美国页岩气水力压裂开发对环境的影响

张东晓，杨婷云

（1.北京大学工学院能源与资源工程系；2.北京大学页岩油气研究所）

美国页岩气水力压裂开发对环境的影响

张东晓1,2，杨婷云1,2

（1.北京大学工学院能源与资源工程系；2.北京大学页岩油气研究所）

通过调研美国页岩气开发所面临的环境问题及研究进展，总结页岩气水力压裂开发对环境的影响，并探索对中国页岩气开发的参考意义。美国页岩气大规模商业性开发的环境风险主要包括水资源消耗与污染、引发地震及大气污染等。水资源消耗方面，通过评估能源生产耗水密度，可知与常规油气和其他能源生产方式相比，页岩气开发并非“高耗水”行业，其总用水量占地区总量比例较低，不会显著增加用水压力。水资源污染方面，由于水力压裂诱发连通储集层和地下水的裂缝而直接造成污染的可能性很低，且已知的浅层地下水污染案例可能与完井缺陷有关，提高井身完整性是防止污染的关键；页岩气规模开发阶段返排水总量大、污染物种类多、成分复杂，处理不当会造成污染，需要监测和评估其污染风险。现有证据表明页岩气开发不会引发破坏性地震。对页岩气井全生命周期的温室气体排放估计结论不一，在生产中应当采取更为有效的措施减少泄漏。页岩气开发环境影响方面的研究重点包括地表水和地下水污染监测方案与指标体系的建立、注入压裂液和储集层流体运移规律的分析、开发活动对高矿化度地层水及地下水层中天然甲烷运移的影响分析、页岩气开发返排水再利用和处理技术的应用。图2参62

页岩气；水力压裂；环境风险；水资源消耗；水资源污染；地震风险；大气污染

0 引言

水平井大规模水力压裂技术是页岩气开发过程中的关键技术，由于页岩储集层渗透率极低，一般需要进行压裂改造，通过高压泵将大量水、化学添加剂和支撑剂混合物注入地层，形成复杂的裂缝网络，来提高渗透率[1]。随着水力压裂技术的推广应用，其可能导致的环境问题也引发了诸多争议，主要包括：消耗淡水资源、增加水供给压力[2-3]、导致地表水和地下水污染[4-7]、引发地震[8-9]、造成大气污染[10]等。页岩气开发

的反对者认为[11]，利用水力压裂技术开采页岩气的环境风险和代价太高，虽然用天然气代替煤炭和石油可以减少CO2的排放，但其益处不足以抵消页岩气开发过程中可能引起的甲烷泄漏以及水资源污染等风险，现阶段应当暂缓开发等待进一步研究；支持者认为，目前的担忧超出了现有研究和事实证据所表明的风险，水力压裂技术的环境风险可以通过技术和法规进行风险管理和控制。

截至2014年7月底，中国已钻页岩气井400余口，整体而言仍处于起步阶段[12]。页岩气开发在四川盆地率先取得重要突破，进入规模化开发初期[12]。应用水力压裂技术进行页岩气开发的环境风险的评估、环境问题影响因素的研究、污染监测、水资源污染机理和污染物运移规律等相关问题的分析在这一时期十分重要。国内研究人员总结了水力压裂技术应用所面临的环境问题和国外监管经验[13-16]，但缺少对科学研究的系统论述。本文总结分析了近年美国页岩气开发环境问题的研究进展，在案例和机理研究的基础上分析了水力压裂技术的环境风险，为中国页岩气开发提供参考。

1 水资源消耗

1.1 水力压裂用水量及水源

页岩气开发多采用水平井多段压裂，一般压裂用水量占钻完井阶段用水量80%以上。从单井用水量来看，页岩气水平井远高于常规天然气直井[17]，一般在8 000～100 000 m3，平均约为15 000 m3[18]。单位长度生产段用水量相对集中，2010年Barnett、Haynesville和Eagle Ford页岩气井生产段用水量为9.5～14.0 m3/m[19]。压裂用水量影响因素包括井深、水平井段长、压裂段数、地质特征以及压裂液等[17]。

综合分析，应当从单位能源用水密度、是否增加地区供水压力两方面来评估页岩气开发水资源消耗影响。就能源生产用水密度而言，页岩气高于常规天然气[17]、低于常规石油、远低于常规油气EOR（提高石油采收率）[20]（见图1），页岩气用于发电耗水密度远小于地热能、核能和太阳能[21]。由此可见，与常规油气和其他能源生产方式相比，页岩气开发并非“高耗水”行业，但页岩气井用水几乎全部集中于初期完井阶段（不考虑重复压裂），气井生命周期可达30年，基于现有生产数据估计用水密度存在较大不确定性[17,22]。从地区供水角度，美国页岩气开发中用水量占整个州用水总量比例小于1%[23]，远小于灌溉、公共用水等，不会造成显著的额外供水压力[24]。但由于生产活动和压裂取水通常集中于某一区域，占当地用水比例可能较高，且开发作业时需要在较短时间内获取钻井压裂所需用水，在干旱季节或缺水地区仍会存在供水压力[2,19]，会对流域产生累积影响。中国页岩气开发处于起步阶段，尚无公开的单井用水量及来源数据，若进行规模开发，需要收集分析此类数据，以监测页岩气开发对于水资源的影响。

图1 不同能源类型用水密度估计（由参考文献[20]数据折算得到）

1.2 降低页岩气开发水资源消耗研究方向

①进行页岩气开发用水监测、制定综合用水规划。页岩气开发过程中产生的水资源消耗对区域环境的影响与该地区的水资源可利用量和其他竞争用水需求有关。2014年世界资源研究所（WRI）发布了首个全球页岩气资源与可利用水资源量分布的评估报告[25]，指出中国超

过60%的页岩区块分布在干旱或基线水资源压力较高的地区。目前页岩气开发较为活跃的四川盆地面临水资源分布不均、人口密度高等问题，可能成为页岩气发展的制约因素[25]。为避免影响当地水资源供给和生态环境，应收集页岩气开发用水量、用水来源数据，并结合钻采计划，制定综合用水方案，同时监测水资源变化。

②减少页岩气水力压裂过程中的淡水消耗量。研究重点及方向包括：返排水处理和再利用，采用咸水、污水、酸性矿排水[26-27]等不能用作饮用水的“边际”水资源进行压裂，从而减少淡水消耗量。对于中国水资源匮乏的地区，应提高循环用水比例，发展咸水压裂及无水压裂技术。

2 水资源污染

水资源污染是页岩气开发中后果最严重也最具争议的问题（见图2）。美国2001—2011年间完钻页岩气井数超过20 000口，多数环境评估良好[24]，但也有研究[4-5,7]指出页岩气开采可能造成水资源污染。

图2 页岩气开发相关的水资源风险示意图（由文献[18]修改）

2.1 浅层流体泄漏和运移

套管和固井缺陷会造成浅层流体泄漏，导致地下水污染，常规油气井出现这一问题的比例约为1%～3%[28]，非常规油气井出现此类问题的比例可能会高于常规油气井[29]。浅层流体泄漏和运移的原因包括：套管损伤导致流体泄漏[4-5]；固井不完善，使套管和储集层间存在流体流动空间[5]。

Osborn等和Jackson等的研究显示距离Marcellus页岩气井1 km范围以内的地下水中含有较高浓度的甲烷[4-5]。Osborn等分析68口浅层饮用水井发现，距离页岩气井1 km范围以内的地下水中甲烷平均浓度为19.2 mg/L，是距离页岩气井1 km范围以外地下水（1.1 mg/L）的17倍。地球化学分析表明距离页岩气井1 km范围内地下水中的天然气主要来源于深层热成因天然气，与页岩气井产出气一致，但水样中并未检测到压裂液或深层咸水成分[4]。Jackson等分析144口浅层饮用水井发现，距离页岩气井1 km范围以内地下水中甲烷平均浓度是距离页岩气井1 km范围以外地下水的6倍，而前者乙烷浓度是后者的23倍，仅在距离页岩气井1 km范围以内的10口水井中检测到丙烷[5]。采用相同方法对Fayetteville页岩气井附近127口井进行分析，结果显示其并未被天然气污染[30]。有学者[31-32]认为Osborn的研究样本容量过小且非随机取样，缺少与钻井前基线数据的比较。同时该地区地下水中普遍存在热成因甲烷，且在页岩气开发前有其他固井问题导致的甲烷泄漏事件，不能表明是由于页岩气开发造成了地下水中甲烷浓度高。目前仅有较少研究采集页岩开发后的水样数据并和开发前的基线数据进行了对比[33-34]，结果显示钻井前后地下水中的甲烷浓度没有统计差异，甲烷浓度与采集水样水井至页岩气井距离也没有

统计相关性。地下水中天然气的成因和来源分析是判别页岩气开发是否导致了高甲烷浓度的关键，其指标主要包括烃类浓度、长短链烃比例（C2/C1、C3/C1）、天然气同位素组成（δ13C1、δ13C2、δ2HCH4）[5,35]和惰性气体同位素特征（4He，20Ne，36Ar）[36]。

Fontenot等分析距离Barnett页岩气井3 km附近的饮用水井，发现部分水样中As、Se的溶解性固体（TDS）总量超标，3 km之外的饮用水井也存在TDS超标情况，但近井区域浓度更高。产生这一现象可能的原因包括该地区水位下降、页岩气开发影响地下水运移和平衡、套管或固井缺陷[37]。但该研究中近井和远井样本数量差别较大[38]，且仅检测了As、Se、甲醇等物质的浓度[37]，难以判断污染的来源和成因。钻井和压裂活动如何影响地层中天然存在的有害物质运移还需要进一步研究。美国相关研究存在争议的主要原因在于已经大规模开发的页岩区块缺少基线数据。中国的页岩气开发还处于起步阶段，在开发前设计污染监测方案和监测指标体系、采集水样的基线数据，才能有效判断页岩气开发中浅层天然气和其他污染物的来源，评估页岩气开发是否造成污染。

2.2 地下深层流体运移

页岩气开发过程中，注入的压裂液和储集层高矿化度地层水是否会向上运移，直接污染地下水，是水力压裂技术争议的另一焦点。此问题的关键在于页岩储集层和地下水的连通性，以及向上运移的驱动力。就连通性而言，目前学术界较为普遍的共识是水力压裂不会产生连通地表的裂缝。最直接的证据是微地震成像显示水力压裂产生裂缝的顶端距离地下水仍有上千米，一般页岩压裂作业层的深度在1 000 m以上，地下水深度不超过300 m[39]，裂缝的发展会受到储集层上下方不渗透岩层和压裂液滤失的限制[40]，页岩气井附近检测到高甲烷浓度的水样中也并未监测到压裂液的成分[4]。从运移驱动力来看，当压裂结束后，随着压裂液返排，储集层压力下降，即使存在运移通道，受毛细管力限制，流体也会倾向于被束缚、封存在储集层中，缺少足够向上运移的动力[41]。

但是理论上并不能排除天然裂缝成为运移通道的可能性。Warner等研究显示，宾夕法尼亚州东北部浅层地下水的地球化学特征与深层高矿化度地层水一致，二者之间可能存在运移通道[42]。虽然此类通道与页岩气钻完井活动无关，但其存在可能会成为深层流体运移的路径，需要进一步研究高矿化度地层水的运移路径以及水力压裂对其影响。Myers认为注入压裂液会增强储集层中原有流体的流动，数值模拟结果显示压裂后污染物从储集层运移至浅层地下水的时间可能从上百年缩短至不到10 a[6]。也有学者[43-44]认为上述研究的水文地质模型和储集层流体运移模型过度简化、存在明显错误，其结论不具参考价值。

美国劳伦斯伯克利国家实验室在《水力压裂对水资源影响报告》[45]中提出了3种深层流体运移机理假设：①储集层流体通过压裂裂缝进入封隔不当的探井或废弃井；②压裂裂缝穿过整个上覆岩层，连通地下水；③休眠的断层和天然裂缝被激活，连通储集层和地下水。虽然理论上不能排除后两类污染机理的可能性，但目前没有证据表明存在这样的裂缝或断层。

目前美国已知1例在浅层地下水中检测到压裂液成分的事故，发生在位于怀俄明州的致密砂岩气藏[46]。该地区居民水井的深度为6～240 m，储集层深度约1 000 m，最浅的水力裂缝深度约370 m。可能的泄漏原因包括：储水池（至少33个）泄漏；天然气井完井、固井不完善；压裂施工层位和最深的居民水井水源层之间缺乏足够的垂向封隔。这一案例中致密砂岩压裂作业深度和地下水深度接近，而页岩储集层和地下水间隔上千米，之间发育不渗透岩层，压裂作业不会产生连通地表的裂缝。尽管如此，压裂施工的整个过程仍需要可靠的设计和监测来保证作业的安全性。

2.3 返排水和产出水处理

不同页岩储集层的返排比例差别较大，如Haynesville页岩返排比例约5%，Barnett和Marcellus页岩返排比例约50%[40]，四川盆地页岩气井返排比例为15%～80%[47]。除了压裂液之外，返排水和产出水（后文统称返排水）的成分主要取决于地层水，不同储集层有所差异[48]。返排水含有高浓度的TDS、大量盐类（如Cl、Br），还可能含有低浓度的金属元素（如Ba、Sr）、有毒的非金属元素（如As、Se）和放射性元素（如Ra），一般有毒成分的浓度和矿化度正相关[18,40]，由于矿化度高、污染物种类多、成分复杂，其处理难度大、成本高。规模开发阶段井数多、返排量大，如何处理这些废水是保护水资源的关键。

美国页岩气开发中返排水的处理方式包括处理后再利用、处理后排放，或注入二类注入井封存。处理工艺包括膜蒸馏、反渗透、蒸发结晶、离子交换和电容去离子化[49-50]等，现有的处理设施和技术难以经济、有效地处理污染成分复杂、含有高TDS的返排水。返排水循环利用需要考虑如何在高矿化度环境下保持添加剂的活性和稳定性，同时防止沉淀[49]。用注入封存法处理返排水受到地质条件制约，如科罗拉多州和德克萨斯州的地质条件适合建设注入井，而宾夕法尼亚州只有5口用于废水处理的二类注入井[51]。

返排水处理过程中可能的污染途径包括：①操作过程中的地表泄漏，如蓄水池隔离层渗漏、运输途中溢漏；②返排水未经处理直接排放；③返排水处理不达标排放，一般的污水处理设施不能有效去除如卤素、重金属和放射性元素等污染物[18]。由于返排水的矿化度远高于地表水，即使很小的污染量也会恶化水质。Marcellus页岩的返排水处理后虽然去除了90%的Ba和Ra，但排放点和下游的Cl、Br浓度显著高于上游[7,52]，226Ra的放射性强度是上游的200倍，超出了安全标准[7]。

页岩气井产量一般递减较快，需要不断完钻新井。在规模开发阶段，生产活动密度增加，出现返排水地表污染事故的概率也有所增加[18]。为监测和追踪返排水污染，需要研究返排水的地球化学特征，并确定监测指标体系和监测方案。不同页岩返排水的组成受区域地质和水质影响差异较大，监测指标也有所不同，如用于区分Marcellus页岩返排水和其他污水的指标包括226Ra/225Ra、87Sr/86Sr和Sr/Cl等[28]。返排水污染主要与生产操作和管理有关，可以通过研究控制返排比例、研发改进污水处理工艺、有效监测污染、识别污染诊断、加强返排水处理规划和管理来降低风险。

2.4 降低水资源污染研究方向

①缺少基线数据是美国页岩气开发对水质影响相关研究存在争议的重要原因[18,32,51,53]。美国国家能源技术实验室[54]和地质勘探局[55-57]均已开展研究项目，采集尚未规模开发页岩区块的基线数据并进行持续监测。对于中国尚未规模开发的页岩区块，设计监测方案和监测指标体系、开发前采集地表水和地下水的基线数据，是今后开展此类研究的必要基础。

②套管损伤和固井缺陷会导致天然气泄漏运移进入浅层地下水[4]，可以通过优化工程实践、加强检测和监管降低这一风险[11,40]。压裂不会诱发直接连通浅层地下水的裂缝[39]，受滤失、不渗透岩层和毛细管力的限制，流体从页岩储集层直接运移至浅层地下水造成污染的可能性很低[41]。但现有技术手段仍然无法准确预测裂缝发展，压裂前需要尽可能了解地下构造和断层、裂缝分布，压裂中需要实时监测，压后监测、评估水文地质学的变化情况。

③注入的压裂液和储集层流体的运移规律及影响因素需要进一步研究，包括注入的压裂液对储集层流体运移的影响[45]、压裂液与储集层发生的反应和作用[45]、压裂液最终去向及其影响因素[41]、天然高矿化度地层水运移通道对压裂液运移的影响[42]、伴随地下水循环更长期的运移和泄漏风险[6]等问题。

④返排水污染物种类多、成分复杂，处理不当会造成污染[18,48]。未来研究方向包括：改进压裂液配方提高废水的兼容性，以提高返排水再利用比例；研发适用于页岩气返排水的处理技术，处理高矿化度、高放射性的返排水；研究用于返排水监测和污染来源识别的技术和指标体系。

⑤中国目前没有针对页岩气废水处理的具体规定，现阶段依照常规油气的办法管理。页岩气规模开发阶段具有返排水量大、污染物成分复杂、地表波及区域广的特点，需要综合管理、监管和规划，应加快完善页岩气开发的环境监管制度和相关法规。

3 地震风险

水力压裂释放的能量一般会引发2级以下的微地震，大多数在1级以下，不具有破坏性。英国[8]和加拿大[9]水力压裂引发3级以上地震的案例，可能与压裂前未探测到的断层有关[58]。美国页岩气开发中检测到该地区地震活动增加，其震中位置和震源深度与高矿化度注入井接近，大于页岩压裂作业深度[40,59-60]。现有证据显示水力压裂不会引发破坏性地震[58]，但压裂作业前储集层描述存在很多不确定性，现有技术难以准确预测裂缝发展，需要进一步研究裂缝起裂和扩展的机理、注入压裂液和处理水对地应力分布和地震活动的影响。

4 大气污染

大气污染的来源包括作业用柴油机排放的污染物、开采运输中的天然气泄漏、地面蓄水池的有机物挥发等。相比于煤炭和石油，天然气更加清洁，其燃烧产生的污染物、颗粒物和汞排放显著减少[51]，用于发电时排放的温室气体和其他污染也更少[61]。但Howarth等[10]认为由于压裂液返排等过程，页岩气开采中甲烷散失比例更高，估计为单井总产量的3.6%～7.9%，而常规天然气为1.7%～6.0%，基于这一假设估计页岩气开采20 a的温室气体排放量大于常规油气和煤炭。King[40]认为这一研究高估了散失量，实际应该小于1%，Burnham等的研究[62]估计页岩气从井场建设到终端消费全周期温室气体排放比常规天然气低6%，比汽油低23%，比煤炭低33%。页岩气井的压裂液返排比例、单井预期采收率变动很大，据此估计甲烷排放量存在非常大的不确定性。在生产中应当采取更为有效的措施减少泄漏、测定排放量、提高利用率。

5 结论

本文从水资源消耗、水资源污染、地震风险和大气污染4个方面总结分析了应用水力压裂技术开发页

岩气可能导致的环境问题。虽然页岩气开发过程中单井用水量较高，但能源生产用水密度低于常规石油和EOR。美国页岩气开发用水不会显著增加该州的供水压力。页岩气井的用水需求集中在初期完井阶段，应收集页岩气开发的用水来源、用水量数据，综合规划、合理利用，在不破坏当地的水资源平衡的前提下，短时间内获取开发用水。

虽然美国页岩气开发中有案例显示页岩气井附近浅层饮用水甲烷浓度较高，但由于缺少基线数据，水力压裂是否导致甲烷泄漏或运移尚无定论。为准确评估开发活动的影响，需要采集开发前的基线数据、开展持续监测，并通过地球化学指标和同位素特征判别污染物来源。微地震数据显示水力压裂缝延伸范围有限，不会产生直接连通储集层和地下水的裂缝，即使存在运移通道，受细毛管力限制，压裂液会倾向于被束缚、封存在储集层中。但压裂液的运移规律、影响因素以及最终去向仍需要进一步研究。相比于地下泄漏和运移，压裂后返排水和生产水的处理及影响更需要进一步研究和评估，包括研究返排水的地球化学特征、建立监测指标体系和设计监测方案。

现有研究表明水力压裂不会引发破坏性地震，水力压裂引发3级以上地震的案例与未探测到的断层有关，由于储集层描述的不确定性和裂缝预测技术的局限，需要进一步研究裂缝起裂和扩展机理、注入压裂液和处理水对地应力分布和地震活动的影响。受页岩气井的压裂液返排比例、单井预期采收量影响，现有研究对页岩气井全生命周期的温室气体排放估计结论不一，在生产中应当采取更为有效的措施减少泄漏、测定排放量、提高利用率。

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（编辑 魏玮 王大锐）

Environmental impacts of hydraulic fracturing in shale gas development in the United States

Zhang Dongxiao1,2,Yang Tingyun1,2
(1.Department of Energy and Resources Engineering,College of Engineering,Peking University,Beijing 100871,China;2.Shale Oil and Gas Research Institute,Peking University,Beijing 100871,China)

Through comprehensive investigation of the environmental issues in shale gas development in the US,the environmental impacts of hydraulic fracturing in shale gas development are summarized to provide reference for the shale gas development and management in China.The environmental risks of large-scale commercial shale gas development in the United States include water consumption,water contamination,seismic inducement and air pollution.Compared to conventional oil and gas production and other energy producing industries,shale gas development is not exactly “high-water-consuming” in terms of water consuming intensity.Its water consumption,accounting for a small proportion of the total regional water consumption,will not add much more stress on water supply.In terms of water pollution,hydraulic fracturing is unlikely to cause fractures to directly connect reservoir to the shallow aquifer,the known contamination cases are most likely related to faulty well completion,therefore well integrity is the key to the prevention of contamination;the flow-back fluids in large scale shale gas development have the characteristics of large quantity,many kinds of pollutants and complex composition,thus improper treatment would lead to serious contamination,and continuous monitoring and assessment of the pollutants are necessary.Existing evidence shows that hydraulic fracturing is unlikely to trigger destructive earthquakes.Greenhouse gas emissions in the life cycle of shale gas wells were estimated differently,but no doubt more effective measures should be taken to minimize leakage.The research priorities include contamination monitoring program design,detection indicators,moving pattern of hydraulic fracturing fluid and formation fluid,the effects of shale gas development on high salinity formation water and methane migration,and treatment and re-use of flow-back fluid.

shale gas;hydraulic fracturing;environmental risks;water consumption;water contamination;earthquake risk;air pollution

国家自然科学基金项目（U1262204）

TE991

A

1000-0747(2015)06-0801-07

10.11698/PED.2015.06.14

张东晓（1967-），男，江西九江人，博士，北京大学工学院教授，主要从事油气藏数值模拟、非常规油气开采机理、二氧化碳地质埋藏等方面研究工作。地址：北京市海淀区颐和园路5号，北京大学工学院，邮政编码：100871。E-mail：dxz@pku.edu.cn

2015-01-12

2015-07-06