页岩气开采对环境的影响及规避方法探讨

（成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610059）

我国页岩气资源丰富，松辽、鄂尔多斯、吐 哈、准噶尔等陆相沉积盆地是页岩气的主要富集地区。我国页岩气的开采尚处于初级阶段，技术水平还不成熟，在提高采收率的同时兼顾环境保护，对我国现有开发水平具有极大的挑战。我们在借鉴国外的开发经验的同时，也要研发适合我国页岩气储层特点开发技术，尽可能减少在页岩气开采过程中对环境的不良影响，在对资源高效开发利用的同时，保护好我们赖以生存的环境。

1 国内外开发现状

我国页岩气资源量约为15万亿～30万亿m3，与美国28.3万亿m3大致相当。2009年10月，中国国土资源部在重庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目。2012年3月，中国国家能源局发布了《页岩气发展规划（2011—2015年）》。根据该规划，中国计划在“十二五”期间，完成探明页岩气地质储量6 000亿m3，可采储量2 000亿m3，2015年实现页岩气产量65亿m3，基本完成全国页岩气资源潜力的评估与勘探，为“十三五”打好基础，目标是到2020年达到600亿～1 000亿m3页岩气年开采量。

当今世界，美国是唯一将页岩气商业化和大规模开采利用的国家，经过二三十年的开采，美国已掌握全球最先进的钻井、水力压裂等一系列开采核心技术[1，2]，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、甲烷泄露等一系列问题，对环境造成了不可挽回的破坏。

目前对于我国页岩气开发技术不成熟的现状而言，重视页岩气开采对环境的破坏和影响，遵循保护环境、合理开发的原则尤为重要。

2 环境影响因素研究

2.1 压裂液的危害

页岩气的生产开发主要采用水力压裂工艺，为了获得高产，往往在水力压裂过程中使用大量的压裂液，压裂液主要由稠化剂、交联剂、高温稳定剂等一些助剂组成。施工过程中遗留在地层中的压裂液以及施工完成后返排到地面的废压裂液是重要的污染源，危害极大。压裂液的成份较多且复杂，很多物质具有毒性和流动性，遗留在地层当中的压裂液在多种因素共同作用下，很可能对地下水资源造成危害[3]。另外，返排到地面的废液，除了压裂液中的无机添加剂等污染物质外，还含有来自地层中的砂粒、岩屑以及细菌代谢的产物，其组成相对于注入的压裂液而言更为复杂，需要采取杀菌等一系列处理措施，不经处理的废压裂液一旦返排到地面，必然会对周围的环境、人、动植物等带来长久的危害。

2.2 地层破坏

经过压裂、注水等一系列生产开发后的地层，其内部情况与开采前相比有了较多的人工网格裂缝，同时地层原有的平衡也受到不同程度的破坏，页岩储层内部的构造发生了较大的变化[4]。这都是对原始生态环境的破坏，都存在地面坍塌、地震、山体滑坡等潜在的危机。

2.3 甲烷的危害

页岩气的主要成分是甲烷，其在页岩气中的含量往往高达95%以上。页岩气对环境的影响，其中重要的一部分，是甲烷的泄露[5，6]可能加剧温室效应。目前，页岩气开采过程中出现的甲烷泄露，主要来自页岩气开采设备不达标、故意排气以及水力压裂等环节。泄露的甲烷一部分融入到水层中而改变地层水的性质，受到污染的地层水一旦被动物或者人饮用，后果可想而知；另外一部分泄露的甲烷将进入大气，高浓度的甲烷，使氧气浓度降至19.5%时，会使人窒息，严重危害人体健康，甲烷浓度过高也会加快臭氧层的破坏。

2.4 水资源的消耗

页岩气的开采对水资源的需求极大，且用于页岩气工业开采的水不可回收再利用。美国Antrim页岩气田数据显示，传统的井一次所需水量仅为190 m3，用于页岩气开采的一个水力压裂井对水的需求量，仅一次就高达1.9×104m3[7，8]。而我国页岩气储量较大一部分分布在缺水的中西部地区，页岩气开采对水的大量需求，将会对缺水地区的水资源平衡造成破坏，同时水资源匮乏以及被污染的地层水，将会对该区域附近居民的卫生条件、健康等诸多方面带来很多不利的影响。

3 规避方法探讨

在最大限度合理开发资源的同时，也要最大限度地规避资源的不合理开发带来的副作用，确保社会发展与环境保护两者兼顾，走可持续发展道路。

3.1 压裂液危害的控制[3]

对废压裂液的处理主要分为六步：混凝—萃取—微电解—活性炭吸附—氧化—生化。为了使废压裂液达到低黏度、杂物去除和大幅度减少压裂液中悬浮物含量这一目的，通常情况下，先对其进行初步简单的均质净化处理，再通过化学剂的特殊功效进行化学处理[4]。接下来采用电絮凝处理技术，借助其强氧化的特性，高效去除废压裂液中多种有害的污染物，去除效率高达90%左右。这些措施对于废压裂液处理有较明显的效果。

对于废压裂液的处理，应坚持以下原则：

（1）对废压裂液回收净化处理，使废压裂液循环利用。

（2）严格按照标准，对于变质压裂液进行预处理、再处理等，达标后，作活性水使用。

（3）对施工区域的地质背景、构造特征、生产水源的供应、水质及附近居民生活等进行分析，减少废压裂液对当地环境的污染。

（4）对当地的野生动物、植被以及古文物遗址等要充分保护，不能只考虑眼前的利益而肆意破坏。

（5）在保护当地生态环境的基础上进行生产工作，使人与自然和谐相处，实现环境保护与经济效益的共赢，走可持续发展道路。

（6）加大对废压裂液处理方法的研究力度，争取研制出对环境没有副作用的处理剂。

3.2 对地层破坏的控制

地层的破坏与钻井技术密不可分，要想从源头上防止压裂液进入地下水，在钻井过程中，就要严格按照制定的标准安装套管、油管和表层套管，同时对固井质量引起足够的重视。在进行水力压裂施工前，根据钻井实际情况预测可能存在断裂带的区域，并根据该区块的实际地质构造特征，调整水力压裂设计方案[9]；为保障安全施工，在水力压裂过程中，应使用高灵敏度仪表来对生产流程进行监测，一旦生产无法被控制时，要及时停止作业，从源头控制潜在的风险。

3.3 甲烷危害的预防

甲烷的泄露主要发生在两个时间段[11]：一是在水力压裂过程中，甲烷随废压裂液在回流过程中的泄露；二是压裂施工完成后的采气过程，在页岩气开发过程中施工者对甲烷的随意排放，采用的设备不达标造成的泄露，以及操作不当造成的井喷等。为有效预防甲烷泄露危害，一方面需要加强气井隔离防漏、固井、井下套管疲劳及破损探测等技术的监测[4]；另一方面，使用达标的设备仪器，提高技术操作人员的整体业务水平和环保意识。

3.4 对水资源影响的控制

目前国际上较为成熟的水力压裂技术都使用了大量的压裂添加剂，如苯、铅等上百种化学产品[9]，这些注入的化学物质一旦运移至地表、湖泊、蓄水层等，将会给水资源带来严重的污染。为控制页岩气开采对水资源的破坏，可从以下几个方面进行预防：

（1）在钻井作业开始前要对水资源进行评价，没有通过水资源评价的不允许开钻，且针对同一区域内的水资源评价，要考虑其叠加的影响。通过水资源评价后，要将用水信息在用水前向社会公布。

（2）对于已被用于生产开发的水资源，要严格按照标准、程序，通过技术处理使其达标，循环使用，提高水资源的利用率。

（3）相关部门应通过行政文件，鼓励使用绿色或者无害的新产品替代现有的添加剂，同时对压裂液中使用添加剂的信息公开披露。

（4）废弃压裂液排放前，要进行生物毒性、物质含量等检测，只有在达到国家规定的排放标准和生物毒性的要求下才能够排放。

3.5 立法制约

目前与环境保护相关的法律法规比较多，也逐渐趋于完善，比如《水污染防治法》《清洁生产促进法》《环境信息公开条例》等。依托这些立法，可以对页岩气开发加以监管。但是，这些制度与页岩气开发的时序性及用水特征无法匹配[12，13]。此外，我国还缺乏对压裂液成分有效的评估和监管措施。由于页岩气这种新型能源近几年才在国内开始试产并得到国家的高度重视，严格意义上针对页岩气开发的法律法规寥寥无几。所以，针对页岩气开采过程中可能造成的环境影响，需建立针对性的法律法规及相关政策，通过立法来制约页岩气对环境的破坏。

4 页岩气开采的建议

(1) 我国页岩气富集区块因地区不同，储层差异性较大，国外的一些开发技术和经验不能完全适应中国的地质特点，所以应发展特色技术，开发难采资源，研发适合我国页岩气储层特点的开发技术。

（2）针对不同区块页岩气的成藏特点及储层特征，研究其不同富集成藏的主控因素。创新地质理论，找到优质资源，通过科学合理的储层评价技术，优选出高产富集有利区。

（3）国内勘探开发技术多借鉴了常规油气经验或引进国外技术，成本相对较高，适用性较差。要优化改进现有工艺技术，研发低成本、低污染，适合于不同储层地质条件的开发技术。

（4）开发页岩气的同时，处理好废水、废气、废渣，采用多种途径对其进行综合利用，变废为宝。

（5）在开发过程中，转变理念，加速页岩气资源开发。不断总结规律，改进已有工艺，创新技术和理论，解决页岩气勘探开发方面所遇到的问题。

5 结论

我国页岩气储量丰富，未来几十年内页岩气可能成为常规能源的重要补充，将起到非常重要的作用。我国尚处于页岩气生产开发初期，生产技术尚不成熟，页岩气生产开发过程中，存在的废压裂液、甲烷的泄露、水资源大量消耗等一系列问题，如果不加以重视，盲目开采，将会给环境带来严重的伤害和破坏。为保护环境，在借鉴国外先进开采技术和有害物质处理工艺的同时，也要研发适合我国页岩气储层特点的开发技术。由于我国尚无页岩气开发与环境保护相关的明确法律法规及详细的政策，针对页岩气开发与环境保护的法律法规及政策亟待落实。

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