我国页岩气勘探开发水资源约束分析

■ 汪金伟/吴巧生/赵天宇

（中国地质大学（武汉）经济管理学院，湖北 武汉 430074）

我国页岩气勘探开发水资源约束分析

■ 汪金伟/吴巧生/赵天宇

（中国地质大学（武汉）经济管理学院，湖北 武汉 430074）

文章针对我国页岩气资源开发利用面临的水资源约束，构建地表水生产压力和地下水污染风险两个指标，对我国31省份2010-2013年间页岩气勘探开发的水资源压力进行分析，并运用ARCGIS工具得出两种风险相应等级组图。针对淡水资源消耗问题，管理目标是减少消耗，一方面通过优化页岩气勘探开发技术和工艺，尽量减少消耗；另一方面是废水回收利用，通过对压裂液重新回收处理实现二次甚至多次循环利用，在循环利用中要防治压裂液成分可能造成地表水污染。针对地下水污染的风险，管理目标是有效控制、杜绝污染，加大页岩气勘探开发技术的创新，加强页岩气勘探开发管理制度。

页岩气；勘探开发；水资源；约束；资源消耗；地下水污染

0 引言

页岩气主要为干酪根和页岩颗粒表面的吸附气，也可以是储存在天然裂隙和粒间孔隙中的游离气，或是干酪根和沥青中的溶解气，其中吸附气含量可占页岩气总含量的20%～85%[1]。近年来，非常规天然气的分支——美国页岩气的规模开发改变了以往世界各国大力发展可再生能源的思路，使得能源发展战略重新回归传统化石能源[2]。从全球角度，如果不对页岩气资源开展勘探开发工作，那么到2040年全球天然气消费将消耗已探明储量的66%，因此，页岩气资源的勘探开发确实提高了全球的能源安全保障[3]。就国家层面而言，美国页岩气资源的大规模勘探开发使其能源供应逐渐减少对中东地区的油气依赖，能源独立战略得以实施[4]。对我国而言，页岩气开发利用还能带来可观的环境效益，按页岩气的年产量65亿m3计算，与煤炭相比，如果用于发电，可减少二氧化碳年排放约1400万t、二氧化硫排放约11.5万t、氮氧化合物排放约4.3万t和烟尘排放约5.8万t[5]。

然而，世界资源研究所（WRI）报告指出：页岩气资源世界分布不均衡，而且分布最丰富的地方通常不是水资源丰富的地区，水资源可能影响世界很多地方的页岩气开发[6]。那么我国页岩气资源勘探开发面临着怎样的水资源压力？本文尝试运用ARCGIS技术对这一问题进行分析，从而为我国页岩气勘探开发的水资源管理工作提供决策参考。

1 页岩气勘探开发水资源风险类型

页岩气勘探开发面临的水资源约束主要表现在两个方面：一是大量淡水资源的消耗；二是压裂液对地下水污染的风险。

1.1 淡水资源消耗

一是关键的水力压裂增产技术需要消耗大量水资源，水力压裂技术是开发页岩气的必要技术，高压液体注入井下并使岩层裂开，液体中的支撑剂可以保持住裂缝，使其成为油气导向井筒的高速渗透通道。页岩气的开发生命周期包括钻探场地准备、钻井、完井和压裂释放气体、压裂液回流、气体生产等五个环节，各个环节都存在水资源的监管、管理和运输三方面的问题[7]。一般而言，一个水平井需要进行八、九次压裂，每口压裂井需要5000～8000吨水[8]，但我国页岩气资源开发地区大部分处于水资源短缺区域，页岩气资源开发将进一步加剧水资源短缺的严峻形势[9]，更为严重的是，对于缺水地区而言，页岩气开发对水资源的大量消耗势必会加重水资源的短缺状况，引起对环境的累积影响，加剧干旱、威胁开发区域的水资源可持续利用和发展[10]。

此外，对比中美页岩气地质特征，由于埋深的原因，我国页岩气采用水力压裂技术可能需要消耗更多的淡水。美国页岩气层埋深1219～3658m，四川盆地页岩气层埋深1000～4200m[11]，尤其是四川南方海相3000m以下深层高压页岩气资源勘探开发尚未取得实质性的突破，埋深越深，钻井就需要更多的淡水资源，这也进一步加大了水资源压力。

1.2 地下水污染的风险

水力压裂技术的压裂液中含有的化学制剂成为污染地下水资源的潜在风险。页岩气水力压裂技术主要使用砂子和水，在页岩气资源勘探开发初期，各大拥有水力压裂技术的公司都拒绝透露用于水力压裂的压裂液成分。但是近年来，迫于公众舆论和环境影响的双重压力下，监管机构也倾向于公布压裂液的成分，因而压裂液的成分逐渐明晰。通常情况下，压裂液的成分为：94.62%的水，5.24%的砂子，0.05%的降阻剂，0.05%的抗菌剂，0.03%的盐酸以及0.01%的防垢剂（图1）[7]，其中的化学添加剂达250余种，包括苯、甲苯、二甲苯等已知的人类致癌物。

图1 页岩气开发水力压裂液成分

一般而言，地下水资源通常分布在地表下百米左右，而页岩气储层则达千米，也就是含水层深度与页岩气储层之间有一定的距离，所以钻探过程中固井极为重要，一旦发生钻探事故，则地下水面临着被压裂液渗透污染的极大风险。

2 我国部分省份页岩气勘探开发水资源约束

世界资源研究所对全球各个国家页岩气勘探开发面临的水资源约束和压力进行了量化分析[11]（图2），中国、墨西哥和南非拥有丰富的技术可开发页岩气资源，但资源富集地区却面临着极高的水资源压力。20个拥有最大页岩气资源的国家中，有8个国家的页岩气资源富集在干旱或基线水资源压力高到极高的地区，包括中国、阿尔及利亚、墨西哥、南非、利比亚、巴基斯坦、埃及和印度。

IEA《2011世界能源展望》报告指出，2010-2035年间，天然气需求量会上升50%以上。在这种情景下，天然气在全球能源结构中所占的份额在2035年将达到25%，而以页岩气为主的非常规天然气产量到2035年会达到1.6万亿m3；同时，预计中国的能源需求将增长60%，天然气消耗将增加400%以上。这表明页岩气资源是我国未来能源结构中不可缺少的组成部分，页岩气资源的勘探开发进程势必会逐步推进；然而，我国是世界上第二用水大国，每年总取水量占全球取水量的14%，其中近四分之一用于工业生产，因而我国页岩气资源勘探开发必然面临水资源约束。

本文尝试选择我国陆上31个省份（由于台湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区暂无页岩气勘探开发和水资源利用的相关数据，因而不纳入本文分析范畴），从省域层面构建我国页岩气勘探开发的地表水压力和地下水污染风险两个指标，分析我国页岩气资源开发利用中各省份的水资源压力现状。水资源相关数据来源于国家统计局网站《统计年鉴2014》公布的水资源利用数据。由于我国页岩气勘探开发始于2010年，因而选定样本的年份为2010-2013年；矢量图数据根据世界资源研究所发布的世界含气盆地和页岩气资源分布矢量图结合国家基础地理信息中心网站中国地图底图进行调整得到。从中国地质调查局油气资源调查中心发布的各期《页岩气动态》中整理可知，我国已经查明富集页岩气资源的省份有：四川、新疆、重庆、贵州、湖北、湖南、陕西、广西、江苏、河南、内蒙古、青海、甘肃、黑龙江、云南、山西、安徽、浙江、河北、山东、吉林、辽宁、宁夏、江西、福建和广东共计26个省份（见图3），其中重庆和四川已经进入实际开发阶段，云南、湖北、贵州、江西、江苏、湖南、安徽、新疆、青海、陕西、内蒙古、山东、辽宁、吉林、黑龙江、河南和河北共计17个省份则处于钻井试验等初级勘探开发阶段，余下的12个省份并无实际的勘探开发进展或者根据现有资料暂无查明的页岩气资源，但是本文也对其水资源约束现状进行分析，可作为未来勘探开发工作的决策参考。

图2 世界页岩气水资源压力

图3 我国已查明富含页岩气资源的省份

2.1 地表水约束

地表水压力采用该省份农业、工业、生活及生态用水占地表水的比例，比例越高就表明该地区页岩气勘探开发与其他生产生活用水存在竞争关系，从而该地区页岩气勘探开发面临的淡水资源消耗压力越大，该指标成为地表水生产压力。各省份地表水生产压力见表1。

根据表1结果，按照数值大小运用ARCGIS工具得出选定省份页岩气勘探开发的地表水生产压力等级图，见图4。

根据图4分布情况，总体上将2010-2013年选定样本内31个省份的页岩气勘探开发地表水取水压力（包括已有勘探开发进展的19个省份和余下12个省份）分为5类，见表2。

表1 选定样本内我国31省份页岩气开发利用地表水取水压力（2010-2013年）

图4 选定样本内我国31省页岩气勘查开发地表水压力分布图（2010-2013年）

表2 选定样本内我国31省份页岩气勘查开发地表水生产压力分区（2010-2013年）

第一类表示工业、农业、生活用水占地表水比例较小，也就是页岩气勘探开发取水压力小。第二类到第五类依次表明地表水取水生产压力逐渐增大。就已有页岩气勘探开发区域而言，四川、重庆、湖北、湖南、江西、江苏是地表水压力较小的区域，就未来勘探开发区域选择而言，广西、广东、海南、福建、浙江是地表水压力较小的区域，从水资源约束角度讲是未来首选的勘探开发区。

2.2 地下水污染风险

地下水污染风险采用地下水供水比例作为指标，用以衡量页岩气勘探开发过程中出现地下水污染事件的机会成本，如果某个地区供水主要依赖于地下水，那么在该地区进行页岩气生产作业的时候就必须严格控制压裂液的使用，最高限度的控制地下水污染事件。各省份地下水污染风险见表3。

根据表3结果，按照数值大小运用ARCGIS工具得出选定省份页岩气勘探开发的地下水污染风险等级图，见图5。

同样的，依据图5的风险等级，将2010-2013年选定样本内31个省份的页岩气勘探开发地下水污染风险（包括已有勘探开发区和其他区域）划分为5类，见表4。

3 基本结论与建议

表3 选定样本内我国31省份页岩气开发利用地下水污染风险（2010-2013年）

图5 选定样本内我国31省份页岩气勘查开发地下水污染风险等级图（2010-2013年）

本文针对我国页岩气资源开发利用面临的水资源约束，构建地表水生产压力和地下水污染风险两个指标，对我国31省份2010-2013年间页岩气勘探开发的水资源压力进行分析，基于ARCGIS工具根据指标大小将样本内我国31省份划分为5类，结果表明，地表水压力较小的省份有四川、重庆、湖北、湖南、云南、贵州、江苏、安徽，地下水污染风险较小的省份有云南、重庆、湖北、贵州、江西、湖南、江苏。综合来看，对于已经在进行的页岩气勘探开发的省份而言，云南、重庆、湖北、湖南、江苏为面临较小水资源约束的省份。

水资源管理是我国页岩气勘探开发过程中必须要解决的环境问题，而环境一旦被破坏，其治理成本将远远超过资源开采的收益[12]，因此需要在借鉴国外环境监管经验的基础上，针对实际情况制定我国页岩气勘探开发中的水资源管理政策。

针对淡水资源消耗问题，前文已述我国大规模勘探开发的区域为重庆和四川，这两个省份的淡水资源相对丰富，面临的淡水资源消耗压力并非无法克服，因而对于淡水资源消耗的管理目标是减少消耗，可行的途径有两种：一方面通过优化页岩气勘探开发技术和工艺，在不影响正常生产活动的前提下尽量减少消耗；另一方面是废水回收利用，通过对压裂液重新回收处理实现二次甚至多次循环利用，但是在压裂液的循环利用中需要防治压裂液成分可能造成地表水污染的安全隐患。

表4 选定样本内我国31省份页岩气勘查开发地下水污染风险分区（2010-2013年）

针对地下水污染的风险，在当前技术水平下，只要水力压裂技术中压裂液的成分不被改变，那么我国页岩气勘探开发始终面临地下水污染的风险，因此，地下水污染管理的目标是有效控制、杜绝污染。结合前人研究基础，实现地下水管理目标的途径有两个：

(1)页岩气勘探开发技术的创新，技术创新方式也有两种，一是研制新技术替代当前的水力压裂技术，二是改进压裂液的成分，尽量选择无毒无害的环保原料。

(2)完善页岩气勘探开发管理制度，规避地下水污染风险，通常规避风险主要通过加强事前管理的机制，常用措施有：一是要求页岩气生产企业在作业中水平井压裂井和内壁采用高度安全性材料；二是环保部门制定水质检测指标，对作业区地表水及地下水实时监测并公布监测结果，监测中的异常情况及时处理；三是采用保证金制度，作业企业上缴一定比例地下水污染防治保证金，为污染事件的防治提供资金支持。

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On Water Resources Constraint Issues that we Face in Shale Gas Exploration and Production in China

WANG Jinwei, WU Qiaosheng, ZHAO Tianyu
(School of Management and Economics of China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074)

This paper has set up two indexes for the productionpressure on surface waterand the risk of groundwater pollution in the face of water resources constraint during shale gas resources development and utilization.Through analyzing the water resources stress that 31 provinces faced from 2010 to 2013 in shale gas exploration and production, and by using ARCGIS tool, the corresponding maps for the two risks has been introduced.For the issues concerning the consumption of fresh water resources, this paper points out that our goal is to reduceconsumption. In doing so, we should devote our efforts to reduce consumption through optimizingthe technique and technology of shale gas exploration and development. On the other hand, we shouldre-use waste water through recycling fracturing fuid to reach the secondary or even several times circulating utilization; and, more remarkable, we must pay more attention to preventing and controlling this fact that fracturing fuid composition may cause pollution to surface water. In addition, we must effectively control and eliminate pollution, step up efforts to innovating shale gas exploration and development technology, enhance our efforts to reform the system to manage shale gas exploration and development.

shale gas; exploration and development; water resources; constraints; resource consumption; groundwater pollution

F407.1；F062.1

A

1672-6995（2016）02-0028-07

2015-12-04；

2016-01-06

国家社会科学基金重点项目“页岩气和煤层气开发利用的能源安全效益、环境效益和其他社会效益评估”（13AZD078）；中国地质调查局地质调查项目“我国页岩气资源勘查规制研究”（12120113018100）

汪金伟（1989-），男，湖北省黄冈市人，中国地质大学（武汉）经济管理学院博士研究生，研究方向：能源经济学、计量经济。