页岩气开发的水资源与绿色发展面临的机遇与挑战

夏 军，吴 霞

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072; 2. 中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101; 3. 北京市水科学技术研究院，北京 100048)

0 引 言

水与能源关系是国际研究热点。页岩气开发为解决国家能源问题开辟了新的途径，但是其开发需要大量水资源，且由此引起的区域水资源系统及生态系统的可能影响是国内外关注的热点问题[1-2]。中国既是一个能源缺乏，也是一个水资源缺乏的国家，水资源安全和能源安全息息相关。能源具有可替代性，高新科技的发展促使能源转型，而水资源不具有可代替性，能源结构的调整可能受限于水资源。在全球能源格局演变形式下，非常规能源——页岩气有望成为新的天然气能源。与此同时，区域尺度的水资源系统也发生着变化。另外，由于发展中国家生态环境保护意识不健全，生态环境脆弱性加剧。中国西南地区在气候变化背景趋势下，水资源系统有趋向干旱趋势[3]。同时，伴随着社会经济的发展，人类生产、生活活动与能源-水资源系统的关系日益密切。因此，开展四川盆地南部(简称“川南”)页岩气井区能源开采与区域生态环境关系的研究，对于认识区域水资源系统和能源开采承载关系，规避由于非常规能源开采变化而引发的灾害、生态破坏，以及保护生态环境的可持续发展、维护人与自然的和谐相处意义重大。

1 研究意义与背景

1.1 页岩气开发对支撑国家能源战略发展具有重要意义

能源是一个国家发展的驱动力，是民生最基本的需求。中国是一个缺乏石油和天然气的国家，可能面临气候变化和相对能源短缺的严峻挑战。作为全球最大的煤炭消费国、第二大石油消费国和第四大天然气消费国[4]，煤炭一直是中国能源消耗的主要燃料(图1)。近年来，随着环境保护政策推动及低碳经济的驱使，中国正在努力将其以煤为主的能源系统转变为清洁可持续的能源系统，以缓解不断增加的环境压力。尽管近年来全球能源市场出现了显著的疲软趋势，但中国的能源消费仍将持续增加，预计到2040年中国能源消费将占全球能源消费总量的22%[6]。

数据来源于文献[5]图1 中国1978～2017年能源消费总量及构成Fig.1 Energy Consumption and Composition from 1978 to 2017 in China

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，是近几十年来新兴的非常规能源，具有储量丰富、温室气体排放低和空气污染小等特征[7]。2016年，美国能源信息署(EIA)世界能源初步评估结果显示全球页岩气储量约为214.56×1012m3，中国页岩气储量(31.57×1012m3)位于世界页岩气储量首位[7]。随着水平钻井和水力压裂技术的进步，美国页岩油气能源革命使其国际能源地位发生了改变，也直接影响了国际能源局势。2012年1月5日，中国国土资源部已发布文件将页岩气列为独立矿种[8]；2016年9月30日，国家能源局印发的《页岩气发展规划(2016～2020年)》提出2020年力争实现页岩气产量达到300×108m3，2030年页岩气产量达到(800～1 000)×108m3[9]。

1.2 水资源在能源发展中的重要地位

水资源是一种稀缺的、不可替代的资源，是生命100%的生存必需品，特别是未受到污染的淡水资源。水资源分布的不均匀性导致水资源的短缺呈现很明显的局部性特征。根据不同的用途，水资源具有不同的使用方式，而且各种使用方式之间是具有竞争性的。目前全球的水资源70%以上主要是用于农业生产，因此，缺水问题极有可能在造成干渴之前首先转变为饥饿，到2025年将可能存在50%的世界人口生活在缺水区域[10]。

2014年，联合国发布《世界水资源发展报告2014:水与能源》，正式将能源发展与水资源承载能力联系起来，并号召世界各国政府在制定能源发展政策时要考虑到水资源承载能力。中国水资源时空分布不均匀，南多北少，差距悬殊，且能源分布与缺水地区高度吻合。页岩气资源储量丰富区域(四川盆地和塔里木盆地)水资源状况或季节性明显，或总量短缺严重。供水可能成为页岩气井生产的障碍，特别是在干旱半干旱地区和季节性缺水地区[1]。

1.3 页岩气开发影响水资源综合利用

页岩气能源的大规模开发，水力压裂和水平井等关键技术被广泛地应用到页岩层开采过程中，导致的环境问题主要包括淡水资源消耗[2]、区域供给压力增加[11]、地表水和地下水污染[12]等。

目前页岩气井生产用水主要是淡水。根据美国能源部统计，Marcellus页岩气田每口钻井平均用水量为1.480×104m3[13]，Barnett页岩气田每口钻井用水量为1.893×104m3[14](表1)。水资源在页岩气井生命周期的各个阶段均发挥着重要作用，包括页岩气井的钻探和投产阶段。水力压裂过程中水循环主要包括5个过程：①水源地取水；②化合物混合；③注井；④产出水收集；⑤污废水处理及回收利用(图2)。页岩气井的钻探周期较短(24 h作业，一个水平井需4～5周，再加3～5 d的水力压裂处理)，钻探期间需要消耗大量的当地地表水或地下水等水资源，极有可能影响当地生产、生活及生态用水。

表1 不同页岩气田钻井用水量比较

图件引自文献[22]图2 页岩气开采水循环Fig.2 Water Cycle During Shale Gas Production

在页岩气开采过程中，开采井的需水量迥异，影响用水总量的因素包括压裂水平段的深度、长度和数量。水平段越长，压裂过程中的用水量就越大[21]。水力压裂阶段的最大用水量可超过用水总量的90%，而压裂后的设备维护(冲洗和清洁)和页岩气产气维护阶段用水量仅占用水总量的0.1%～0.8%。干旱半干旱地区或季节性缺水地区，页岩气的开采对其影响程度更大。目前，中国已实现页岩气商业性开发的地区主要是四川和重庆等地。气候变化情景下，中国西南地区极端干旱事件增加，而页岩气开发用水量远远多于传统油气开发用水量。

1.4 页岩气开发利用过程中的生态环境影响问题

页岩气资源开发的蓬勃发展不仅消耗大量的水资源，也会产生大量的废弃物，废弃物的过度堆积会对生态环境造成新的威胁[23]。页岩气资源开发伴随的废弃物容易导致水污染、土壤污染及重金属积累污染等环境问题，也会对人类的生存带来威胁，特别是压裂回流水污染问题，已经引起世界多地的高度关注[24]。

页岩气井经水力压裂，开井生产一段时间后会产生返排液和产出水，这两种液体统称为回流水[25]。回流水的体积占原来注入高压液体的比例差异很大，其比例可能为10%～70%[26]，成分中含有化学添加剂、烃类化合物、重金属和高总溶解性固体(TDS，Bakken地层产出水的TDS值为73 000～377 000 mg·L-1)(图3～5)[27]。回流水最常见的管理方案是再利用(需要很少处理)、再循环(涉及更多处理)或通过注入深井处理[28]。处理方法因地而异，取决于废水的数量和质量，以及处理和处置设施的可用性[29]。页岩气井产生的回流水的数量和质量是决定在不损害环境的情况下重复使用和管理废水的关键因素[30]。

1.5 页岩气开发应与水资源可持续利用需求结合

中国拥有世界上最多的可开采页岩气资源，页岩气勘探开发正处于快速发展阶段，但中国60%以上的可开采页岩气资源都分布在较为缺水或季节性缺水地区。川南地区蕴藏丰富的可开采海相页岩层[31]，水资源丰富，但季节性缺水明显。目前川南产权区页岩气投产井462口(数据截止到2019年9月)，现开采用水统计值为2 006.08×104m3。若页岩气开采井的数量持续增加(如五位数以上的钻井规模)，水力压裂对川南水资源的影响将持续增大，并会对地区水资源用水分配产生持续影响。

图件引自文献[22]图3 压裂液成分Fig.3 Composition of Fracturing Fluid

图件引自文献[32]图4 四川珙县上罗镇宁201钻井平台钻井返排液Fig.4 Drilling Back and Draining Fluid of Ning201 Drilling Platform in Shangluo Town of Gongxian County, Sichuan

图5 水力压裂后1～40 d回流和产出水中的TDS、K+Na、Ca和Cl离子浓度变化Fig.5 Ion Concentrations Variation of TDS, K+Na, Ca and Cl in Flowback and Produced Water from 1 to 40 d After Hydrofracture

页岩气开发无可避免地会遇到挤占当地居民生活用水、工业和农业用水的问题，正确合理地评估页岩气井的钻探与水力压裂用水、区域水资源供水能力及工农业正常用水之间的竞争关系对于保障开采区水资源安全具有重大的科学和社会意义。页岩气开发需要注重保护水资源和生态环境，避免过度占用水资源和造成环境污染。

2 页岩气能源绿色发展面临的主要挑战

2.1 返排液水质监测数据零散，需要加强系统研究

进入21世纪以来，频发的极端气候事件，特别是严重的干旱事件，增加了区域水资源量的不确定性[3]。国家经济体的发展及全球气候变化影响，低碳能源需求缺口，页岩气等低碳天然气能源需要大力发展。同时，随着世界人口的增多，居民生活水平提高，人均能源与水资源需求量大幅增加。在过去的50年里，全球的水资源消耗量增加了3倍多，而伴随着经济发展和人口的进一步增多，这一比例将继续呈上升趋势[10]。页岩气能源开采消耗大量的地表淡水资源，可能会引发更多且更为严重的区域性干旱事件。

四川盆地自2007年已开始页岩气勘探开发。2012年，国家能源局和国家发展和改革委员会联合发文同意设立国家级页岩气示范区(长宁、威远和昭通页岩气示范区)，具体实施工作是由中国石油天然气集团公司开展。2012年以来(截至到2019年9月6日)，长宁页岩气示范区投产井数达到162口，威远页岩气示范区投产井数199口，昭通页岩气示范区投产井数101口(图6)。由图6可知，2014～2019年川南页岩气井产业处于发展阶段，特别是2018和2019年页岩气井数量增加趋势明显，页岩气井产业处于发展时期。

柱状图上的数字为页岩气井的数量图6 2014～2019年威远、长宁和昭通页岩气井数量变化Fig.6 Quantitative Variations of Shale Gas Wells in Weiyuan, Changning and Zhaotong from 2014 to 2019

图7 川南页岩气井产出水月尺度变化箱形图Fig.7 Box-plots of Monthly Scale Variations of Flowback Water for Shale Gas Wells in South Sichuan

页岩气储存于极低孔渗烃源岩地层中，最普遍的开采技术主要是多级水力压裂和水平井技术[33]。研究表明，中国川南页岩气研究区主要是水质影响比较大，水量影响较小[34-35]。目前长宁、威远及昭通页岩气示范区正在投产运行的页岩气井依然处于正常生产早期，大部分页岩气井没有结束返排期。威远页岩气井数据主要是W202和W204区块，长宁页岩气井平台散落，昭通页岩气井主要是YS108区块(图7)。现阶段国内外有关返排液形成机理存在部分研究成果，但开采区块分散，国内外学者所获取的返排水水质数据零散，导致其回收利用等方面的研究存在信息不对称[36]。

2.2 油服公司生产数据获取有难度，需改进数据共享问题

尽管目前在页岩气与水资源分析、水-页岩作用机理、页岩气成因分布及地球化学等方面已开展了一些工作，但对于页岩气能源开采科学研究方面，受地质条件差异、勘探技术水平以及其他客观原因限制，系统需耗水评估和生态环境影响研究难度较大。其主要原因是现场资料获取困难，国内外仅有针对页岩气田的生产耗水研究，限制了对页岩气井返排水污染定量评估。

由于施工数据的限制，以往的页岩气井产业综合管理评估及经济效益评估研究均较少。水足迹评估模型可将水质和水量耦合量化评估，但原始观测数据的质量和准确性以及未来数据的估算方法均会对模型结果产生较大的影响；施工现场对返排水处理过程可能会对评估结果产生严重影响；地质差异和施工技术的改进也会导致开采井数量规模的预测存在差异[34]。因此，后续研究中应鼓励数据公开透明，以便对未来的油井耗水过程进行更严格的评估。美国能源信息署(EIA)、环境保护署(EPA)等公益机构公布的数据是整体区块年度数据，除了部分试验井有公开数据外，具体单井位置和单井生产数据是由施工企业保存，并没有公开可获取渠道。国内的生产数据同样面临数据缺乏透明度，给科学研究带来了阻力。

2.3 地区经济条件存在差异，需加强废污水管理的法规建设

页岩气井生产过程中的主要环境影响表现为：①水资源消耗大；②返排水对土壤、地表水及地下水的污染威胁；③产生油基和水基岩屑污染威胁；④在钻井阶段，土地资源被占用等。对应的环境影响过程为：页岩气开发造成的水资源消耗可能增加区域水资源短缺的风险[35]；返排水的不当处理会造成土壤污染和重金属污染；油基岩屑和水基岩屑处置不当或未处理会引起不可逆转的土壤污染；开采过程引起的水土资源占用会给当地生态系统带来威胁，造成动植物等生境改变。大排量、高污染返排水也给企业和环境负荷增加了负担，其排放处理及循环利用都是热点研究问题，也是页岩气能源产业发展的困境之一。

而中国能源领域的法律法规尚不完善。当前处理与页岩气开发相关的违法违规事件的主要依据仅有《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染防治法》和《中华人民共和国水污染防治法实施细则》及环境保护部门规范性文件《石油天然气开采业污染防治技术政策》和《环境影响评价技术导则：陆地石油天然气开发建设项目》。然而，这些法律法规中并没有针对页岩气井开发导致生态环境问题的实际可操作规定。政府部门需联合企业部门进行监督管理，设置环境监测系统，实时有效地传递水质监测和土壤监测数值；政府部门可以立法并实施奖惩机制，以规范页岩气开发企业的行为。

3 未来能源绿色发展的机遇与思考

页岩气井规模有效开发经验对于推动中国的非常规能源勘探进程具有积极作用。随着常规油气资源的消耗，全球油气资源开发已经发展为由传统为主向常规与非常规并重发展的局面。非常规油气资源开发的特殊性决定其对生态环境的影响较常规油气资源更大，甚至可能造成地质结构的改变，进而引发地质灾害等次生灾害。能源发展和社会经济息息相关，能源的经济效益决定了企业的开采能动性，页岩气能源发展综合风险管理措施制定时应充分考虑到企业利润、区域生态环境和国家能源安全的重要性。

3.1 加强能源开采与绿色发展的系统思维、系统治理、系统管控的战略规划

能源发展的最终目标是维护国家能源安全和保障经济稳定发展。页岩气能源发展用水量估算及其生态环境影响评估等已经成为研究的热点和难点。页岩气能源规模性开发会给区域生态环境带来一定程度的负面影响。因此，系统评估页岩气开发的社会经济效益及其生态环境影响，应提出未来变化情景下页岩气开发区社会经济系统和生态环境系统的适应性管控措施，这对于保障区域可持续发展具有重要意义。生态环境系统影响综合评估涉及到水资源系统、土地系统及生态系统，因此，在开展评估之前，不仅需要页岩气能源产业经济效益评估，更需要对研究区水资源水质、水量需耗量、土地利用等要素的时空过程进行分析，并根据国家能源规划和能源需求确定页岩气能源规划管理方案。

基于经济生态学的概念，可将页岩气能源费用系统分解为外部系统和内部系统两个部分(图8)。其中，内部系统是直接费用，主要包括水资源取水费用、HSE工程费用、实际钻井和地面工程投资费用等；外部系统是间接费用，主要考虑页岩气能源开采对生态环境的隐形影响，如开采过程造成的水污染、土壤污染、重金属污染、地表破环及生境改变等问题。企业追求的效益最大化，即在不考虑外在生态环境费用及技术可实现前提下，区域页岩气能源最大规模开采，尽可能达到最大开采井数。而区域生态系统功能及价值是不可忽略的限制因素。在能源安全目标下，政府期望达到的应当是页岩气能源的最优经济规模开采，即额外增长的边际效益刚好等于这种增长引起的生态系统功能下降的边际成本时的经济规模。页岩气能源绿色可持续发展理念是指在定量增长不超过环境承载力的前提下，满足人类欲望的能力得到质的改善。

3.2 整合多种管理手段，引入市场机制，优化水资源配置效率

水资源在页岩气能源发展中扮演着重要的角色，是水力压裂技术的驱动力。对其管理应该整合多种手段，包括纳入市场机制的水价规划管理，以发挥市场优化配置效率。页岩气井生产过程对于水资源系统的潜在影响，运营企业有必要采取保护措施减少区域未来的干旱风险和用水危机。政府可以制定有效的水资源管理策略和调控政策。例如，提供理论依据调整阶梯水价制度，以增强企业的节水积极性；构建水法框架和限制用水范围等。通过市场和价格机制配置供给和激励企业生态环境保护意愿来减少企业成本的增加。可以改善水力压裂节水和回收重复利用回流水技术，并在考虑水可利用性和生态保护的情况下制定发展计划。

2018年，中国不同省份的工业水资源价格在1.87元·m-3至6.50元·m-3之间(http:∥www.h2o-china.com/price/)，不到美国和德国工业水价(53元·m-3)的10%(https:∥www.globalwaterintel.com/)。中国的水价体系还没有充分考虑不同行业的用水差异和需求，可能缺乏调节市场能力，进而导致水资源的不合理开发利用。运营商的最终追求是最大程度地实现经济回报，包括水成本和页岩气井生产收益之间的权衡[37]。阶梯水价系统(其中价格根据所消耗的水量增加)和行业中的废水排放罚款可能是直接激励运营商减少用水量并提高其回收利用和废水处理效率的有效手段。有效节水的企业应给予相应补贴，以激励其加大水资源和生态环境保护力度。

3.3 加强安全防护，做好技术预防对策措施

在企业层面上，应当在钻井开始之前就开始进行水资源及水质状况评估，做好前期的HSE工作；在钻井开始生产后，应当妥善处理水基和油基岩屑等固体污废物和返排水；设置监测点，定期监测开采区附近水体水质和土壤质量。在政府层面上，应为企业的页岩气能源开采做好保障工作；设置激励政策和经济手段，鼓励企业在保护生态环境的前提下，合理进行页岩气能源开采，保障国家能源安全；建立健全的页岩气井生产管理规范和法规，保证区域人民健康和财产不受影响，保障页岩气井开发区生态环境不受到危害。

页岩气井应工厂化平台井位部署，严格控制工程用地。场站、管线的选址避开基本农田保护区，天然气管道、输水管线、光缆等地面工程应同沟敷设以减少占地面积。在管道施工过程中，加强施工管理，严格控制车辆及施工人员的活动范围，缩小施工作业带，尽可能减少施工占地面积，将施工对生态环境的影响降至最低。

3.4 积极推进能源建设绿色发展的法制建设与制度创新

页岩气能源资源储量虽然可观，但现阶段中国气价和电价依然是由国家定价，天然气价及电价相较于其他偏低，这对于企业效益具有很大影响，小型投资商需要承担的开采风险更大。且现阶段中国能源领域的法律法规尚不完善，政府部门应研究完善法规建设，并进行制度管理上的创新。例如，联合企业部门进行监督管理，立法并实施奖惩机制，以规范页岩气等传统能源开发。

中国正值经济高速发展时期，对能源的需求大，能源紧缺的状况更会越来越明显。针对非常规油气资源开发面临成本高、开发难度大等问题，国家扶持力度需要加大，要灵活运用经济手段和激励政策。各级政府均应高度重视清洁能源的发展，充分发挥引导作用和加强政策的支持力度，从制度、法律、政策和社会等不同角度建立健全的体系机制。改善后的税收政策和税费优惠政策会给企业支撑，使其不至于在成本负担过重的情况下忽视开采带来的生态环境问题，促进企业-生态环境良性发展。

3.5 积极推进新技术的研发，加强绿色发展的科学技术创新与支撑

国家能源安全需求及企业能源规划直接决定区域生产井的数量，与用水需求成正相关关系；单井的返排水量主要与地质、施工单位开采技术等相关；返排水的回收利用和再循环技术会极大程度地减少返排水量，应成为未来研究的重点；区域水量和水质代表了区域能容纳灰水足迹的程度，是返排水能进行排放的重要基础；企业收益分析及施工企业的技术水平间接决定页岩气开采井生产状况和投资热情。运营企业施工技术在水力压裂和页岩气生产的耗水研究中起着至关重要的作用，页岩气能源钻探和生产用水量与设计压裂段数成显著正相关关系(判定系数为0.711)(图9)。施工企业压裂施工过程中技术的研发(合理配置压裂液、控制水沙比等)可以减少水资源的占用，无水压裂技术(CO2、液氮无水压裂)等可以极大程度地减少对水资源的占用，解决区域缺水问题。技术的进步可以促进用水的减少，实现环境和产业的友好和谐发展，特别是从源头控制的减阻水压裂技术和抗盐性化学添加剂的需求越来越迫切，迫切需要技术的进步来弥补阻止能源产业和环境健康的短板。

页岩气能源属于非常规能源，其开采耗水过程与传统煤炭及常规能源(天然气、石油)存在差异。国家能源安全需求及企业能源规划、施工企业的技术水平、回流水的回收利用和再循环技术对引起水足迹变化的影响较大。页岩气的总热值换算后用水量比常规的煤炭和油气资源小，但由于清洁能源转换需求，页岩气能源开采极有可能迎来大力发展时期，加上页岩气能源开采水力压裂技术是短时间内大量消耗水资源，所以页岩气能源用水量不可忽视。后续研究中可以从公共管理角度来提出适应性管理对策，以促使现有的个案研究更具有普适性。同时，也可以从公共管理角度探讨国家页岩气开采的生态环境影响管理规范。

恰逢长安大学七十周年华诞，我和我的学生吴霞博士合作撰写这篇论文以表祝贺之意，祝长安大学在世界一流大学和一流学科建设中取得更大成就！我与长安大学老师一起开展过很多有益合作，比如彭建兵院士、王文科教授、钱会教授等。2016年3月，我参加了长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室验收工作，实验室研究特色突出、研究方向及定位准确、研究成果丰硕、研究人员结构合理、人才队伍建设成效显著、学术交流活跃、管理有序规范、依托单位和主管部门支持有力；2019年，我参加了在长安大学举行的第二届流域水资源管理与综合治理国际学术研讨会，期待该会议成果能带动长安大学水利相关专业的进一步发展，为黄河流域的生态防护事业添砖加瓦；2020年9月，我还在线参加了彭建兵院士主持召开的宜居黄河科学研究计划启动暨陕西省黄河科学研究院成立大会，共话黄河流域生态保护和高质量发展美好前景。期待以后与长安大学有更多合作，为国家水安全和可持续利用贡献智慧！

图(a)拟合线判定系数为0.524；图(b)拟合线判定系数为0.711图9 单井压裂用水量与压裂水平段长及压裂段数关系Fig.9 Relationships Between the Length, Number of Fracturing Horizontal Section and Hydraulic Fracturing Water Consumption per Well