陆　辉卞晓冰

1.长江大学石油工程学院 2.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院

北美页岩气开发环境的挑战与应对

陆辉1卞晓冰2

1.长江大学石油工程学院 2.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院

陆辉等.北美页岩气开发环境的挑战与应对. 天然气工业，2016，36（7）：110-116.

近年来，为缓解油气资源短缺的难题，全球不少地区的页岩气开发都步入了快车道，特别是北美和中国的页岩气产业，已经进入工业投产阶段。但是，开采页岩气所引发的大量环境问题也逐渐浮现。为此，通过广泛调研北美地区页岩气产业开发中所遇到的环境问题，逐一分析了开发过程可能形成污染物的来源、运移通路以及潜在的环境损害后果，认为页岩气开发主要存在地下水污染、有害气体泄漏、淡水损耗、微地震发生等多个方面的环境风险。其次，总结了当地政府针对页岩气开发的环境风险所采取的应对措施，认为应重点着手于防范返排液污染、降低甲烷排放量、监测微型地震等。最后，针对中国的页岩气开发形势，指出在越来越严格的环保要求将成为新常态的背景下，政府监管部门和页岩气开发企业应立足于国内的实际情况，充分借鉴北美页岩气开发的经验、汲取已有的教训，从政策法规、技术和信息公开等方面入手，多管齐下，以规避页岩气开发中所面临的环境风险。

北美地区 非常规能源 压裂 水污染 温室气体 对策 新常态 政策法规 中国 环境风险

近年来，为缓解油气资源短缺的难题，全球不少地区的页岩气开发都步入了快车道，特别是北美和中国，页岩气产业已经进入工业投产阶段。但是，在这股开发热潮的背后，开采页岩气所引发的大量水资源消耗、地下水层污染、有毒气体泄漏以及地质灾害等环境问题也逐渐浮现。为此，笔者分析研究了美国和加拿大页岩气开发的环境保护的经验和教训，以期从环境保护角度为我国页岩气产业的发展提供建议。

1　页岩气开发可能导致的环境风险分析

1.1地下水的污染

页岩气开发对地下水的污染威胁主要包括：钻井过程中的泄漏、压裂液中污染流体的泄漏以及返排液的处理等。

钻井过程中漏失的流体主要是废弃钻井液和钻井废水，钻遇异常低压地层或裂缝，会造成钻井液漏失，引发地下水污染。作业事故引发的溢流井喷，以及大量钻井液通过井喷后压井作业失败形成的裂缝进入地层，都会造成污染。研究表明，美国采用水平井开发的页岩气藏，其钻井过程中会比常规直井开采的气藏产生更多的废水。在Marcellus页岩气田，水平井钻井过程中，单井产生废水为660±115 m3，而常规直井钻井仅为102±6 m3［1］，采用水平井而产生的大量钻井废水在一定程度上也加大了地下水污染以及泥浆池、排污沟的钻井污水发生渗漏和溢流的机率。

页岩中存在着多种潜在的污染流体，主要指束缚水和压裂液中的抗菌剂：压裂目标层内已存在于地下数百万年的束缚水中通常含有高浓度的盐类、苯、砷和汞等污染物，以及伴生放射性物质；而用于抑制细菌生长的盐酸、戊二醛等抗菌剂均对环境有一定的危害性，对水体可造成污染［2］。这些污染流体一般在压裂钻塞作业完成后，通过井筒返排回地表，且这个返排周期最长可以延续整个生产期间［3］。研究显示，页岩气藏压裂液返排率较低，仅为10%～40%［4］。针对大量没有被回收的压裂液去向，Engelder分析了Marcellus页岩气田的测井资料后发现，低渗透的页岩仅含有较少的游离水，大量的压裂液可以就此被页岩吸收［5］。这些残留在页岩层内的压裂液，一般不会对位于储层数百米上方的地下水层造成污染，但是在返排液的回收以及处理过程中易造成污染，特别是压裂液和地层水中的天然污染物可以穿过井筒和套管之间没有完全密闭的环空，或者压裂目标层以外的天然裂缝以及断层等水文通道，运移到含水层造成对地下水的污染［6-7］。而近来的研究发现，当前对于返排废水的放射性评估集中在单一元素镭上［8］，忽略了铀、钍、锕等放射性元素，大大低估了其总放射性污染水平，从而也低估了污染流体造成淡水污染的风险。

在返排液处置前的临时存储或者运输过程中，也存在着环境污染的风险。这些液体通常被储藏在管线中甚至露天蒸发池里，暴雨和大风等极端天气可能导致蒸发池中的返排液溢出，造成径流污染，进而给当地的生态环境和社会生产生活带来难以预计的影响［9］。

1.2有害气体的泄漏

页岩气开采过程中所泄漏的有害气体主要就是甲烷。甲烷是页岩气的主要成分，同时也是导致全球气候变暖的温室气体之一，当前全球气候变暖1/3的原因可以归结于甲烷气体的排放［10］。研究证明，在过去100年间，甲烷的暖化能力比二氧化碳高33倍［11］。此外，泄漏的甲烷在地层中可以被细菌氧化，导致氧气耗尽，而低氧浓度则会导致地层中砷、铁离子的溶解度增加，污染地下水质［12］，并且低氧浓度下厌氧细菌增殖可以将硫酸盐还原为硫化物，会进一步加剧地下水和大气的污染风险。因此限制页岩气开采过程中的甲烷泄漏具有重要意义。

开采页岩气藏时所泄漏的甲烷一般要多于常规气藏［13］。这是由于在压裂后返排期内，返排液回流到地表的同时，伴随着大量的甲烷气体，并最终排放到大气中，导致了大气中甲烷气体含量的增加。Howarth等人研究了页岩层水力压裂后温室气体的排放情况。结果表明，在页岩气生产过程中，占总产量3.6%～7.9%的甲烷泄漏到大气中，而这些泄漏的甲烷量超出常规气藏开发泄漏量的30%～200%［14］。

页岩气开发过程中，环空中的密封不严也可以导致部分甲烷泄漏，泄漏的通道如图1所示。在气井建井施工中，如果固井失败或者环空密封不严，会造成甲烷沿井筒外壁窜至饮用水层或其他岩层［15］，引发环境风险。据统计，在2008—2013年间，宾夕法尼亚州6 466口非常规气井施工过程中出现219次故障，故障率达到了3.4%，其中套管和水泥胶结的故障率为1%～2%［16］。泄漏的甲烷进入到饮用水层，可造成饮用水混浊，当甲烷浓度达到10 mg/L的极端情况时会发生爆炸［15-17］。随着页岩气开发力度的加大，发生甲烷泄漏的风险也不断提高。而美国相当一部分页岩气工区位于人口稠密的地区，近年来，得克萨斯州的DeSoto、宾夕法尼亚州的Dimock和Milanville等地页岩气工区的邻近居民水井中常有甲烷被发现［18］。关于这些甲烷的来源存在着分歧，即甲烷是来自页岩气开采中的泄漏还是由淡水系统中微生物合成的［19］。

图1　甲烷泄漏的通道图

其他层中的甲烷，同页岩层中的甲烷一样，都可以通过断层由地层深处向上运移，或者通过裂缝由沼泽或冰碛层进行横向运移［20］，并最终进入饮用水层中；此外，居民水井中的甲烷也可能来自储气罐、煤矿、垃圾填埋场、天然气管道和被遗弃的气井等［21］；当甲烷在地下运移时，也可能被部分氧化，进而与其他气体混合，或者沿着移动路径逐渐稀释，这在一定程度上加大了确定甲烷来源的难度。因此，除了对甲烷泄漏地区水井和页岩气生产过程进行长期地下水取样以及检测之外，也应当采用多种手段分析水井中甲烷的来源，减小甲烷泄漏带来的地下水层环境风险［22］。

页岩气开采过程中产生的有害气体还包括氮氧化物（NOx）、返排液中易挥发的有机废气、PM2.5和PM10等大气颗粒悬浮物以及臭氧等大气有毒物。Robinson对上述有害气体排放的主要来源和次要来源做出了分析（表1），氮氧化物的来源主要是建井过程中的钻机和压裂泵等，有机废气的来源主要是完井放空，PM2.5等大气悬浮物主要来源自建井过程［23］。

1.3淡水的损耗

当前页岩气商业性开发的迅猛增长与以水平井和水力压裂为代表的页岩气开发关键技术获得突破是密不可分的［24］，然而这也以水资源的大量消耗为代价。在Marcellus页岩气田，单口水平井整个生产过程需要用水7 500～27 000 m3［25］，与之相比，由于接触面积小，直井只需要用水3 700 m3（图2）。统计结果显示，Marcellus页岩气田天然气开采用水量平均为70 780 m3/d，且其中的95%都消耗在水力压裂上，而压裂用水大部分（60%～70%）是来自地表水提取。在生产高峰期，该气田的用水量甚至达到了宾夕法尼亚州淡水消耗量的1%［26］。在生产区当地过度取水或在干旱条件下维持生产，还会带来更加严重的环境问题，而这些问题在美国西南部和西部干燥的页岩气区块是普遍存在的。此外，页岩气的产量与生产井数目密切相关［7］，页岩气产量的增加必然要求气井井数急剧增加，也就意味着消耗水量的进一步增加，水资源短缺的问题将变得更加严重。

表1　有害气体的泄漏来源

图2　Marcellus页岩单井开采页岩气地下水的消耗量图

1.4微地震的发生

页岩气开发中需要注意的风险还包括水力压裂以及污水回注可能导致的低震级地震，学者们对于页岩气开发是否能诱发地震持有不同的观点。

Frohlich等的研究认为得克萨斯州Fort Worth盆地（Barnett页岩气藏所在地）发生的低震级地震与该地区页岩气开采中的水力压裂之间没有确凿的联系，但是发现返排液加压回注盐水处理井后，部署在附近水井中的井下地震仪阵列检测到了约1 000次微地震，其中最大的震级约为里氏1.6级［27］。Ellsworth的研究也发现俄克拉荷马州一系列微地震的增加主要是由于返排液废水回注引起的，和压裂关系不大［28］。

De Pater等则持有不同的观点，他们认为水力压裂引发低震级地震的可能性非常大，这是因为在压裂液高压注入断裂带后，缓解了断层间的摩擦，使其更加容易滑移，从而引发地震［29］。Lamontagne的研究发现，在加拿大的不列颠哥伦比亚省和阿尔贝塔省，较为频繁中等强度的地震与水力压裂相关，震级最高达到里氏4.4级［30］，而这一地区在开展压裂之前，仅有较微弱的地震发生。

1.5其他方面的威胁

Soeder等的研究认为页岩气建井施工中，低等级的农村公路难以承受重型设备的移动，安全隐患大、破损严重，而拓宽或新辟道路又存在造成小溪和小流域侵蚀以及污染的可能［31］。同时，道路和井场的建设需要侵占大量的耕地，侵占耕地及钻井、压裂等活动也可能会影响到附近野生动物种群的栖息和繁育。

与常规油气藏的水力压裂相比，页岩气藏水力压裂作业规模大、排量高，一般在12～14 m3/min之间，压裂车施工时产生的噪音巨大，对压裂现场附近居民的生活会造成一定影响。

2　环境风险的应对措施

在页岩气革命的推动下，页岩气产量的快速增长是过去30年来世界能源生产端的巨大变革。特别是在美国，2012年页岩气的产量已占其天然气总产量的39%。然而在商业开发高速增长的背后，不可避免地带来诸多环境问题，这也引发了美国政府和民间的广泛关注。政府的监管部门和页岩气开发企业已开始采取大量的补救措施。

2.1地下水保护对策

早在2005年，为促进页岩气开发，美国国会曾将水力压裂排除在国家环境保护局所制订的《安全饮用水法案》之外，企业也不需要公开压裂液的化学成分，这就降低了对于页岩气开发的环保要求。随着近年来页岩气开采的环境污染问题逐渐被重视，得克萨斯州等8个州已要求企业公布压裂液中所添加的化学添加剂配方，其余州的很多企业已经主动公开了这些信息［32］。与此同时，众多科研单位加紧研究更环保的绿色压裂液，这也有助于降低压裂液污染所造成的环境和健康风险。

对于有可能造成环境污染的返排液，美国页岩气工业处置方式主要有以下两种：①Barnett、Woodford、Fayetteville以及Haynesville等气田的处理方法是将返排液直接注入地下盐水层，如Barnett气田页岩层下面的Ellenberger组石灰岩层［33］；②Marcellus气田的处理方法则是借助于城市污水处理系统，净化处理后的返排液可以被淡水稀释后重新作为压裂液注入［34］。对返排液的循环利用可以最大限度地减少压裂用水量。然而由于近年来压裂作业数目大增，产气量大幅提升，Marcellus页岩气田的处理设施已经不能满足剧增的返排液处理需求，也缺乏处理钻井过程中所产生的高盐度废水的设备，不能达到重复使用返排液进行后续压裂作业的要求。此外，宾夕法尼亚州环境保护局要求开发企业，对于移动储罐、蒸发池和井口之间的流体等必须长期监测并定期测试，对于运输至注入井和处理厂的返排液，必须采取严格的预防措施，以防止泄漏。

2.2控制有害气体排放

在控制页岩气开发过程中的地层水及地表水污染的同时，美国还采取了一系列措施限制温室气体的排放，国家环境保护局已将甲烷纳入污染源监测范围，并设定气井的天然气放空和燃烧的限值，严格要求在井口安装甲烷捕集设备，以减少甲烷的排放量［35］。目前，已有多项捕集技术被应用，甲烷的排放量可以降低80%［36］。同时甲烷在地层中的运移也受到了极大的重视。在Marcellus页岩气田投入开发前，已有在私人水井中发现甲烷的相关报道，经分析后认为这些甲烷是由地下（如煤层，冰碛岩或页岩）运移而来的。然而，由于缺乏可靠的数据，在页岩气井投入开采之后，公众很容易将这类甲烷运移引发的环境事故归因于天然气开采活动。因此，匹兹堡大学的研究者建议，在建井前应广泛收集和整理地层的详细地质资料，在此基础上，进一步使用多种技术手段可以更好地分析甲烷的运移情况，从而采取适当措施减少甲烷的排放量［37］。

2.3其他方面

水力压裂施工过程中可能造成大量的微地震，虽然这些地震震级较小且在地表难以被检测，但是在施工过程中的地震监测对于防止压裂引发高震级地震是必不可少的。美国地质调查局正在对诱发地震的地质条件和工业实践进行研究，以制定应对地震风险的方法［28］。

3　对于中国页岩气开发的启示

近年来，公众的环保意识逐渐加强，更加严格的环保要求将成为“新常态”。因此，分析美国页岩气环境保护政策的发展演变以及防范的具体技术措施，将会为我国页岩气产业安全、绿色发展提供许多的启示。

首先在政策层面，应尽早制订和完善与开采页岩气相关的政策和法规，并对污水泄漏和其他意外排放、低震级地震等风险进行全面的评估，基于国内页岩气开发的特点，可以参照美国当前实施的和正在制订的联邦法律法规，以及相关州的法规，进而制订中国页岩气开发环境监管法律体系。根据页岩气开发工区的地质特征和开发特点，建立相应的生产技术标准，特别要对压裂液返排过程进行全程动态跟踪分析，并且对返排液的处理和泄漏、甲烷的排放和泄漏以及压裂施工中的低震级地震进行严格的监测。

同时，进一步加大技术层面上的投入力度。例如，加大对于压裂液体系研发的投入，研发出性能稳定、无腐蚀性、低伤害的压裂液。针对压裂时注入流体中大部分未在返排期间排出的情况，应建立基于目标层地球物理和地球化学特征的数学模型，以精确计算整个压裂流体的流量，并预测流体的运移通路以及注入流体的最终分布位置。在此基础之上，结合压裂液返排过程和低震级地震监测的“大数据”，可以更加有效地锁定污染源，协助环保部门更好地预测未来发展趋势。这也有助于缓解外界对于页岩气开采造成环境风险的疑虑。

最后，应加强页岩气开采过程中的用水管理。淡水资源的大量消耗是页岩气开发过程面临的主要环境风险之一，相对于Marcellus页岩较浅的埋深（1 291～2 591 m），涪陵页岩气田正在开发的层系埋深在2 200～2 400 m之间，这意味着需要消耗更多的水资源。此外，我国页岩气资源储量丰富的地区大多数也是季节性缺水严重的地区，淡水资源匮乏。因此必须对页岩气开发过程中水资源的消耗加以重视。而根据美国的经验，用水管理的关键在于返排液的重复利用。压裂返排液通过技术处理达标后，被重新配制成压裂液，用于下次施工，实现循环利用。此外，考虑到页岩气滚动勘探开发的特点，有必要在投产之前预先安排设计返排液处理设备，避免因产量快速增长、循环处理设备不足而产生环境危害。对于无法避免的污水泄漏和其他意外排放所形成的环境风险要进行全面风险评估和监管，力争做到对于水资源合理、有效地利用。

4　结束语

未来数十年间，页岩气产业的发展将逐渐成为世界经济的重要推进器。纵观北美地区30年来开发页岩气的历程，在页岩气开发初期就要对其环境风险予以足够的重视。我国的页岩气产业处于起步阶段，页岩气藏主要分布地区，地形往往较为复杂，人口比较稠密，加之近年来公众的环保意识逐渐提升，因此监管部门和开发企业应立足于页岩气田当地的实际情况，充分借鉴北美地区页岩气开发的经验和教训，完善相关政策法规，加强技术投入，利用监测过程中产生的“大数据”助力环境保护，从政策、技术和信息公开等角度入手，始终把安全环保、绿色低碳放在首位，坚持资源开发和环境保护并重，多管齐下以规避页岩气开发中所面临的环境风险。

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Lessons from North American shale gas development : How to mitigate such associated environmental risks

Lu Hui1， Bian Xiaobing2
（1. Petroleum Engineering College， Yangtze University， Wuhan， Hubei 430100， China； 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering， Beijing 100029， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.110-116， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

In order to alleviate oil and gas shortage， shale gas has been recently developed at a high speed all over the world， especially in North America and China where the industrialized shale gas production has been carried out. However， a great number of environmental issues have arisen accordingly. In this paper， the environmental issues occurred in the shale gas development in North America were investigated， and then the potential sources， migration pathways and consequential environmental damages of pollutants formed in shale gas development were analyzed one by one. Such environmental risks are believed to be attributed to groundwater pollution， harmful gas leakage， freshwater loss and micro earthquakes. Moreover， the countermeasures taken by local governments to address the environmental risks were reviewed. It is recommended that flowback fluid pollution prevention， methane emissions reduction and micro earthquakes monitoring be focused. Finally， in view of China's shale gas development situation， it is proposed that， under the New Normal of increasingly rigorous environmental requirements， relevant governmental regulators and shale gas development enterprises should combine the practical situations in China and the available experiences both in China and abroad to minimize the environmental risks in shale gas development， from the aspects of policies and regulations， technologies and information disclosure.

North America； Unconventional energy； Fracturing； Water pollution； Greenhouse gas； Countermeasure； New Normal； Policies and regulations； China； Environmental risk

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.016

2016-03-20 编 辑 陈 嵩）

国家科技重大专项“3000型成套压裂装备研制及应用示范工程”（编号：2011ZX05048）、长江大学博士启动基金（编号：801110010145）。

陆辉，1980年生，博士；主要从事非常规能源方面的研究工作。地址：（430100）湖北省武汉市蔡甸区蔡甸街大学路111号。ORCID：0000-0002-1718-7364。E-mail：luxhui@yahoo.com