非常规天然气开发对环境的影响分析

五邑大学化学与环境工程学院 黄一鸣

1 引言

21世纪以来，非常规天然气开发规模不断扩大，相关技术发展快速，俨然形成了一次天然气革命。全球能源资源供需格局与能源相关的学科发展已发生了根本性的变化，而在开发非常规天然气的过程中，环境直接或间接地受到了不同程度的影响。本文对天然气在环境方面的影响进行了分析。

2 环境影响

2.1 温室气体排放

天然气燃烧时产生的温室气体比煤炭或石油燃烧时产生得少。在燃烧发电厂中，使用天然气作为燃料能够比燃煤燃烧减少50%～60%的CO2排放量。在相同汽车发动机工作效率下，天然气燃烧能比汽油燃烧减少15%～20% CO2排放量。但是，相关研究发现，天然气的开采和运输依然对环境有着深刻的影响。

通过天然气的钻探和运输所造成的天然气泄漏对全球变暖有巨大的影响。在过去的100年时间里，天然气主要成分的热捕捉能力是CO2的34倍，而在过去的20年时间内，热捕捉能力达到CO2的86倍。根据实地考察，这些逃逸的天然气占天然气总生命周期排放量的1%～9%。

天然气是否具有比煤炭和石油更低的生命周期温室气体排放取决于所假设的泄漏率、甲烷导致全球变暖的潜能、能量转化效率和其他因素。有研究指出，为了在未来的20年内或更短的时间内比燃煤电厂具有更低的生命周期排放量，天然气发电厂的甲烷损失率必须低于3.2%。如果算上天然气在车辆燃烧中的边际效益，那么与柴油和汽油相比，甲烷的损失率必须低于1%和1.6%。要想达到这种效果，适当的政策和投资是其中的关键因素。

2.2 空气污染

天然气的燃烧比其他化石燃料更清洁，燃烧过程中只释放微量的硫、水银和颗粒物。燃烧天然气实际上会释放烟雾的前驱物——氮氧化物NOX，但依然比车用汽油和柴油释放的NOX少。有研究指出，每万户美国家庭使用天然气供能而不是燃煤供能每年可以减少1 900 t NOX，3 900 t SO2和5 200 t颗粒物。当这些污染物与一些疾病相关时，例如支气管炎、肺癌、哮喘和心脏病，减少这些污染物的排放能给公共健康方面带来益处。

尽管天然气是清洁能源，但是非传统天然气的发展能影响当地或局部地区的空气质量。一些钻探地区经历了有毒空气污染物和颗粒物的富集，会对人们的健康和环境造成有害的影响。人暴露在高浓度空气污染物中会造成严重的健康问题，包括呼吸道问题，心脏疾病和癌症。研究显示，住在离天然气钻井少于半英里的地区的居民比那些住在离钻井更远的地区的居民会遭受更大的健康风险。

2.3 土地和栖息地的侵蚀

天然气开发所需要的建设和对土地的扰动不仅会改变土地的性质，同时还会侵蚀和分割野生生物的栖息地并改变它们的迁移模式，从而对当地生态系统造成危害。当天然气公司在目标地点建立井场，铺设管道和清理道路时，建设过程会引起土壤和矿物质流失，并污染附近水源。研究发现，水力压裂对环境的潜在影响包括加速水土流失、增加化学物溢出导致水被污染的风险、栖息地破碎化和表面径流减少。

2.4 水资源污染

非常规天然气开发会对临近社区居民带来健康方面的影响，因为他们饮用了受到化学污染的水。利用水压钻探天然气井、处理和提炼天然气或处理污水的过程都会使水资源受到污染。放射性物质、甲烷和其他地下煤气有时自然而然地从不规范的套管井渗透到饮用水源中去。甲烷与严重的健康影响没有直接相关性，但大量的甲烷聚集会引发易燃易爆方面的问题。在某些地区，非常规天然气的开发还会引起可用水资源方面的问题。

2.4.1 地下水

有案例记录说明临近天然气井的地下水会被混入各种气体的压裂液污染，包括甲烷和其他挥发性有机化合物。造成水体污染的主要原因是不规范的钻探操作或者是故障的天然气井令气体泄漏到水体中。自然或人为导致的地表下岩石的断裂会使从油气层释放出的杂乱气体进入地下水源，从而令水体污染。除此之外，在个别案例中，因天然气井的荒废或不良好的密封性能，压裂液会从破裂的岩层或故障的污水机坑里衬漏出。

2.4.2 地表水

非常规的油气开发会带来地表水被污染的风险。化学物质、柴油、现场施工设备的液体的溢出和泄漏以及污水储存设施和处理设施中污水的泄漏会造成上述问题。与地下水污染不同的是，地表水污染往往与土地管理、现场及非现场的化学品和污水管理相关。目前，已经有超过1 000 种化学添加剂用于水力压裂，包括酸(特别是盐酸)、杀菌剂、除垢剂和摩阻减低剂。可能对于天然气井而言，只需要用到其中的一些化学添加剂，但它们的选择与特定的天然气井的地球化学性质有关。大量的化学品运输和储存到井场当中，如果没有严格管理，那么这些化学物质会在运输的过程中溢出或泄漏。

在钻探过程中，泥浆、柴油和其他液体会溢出到地表上，返排或生产过程中所产生废水的不当管理也会导致泄漏和溢出，这些因人为不当所导致的现象会给环境带来风险。

2.4.3 水资源消耗

随着水力压裂的使用，水的大量消耗会对当地的地下水和地表水供应造成压力，尤其是缺水地区。每个天然气井所消耗水的总量根据地理和岩层结构的不同而有所不同。2011年美国35 000口天然气井消耗水的总量达到700亿～1 400 亿加仑。其他能源产业相关的水消耗具有可恢复性，能够直接排放到河流或湖中，而天然气开发产业所消耗的水不具有可恢复性。基于不同类型、不同地点、不同深度的天然气井，第一次使用水力压裂所消耗的水量达到了3百万～12百万加仑，相当于传统天然气开发需水量的数十倍。而一般的页岩气井开发的需水量是一般非常规天然气井开发需水量的两倍。

2.5 引发地震

水力压裂自身与低震级地震活动相关（一般低于2矩震级），但这些轻微的地质活动通常无法在地表上被探测到。然而，将高压水注入第二级注入井深处行为已经被证实与更大震级的地震活动相关。过去10年，至少一半在美国本土发生的高于或等于4.5矩震级的地震活动均发生在这些潜在的因注入高压水而诱发地震活动的区域。尽管将地震归因于注入高压水的行为很难被证实，但在很多案例中时间和地点均对以上假设进行了有力的支撑。

3 结语

非常规天然气的开发对人类减少化石燃料的依赖以及实现节能减排的战略目标具有重要意义。与此同时，人们不能忽略在非常规天然气生产和使用过程中对环境所造成的若干影响。非常规天然气革命的下一步目标是尽可能减少不同环境下可能造成的环境破坏和对人健康的影响，只有在可持续绿色发展的前提下，新的能源革命才是人类可持续发展所需要的。