃烧、天然气输送过程中的泄漏以及事故，详见图2。

本研究根据《省级温室气体清单编制指南》中的“ICPP第二次评估报告值”，计算CO2、CH4的全球变暖潜能值（GWP100）。页岩气开发过程中排放的温室气体主要为CH4和CO2，绝大部分来自页岩气的燃烧与放空。

涪陵焦页的GWP100约为2.35万吨，而据《重庆市工业生产过程温室气体清单报告（2010年）》统计数据显示，重庆市2010年工业生产产生的GWP100约为1100万吨，因此涪陵焦頁的GWP100约占当年工业温室气体排放总量的2‰，单井排放量占0.4‰。尽管占比小，但页岩产气开采区一般有上千口井，排放总量巨大。

5地质灾害风险

5.1水土流失、植被破坏

页岩气钻井施工，严重破坏场地土体结构，大型钻井设备和工程车的重压以及大规模的水力压裂易导致土壤裂隙产生，可能诱发地面塌陷，营养元素随之流失造成土壤养分短缺，土壤承载力下降，进而引起植被破坏，最终导致工区大面积人工裸地，产生土壤扬尘。另外，水力压裂可能破坏岩层稳定性，增加山体滑坡风险。新暴露的岩土在风雨侵蚀作用下极易风化成岩屑，为水土流失提供了丰富的物质来源，使水土更易移动，水土流失加剧。我国页岩气开采集中于降雨量大的西南部，土地破坏风险增大。

5.2诱发地震

在采用水力压裂法开采页岩气的过程中，即使是小规模注入液体也可能会诱发地震。美国阿肯色州页岩气采活动诱发了近千起3级以下地震，而在地质条件更不稳定地区可能会诱发3级以上地震。我国华北任丘油田、山东胜利油田等也曾有过注水开采诱发地震的现象，在四川自贡地区曾对天然气采空废井人为加压注水，周边地震活动相应出现了明显增强的异常现象，甚至先后出现4.4级和4.2级地震。在英国东北部黑潭市的页岩气开采区域2 km处发生里氏1.5级的地震。加拿大近几年随着页岩气的开采，小型地震的数量每年增加20多起。

6结论

页岩气开发作为能源战略的重要一环，应当优先考虑其开发过程的环境影响，在按照常规天然气环境影响评价体系之上，分析评价土地占用及水土流失，水资源消耗，土壤及水体污染，压裂液返排，温室气体排放等因素对环境的影响。同时，应当特别关注开发过程中的压裂液泄漏，甲烷气泄漏和H2S泄漏等事故的环境冲击，分析评价其影响，制订应对方案。为充分发挥我国页岩气的资源和环境优势，环境影响评价工作的开展是十分重要的内容，它从源头尽可能地预防或者减少负面环境影响，为页岩气产业健康发展保驾护航。

参考文献（References）：

[1]Rebecca S. Rodriguez， Daniel J. Soeder. Evolving water management practices in shale oil & gas development[J]. Journal of Unconventional Oil and Gas Resources， 2015（10）： 1824.

[2]毛成栋， 张成龙， 周鑫， 等. 国外页岩气勘探开发环境监管给我国的借鉴[J]. 中国国土资源经济， 2014 （11）： 5356.

[3]张林晔， 李政， 朱日房. 页岩气的形成与开发[J]. 天然气工业， 2009， 29（1）： 124128.

[4]陈天宇. 页岩气开采机理研究进展[J]. 中国矿业， 2014， 23（6）： 1416.

[5]刘德华， 肖佳林， 关富佳. 页岩气开发技术现状及研究方向[J]. 石油天然气学报， 2011， 33（1）： 119123.

[6]张田， 张建培， 张绍亮， 等. 页岩气勘探现状与成藏机理[J]. 海洋地质前沿， 2013， 29（5）： 2934.

[7]王中华. 2013年国内页岩气钻采技术综述[J]. 中外能源， 2014（6）： 3440.

[8]贾长贵， 路保平， 蒋廷学， 等. DY2HF深层页岩气水平井分段压裂技术[J]. 石油钻探技术， 2014， 42（2）： 8590.

[9]郑军卫， 孙德强， 李小燕， 等. 页岩气勘探开发技术进展[J]. 天然气地球科学， 2011， 22（3）： 511516.

[10]游声刚， 郭茜， 吴述林， 等. 页岩气开发的环境影响因素研究综述[J]. 中国矿业， 2015， 24（5）： 5357.

[11]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标准化管理委员会. GB/T 26979—2011天然气藏分类[S]. 北京： 中国标准出版社， 2012.

[12]中华人民共和国国土资源部. DZ/T 0254—2014 页岩气资源/储量计算与评价技术规范[S]. 北京： 中国标准出版社， 2012.

[13]Laurence Stamford， Adisa Azapagic. Life cycle environmental impacts of UK shale gas[J]. Applied Energy， 2014（134）： 506-518.

[14]王世谦， 王书彦， 满玲， 等. 页岩气选区评价方法与关键参数[J]. 成都理工大学学报（自然科学版）， 2013， 40（6）： 609620.

[15]Susan L. Brantley， Dave Yoxtheimer， Sina Arjmand， et al. Water resource impacts during unconventional shale gas development：The Pennsylvania experience[J]. International Journal of Coal Geology， 2014（126）： 140156.

[16]田磊， 刘小丽， 杨光， 等. 美国页岩气开发环境风险控制措施及其启示[J]. 安全与管理， 2013， 33（5）： 115119.

[17]霍小鹏， 朱权云， 胡金燕， 等. 川渝地区天然气钻井作业环境影响及防治措施[J]. 油气田环境保护， 2012， 22（2）： 4547.

[18]孙仁金， 汪振杰. 页岩气开发综合环境影响评价方法[J]. 安全与管理， 2014， 34（12）： 135141.

[19]孫玉， 李鑫. 借鉴美国经验推进页岩气开发环境管理[J]. 环境影响评价， 2015， 37（2）： 2526.

[20]Yuan Chang， Runze Huang， Robert J. Ries， et al. Shaletowell energy use and air pollutant emissions of shale gas production in China[J]. Applied Energy， 2014（125）： 147157.

[21]M. Guarnone， F. Rossi， E. Negri， C. Grassi， et al. An unconventional mindset for shale gas surface facilities[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2012（6）： 1423.

[22]Claudia Baranzelli， IneVandecasteele， Ricardo Ribeiro Barranco，et al. Scenarios for shale gas development and their related land use impacts， in the Baltic Basin， Northern Poland[J]. Energy Policy， 2015（84）： 8095.

[23]王亚运， 柯研， 周晓珉， 等. 页岩气勘探开发过程中的环境影响[J]. 油气田环境保护， 2012， 22（3）： 5053.

[24]宁宁， 王红岩， 雍洪， 等. 中国非常规天然气资源基础与开发技术[J]. 天然气工业， 2009， 29（9）： 912.

[25]国土资源部. 全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选成果[EB/OL]. （2012-03-02）[2015-09-25]. http：//www.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201203/t2012 0302_1069466.htm.

[26]Christine Rivard， Denis Lavoie， René Lefebvre， et al. An overview of Canadian shale gas production and environmental concerns[J]. International Journal of Coal Geology， 2014（126）：6476.

[27]夏玉强. Marcellus页岩气开采的水资源挑战与环境影响[J]. 科技导报， 2010， 28（18）： 103109.

[28]Angela K. Werner， Sue Vink， Kerrianne Watt， et al. Environmental health impacts of unconventional natural gas evelopment： A review of the current strength of evidence[J]. Science of the Total Environment， 2015（505）： 11271141.

[29]Angus E. McGrath. Fate and transport of select compounds of interest in fracturing fluids [R]. 2011.

[30]Imma Ferrer， E. Michael Thurman. Chemical constituents and analytical approaches for hydraulic fracturing waters[J]. Trends in Environmental Analytical Chemistry， 2015（5）： 1825.

[31]李元靈， 杨甘生， 朱朝发， 等. 页岩气开采压裂液技术进展[J]. 探矿工程， 2014， 41（10）： 1316.

[32]EPA. EPAs Study of Hydraulic Fracturing for Oil and Gas and Its Potential Impact on Drinking Water Resources[EB/OL]. [2015-09-25]. www2.epa.gov/hfstudy/hydraulic-fracturingwatercycle.

[33]Avner Vengosh， Nathaniel Warner， Rob Jackson， et al. The effects of shale gas exploration and hydraulic fracturing on the quality of water resources in the United States[J]. Procedia Earth and Planetary Science， 2013（7）： 863866.

[34]D. Gross， R.F. Sachsenhofer， A. Bechtel， et al. Organic geochemistry of Mississippian shales （Bowland Shale Formation） in central Britain： Implications for depositional environment， source rock and gas shale potential[J]. Marine and Petroleum Geology， 2015（59）： 121.

[35]G. Heath， J. Meldrum， N. Fisher， et al. Life cycle greenhouse gas emissions from Barnett Shale gas used to generate electricity [J]. Journal of Unconventional Oil and Gas Resources， 2014（8）：4655.

[36]EPA . Study of the Potential Impacts of Hydraulic Fracturing on Drinking Water Resource[R]. USA： EPA， 2012.