页岩气开发水资源影响及温室气体排放研究评述

王建良，冯连勇

(中国石油大学(北京)工商管理学院，北京 102249)

页岩气开发水资源影响及温室气体排放研究评述

王建良，冯连勇

(中国石油大学(北京)工商管理学院，北京 102249)

摘要：环境问题是影响页岩气中长期、可持续开发的关键因素之一，而对页岩气开发环境影响的研究则是相关环境政策制定的基础。文章以国际学术期刊上刊登的相关研究为分析对象，首先梳理了页岩气开发环境影响研究的兴起过程，并指出了页岩气开发过程中水资源消耗、水质污染和温室气体排放是国际学术界页岩气开发环境影响研究的三个主要方面。然后，系统评述了当前国际学术界对此三方面环境影响的研究现状、得到的基本结论、结论之间的差异以及差异背后的原因，以期对中国开展此类研究，特别是量化研究提供借鉴。

关键词：页岩气；环境影响；水资源消耗；水质污染；温室气体排放

1页岩气环境影响问题研究的兴起

美国页岩革命的成功使世界进入了一个天然气开发和利用的“黄金时代”[1]。传统认为美国页岩革命的成功来源于技术突破，但事实上，美国页岩革命成功所依赖的两项技术：水平钻井和水力压裂技术在上个世纪就已经产生并发展成熟，真正使得页岩气于本世纪在美国大规模开发的原因主要是经济条件的改善和环境法案的修改，后者即是所谓的“哈里伯顿漏洞”。2005年，美国为推动水力压裂技术的快速应用，通过《能源政策法案》，将水力压裂从许多联邦环境保护法中去除出来，如《安全饮用水法》等，这项免除条款被称为“哈里伯顿漏洞”，正如同美国所预期的那样，该项法案的推行使得页岩气的水力压裂技术得到了大规模应用[2]。可见，环境因素在美国页岩革命开始之初，就是影响其大规模开发的主要因素之一。

美国《能源政策法案》虽然在法律上为页岩气开发消除了环境约束，但本质上并没有解决这些环境问题。随着美国页岩气开发规模的不断扩大，美国社会各界对其环境影响的担忧也开始出现。2008年，Arthur等首次指出页岩气开发所依赖的水平钻井和水力压裂技术[3]，在实践中需要消耗大量的水资源。进一步，对压裂返排液的处理则可能对区域淡水资源产生污染。同年，英国标准协会(BritishStandardsInstitute)首次指出页岩气开发由于存在大量的甲烷泄露，其生命周期温室气体排放可能很高[4]。在2010年，有关页岩气环境影响的同行评议文献开始出现[5-6]，并引起了人们对页岩气作为过渡能源的担忧[7]。但总体而言，2011年以前的页岩气环境问题研究相对而言还非常少，研究问题主要是水资源消耗和污染。

真正引发对页岩气开发环境问题进行研究，并引起学术界、媒体、公众普遍关注的研究始于2011年。在2011年，Howarth等[8]发表了页岩气全生命周期温室气体排放研究领域的第一份定量化的同行评议文献。该研究显示，假设生产出的页岩气用于发电，其生命周期温室气体排放不仅显著高于常规天然气，而且也高于煤炭或与其相当(具体取决于所选用的甲烷的全球增温潜势值)。随后，Howarth等将其研究成果以评论文章的形式发表在Nature杂志上[2]。Howarth等的研究极大地挑战了以往传统研究对页岩气碳足迹的假设，引发各界对页岩气开发环境问题的广泛关注和探讨。也正是从2011年开始，学术界有关页岩气环境问题的研究开始大量涌现，Nature、Science、PNAS三大顶级综合期刊也对此进行了很多跟踪研究。

截止到目前，有关页岩气环境问题的研究不仅涉及水资源消耗、水质污染、温室气体排放三大方面的，而且还包括了诱发地震[9]、臭氧破坏[6]、区域空气质量下降[10]、公众健康损害[11]、威胁野生动物生态栖息地[12]等多方面的环境影。但从研究数量和关注程度上来看，有关水资源消耗、水质污染和甲烷等温室气体排放的研究是当前学术界研究的重点，本文重点对此三方面的研究进行简要评述。

2页岩气开发对水资源消耗的研究评述

在水资源消耗方面，现有研究主要是从三个方面展开。一是对水资源消耗的定性论述，如Kargbo等通过分析页岩气开发原理及流程，指出页岩气开发过程可能存在巨大的水资源消耗[5]。二是定量化测度页岩气开发对某一具体区域的水资源消耗的影响，但并没有进一步分析这些水资源消耗对区域环境的影响，如；进一步，此类研究多集中在单口井层面[13-16]。三是不仅定量化分析了水资源的消耗，还分析了对区域环境光的影响[17]。在这三方面的研究中，针对单井层面水资源消耗的研究是定量化分析的核心，也是目前从研究数量上来看最多的研究。

对于研究结论，现有研究差异较大，一口页岩气水平井的耗水量最低为0.67×104m3，最高可达到3.3×104m3[13，15-17]。导致这种差异的原因主要有两类：一类是对于评估者而言不可消除的原因，如地质条件、页岩气井垂直井深、气井水平段长度、水力压裂的次数等，这些因素决定了不同地区的页岩气井耗水是有差异的，而这种差异不受评估者的影响，这一原因也从根本上决定了针对特定国家的研究很难有效指导其他国家的生产实践；另一类则是评估者造成的，即不同评估者在研究是时采用的研究方法、研究边界、所考虑其他因素等，这些原因的存在，使得直接对比研究结果变得比较困难[17]。以两篇关于Marcellus页岩区块水平井耗水量的研究为例，Laurenzi和Jersey采用全生命周期评估(LCA)的方法，假设生产出的页岩气用于发电，计算了Marcellus页岩区块单口井全生命周期的平均水资源消耗量为0.82m3/MWh(包括了页岩气在发电厂的耗水)[14]。而Jiang等利用混合EIO-LCA技术对页岩气井从建设到废弃整个生命周期内水资源消耗进行了评估，结果显示在当前技术水平下，一口Marcellus页岩气井的水资源消耗平均为2×104m3/口[15]。可以看出，尽管这两份研究都是针对Marcellus页岩区块的研究，但Laurenzi和Jersey[14]研究所指的生命周期边界是从页岩气开发阶段到下游最终燃烧利用阶段(即发电阶段)的水消耗，且没有包含间接水消耗；而Jiang等研究所指的生命周期边界则是指页岩气井从钻前准备、钻井、压裂、完井、生产、废弃这一生命周期内的水消耗，并没有考虑页岩气下游最终燃烧利用中的水消耗，且他们的研究不仅包括了直接水消耗，而且还利用EIO-LCA方法计算了间接水消耗[15]。

除了对页岩气单井耗水总量的研究之外，一些研究也对耗水强度也进行了研究，但是也难以获得一致的结论，且难以对比。例如，Scanlon等估计EagleFord页岩气井水资源消耗量大约在1.7～1.8×104m3/口，而Bakken页岩气井的水资源消耗量则在0.73×104m3/口左右，是前者的1/2[16]。而如果考虑井的天然气总产量，并将其转换为能量产出，按照单位能量产出所对应的耗水量时(耗水强度)，后者仅仅是前者的1/3，这意味着Bakken地区页岩气井天然气总产量高于EagleFord地区。Nicot对2009～2011年美国主要页岩区块的页岩气井耗水分析显示，Barnett地区水平井水力压裂阶段耗水中值为1.06×104m3/口，水平井单位水平段长度的耗水量(耗水强度)为12.5m3/m[17]；Texas-Haynesville地区水平井水力压裂阶段耗水中值为2.15×104m3/口，耗水强度为14m3/m；EagleFord地区水平井水力压裂阶段耗水中值为1.61×104m3/口，耗水强度为9.5m3/m。从这两个研究可以看出，前者所指的耗水强度是针对总耗水量与总页岩气产量的关系，所以是气井单位能量产出耗水强度；而后者所指的耗水强度是针对气井水平段压裂长度与压裂阶段总耗水的关系，所以是气井水平段单位长度压裂耗水强度。

总体来看，对于单口井耗水强度的研究，虽然从研究数量上没有对单口井总耗水的研究多，但却非常重要，因为不同地区单口井的产出可能差异很大，如果忽视了单口井的产出要素，则很难评估页岩气规模开发对整个区域的影响(因为页岩气规模开发不仅取决于钻井数量，而且还需要单口井的总产出)。因此，与单口井的耗水总量相比，建立在耗水总量分析基础上的单口井单位产出耗水强度的研究更为重要，也是未来研究的重点。

页岩气上游开发所用水基本上是清洁水，这些水主要来自地表水或地下水(具体来源主要取决于区域水资源的可用性及其分布特征)[17]。尽管页岩气开发耗水研究结论并不一致，但其影响却并不能忽视，Nicot等的研究指出，2000～2011年，Barnett页岩区累计耗水量1.45亿m3，年耗水量已经占到该地区Dallas城市(美国第九大城市，人口130万人口)总耗水量的9%，且这一比例将在未来随着页岩气的持续大规模开发而增加，届时必然与区域内其他水资源需求形成竞争关系[17]。尽管对于不同地区而言，受区域水资源可用性、区域其他水资源需求等诸多因素的影响，影响不尽相同。但是可以肯定的是，页岩气产量与水资源消耗存在着密切的关系，大规模的开发必然会对区域水资源产生重要影响，特别是对一些水资源相对稀缺的地区，如页岩气资源富集的中国西北部和南非地区[18]。

3页岩气开发对水质影响的研究评述

在水质影响的研究方面，现有研究主要是从两方面开展的，一是页岩气开发究竟对区域水资源质量有没有产生污染，且污染的种类有哪些；二是如果有污染，页岩气开发究竟是通过何种渠道来影响区域水资源质量的，即上述种类的污染是通过何种渠道或路径产生的。

在第一方面的研究中，绝大多数的研究都认为页岩气开发区附近的区域水质确实受到了不同程度的污染，且有些污染是显著的[15，19-20]。这种污染主要来自两方面：一是游离气泄露污染。Osborn等系统分析了Marcellus和Utica页岩区块页岩气开发导致的饮用水的甲烷污染[20]。在页岩气开发活跃区(页岩气开发的1km以内)，饮用水井中平均甲烷浓度和最大甲烷浓度分别为19.2mgCH4/L和64mgCH4/L，有潜在爆炸的危险。相反，在相邻的非开采区(页岩气开发的1km以外)，具有相似地质储层构造和水文条件的饮用水井中，其甲烷浓度仅仅有1.1mgCH4/L，但并没有确凿证据显示这些高浓度的甲烷来自页岩气井开发还是其他生物活动。Jackson等的研究则进一步证明了饮用水中的游离气确实来自页岩气井开发，他们分析了宾夕法尼亚北部141口私人饮用水井中的游离气浓度，并通过同位素示踪分析其来源[21]。在调查的样本中，有82%的私人水井中检测到甲烷，且其平均浓度比页岩气井1km以外水井的甲烷浓度高出6倍。乙烷含量比页岩气井1km以外水井高23倍。丙烷则在10口井中检测到，他们都在页岩气井1km之内。同位素示踪结果显示，这些饮用水井中的甲烷等游离气来源于邻近的页岩气井。二是水力压裂返排液污染。这种返排液主要有两类构成，一类是在水力压裂过程中通过高压注入地下储层用于压裂储层的富含大量化学添加剂的压裂液，一类是在压裂液压裂完毕后，经地层返回地表的过程中，携带的已在地下赋存数百万年、富含大量重金属和有毒化学成分的原始储层水[22]。Fontenot等对100口私人饮用水井中的化学分析进行了分析，结果发现在毗邻页岩气井3km以内区域的一些私人饮用水井中砷、硒、锶和总溶解固体(TDS)(这些都是返排液的构成成分)显著超过美国环境保护署(EPA)饮用水污染物最高限量[23]。同时，样本的29%检测到甲醇和乙醇，也超过了EPA的规定。但是超过EPA规定水平的这些私人水井在空间上是随机分布的，反映出污染物浓度的增加可能是由多种因素导致的，如一些天然成分的运移，更低水层水文条件的变化，以及一些工业事故等，如页岩气完井中的封井失败等。

在第二方面的研究中，Rozell和Reaven利用概率边界分析，评估了Marcellus页岩区块页岩气开采潜在的水污染，并识别了水污染的五种途径：运输管线泄漏、完井过程中的套管泄漏、压裂储层裂缝泄漏、钻井现场处理泄漏、废水处理泄漏。结果显示，即使在最佳实践情境下，一口井很有可能排放至少200m3的污染液体[24]。因此，大规模开发页岩气，必须采取额外的措施来减少如此巨大的潜在污染液体泄漏。Warner等在2012年通过分析发现，返排液泄露的途径之一是页岩气储层与地下含水层之间存在的某些复杂的联通通道，但这种通道是自然界已经存在的，与近期的钻井活动没有直接关系，不大可能是由水力压裂引起的[22]。在2013年，Warner等再次分析发现，对页岩气井开发过程中的水力压裂返排液等废水的不恰当处理排放也是影响水质的一个重要途径[25]。Darrah等通过惰性气体示踪也发现来自页岩气开发阶段完井过程中的泄露是水质污染的主要途径[26]。Vengosh等对页岩气开发对水资源污染领域的研究进行了系统分析，在此基础上，总结了页岩气开发对水质污染的途径，并通过立体结构图展示出来，具体而言，污染途径主要有：①游离气和压裂液从地下页岩储层通过某些裂缝或联通道路向地下含水层的渗漏污染；②游离气和钻井液、压裂液在水泥固井、完井过程中，由于某种操作失当而向周围储层的泄露污染；③返排液回流后外运到处理厂之后未充分处理排放产生的污染；④返排液回流后外运并注入到地下废弃油气井过程中的泄露污染[27]。

总体来看，页岩气开采引起的区域水质量的潜在下降已经引起了广泛研究与探讨[28]。对于有些污染物，已经有相关研究证实了与页岩气开发存在的直接或间接关系[27]，而对于有些污染物，从目前的研究来看，仍然缺乏确凿的信息证明其是由页岩气开发引起[28]。尽管如此，对页岩气开发引起的水质下降的担忧已经影响到了美国一些州的监管法规[29]。

4页岩气开发的温室气体排放研究评述

自Howarth等在2011年发表了页岩气生命周期温室气体排放领域的第一份同行评议文献之后，相关研究开始大量出现，且绝大多数的研究都集中于电力领域，即假设生产出的页岩气用来发电[2，8]。然而，研究结论却存在非常大的差异，根据研究结论的方向性，可将其分为三类：一是认为页岩气比常规气生命周期温室气体排放高，且二者都高于煤炭[8，30-31]；二是页岩气比常规气具有更高的生命周期温室气体排放但低于煤炭[14，32-35]；三是页岩气比常规气具有更低的生命周期温室气体排放(或相当的排放[36])，且二者都低于煤炭[37，38]。前两类的相似之处在于均显示页岩气比常规气生命周期温室气体排放高；后两类的相似之处在于均显示无论是常规气、还是页岩气，其生命周期温室气体排放均低于煤炭。除此之外，对于具体的研究数值，很少有文献得到非常一致的研究结论。以页岩气与常规气温室气体排放的比较结果为例，Howarth等认为页岩气生命周期排放至少比常规气高出30%[8]，而在通常情况下，这一比例应该在40%～60%[31]；Jiang等认为如果仅考虑上游排放，页岩气比常规气高出11%，而如果也包含下游排放，全生命周期内，页岩气仅仅比常规气高3%[32]。Stephenson等指出，一般而言，页岩气生命周期排放比常规气高出1.8%～2.4%，而即使在最为极端的假设下，这一比例也不会超过15%[34]。Hultman等认为在整个生命周期内，页岩气温室气体排放比常规气高11%[33]。Burnham等研究显示，常规气生命周期排放比页岩气低6%[37]。

从差异化产生的原因来看，主要有以下几方面的原因。

一是所采用的功能单位及其导致的相关换算过程中的差异。现有研究基本上都借鉴了生命周期评估的思想，而作为生命周期评估的第一步，就是确定研究的目的、功能单位和范畴[39]；从研究目的来看，现有研究大多数都去评估页岩气的碳足迹，但在功能单位和研究范畴选取方面却存在差异。在功能单位的选用方面，现有研究主要采用三类功能单位。一种是采用总排放占页岩气井总产量(即页岩气井EUR)的比例来分析，如Howarth等[8]；另一种是采用页岩气井生产的页岩气产生的单位发热量所对应的CO2当量排放表示，即gCO2e/MJ，如Jiang等[32]；还有一种是用页岩气发电产生1kWh的电所产生的CO2当量表示，即用gCO2e/kWh表示，如Stephenson等[34]。在功能单位差异之外，在热量转换的过程中，有些采用高位发热量(HHV)，有些采用低位发热量(LHV)，而这两者的差异有可能高达10%[34]。

二是在研究范畴上的差异。第一个差异是评价对象所处地理范畴的差异，例如，Skone的研究仅仅关注了Barnett页岩盆地[40]；而Jiang等仅仅分析了Marcellus页岩盆地[32]；Stephenson等和Burnham等的研究则平均了美国北部盆地[34，37]。地理范畴的选择不仅会影响估计的气井总产量(EUR)(页岩气开发碳足迹一般通常采用排放强度的形式来表示，这就要求即评估单口井排放总量，也要评估单口井的总产量，因此，EUR是影响最终结果的重要因素)，也会影响所生产的天然气中的甲烷含量(甲烷是天然气的主要成分)，例如，在Jiang等的研究中甲烷占天然气的97%[32]，而在Stephenson等的研究中为87%[34]，在Burnham等中为80%[37]，在Skone、Howarth等和Hultman等中为78%[8，33，40]。而EUR和甲烷含量都是影响分析结果的重要因素。第二个差异就是评估过程中评估边界的差异，除了Jiang等和Burnham等的研究的评估边界包括了页岩气井钻井前井场建设阶段外，其他研究都是钻井阶段开始评估的[32，37]。

三是研究方法和内容上的差异。尽管绝大多数的研究都采用生命周期评估方法，但一些研究利用政府组织提供的信息使用了自上而下的估计(例如，来自EIA或EPA的信息)；而另外一些研究则使用了基于过程的自下而上的估计[36]。还有一些采用了混合的LCA方法，即将自上而下的经济投入产出LCA和基于过程的LCA方法相结合，如Jiang等[32]。从研究内容上，绝大多数的研究都是针对直接排放，但Jiang等和Burnham等也对井场准备、钻井、压裂等过程设备建设过程中的间接排放进行了研究[32，37]。由于页岩气开发与常规气的开发的差别在于地质差异导致的技术差异，而不同的技术决定了所需原材料、设备等的差异，因此，一些学者认为应当考虑这些原材料和设备生产中的间接排放[32，37]。

四是数据源或对关键参数的假设差异。绝大多数的现有研究都是直接或间接参考美国环境保护署(EPA)1996年碳排放因子库中的数据[32-33，41]。引用此数据源作为基础存在两方面问题：一是这些因子并没有反映出常规和非常规气的区别；二是已有研究显示，这些排放因子很可能低估了来自天然气系统的甲烷泄露[42-43]。例如，Pétron等的研究实际测量了美国卡罗拉多州东北部Weldcounty地区大气中每天的空气样本，并分析了与该地区水力压裂开采非常规气的关系，并建立了该地区甲烷排放因子库，指出水力压裂返排液阶段的甲烷排放在现有的很多排放库中被低估了[44]。而Pétron等的观察与Howarth等在其他非常规天然气生产区所获得的数据相近[8，44]。基于此，在2010年11月，EPA第一次对该署的碳排放因子进行更新，但是EPA此次更新的主要是上游开发和中游运输阶段的碳排放因子，下游排放因子仍然沿用了1996年的数据，尽管EPA目前也正在考虑对下游排放因子进行修正[31]。当然，也有一些研究用了自己搜集的相关数据，但是这些数据往往是有限的或记录不完整的[45]。此外，在甲烷全球增温潜势(GWP)的选择方面，除了Howarth等[8]，其他研究都将100年分摊的甲烷GWP作为其研究结果的基础，但是这些研究利用的GWP都是相对比较旧的，没有将IPCC最新更新的GWP反映进去(更新的GWP比旧的高)，这意味着采用100年分摊计算的结果都略低估了实际排放。

气候系统对于甲烷变动的响应要比对CO2变动的响应更为迅速，对于未来将全球温度控制在2oC以内的措施而言，有效减少甲烷和黑碳甚至比控制CO2更为重要[46]。甲烷作为页岩气的主要成分，在其开发过程中必然存在泄漏，尽管当前研究对甲烷泄露量的评估并不一致。然而，一个一致的结论是页岩气开发的甲烷泄露是是一个必须考虑和需要未来进一步深入研究的话题[47]。

此外，对比页岩气开发的水资源消耗(水足迹研究)和温室气体排放(碳足迹研究)研究，可以发现，页岩气水足迹的研究主要集中在单井层面的总耗水量上，而页岩气碳足迹的研究，除了Chang等的研究是针对单井层面温室气体排放总量的研究之外，其余的研究都是针对页岩气井层面排放强度的研究，即考虑页岩气井的总产出，研究单位总产出(单位物理产出与能量产出)对应的温室气体排放量[48]。但与页岩气开发水消耗研究相同的是，对于页岩气规模开发的环境影响评估，排放强度的研究是关键。这也就是Chang等在随后的研究页岩气规模开发的环境影响时，又专门对页岩气井总产出进行研究的原因[49]。

5对我国的启示

一是页岩气开发消耗大量的水资源，区域水资源可用性将成为影响我国页岩气开发的现实挑战。根据现有研究显示，页岩气开发采用的水力压裂技术耗水量巨大，同时在压裂过程及压裂后返排液的处理过程中也可能对淡水资源产生污染，这意味着只有在水资源丰富的地区开发页岩气才具有可行性。然而，我国水资源并不丰富，特别是在中西部地区，而这些地区正是页岩气资源的主要集聚区，因此，可以预见，水资源可用性将成为制约我国页岩气规模开发的不可忽视的重要约束。

二是页岩气开发过程中的温室气体排放不容忽视，必须依赖相应的减排技术应用，我国有必要加强此类技术的引进或研发。页岩气在全球范围内得以快速发展的重要原因就是其清洁性，即相对于煤炭和石油而言，具有更低的温室气体排放。然而，现有的研究显示，来自页岩气上游开发过程中的温室气体排放也非常显著，如果不能有效控制，将在很大程度上降低页岩气作为清洁能源的优势。为此，美国已大力鼓励本国企业研发并采取相关技术实践，来控制上游温室气体排放，如目前在美国已经应用的绿色完井技术。对于我国而言，页岩气的规模开发必须依赖于此类减排技术。

三是对我国的不同页岩气产区进行综合评估，分地区有步骤地推进我国页岩气开发。现有研究均显示页岩气开发对环境有影响，但结果差异较大，而导致这一差异的主要原因就是页岩气地质赋存条件和开发区域所处地上环境条件的差异。我国页岩气分布区域广泛，不同地区页岩气的赋存地质条件和地上开采条件都有很大差异，因此，必须针对我国不同页岩气产区，对其进行经济、环境等的综合分析，并据此对我国不同页岩气产区进行开发可行性排序，从而指导其有序开发。

四是为了实现页岩气的洁净化开采，政府必须制定相应的政策法规，并加强环境方面的监管工作。只有在一定的政策法规下，并配合严格的环境监管，企业才有减少环境影响的意愿。例如，美国EPA已于2011年8月提议针对非常规油气开采的特定过程或设备建立新排放源性能标准(NSPS)和国家有害空气污染物排放标准(NESHAP)[50]。然而，我国目前在页岩气开发环境影响方面的政策和立法尚处于空白，且缺乏对页岩气开发的环境监管，这些都不利于实现页岩气的环境友好开发。

参考文献

[1]InternationalEnergyAgency(IEA).WorldEnergyOutlook2011SpecialReport：AreWeEnteringAGoldenAgeofGas?[R/OL].2011.

[2]HowarthRW，IngraffeaA.Naturalgas：Shouldfrackingstop?[J].Nature，2011，477(7364)：271-275.

[3]ArthurJD，BohmBK，CoughlinBJ，etal.EvaluatingtheEnvironmentalImplicationsofHydraulicFracturinginShaleGasReservoirs[R/OL].AllConsulting，2008.

[4]BritishStandardsInstitute(BSI).PAS2050：2008SpecificationfortheAssessmentoftheLifeCycleGreenhouseGasEmissionsofGoodsandServices[R/OL].BritishStandardsInstitute：London，2008.

[5]KargboDM，WilhelmRG，CampbellDJ.Naturalgasplaysinthemarcellusshale：Challengesandpotentialopportunities[J].EnvironmentalScience&Technology，2010，44(15)：5679-5684.

[6]Kemball-CookS，Bar-IlanA，GrantJ，etal.OzoneimpactsofnaturalgasdevelopmentintheHaynesvilleShale[J].EnvironmentalScience&Technology，2010，44：9357-9363.

[7]KerrRA.Naturalgasfromshaleburstsontothescene[J].Science，2010，328(5986)：1624-1626.

[8]HowarthRW，SantoroR，IngraffeaA.Methaneandthegreenhouse-gasfootprintofnaturalgasfromshaleformations[J].ClimaticChange，2011，106(4)：679-690.

[9]FrohlichC.Two-yearsurveycomparingearthquakeactivityandinjection-welllocationsintheBarnettShale，Texas[J].PNAS，2012，109(35)：13934-13938.

[10]PacsiAP，AlhajeriNS，Zavala-AraizaD，etal.RegionalairqualityimpactsofincreasednaturalgasproductionanduseinTexas[J].EnvironmentalScience&Technology，2013，47(7)：3521-3527.

[11]SchmidtCW.Blindrush?Shalegasboomproceedsamidhumanhealthquestions[J].EnvironmentalHealthPerspectives，2011，119(4)：348-353.

[12]BrittinghamMC，MaloneyKO，FaragAM，etal.EcologicalRisksofShaleOilandGasDevelopmenttoWildlife，AquaticResourcesandtheirHabitats[J].EnvironmentalScience&Technology，2014，48：11034-11047.

[13]NicotJ-P.Assessmentofindustrywater-useintheBarnettShalegasplay(FortWorthBasin)[J].GulfCoastAssociationofGeologicalSocietiesTransactions，2009，59：539-551.

[14]LaurenziIJ，JerseyGR.LifeCycleGreenhouseGasEmissionsandFreshwaterConsumptionofMarcellusShaleGas[J].EnvironmentalScience&Technology，2013，47(9)：4896-4903.

[15]JiangM.，HendricksonC.T，VanBriesenJ.M.LifeCycleWaterConsumptionandWastewaterGenerationImpactsofaMarcellusShaleGasWell[J].EnvironmentalScience&Technology，2014，48(3)：1911-1920.

[16]ScanlonBR，ReedyRC，NicotJ-P.ComparisonofWaterUseforHydraulicFracturingforUnconventionalOilandGasversusConventionalOil[J].EnvironmentalScience&Technology，2014，48：12386-12393.

[17]NicotJP，ScanlonBR.WaterUseforShale-GasProductioninTexas，U.S[J].EnvironmentalScience&Technology，2012，46(6)：3580-3586.

[18]SmakhtinV，RevengaC，DollP.Apilotglobalassessmentofenvironmentalwaterrequirementsandscarcity[J].WaterInternational，2004，29(3)：307-317.

[19]EntrekinS，Evans-WhiteM，JohnsonB，etal.Rapidexpansionofnaturalgasdevelopmentposesathreattosurfacewaters[J].FrontiersinEcologyandtheEnvironment，2011，9(9)：503-511.

[20]OsbornSG，VengoshA，WarnerNR，etal.Methanecontaminationofdrinkingwateraccompanyinggas-welldrillingandhydraulicfracturing[J].PNAS，2011，108(20)：8172-8176.

[21]JacksonRB，VengoshA，DarrahTH，etal.IncreasedstraygasabundanceinasubsetofdrinkingwaterwellsnearMarcellusshalegasextraction[J].PNAS，2013，110(28)：11250-11255.

[22]WarnerNR，JacksonRB，DarrahTH，etal.GeochemicalevidenceforpossiblenaturalmigrationofMarcellusFormationbrinetoshallowaquifersinPennsylvania[J].PNAS，2012，109(30)：11961-11966.

[23]FontenotBE，HuntLR，HildenbrandZL，etal.AnEvaluationofWaterQualityinPrivateDrinkingWaterWellsNearNaturalGasExtractionSitesintheBarnettShaleFormation[J].EnvironmentalScience&Technology，2013，47(17)：10032-10040.

[24]RozellDJ，ReavenSJ.WaterpollutionriskassociatedwithnaturalgasextractionfromtheMarcellusShale[J].RiskAnalysis，2012，32(8)：1382-1393.

[25]WarnerNR，ChristieCA，JacksonRB，etal.ImpactsofShaleGasWastewaterDisposalonWaterQualityinWesternPennsylvania[J].EnvironmentalScience&Technology，2013，47(20)：11849-11857.

[26]DarrahTH，VengoshA，JacksonRB，etal.Noblegasesidentifythemechanismsoffugitivegascontaminationindrinking-waterwellsoverlyingtheMarcellusandBarnettShales[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofScience，2014，111(39)：14076-14081.

[27]VengoshA，JacksonRB，WarnerN，etal.ACriticalReviewoftheRiskstoWaterResourcesfromUnconventionalShaleGasDevelopmentandHydraulicFracturingintheUnitedStates[J].EnvironmentalScience&Technology，2014，48(15)：8334-8348.

[28]VidicRD，BrantleySL，VandenbosscheJM，YoxtheimerD，AbadJD.Impactofshalegasdevelopmentonregionalwaterquality[J].Science，2013，340(6134)：1235009.

[29]OlmsteadSM，MuehlenbachsLA，ShihSH.，etal.ShalegasdevelopmentimpactsonsurfacewaterqualityinPennsylvania[J].PNAS，2013，110(13)：4962-4967.

[30]SantoroRL，HowarthRH，IngraffeaAR.IndirectEmissionsofCarbonDioxidefromMarcellusShaleGasDevelopment[R/OL].CornellUniversity，2011，6.

[31]HowarthRW，SantoroR，IngraffeaA.Ventingandleakingofmethanefromshalegasdevelopment：responsetoCathlesetal.[J].ClimaticChange，2012，113(2)：537-549.

[32]JiangM，GriffinWM，HendricksonC，etal.LifecyclegreenhousegasemissionsofMarcellusshalegas[J].EnvironmentalResearchLetters，2011，6(3)：034014.

[33]HultmanN，ReboisD，ScholtenM，etal.Thegreenhouseimpactofunconventionalgasforelectricitygeneration[J].EnvironmentalResearchLetters，2011，6(4)：044048.

[34]StephensonT，ValleJE，Riera-PalouX.ModelingtherelativeGHGemissionsofconventionalandshalegasproduction[J].EnvironmentalScience&Technology，2011，45(24)：10757-10764.

[35]HeathGA，O’DonoughueP，ArentDJ，etal.Harmonizationofinitialestimatesofshalegaslifecyclegreenhousegasemissionsforelectricpowergeneration[J].PNAS，2014，111(31)：3167-3176.

[36]WeberCL，ClavinC.LifeCycleCarbonFootprintofShaleGas：ReviewofEvidenceandImplications[J].EnvironmentalScience&Technology，2012，46(11)：5688-6595.

[37]BurnhamA，HanJ，ClarkCE，etal.Life-CycleGreenhouseGasEmissionsofShaleGas，NaturalGas，Coal，andPetroleum[J].EnvironmentalScience&Technology，2012，46(2)：619-627.

[38]HeathG，MeldrumJ，FisherN，etal.LifecyclegreenhousegasemissionsfromBarnettShalegasusedtogenerateelectricity[J].JournalofUnconventionalOil&GasResources，2014，8：46-55.

[39]ISO.ISO14040：2006EnvironmentalManagement-LifeCycleAssessment-PrinciplesandFramework[R].InternationalStandardsOrganization，2006.

[40]SkoneTJ.LifeCycleGreenhouseGasInventoryofNaturalGasExtraction，DeliveryandElectricityProduction[R].NationalEnergyTechnologyLaboratory，U.S.DepartmentofEnergy，October23，2011.

[41]VenkateshA，JamarilloP，GriffinWM，etal.UncertaintyinlifecyclegreenhousegasemissionsfromUnitedStatesnaturalgasend-usesanditseffectonpolicy[J].EnvironmentalScience&Technology，2011，45(19)：8182-8189.

[42]WunchD，WennbergPO，ToonGC，etal.EmissionsofgreenhousegasesfromaNorthAmericanmegacity[J].GeophysicalResearchLetters，2009，36(15)：139-156.

[43]HsuYK，vanCurenT，ParkS，etal.MethaneemissionsinventoryverificationinsouthernCalifornia[J].AtmosphericEnvironment，2010，44(1)：1-7.

[44]PétronG，FrostG，MillerBT，etal.HydrocarbonEmissionsCharacterizationintheColoradoFrontRange-APilotStudy[J].JournalofGeophysicalResearchAtmospheres，117(D4)：1010-1029.

[45]HowarthR，ShindellD，SantoroR，etal.MethaneEmissionsfromNaturalGasSystems[R].BackgroundPaperPreparedfortheNationalClimateAssessment，Referencenumber2011-0003.February25，2012.

[46]ShindellD，KuylenstiernaJC，VignatiE，etal.Simultaneouslymitigatingnear-termclimatechangeandimprovinghumanhealthandfoodsecurity[J].Science，2012，335(6065)：183-189.

[47]AlvarezRA，PacalaSW，WinebrakeJJ，etal.Greaterfocusneededonmethaneleakagefromnaturalgasinfrastructure[J].PNAS，2012，109(17)：6435-6440.

[48]ChangY，HuangR，RiesRJ，etal.Shale-to-wellenergyuseandairpollutantemissionsofshalegasproductioninChina[J].AppliedEnergy，2014，125(14)：147-157.

[49]ChangY，HuangR，MasanetE.Theenergy，water，andairpollutionimplicationsoftappingChina’sshalegasreserves[J].Resources，ConservationandRecycling，2014，91：100-108

[50]EPA.OilandNaturalGasSector：NewSourcePerformanceStandardsandNationalEmissionStandardsforHazardousAirPollutantsReviews[R/OL].EPA，2011，76(163)：52738-52843.

A review of the impacts of shale gas development on water resources and GHG emissions

WANGJian-liang，FENGLian-yong

(SchoolofBusinessAdministration，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

Abstract:Environment issue is a key factor influencing the long-term sustainable development of shale gas industry，and the studies of environmental impacts of shale gas development are the basis for relevant policy-making.By choosing relevant studies in international academic journals our analyzed object，this paper firstly introduces the rise of studies on environmental impacts of shale gas development and identifies three main environmental impacts of shale gas development in current international literature，i.e.the impacts of shale gas development on water resource usage，water pollution，and greenhouse gases emission.Then，a detailed review of these three main research aspects is presented to understand the research status，main findings，differences among research results，and the reason of these differences for current environmental impacts studies.This review could be expected to provide some helpful references for China to carry out similar studies，especially quantitative studies in future.

Key words：shale gas；environmental impacts；water resource usage；water pollution；greenhouse gases emission

收稿日期：2015-08-17

基金项目：2015年国家自然基金项目“页岩气开发环境影响量化评估与管理政策研究”资助(编号：71503264)；2015年度教育部人文社科基金“中国页岩气开发潜力及对区域水资源消耗的影响研究”资助(编号：15YJC630121)；中国石油大学(北京)青年拔尖人才启动基金项目“世界非常规油气资源开发潜力及其对能源供应和气候变化的影响研究”资助(编号：2462014YJRC024)

作者简介：王建良，中国石油大学(北京)工商管理学院讲师，硕士生导师，校青年拔尖人才；

中图分类号：X820.3

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0061-07

冯连勇，经济学博士，中国石油大学(北京)工商管理学院教授，博士生导师。