页岩气勘探开发对水环境的影响及建议

王 丹，何 敏

(涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆 408011)



页岩气勘探开发对水环境的影响及建议

王 丹，何 敏

(涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆 408011)

分析了页岩气勘探开发过程中可能出现的水环境问题，如大量消耗水资源、地下水污染及地表水污染等；总结了美国在水环境保护问题上的监管经验，并在此基础上提出了针对国内页岩气开发实际情况的水环境保护建议。

页岩气；开发；水环境问题；水环境保护；监管经验；建议

1 页岩气勘探开发现状

页岩气是一种以游离态、吸附态或溶解态赋存于暗色富有机质和极低孔隙度渗透率的泥页岩、泥质粉砂岩，以及砂岩夹层系统的孔隙、裂缝和有机质表面中的非常规天然气，具有自生自储、连续聚集的特点[1]。美国能源署(EIA) 2011年4月公布的数据表明，除俄罗斯和中东国家外，全球页岩气可开采量为189万亿m3，中国页岩气储量约100万亿m3，是常规天然气储量的2倍，其中可开采量为36万亿m3，约占全球可开采量的20%，比美国高约7%，位居世界第一[2]。

近年来，美国非常规天然气工业快速发展，致使其成为页岩气商业开发最早的国家，开采技术也不断创新，尤其是水平井技术和水力压裂技术，成为了页岩气勘探开发过程中的关键技术。目前，中国的页岩气勘探开发正处在探索研究阶段，在技术上仍须借鉴美国先进的开发技术，配套以自主研发的页岩气勘探开发配套技术，能为页岩气的大规模开发提供技术保障。随着页岩气产量的急剧上升，日益凸显的环境问题成为页岩气开采国家不可忽视的问题，这些环境问题主要包括：水环境污染、大气环境污染、土地污染和地质灾害，尤其以水环境污染问题最为严重。美国麻省理工学院(MIT)在2011年发表的天然气年度报告中指出[3]：2001—2010年的10年间完钻的页岩气井发生了43起广泛报道的水污染事故，其中48%涉及钻井液和压裂液污染地下水资源，33%涉及现场污水泄漏，10%涉及返排水和空气质量，9%涉及现场污水外排(图1)。

2 页岩气勘探开发引发的水环境问题

页岩气是一种低渗透的非常规天然气，需要采用水平井和水力压裂技术提高其采收率。采用这两种技术可能带来的水环境问题主要有：水资源消耗、对地下水的污染及对地表水的污染。

2.1 水资源消耗

页岩气开采过程中的耗水量很大，尤其在水力压裂阶段用水强度达到最高，且随着产层地质特点的不同，以及水平钻井段的深度、长度和被压裂水平段数目的差异，用水量还可能会产生很大的变化。根据美国能源部统计[4]，美国Marcellus页岩气田单井平均耗水量约为1.5万m3，其中水力压裂的耗水量占98%；Fayetteville页岩气田单井平均耗水量约为1.2万m3，其中水力压裂的耗水量占95%； Barnett页岩气田单井平均耗水量约为1万m3，其中水力压裂的耗水量占85%；Haynesville页岩气田单井平均耗水量约为1.4万m3，其中水力压裂的耗水量占73%。国内页岩气藏普遍埋藏较深，相对于国外需要消耗更多的水资源。页岩气开采中水力压裂阶段的耗水量是常规油气井的50～100倍[5]，随着页岩气开采量的不断攀升，如此高的耗水量很可能对作业区环境造成累积影响，如河流等地表水和地下水资源的枯竭、含水层储水能力的丧失，这些都将影响当地水生生物的生存、捕鱼业、城市生活和工业用水等[6-7]。

我国页岩气勘探开发的有利区域主要集中在华北平原(黄淮海平原)、辽宁、山西、天山及河西走廊等地区，而这些区域也正是我国重点缺水地区。因此，这些地区的页岩气开采需依靠地下水，这就极有可能造成地下水资源枯竭、含水层能力丧失及水质恶化等问题。

2.2 对地下水的污染

页岩气开采对地下水的污染主要有三方面：甲烷对地下水的污染、钻井液和压裂液渗透至地层污染地下水、压裂返排液回注造成的地下水污染。

页岩气的主要成分是甲烷。在页岩气勘探开发过程中，甲烷气体向浅层地下水迁移，引起地下水甲烷含量超标。有研究者发现，距页岩气生产井直径1km范围内浅水井中具有高浓度的甲醛[8]。宾夕法尼亚州和纽约州68个私有水井中的甲烷含量超标，有些地区自来水中冒出的气体还可以被点燃，研究证实，甲烷污染饮用水的现象与水力压裂法开采页岩气有密切关系[9-10]。2012年9月，美国EPA发布“水力压裂法对饮用水资源潜在影响研究”阶段性报告[11]。从报告案例分析中发现页岩气勘探开发区浅层地下水中甲烷浓度异常现象，得出水力压裂可能造成上层地下水甲烷污染的结论。但是，页岩气开发引起的含水层潜在甲烷污染成因机理尚不明确，还处在研究阶段。目前国外关于页岩气开发引起含水层甲烷污染的机理有两种[12]：①含水层中多种不同成因来源甲烷识别研究；②含水层甲烷污染途径与迁移通道识别技术研究。

页岩气勘探开发过程中，钻井液和压裂液可能导致浅层地下水受到污染，而深部页岩层的水与浅层地下水之间具有水力联系，因此深层地下水受污染也可能导致浅部地下水受到污染。页岩气钻井过程中，若发生严重的井漏，会使钻井液通过裂缝、孔隙或溶洞进入地层并通过流体的迁移作用污染浅层地下水，甚至可能造成井喷或井塌卡钻事故。而在水力压裂过程中，压裂获得的高度密集的网状裂缝系统为流体的迁移提供了通道，压裂液中的化学添加剂，如杀菌剂、破胶剂、pH调节剂、降滤失剂以及表面活性剂等可能直接通过断裂、裂缝系统自地下深处缓慢向上迁移至地表或浅层，并通过污染物在环境中的迁移转化造成浅层水资源的污染。Warner等[13]通过同位素比值分析认为深部页岩层和浅部水层之间存在联通的裂缝和路径。美国环境保护署于2011年12月公布的俄明州Pavillion页岩气田地下水污染初步调查报告中指出[14]：水力压裂法与地下水源污染有关。虽然美国和中国的地质构造不同，气藏埋深也不相同，国内的页岩气开采过程的水力压裂法是否会对地下水源造成污染也无定论，但不能排除其风险。

另外，水力压裂的同时还会产生部分压裂返排液到地面，返排液中含有较高的COD、金属元素和总溶解性固体(TDS)，随意排放势必会对地表水造成污染。目前对这类压裂返排液的处理方式通常是经过处理后排放或处理后回注，但是现阶段国内外还没有针对页岩气压裂返排液的达标排放标准、回注标准等，若这些返排液回注之前处理不当，回注也势必会对地下水造成污染。这也是某些国家(如法国和保加利亚等)禁止水力压裂技术勘探开采页岩气的主要原因[15]。据ENS环境新闻网报道，美国纽约州于2015年7月正式宣布将在全州范围内禁止水力压裂法开采油气。

2.3 对地表水的污染

地表水的污染主要体现在钻井废水、压裂返排液和采气废水不合理排放造成临近河流等地表水的污染。

钻井废水是钻井泥浆的高倍稀释物和油类的混合物，包含了无机物、有机聚合物、油类物质、粘土和加重材料等，具有成分复杂、水质多变、COD浓度高、色度高及可生化性差等特点。这些物质进入地表水体后不仅会污染水体，还可能间接对人类和动植物造成危害。首先，高浓度的油类物质进入水体，会在水体表面形成厚度不一的油膜，破坏了复氧过程，导致水体的溶解氧浓度下降，从而影响水质和水生动、植物的生存。其次，有机烃类具有致癌、致畸性和毒性，直接对人类的身体健康造成威胁，且可经水生生物的富集在人体内残留，在哺乳动物细胞中可通过代谢作用活化而形成高毒性的代谢产物，造成不可逆转损伤生物大分子DNA。

压裂过程产生的压裂返排液及采气过程产生的采气废水潜在的环境危害也较大。有数据表明[16]，在注入水力压裂液并释放压力后，返回地面的压裂液达到10%～70%。虽然多数情况下，压裂返排液可用于重新配置压裂液，但是仍有部分压裂返排液不能满足配置压裂液的要求，需要对其进行处理。采气过程中，每产生100万m3的燃气会伴随3～13万L的采气废水产生[17]。这两类废水中除了含有化学添加剂以外，还有储集岩中浸出的烃类化合物、重金属和大量的TDS等。若这些废水未经处理或处理不达标流入地表水体，会引发严重的水污染。首先，地表水中的悬浮性或深沉污染物的浓度增加，促进磷等营养物质的混入可能导致地表水的富营养化；其次，返排水中的重金属及细菌等有害微生物进入饮水源后会对人体造成伤害。宾夕法尼亚州Cabot地区由于页岩气开采过程中大量压裂返排液流入特拉华河流域，已造成该地区23.3km2的区域被污染，严重缺乏饮用水[7]。返排液中的TDS虽然不会直接给人体带来伤害，却限制了其在农业灌溉和牲畜饮水等方面的潜在利用。

3 水环境问题带来的思考

页岩气开发实践表明，页岩气的开发不仅能够带来可观的经济效益，同时也引发了一系列的环境问题，其中最明显的即是水环境问题。作为页岩气开发起步较晚的国家，我们不仅需要学习欧美国家先进的开发技术及环境风险控制措施，总结经验教训，更需要结合自身的实际情况，建立适应中国页岩气开发的环境管理体系，并制定相应的政策和标准。

3.1 美国页岩气开采的水环境监管经验

美国不仅在页岩气开采的关键技术上走在了时代的前列，关于对页岩气开采带来的水环境问题的防治与监管也处于领先水平，建立了相对完善的监管体系，包括水资源保护、地表废水监管、地下灌注及压裂液化学成分等。

(1)美国环境保护局(EPA)和各级州府环境保护局都有严格的水环境保护规划，有明确的水环境保护目标、应对措施和污染处理设施，这些为页岩气开发过程的水环境监管提供了有力保障[18]。美国地质调查局还提出了3个要求限制页岩气开采过程中水资源消耗[17]：①钻探用水不能给当地的水资源带来冲击；②避免小流域和河流的退化；③评估钻探回收水的利用程度。这3个要求在一定程度上降低了地表水和地下水资源枯竭、含水层储水能力丧失的风险。

(2)美国对页岩气开采过程中产生的废水管理提出了5个基本的要求[17]：①最大限度减少废水的产生量；②钻井作业中进行循环回收和再利用；③废水处理；④废水处置；⑤处理后其他有益利用。联邦《清洁水法》禁止天然气点源废水污染物直接排放，水力压裂液不得直接排放到地表水体，必须运送到拥有排放授权的处理设施并通过国家污染物排放消除系统许可证制度落实。同时，政府针对页岩气压裂返排废水的特殊性，出台了有别于常规油气田废物处置要求的规定，但各州差别较大[19]。

(3)美国《安全饮用水法》对天然气开采废水的地下灌注做出规定，创建了“地下灌注控制项目”(UIC)。根据此项目，EPA将地下灌注分为五级，每个级别适用于不同的标准和要求。UIC的内容包括许可程序、监测、监测和报告程序等，对注水井的选址、建设、操作、维护、监控、测试乃至关闭都做了相应的要求。通过此法对地下饮用水源注入废物进行限制，也从侧面降低了地下水源的污染风险。

(4)美国有14个州要求一定程度公开水力压裂液的化学成分，有7个州要求给出具体的化学组成，2个州要求报告实际使用化学品浓度。同时美国公开发布一款“混合与测算模型”[19]，用以分析评估页岩气压裂液所产生废水的成分及废液中有毒有害物质比例，以此来监管产生的废液。

3.2 国内页岩气开采的水环境保护建议

美国虽然具有相对完善的水环境监管体系，但是早期仍然存在对水力压裂技术水环境影响认识滞后和“哈里伯顿漏洞”等问题[20]。我们应借鉴美国在水环境保护监管方面的经验教训，结合国内页岩气勘探开发的现状，建立属于自己的水环境保护体系。

(1) 建立健全水环境监管法律法规体系，制定相关污染物控制标准及规范

我国拥有相对完善的水环境保护法律法规，如《环境保护法》、《水法》及《水污染防治法》等。根据这些法律法规，可以对页岩气开采进行监管，但是这些法律法规与页岩气开采的时序性及用水特征并不匹配。此外，我国缺乏对化学用料有效的评估和监管的措施。对页岩气这一非常规天然气的开采，水力压裂技术成为关键，水力压裂液的成分被很多公司定义为商业秘密，并不对外公布。但是压裂液中的化学成分相当复杂，如果这些化学物质因操作不当而渗透到水源中，会造成无法预测的危害。严格意义上说，我国针对页岩气开采的法律法规几乎没有，因此，需要建立针对性较强的法律法规，通过立法来制约页岩气开采对环境的破坏。

我国在常规能源开采上制定了相应的污染物排放控制标准及规范，如《海洋石油开发工业含油污水排放标准》、《陆上石油天然气开采工业污染物排放标准》(征求意见稿)及《采油废水治理工程技术规范》等；部分地区制定了地方标准与规范，如陕西省《石油开采废水排放标准》、黑龙江省《废弃钻井液处置规范》等。而针对页岩气的开采，各类污染物的排放均没有一个统一的标准或者处置规范来监督，因此，需要制定严格的标准规范来指引页岩气开采过程中的水环境保护。

(2)推动废水处理工艺技术研究

针对页岩气开采过程产生的各类废水的特殊性，在借鉴国外处理技术的基础上，要自主研发符合国内开采现状的废水循环利用、回注以及达标排放的处理工艺技术，为降低水资源消耗和控制水污染提供技术支撑。废水的循环利用需要考虑回收率(循环水量与初始注入水量之比)和循环水质量[3]。合理安排各井间循环水的使用，能减少清水的补充量。同时，循环水水质必须考虑以下指标：①盐含量；②总固体悬浮物；③成垢化学品(Ba、Ca及Mn的盐类)；④微生物含量。回注技术的研究，必须确保污水回注后不会威胁到当地的供水系统。

(3)以节约水资源为基础，探索新的压裂技术

水力压裂技术耗水量大，因此对水资源的需求量以及对地表水和地下水的威胁也较大。为了改变这一现状，可以探索新的压裂技术，如用水量少的混合压裂技术以及纤维压裂、通道压裂、干法压裂及液化石油气压裂等无水技术[21]。这些压裂技术能够解决国内水资源匮乏、压裂液处理技术繁琐等问题，还能在施工时减少清水压裂铺砂不到位、强滤失、易脱砂等问题，提高页岩气的产量。尤其是液化石油气压裂，具有携砂量大、造缝能力强、对地层无伤害、返排时间短及完全返排等特点[22]，应重点研究。在必须使用水力压裂的情况下，研究绿色无害化的化学添加剂，可以降低压裂液对水体的危害。

(4)定期开展水环境监测工作

页岩气开采过程中应定期开展环境监测和评估，加强对各类废水排放量及污染物浓度的监管，并定期监测地表水和地下水中可能存在的污染物浓度，评估页岩气开采对地表水和地下水的环境风险，确保开采过程中不会出现水环境事故而影响周边居民的生产和生活。

4 结束语

页岩气开采带来可观经济效益的同时也引发了不可忽视的环境问题。水力压裂技术的应用，不仅大量消耗了水资源，还可能引发地下水和地表水污染。中国还处在页岩气开采的初始阶段，应借鉴美国等发达国家的经验教训，结合国内页岩气勘探开发的具体情况，建立属于自己的水环境保护体系，推动新技术的研究，避免“先污染后治理”，做到经济发展与环境保护协同并进。

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Impacts and Suggestions of Shale Gas Exploration and Development on Water

WANG Dan,HE Min

(Fuling Shale Gas Environmental Research and Technical Service Center, Chongqing 408011,China)

Exploration and development of shale gas in China is still in research phase, and inevitably brings a series of environmental issues such as water, air and soil pollution, especially water pollution. Therefore, this paper analyzed the water environmental problems in detail, such as water consumption, ground water pollution, and surface water pollution in exploration and development of shale gas, and threw out the water environmental protection suggestions about the Chinese actual situation of shale gas development based on the American water environmental protection supervision experience.

shale gas;inevitably ; water environmental problems; water environmental protection; supervision experience; suggestions

2016-06-23

王丹(1987-)，女，硕士，四川内江人，主要从事页岩气环境保护与技术研发工作。

X82

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1673-9655(2016)06-0103-05