页岩气开发利用现状及环境影响分析

辜凌云，郑 颖，陈可欣，胡颖铭，吴 怡，史鸿乐

(四川省生态环境科学研究院，成都 610041)

引 言

页岩气是位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，是非常规天然气的一种[1]。作为一种富含甲烷的新型能源资源，页岩气可广泛应用于燃气、供电、化工等领域[2]。美国等欧美国家较早探索了页岩气的利用，并成功实现页岩气的商业化开采和规模化应用，在水平钻井、水力压裂等技术方面也具有较多优势[3-4]。我国是继美国和加拿大之后第三个成功实现商业化开发页岩气的国家，已形成涪陵页岩气田、川南页岩气田、威远页岩气田和长宁页岩气示范区四大主要产区[4]。目前，川南已成为我国最大的页岩气生产基地，并建成长宁、威远等国家级页岩气示范区。

随着全球页岩气开采技术的不断发展，专家们针对页岩气开发的利弊持不同观点。有研究认为，由页岩气开发利用带来的的温室气体排放量比煤炭低30%～50%，采用页岩气替代传统化石能源可有效减少碳排放和空气污染；同时，页岩气的大量开采可促进天然气价格的回落，进而促进工业和经济发展[5]。然而，随着水力压裂技术的应用，页岩气开发需采用高压泵将大量水、化学添加剂和支撑剂等注入地层，可能会引发诸多的环境问题，如水土资源大量消耗、地表或地下水污染、大气污染等，以至于产生比收益更多的净经济成本[3，6-7]；此外，廉价的页岩气与风能、太阳能和核能等绿色能源竞争市场，可能阻碍可再生能源的发展，导致能源消耗和碳排放增加[8]。

目前，国内关于页岩气开发的环境影响研究尚不全面和深入，同时针对页岩气开采引发的环境影响防治措施和对策也泛善可陈。因此，本文将全面介绍页岩气开发的特征及利用现状，并重点关注页岩气开采中全方位存在的环境影响及治理措施，同时针对我国页岩气的高效开发利用提出绿色发展建议。

1 页岩气的开发利用

1.1 页岩气的储量及特点

页岩是由粘土矿物和石英的微小颗粒组成的一类呈片状堆叠的沉积岩，具有可裂性[9]。由于构成页岩的颗粒及颗粒间孔隙空间非常小、渗透率极低，产生的任何油气都难以在其孔隙中流动[1]。表1列举了页岩气与常规天然气的主要特点比较[10～13]，页岩气与其他类型天然气矿床的地质示意图见图1[14-15]。

图1 页岩气与其他类型天然气矿床的地质示意图Fig.1 Schematic geology of shale gas compared to other types of gas deposits

表1 页岩气与常规天然气的主要特点比较Tab.1 Comparison of the major characteristics of shale gas and conventional natural gas

根据美国能源信息署(EIA)最新统计，全球页岩气储量约为456万亿m3，其中技术可采资源量约207万亿m3[16]。我国页岩气地质资源量在80.45～144.5万亿m3左右，技术可采储量居世界第一位，占全球页岩气技术可采储量的15%，主要分布在四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、松辽盆地、吐哈盆地、塔里木盆地等[17]。尤其在四川盆地，全省页岩气资源量超40万亿m3，技术可采资源量约9万亿m3，经济可采资源量约5万亿m3，是全国首个超万亿立方米页岩气探明储量大省。

1.2 页岩气开采技术

水平钻井和水力压裂两项技术的进步是页岩气高效经济生产的关键，二者的联合应用极大地提高了从渗透率低的地质区块开采页岩气资源的经济性。

1.2.1 水平钻井

水平钻井技术是利用特殊的井底动力工具在垂直深入页岩层后变向往水平方向钻井的技术[18]。这个横向的空洞是开采页岩气的核心。与竖直井相比，水平井能够扩大井筒与储层的接触面积，增加储层泄流面积，能有效克服页岩渗透率低、气体运移困难等问题。有研究表明，虽然水平井成本是竖直井的2～3倍，其产量却能达到竖直井的15～20倍[19]。目前常用的水平钻井技术主要包括欠平衡钻井技术、旋转导向钻井技术、控制压力钻井技术以及随钻测井技术等[18]。

1.2.2 水力压裂技术

水力压裂法是目前广泛应用于页岩气开发的压裂技术。如图2所示，首先利用地面高压泵组将水、支撑剂及化学添加剂混合而成的大量压裂液通过钻孔打入地下，进入水平井冲击页岩并产生细小的裂缝[20]。压裂液主要成分如表2所示，其中凝胶剂和支撑物会进入裂缝，防止这些细微裂缝被周围压力压垮[15，21-22]。随后凝胶自然溶解形成页岩气通道，留下支撑剂继续支撑裂缝[22]。目前，水力压裂常用技术包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂等[23]。由于水力压裂存在耗水量大、产生难处理废水等问题，近年来基于液化石油气、氮气和二氧化碳等无水压裂流体的研究频现，具有环保、储层损害小、无水锁效应、增产效果好等优点，未来发展前景良好[24]。

图2 页岩气开发的水力压裂过程示意图[25]Fig.2 Visualization of the hydraulic fracturing process during shale gas development

表2 压裂液主要成分及用途Tab.2 Major components and roles of fracturing fluid

1.3 页岩气勘探开发流程

页岩气的勘探开发具有投资大、风险高、回报期长等特点，遵循页岩气勘探开发特征与程序是实现降本增效、保证稳产开发的关键。目前，页岩气勘探开采流程已趋于成熟，完整的页岩气勘探开发流程主要包括选区评价、勘探评价、先导试验和开发生产四个阶段，各阶段的主要目标任务如图3所示[26]。

图3 页岩气勘探开发流程图Fig.3 Shale gas exploration and development flowsheet

1.4 我国页岩气开发现状

自2004年以来，我国致力于页岩气勘探开发研究和商业化开采，并逐年取得了突破性进展(表3)。根据《中国天然气发展报告》，截至2021年底，四川盆地深层页岩气最短钻井周期已低于30d，最深完钻井深已达7000m以上，最长水平段达3601m；2022年，页岩气在四川盆地寒武系新地层勘探取得重大突破，开辟了规模增储新阵地，威荣等深层页岩气田开发全面铺开；同年，“一键式”人机交互7000m自动化钻机已在四川长宁—威远页岩气国家级示范区成功应用，中国油气钻井正式步入“一键式”操作时代。随着页岩气开发技术突破性发展，我国页岩气探明地质储量和产量逐年不断上升(图4)，截至2022年底，全国累计生产页岩气1159.18亿m3。

图4 2014～2022年度我国页岩气年产量及新增探明地质储量情况Fig.4 China domestic shale gas production and newly added proved geological reserves between 2014 and 2022

表3 我国页岩气开发历程Tab.3 The development process of shale gas in China

2 页岩气开发利用引发的环境影响

页岩气作为清洁能源，其高效开发利用将节约和替代大量煤炭和石油资源，但开发过程也会对环境产生一定的负面影响，包括水和土地资源消耗、大气、水、固废、噪声环境污染等。

2.1 资源消耗及生态影响

2.1.1 水资源消耗

与传统天然气开采相比，页岩气开发会占用更多的水资源，主要归因于水力压裂过程耗水量极大。页岩气生产中每口井耗水量约为0.76～1.89万t，其中水力压裂过程耗水量约占钻井阶段总用水量的80%以上(表4)[27-28]。据国际能源署(IEA)估计，生产每单位页岩气所需水量至少是传统天然气的200倍[29]。影响单井开采用水量的主要因素包括单次水力压裂作业需水量、压裂次数、井产率、井段数、地质构造以及回收的回流水量等[30]。

表4 不同页岩区块单井压裂需水量及总用水量[14，27，34-35]Tab.4 Water consumption for horizontal fracturing and total water consumption of different shale field

页岩气开发用水主要为取自地表或地下的淡水(85%)，少部分为咸水(15%)[27]。总溶解固体含量小于1000 mg/L的淡水也可用于水力压裂过程[31]。研究表明，大量抽取地下水进行页岩气的开采可能导致地下水水位降低[31]。根据Gallegos等人[32]的报道，从地表水或地下水中抽提大量淡水用于水力压裂会占用公共水资源，同时改变河流的水文条件，影响生物栖息的生态环境。此外，从供水角度出发，由于生产活动和压裂取水通常集中于某一区域，且开发作业尤其是压裂期间在短期内需占用大量水资源，因此在缺水地区或者干旱季节可能会存在供水压力，影响该地区其他工业或农业用水[33]。

2.1.2 土地资源占用

页岩气开发需进行大规模钻探，开发全过程涉及土地资源占用问题。页岩气开采前期相关勘探井及施工阶段物资运输通道等的建设，属短期可逆的临时性占地，随工程结束可逐渐恢复原有土地利用类型和面积，且不会对土地资源和利用现状产生影响。然而，运营期间页岩气田、油气输送管线等的建设将导致永久性占地。根据Baranzelli等人[28]的报道，每个井场的建设占地约3.55～9.93万m2，作业占地约1.06～3.75万m2，井场间最小距离达600～3200m。

2.1.3 生态系统破坏

页岩气开发在导致土地资源占用的同时还伴随着土地利用性质的改变。耕地资源稀缺地区，页岩气开发将影响农产品种植；生态敏感区的页岩气开发还会导致野生动物栖息地丧失和森林碎片化[36-37]。Appiah等人[38]的研究发现，1975～2017年期间，由于页岩油气井场、输送管线等的建设，加拿大不列颠哥伦比亚省Cordova、Horn、Liard和Montney页岩气开发区的森林覆盖率分别下降了0.30%、0.25%、0.14%和0.36%。此外，根据Farwell等人[39]报道，页岩气开发导致内陆森林栖息地大量减少，森林内鸟类数量也大幅降低。有调研显示，核心林破坏受油气输送管线建设影响最大。

2.2 环境污染风险

2.2.1 水污染

页岩气的大规模开发增加了地表水和地下水污染的潜在风险。水力压裂返排废水具有化学需氧量高、盐度高(可高达38150 mg/L)、总悬浮固体含量高(>2000 mg/L)、返排量大、返排时间长等特点[40-41]。废水中含有高水平的总溶解固体含量(70000～250000 mg/L)，主要包括表面活性剂、挥发和半挥发性物质、多环芳烃、芳香族化合物、低分子量的烷烃、重金属等污染物[40，42-43]，此外还可能存在一些天然放射性物质(详见2.2.4)。据报道，因单井水力压裂消耗的0.38～1.89万t的压裂液中，约有25%～100%的水将作为回流水返回地面[14]。压裂反排液废水量巨大，一旦在运输过程中通过油井套管泄漏、断裂的页岩层泄漏、或者钻井现场废水未经处理排放等方式进入地表水环境，可能引发地表水体富营养化、影响饮用水水质以及影响农业灌溉等危害。

页岩气开采过程中，需重点关注在水力压裂过程中注入的压裂液是否会直接污染地下水。由于一般页岩气压裂作业的深度都在1000 m以上，而地下水深度一般不超过300 m，水力压裂不会产生连通地表的裂缝是目前较为普遍的认识[6]。长宁—威远页岩气开发示范区对某平台地下水水质进行了实时监测与评价(图5)，结果表明页岩气开发尚未对地下水水质造成影响[44]。Osborn等人[45]在页岩气井附近的水体中监测到高甲烷浓度，但并未监测到压裂液的成分，侧面反映压裂返排液不会通过水力压裂产生的裂缝向上运动污染地下水。然而，水力压裂产生的裂缝若不慎与老旧油井或气井相连，导致地表突然失压，甲烷和压裂液则会通过老旧油气井涌向地面，在上升过程中污染地下水含水层[46]。

图5 川南长宁某平台地下水中Cl-实时监测图[44]Fig.5 Real-time monitoring map of Cl- in groundwater on a platform in Changning，South Sichuan

2.2.2 大气污染

页岩气开发造成的大气污染问题主要来源于污染物排放引发的空气污染，以及甲烷泄漏引发的温室效应。一方面，在整个页岩气开采活动中，涉及排放的有害大气污染物包括但不限于挥发性有机物(VOCs)、多环芳烃、NOX、SOX、硫化氢、脂肪族碳氢化合物等[47]。如表5所示，Litovitz等人[48]研究了页岩气开发施工期和运营期单井产生的大气污染物的排放量，对页岩气开发活动频繁地区的大气污染潜在风险表示担忧。另一方面，水力压裂的钻探过程以及压裂液反排过程中部分气体的逸出是导致甲烷泄漏并引发温室效应的主要原因[49]。有学者认为，页岩气是比煤炭、石油等更为绿色清洁的能源。Burnham等人[50]通过研究估算出页岩气的开发从建设期到终端生命全周期，其温室气体排放量比常规天然气低6%，比石油低23%，比煤炭低33%。然而，页岩气井的压裂液返排比例、单井预期采收率变动很大，据此估算出的甲烷排放量存在极大不确定性。根据表6估算汇总的美国多个页岩气开发区甲烷泄漏占比数据显示，半数以上开发区的甲烷泄漏量估计超过2%，这些区域开发利用页岩气可能会对气候产生比煤炭更多的负面影响[14，51]。因此，页岩气对空气污染及气候变化的影响与整个区域的页岩气开采规模、工程设施设备的防散逸性等都具有关联性，需结合地区实际情况综合分析。

表5 单井施工期和运营期大气污染物总排放量[48]Tab.5 Total air pollutant emissions during the construction period and operation period per well (kg)

表6 美国页岩气上游(井场)和中游(天然气处理厂)的甲烷泄漏量估算[14]Tab.6 Estimates of methane emissions from upstream (at the well site)plus midstream (at gas processing plants)of shale gas

2.2.3 固体废弃物污染

页岩气开采过程中会产生难以自然降解的废钻屑，未经处理填埋不仅会占用大量土地资源，还会导致土壤盐碱化，造成植被破坏等危害[40]。页岩气开发过程中产生的废钻屑可分为水基钻屑和油基钻屑两种。水基钻屑中重金属的浸出毒性会对生态环境构成威胁；而油基钻屑含油率高达10%～20%，此外还含有化学药剂(乳化剂、润湿剂等表面活性剂)、盐(无机盐、矿物盐等)和重金属离子(Hg、Cd、As、Pb和Cr)等污染物[56]。2016年，我国已将油基钻屑列入《国家危险废物名录》。

2.2.4 放射性污染

页岩气开发过程中存在天然放射性核素释放引发的放射性污染。多项研究记录了页岩盆地或页岩气生产废水中高水平的氡、铀、锶和镭等放射性物质[57，11]。有研究在活跃页岩气区块地下水中发现了高浓度的锶(66.20～18195 μg/L)和氡(775.10 pCi/L)，远超水安全限值(4000 μg/L和15 pCi/L)[58]。此外，某些页岩气可能含有少量氡气，可通过管道输送至用户处，氡气作为一种急性致癌物会对人体肺部组织造成损害，最终引发肺癌[11]。

2.2.5 噪声污染

页岩气的勘探和开发会带来短期或长期的噪声污染。施工期涉及气体钻井、常规钻井、压裂作业、测试喷放、管道施工等工程，产生的机械施工噪声对井场周边农户或居民造成的影响属于有限时间的噪声干扰，根据钻井数量的不同一般持续几个月到几年的时间；页岩气开采期间，管道沿线的压缩机站持续工作以维持管道中气体流动，是噪声持续干扰的长期来源[33]。Dayal等人[59]在研究中发现页岩开发过程中采出水注入设施产生音量可达70 dBA，钻井噪声达83 dBA，气体压缩机产生音量甚至可达90 dBA。噪声超过70 dBA会干扰正常交谈；长期生活在85 dBA的噪声中将对听力造成严重损害[60]。此外，暴露在噪声污染中还可能导致野生动物繁殖行为减少、配对成功率下降等，对生物群落多样性造成不利影响[61]。

3 页岩气开发环境影响防治措施

页岩气藏的开发因其复杂的地质条件和工程因素比常规油气资源更为苛刻，开发难度更大[62]。我国当前正处于经济高速发展时期，能源需求量极大。作为页岩气储量大国，页岩气资源的勘探和利用是调整我国能源结构、缓解我国能源紧张局势的重要出路[63]。页岩气的开发利用应遵循清洁生产的全过程控制理念与实践，结合法律法规体系监管体系的进一步完善，采取源头预防、过程控制和末端治理相结合的污染治理措施，从根本上解决页岩气开发过程中对生态环境造成的不利影响。

3.1 完善法律法规，加强监督管理体系建设

目前，针对页岩气开发利用还未建立具体的法律法规，在遇到实际问题时主要按照其他相关的、非针对性的法律法规进行制约，如：矿产资源相关法、环境保护相关的立法以及各类污染防治单行法等[63]。但由于页岩气开发的特殊性及复杂性，一些法律法规与之不匹配，还需进行不断完善和加强。此外，由于相关的法律法规不够健全，在环境保护要求及监管机制建设方面仍需完善。因此，应针对页岩气开发利用过程中环境准入、资源利用、环境污染防治、环境监理等方面建立完善的法律法规制度。

3.2 优化勘探方案，提升开发利用技术水平

地质调查和资源评价是页岩气勘探开发的基础和前提，是确定页岩气开发目标区域、规划开发方案、评估开发效益的重要依据。我国对页岩气资源调查和区块的勘探方案还不够系统和全面，应结合区域资源禀赋和环境承载力分析等进一步优化勘探方案，此外，针对页岩气勘探开发完井技术水平、压裂效果等方面，加大对页岩气勘探开发技术的研究和资金投入，引进先进设备和技术，提高完井质量和效率，提升开发利用水平。

3.3 全过程管控，落实污染治理措施

3.3.1 源头预防

首先应妥善选址，合理避开居民密集区。同时，采取土地资源集约化利用措施，最大限度地合理利用土地。在施工作业区域内，除永久占地、临时占地要进行开挖或侵占之外，不应有其他破坏植被的施工活动；针对临时用地需及时复垦；针对永久性占地，应在施工期及运营期做好植被恢复等水土保持措施，防止造成土壤侵蚀等生态环境问题，使野生动植物栖息地得以尽快恢复[64]。

其次，应制定区域综合水资源规划，统筹考虑区域水资源分布、人口密度、页岩气开发用水数据和钻采计划等关键因素，并制定综合用水方案。同时，取水可采取压裂液回收利用、使用城市再生水等措施，以减少对水资源的大量占用[40]。

3.3.2 过程控制

页岩气开发过程中，应加强对污废水、固废、废气及噪声等污染的管控。首先，应建立雨污分流系统，避免污水溢流。严格采取分区防渗控制措施，在井场集液池、储存池、放喷池等重点区域按照相关要求进行防渗处理。

同时，检查并封堵页岩气开采地区周围存在的废弃老井，防止甲烷和压裂液通过老井上涌污染地下水[46]。加强各类废水收集、暂存、运输和处理过程中的环境管理，选取环保友好型泥浆体系，统筹安排区域内钻井废水和压裂返排液回用方案，减少水资源的使用量。开展甲烷泄露监测，同时采用密封集输的方式进行气-液分离回流，可有效避免甲烷泄漏排入大气，提高甲烷的利用率[40]。此外，针对施工期和运营期可能产生的其他大气污染物排放，应严格采取遮蔽运输、定期洒水降尘等措施，施工机械采用优质燃料并定期维护；运营期使用净化页岩气作为燃料，并采取尾气引高排放等措施。

此外，施工及运营期应采取相应噪声防治措施，使井场、集气站等厂界噪声满足相应标准要求。可采用电动钻机、建立隔声屏障等有效手段以减弱噪声的影响。

3.3.3 末端治理

末端治理是指在页岩气开发的末端，采取有效技术针对已产生的污染进行无害化处理和资源化利用的过程。如钻井过程中应采用低污染性钻井液和压裂液，钻井废水经混凝沉淀处理后加强循环利用，未能利用的再通过罐车拉运至回注井回注，在提高钻井及压裂效果的同时降低对生态环境的污染及钻井成本[65～67]。此外，页岩气开采过程中产生的大量难以自然降解的废钻屑，直接填埋会占用大量土地资源。针对油基岩屑，可采用热分解方法回收基础油和钻井液添加剂，采油率可达95%以上；针对水基钻屑，脱水后可作为消防砂或井场铺路材料，与胶结材料混合的水基路堑可用作路基垫层和混凝土，还可用于制备烧结砖[64，68]。

4 结论与展望

4.1 结论

经过多年发展，我国已建立起页岩气开发的相关技术体系，但与国外成熟技术相比仍存在一定差距。目前我国页岩气开发总体处于规模建产阶段，应重点关注开发过程中的关键环节和技术的把控。

此外，本文分析了页岩气开发利用过程中可能带来的资源消耗、环境污染等各类环境影响问题。结果表明，页岩气开发中带来的土地侵占、水资源消耗、固废废弃物污染等问题都不可忽视，应重点加强各污染防治领域的研究和技术开发。

4.2 展望

为推动我国页岩气高效稳定、绿色发展，未来应加强以下几方面的研究：(1)针对我国页岩复杂地质条件和构型的勘察技术和钻井技术研究；(2)研发基于其他介质的压裂技术以有效减少对水资源的需求量；(3)研发无毒无害的环保钻井液和压裂液可极大降低环境水污染风险；(4)探索生产过程中产生固废等的资源化、无害化利用技术，致力于页岩气开发过程中零污染排放研究。