页岩气开发的水环境和大气环境影响研究综述

侯彦希

摘 要：在经济发展、保障能源供给的推动下，中国已成为美国之后第二个实现页岩气商业化开发的国家。在大规模的商业开发背景下，研究页岩气开发带来的环境影响非常重要。通过对现有页岩气开发环境影响研究的整理，重点关注页岩气开发的水环境和大气环境影响。发现页岩气开发中采用的水力压裂技术对水资源的大量消耗给地区用水带来了挑战，开采过程中压裂液的使用和对返排水的处理隐藏着污染地下水的可能。在页岩气开发中，存在着的甲烷泄漏带来了增强温室效应的风险。页岩气井地面工程建设过程中的废气排放造成了地区大气环境污染。页岩气开发的水环境和大气环境污染风险揭示了在页岩气开发中关注环境影响，利用管理手段与工程技术革新控制环境风险的必要性。

关键词：页岩气开发；水环境；大气环境； 研究综述

随着世界能源需求飞涨，传统能源来源中的常规油气资源勘探、开发难度不断增加，非常规油气资源已日益显得重要。从勘探角度看，世界油气工业已悄然进入常规与非常规油气资源并重的时代，且非常规油气资源在世界油气工业中所占的比重越来越大。在非常规油气资源中，有着自生自储、分布广、埋藏浅、生产周期长等特点的页岩气占据着重要的地位。如2000年，美国页岩气产量只有110亿立方米，在天然气总产量中仅占 1. 6% 。到 2010 年，美国页岩气产量上升至1378亿立方米，在天然气总产量中占比达 23% 。

中国工业化与城市化的迅速发展，引发了能源需求的日趋旺盛。早在2009年，中国的能源消耗总量就超越美国跃居世界首位。①在这种背景下，页岩气、页岩油等非常规油气资源开始受到重视。逐步成为了北美之外全球第二个实现页岩气大规模商业化开发的国家。以我国页岩气开发规模最大、最具代表性的重庆市涪陵页岩气田为例，截至目前，累计开钻页岩气井321口，投产215口，年生产能力达到5.449×109m3，日产能力达到1.651×107m3，累计生产页岩气6.64×109m3。

在页岩气进入商业化开发阶段后，页岩气开发对环境的影响也开始逐渐凸显。为此本文通过对现有文献的研究，梳理了页岩气对水环境和大气环境的影响，以期为我国今后在页岩气开发过程中的环境保护提供借鉴。

一、页岩气开发对水环境的影响

由于页岩构造的地质特性，一般页岩气藏均需采用特殊的工程手段处理后才能实现较好的出产。统计表明仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产， 其余90 %以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施沟通天然裂缝，以提升页岩气产量。页岩气的开采技术主要依赖水力压裂技术。水力压裂技术基本流程是在完成钻井的钻探和安装后，将高压液体混合物注入钻井，使气藏岩层裂开，高压液体中的支撑剂进入裂缝后使其保持开放状况，以提升页岩气产量。页岩气开发对水环境的影响主要来自页岩气开采技术中的水力压裂技术，主要表现为对水资源的大量消耗和潜在的水环境污染风险。

（一）水力压裂技术对水资源的大量消耗

水平井大规模水力压裂技术是页岩气开发过程中的关键技术。在页岩气井水力压裂改造过程中，通过高压泵将大量水、化学添加剂和支撑剂混合物注入地层，形成复杂的裂缝网络，来提高渗透率，增加页岩气井的产出。

从页岩气井单井用水量来看，一般在8 000～100 000 m?，

平均约为15 000m?。根据美国环保署的统计，美国单口页岩气井耗水量一般在7600?19000m?，而在中国，因为地质原因与技术水平的差异，单口页岩气井耗水量为10000?24000m?。此外，亦有研究认为一口页岩气水平井的耗水量最低为6700m?，最高可达33000m?。Scanlon等估计EagleFord页岩气井水资源消耗量大约在1.7?1.8×104m?/口，而Bakken页岩气井的水资源消耗量则在0.73×104m?/口左右，是前者的1/2。

张东晓，杨云婷指出，应当从单位能源用水密度、是否增加地区供水压力两方面来评估页岩气开发水资源消耗影响。页岩气井用水几乎全部集中于初期完井阶段（不考虑重复压裂），此外页岩气井生命周期可达30 年，基于现有生产数据估计用水密度存在较大不确定性。从地区供水角度看，由于生产活动和压裂取水通常集中于某一区域，占当地用水比例可能较高，且开发作业时需要在较短时间内获取钻井压裂所需用水，在干旱季节或缺水地区仍会存在供水压力，会对流域产生累积影响。

以上针对页岩气开发耗水强度的研究，其最终的结果都提示我们应当注意页岩气开发应注意地区的水资源赋存量，尤其是短时间地区供水能力能否应对页岩气开发短时间对水资源的大量需求，避免对区域用水产生不利影响。

（二）页岩气开发对水资源的污染风险

水资源污染是页岩气开发中后果最严重也最具争议的问题。在页岩气开发对水资源污染的研究中，受到关注的是压裂液和地层水潜在的环境危害，这两种水统称回流水。此外有研究者将水平井压裂结束后返排至地面的压裂液称为返排水。

回流水的体积占原来水力压裂过程中注入高压液体的30%?70%，亦有研究认为压裂液在水平井压裂结束后，返排水的比例为5%?80%。水平压裂所使用的压裂液包含的成分十分复杂，表1列举了典型压裂液的成分和含量。在返排水中，对环境和人体有害的化学物质，其来源除了压裂液中人为添加的化学品，还有来自压裂过程中地下深层岩石中天然还有的致癌物质的释放，包括放射性物質铀、轻腐蚀性盐和苯。此外，甲烷作为天然气的主要成分会释放进入水体而造成污染。Howarth等指出页岩气开采过程中释放的甲烷可能大于传统气井的释放量。

回流水或者返排水对水环境的潜在危害主要集中在两个方面，一是注入的压裂液和储集层高矿化度地层水是否会向上运移，污染地下水，二是套管与固井缺陷造成的浅层流体泄露。此外，返排水处理过程也有可能造成水环境的污染。美国劳伦斯伯克利国家实验室在《水力压裂对水资源影响报告》中提出了3 种深层流体运移机理假设：（1）储集层流体通过压裂裂缝进入封隔不当的探井或废弃井；（2）压裂裂缝穿过整个上覆岩层，连通地下水；（3）休眠的断层和天然裂缝被激活，连通储集层和地下水。虽然理论上不能排除后两类污染机理的可能性，但目前没有证据表明存在这样的裂缝或断层。

二、页岩气开发对大气环境的影响

页岩气开发对大气环境的影响主要指页岩气开发带来的甲烷气体泄漏和废气排放造成的温室气体效应及大气污染。其主要途径有：甲烷气体泄漏、压裂现场废气排放、动力机械尾气。

（一）页岩气开发过程中的甲烷泄漏

甲烷气体是高温室效应的气体，其贡献了18% 的气候效应，贡献度位居各类温室气体第二位。 页岩气的主要成分是甲烷气体（CH4） ，它产生温室效应是通过甲烷气体燃烧时排放CO2和开采时甲烷气体泄漏两个途径。美国的研究者曾在气候变化（Climatic Change） 期刊上发表文献指出，页岩气比常规天然气更容易泄漏，泄漏量在完井钻穿气孔的时候会大幅度的增加。据统计排放甲烷气体最多的途径是水力压裂液的返排过程并且页岩气的泄漏量会达到岩气井预测总产量1. 6%左右。亦有研究表明页岩气从开发到消费的整个生命周期内泄漏的甲烷为3. 6% ～ 7. 9%。

（二）页岩气开发带来局部空气污染

页岩气地面建设施工过程中会排放大量有害的空气污染物，包括二氧化碳、二氧化硫和颗粒物等，加上施工时产生大量尘土和交通扬尘，更容易使空气中颗粒物增加。页岩气采气、集输处理过程中会产生有机化合物、氮氧化物、二氧化碳等，还可能排放硫化氢、苯、甲苯等毒性物质。而且，有机化合物和氮氧化物在阳光作用下易在地表形成臭氧，产生新的空气污染物。

彭民，杨洪波，李玉喜等认为，页岩气开采造成局部空气污染的表现主要有三个：（1）释放有毒气体。（2）形成烟雾污染。（3）造成局部地区粉尘污染。此外，水力压裂过程需要使用大量的化学添加剂，具有挥发性的化学品会在存贮、配置过程逸散挥发，或随着甲烷气体泄露，从压裂井下带出，在施工场地周围形成一个高浓度污染区域，在动力机械施工过程中，各种柴油动力设备会消耗大量柴油，这些设备尾气排放的CO、NOx废气排放也会导致地表臭氧浓度偏高。

三、结论与讨论

页岩气开发对水环境的影响一方面来自于开发过程中对水资源的大量消耗，其特点是持续时间较短但强度大，对地区的水资源供给能力带来挑战，一旦处理不当或者页岩气开发地区水资源赋存量不足，会影响地区用水；另一方面，页岩气开发依赖水力压裂技术，压裂液配方复杂且含有对人体有害的化学物质，给地下水带来隐患，一旦固井不当、套管破裂获返排水处理不当，泄漏的压裂液、返排水有污染地下水的可能。在页岩气开发过程中，作为页岩气主要成分之一的甲烷，存在着较高的泄漏可能性。最后，页岩气地面工程建设也伴随着大气污染物的排放。

从能源利用的角度来看，页岩气是一种相对清洁的能源资源，但是从能源开发的角度去考察，页岩气因为其工程建设手段、开发技术，对水环境和大气环境有着较为显著的影响。因此，应当特别注重页岩气开发中的环境风险管理，不断开发新的页岩气开发技术，加强施工现场污染排放的监测、管控，减少对水环境和大气环境的影响，以获得经济发展与环境保护的双赢。

注释：

①参见新浪财经，中国超过美国成为第一大能源消费国http：//finance.sina.com.cn/g/20100720/03568324755.shtml。另一种关于这一时间点的说法是2011年，具体见搜狐财经，中国去年能源消费总量超美国http：//business.sohu.com/20120528/n344193279.shtml。

②根据Gregory K B， Vidic R D， Dzombak D A. Water management challenges associated with the production of shale gas by hydraulic fracturing[J]. Elements， 2011， 7（3）： 181-186.整理

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