袁 梦，田原宇，张君涛

(西安石油大学石油炼化工程技术中心，陕西 西安 710065)



浅谈我国页岩气开发过程中的环境风险与对策

袁 梦，田原宇，张君涛

(西安石油大学石油炼化工程技术中心，陕西 西安 710065)

我国页岩气储存量十分丰富，主要地区的页岩气可开采量约为2.6×1014m3以上。目前我国页岩气开发还处于初级阶段，投入的大部分资金都集中在页岩气的勘探和开发上，所以对页岩气开发过程中带来的环境风险不够重视。总结了我国页岩气开发过程中面临的水资源消耗和污染、地表和植被破坏、温室气体排放和噪声污染等方面的环境问题。并且从防治技术的研究以及完善管理制度两方面针对性的提出对策，为中国页岩气勘探开发过程中如何处理好环境与资源的关系提供了参考。

页岩气；环境风险；水资源消耗；温室气体

页岩气是一种典型的非常规天然气资源，产自极低的孔渗、和富含有机质页岩为主的储集岩系纳米级孔隙的裂缝与矿物颗粒表面[1]，另有一部分页岩气可能在页岩内的沥青质和干酪根有机质中呈溶解态储存[2]。页岩气是一种绿色环保清洁型能源,在解决未来新能源需求方面起到至关重要作用。目前，页岩气已是国际能源开发战略的新亮点，在美国的“页岩气革命”和国内页岩气巨大资源潜能的推动下，我国在页岩气勘探、开发等领域开始疯狂的探索研究。然而，我国页岩气的勘探、开发仍处于初级阶段，在页岩气开发环境问题认识和解决上与世界先进水平存在着较大的差距，由于水力压裂等技术的限制和页岩气分布分散等地质的限制，将出现水资源消耗过度、地下水污染严重、温室气体逃逸、引发巨大地震等一系列的环境问题[2]。

1 国内外页岩气资源概况

1.1 国外页岩气资源现状

据统计世界页岩气储量估计为2×1015m3以上[3]。美国是第一个大规模商业化开采页岩气的国家。2010年，美国页岩气产量达到1.379×1011m3，对比2008年相继增长了80%，占美国天然气年总产量的23%[4]；2011年，其产量达到了1.8×1011m3，占美国天然气年总产量的34%。2013年美国页岩气产量将占据天然气年总产量的35%，2015年年开采量为6.5×109m3，预计2030年会进一步上升到55%[5]。

加拿大是世界上第二个对页岩气进行勘探开发利用的国家。其页岩气储存量也很丰富，原地资源量大于4.25×1013m3，主要分布在BC省东北部中泥盆统的Horn River盆地、三叠系Montney页岩、阿尔伯达省与萨斯喀彻温省的白垩系Colorado群、魁北克省的奥陶系Utica页岩、新布伦斯威克省和新斯克舍省的石炭系Horton Bluff页岩中。此外,欧洲、亚洲、南美洲等多国也认识到页岩气资源的潜在价值,不同程度的对页岩气勘探、评估、开采也在如火如荼的进行着。

1.2 我国页岩气资源存储与开发现状

我国页岩气储量十分丰富，富集地质条件也十分的优越，在鄂尔多斯盆地、松辽盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、扬子地台区、青藏等广大地区均有分布[7]。

2012年3 月，国土资源部首次披露了我国页岩气资源的官方评估数据。我国陆域页岩气地质资源潜力预计可达1.34 × 1014m3，技术可采储量高达2.5 × 1013m3(不含青藏地区)位居世界首位[8]。2013年底累计完成页岩气钻井285口，页岩气产量达到2.0× 108m3[9]。2014年我国页岩气开采量有了质的飞跃,增长到1.25× 109m3,并且年产量在2015年超过4× 109m3,累计页岩气产量超过6× 109m3[10]。基于页岩气的大规模生产已基本实现,中国成为世界上第三大的页岩气生产商，目前国内的开采技术大体能够满足页岩气开采需求，仍存在大部分地区水平井钻井速度低、钻井周期长、成本高、成井质量低等问题,这将对环境问题造成了严重的威胁。

2 页岩气开采过程中潜在的环境风险

2.1 水资源方面的风险

2.1.1 地下水的污染

成功地开采页岩气需要结合多种技术手段和方法,采用地质储量评估技术、钻井技术、固井技术、完井技术、压裂技术等一系列技术才能够低风险，高效率，低成本地开采页岩气。其中水力压裂技术是页岩气开采的关键技术，水力压裂是指用大量掺入化学物质的水灌入页岩层来增加生产储层的渗透性，从而页岩气更加容易通过井筒采出的新技术。

然而水力压裂技术过程中产生的废水，很容易造成地下水污染。因为水利压裂使用的压裂剂中除了包含99.51%的水、砂之外，还含有大量的化学添加剂，如杀菌剂、表面活性剂等影响水质的物质[11]。据统计，页岩气的水力压裂过程所使用的添加剂中对环境和人体有害的就有五种(见表1[2])。并且在页岩气开采过程中，大量的有毒有害物质都会通过常规钻井作业或意外井喷发生泄露，对地下水资源产生巨大污染。

表1 页岩气开采中的污染物及影响

备注：GHS是欧盟化学品(含危险品)标签标志与象形符号。

随着页岩气的大规模开采压裂液的用量日益增加，返排回地面的60%～80%压裂返排液[12],混有大量的化学物质，如果长久存于页岩层还会混入悬浮有机物、天然放射性物质、油脂、重金属等多种污染物[13-15]。除此之外，页岩气的开发过程中还会产生冲洗钻井台、钻具和其它设备废水，生活废水等。在储存、运输、转移废水时由于人为故意偷排或操作不当使废水泄漏到地下，严重污染河流、湖泊和地下水资源，给水生态系统带来难以预计的灾难[16]。

2.1.2 水资源的大量消耗

水力压裂技术目前仍然是页岩气开采的主要储层改造技术，但是它的耗水量是常规油气井的50～100倍，每口井的压裂的耗水量是0.38×104～1.51×104m3[17]。我国水资源十分紧缺，西北地区尤其缺水，然而我国西北地区的页岩气储量却十分丰富[2]，注入地下的水并不能完全地被回收利用，其钻完井、水力压裂、开采后的处理、运输、分销和应用等过程均有大量水资源的消耗、持续这样大规模的开采，势必为我国水资源紧缺的局面雪上加霜[11]。并且地表水和地下水的大量的消耗会造成地下水资源枯竭，导致含水层储水能力减弱，水体质量总体下滑，威胁当地的生态系统的稳定与平衡，严重影响水资源的可持续发展。

2.2 甲烷泄露和大气污染的风险

美国的研究者曾在ClimaticChange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[18]。页岩气的主要成分是甲烷(CH4)，然而开采过程中压裂液的返排和重复压裂的过程都会造成大量的甲烷气体泄漏，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。美国宇航局(NASA)戈达德太空研究所负责Hansen J 认为，“造成全球变暖的主要因素是CH4而不是CO2”[19]。通过大量科学实验表明，平均每分子CH4的温室增温潜力是CO2的25倍，所以无论从短期还是长期来看，CH4对全球温室效应的影响都应当引起我们的重视。与此同时甲烷气体融入地下水也容易给地下水带来污染，如果空气中聚集大量的甲烷气体，遇火源就会发生火灾、爆炸等事故，形成的冲击波超压、热辐射和抛射碎片等危及作业人员安全同时也损坏机械设备设施，这样就会造成企业经济损失。除了甲烷等温室气体的泄露外，页岩气开采过程中遇到地层的有毒气体(APH)以及钻井设备和页岩气压缩时释放的挥发性有机化合物(VOC)等的泄露都会对大气造成不同程度的污染[20]。

2.3 地质、地表灾害风险

一般而言，把高压水通过钻杆注入地下1500～3000 m冲击页岩层而使岩层出现裂缝水是力压裂技术的技术要求，从而通过裂缝中被开采出来页岩气。并且水力压裂作业通常具有规模化的特征，如果开发井位建设的十分密集，反复压裂的过程中，高压液体从上而下注入页岩层，从而使页岩产生许多的裂缝，页岩的抗压强度会慢慢的减小，从而引起地面的沉陷、山体的塌陷、滑坡等地质灾害发生[2]。最危险的是当压裂液注入深井，钻井液的浸泡可能会导致井壁岩层的松动塌陷和地层应力不稳定，大面积规模化的开采页岩气，很可能诱发产生地震[21]。尤其是我国的扬子台地区本就是地震多发带，如果在这一地带大面积规模化的开采页岩气，诱发产生地震可能性会大大增加，严重威胁到当地居民的人身安全和生存环境。

页岩气的勘探、开发和生产运输过程中，由于建设井场，道路和管道基建等难以避免会进行大面积的地表清理工作，例如页岩气井水力压裂液储蓄池的挖掘、压裂设备的布置等土地占用面积远大于常规油气藏的钻井井场[22]。在原生态地区，开采页岩气会造成大量的野生植被破坏，不仅会影响野生动物的栖息环境，而且还会导致局部水土流失和泥石流灾害等；在农垦区，页岩气的开采会占用大量的耕地资源，从而加剧耕地匮乏的矛盾。

2.4 其他环境风险

除过上述环境问题，页岩气的开发过程中还会带来其它的环境问题。如噪音污染、空气污染、身体病害等一系列问题。水平钻井、水力压裂、井场建设和天然气运输中所用的压缩机运行等方面都会存在噪音污染，对周围居民生活不可避免的造成一定的影响[23]；水力压裂的过程需要大量压裂液会需要很多罐车往返运输，在一些非硬化路面就会产生大量扬尘，并且给当地的交通带来很大的压力[24]；在钻井和水力压裂过程中会排出地质层中铀、钍及其衰变产物镭等一些放射性元素，这些会对现场操作人员的身体健康造成严重影响。

3 页岩气开采环保问题建议与对策

3.1 对于水资源消耗和地下水污染的处理对策

(1)由于我国的页岩气开发起步较晚，压裂开采技术都不够成熟，所以现阶段的页岩气开采，水力压裂技术暂时是无法取代的。水力压裂之后，15%～80%的压裂液会返排回地面，建议研发废液处理技术，来去除压裂液里的添加剂、天然辐射物、悬浮固体等，实现废液回用，缓解水资源的紧张[26]；(2)科学研究清洁性高的压裂液，诸如：低毒油基钻井液，降低化学添加剂的使用，减轻废水治理的难度[27]；(3)加大对压裂返排液系统的循环利用技术的研究,极力推广如低分子可回收压裂体系(LMF)技术、常规瓜尔胶压裂返排液多次利用体系一类的新兴技术的应用，提高水资源可重复利用率[28]；(4)发生废液泄漏时,用废水罐车把废液运到安全地点，泄漏到地表的废液,要堵住泄漏缺口，防止废水流入下游河水、湖泊等造成水污染。相关部门应制定废水排放的技术规范，运输到井场外排放的污水必须经过严格的处理，达标后才可以排放到地表[29]。

3.2 甲烷泄露和大气污染的对策

(1)优化开采方案，使页岩气储层与其他地层完全隔离。在水力压裂阶段，页岩气从抽出井口输送时采用密闭的形式，并储存在密封的储罐内，以保证在很大程度上杜绝页岩气的泄露[30]；(2)在页岩气输送阶段，提前要对输送设备的严密性和试压进行严格测试，输送时要定期对管道进行检测，防止泄露对大气造成的危害；(3)使用塑料管道或塑料衬垫，防护涂料在金属管道、复合包装修复泄漏损失,优化的压力水平,改造设备的限制[31]；(4)在页岩气的开采地周围都安装甲烷气体检测设备、报警装置，在初期发生泄漏时及时监测发现，采取措施及时处理。

3.3 对地质、地表危害的对策

(1)页岩气开采前期加强地质探测评价工作和储存地层的应力结构，尽量减小对地层结构的伤害，页岩气开发地的选址尽量远离人群居住区集中开采；(2)抓紧对页岩气井壁稳定性、页岩气开采对储存地层伤害的研究，降低水力压裂技术和气井钻采作业对页岩层的伤害[32]；(3)对开采厂区周围多种植被或防护林，形成隔离带减小对周围生态的影响，容易山体滑坡的地区可以采用灌浆、锚固和支挡物等措施防范。

3.4 对减少噪音、扬尘等的对策

(1)对现场设备进行消音处理，根据周边居民区的分布，设立隔音屏障阻断噪声的传播；(2)页岩气开发初期对运输路面进行硬化，并且经常对运输路面和厂区洒水有效的减少扬尘，还可以调整作业时间来舒缓交通压力[33]；(3)对有放射性的泥浆、压裂液和废水等做特殊的处理，不能随地废弃，频繁接触这些放射性物质的工作人员需要穿着防护服装等。

3.5 加强监管，保护环境

由于页岩气开发过程中造成的一系列环境污染问题，政府需要采取相关的环境保护措施，加强保护环境的意识，颁布相关法令来严格规范开采行为。同时，借鉴国外经验，加快制定包括地下水、土壤、生态、地质等多方面法令。通过立法机关制定强制的排污标准，用法律加强监管保护环境。

4 结 论

目前，我国页岩气开发的环境监管方面机制不健全，开发过程中带来的环境影响及污染等问题尚未系统研究和制定相应对策。作为页岩气资源储量丰富的国家，我们即将进入大规模开发时期，页岩气的开发为我国经济和社会发展带来诸多机遇的同时，也对我国水资源问题、大气污染问题、地质灾害等环境安全带来了巨大挑战。本文结合我国页岩气开发的实际情况，进行了大量的调查研究，针对开发过程中面临的主要环境问题，制定了相应的对策，从而保证了页岩气资源的开发与环境相协调。为保障我国页岩气可持续开发，我们应继续着重研究页岩气开采的政策和技术，加快完善页岩气勘探、钻井等技术，开发一系列符合中国地质情况国情的页岩气开采工艺。与此同时在环境保护方面务必严格把关，要把环境保护、群众健康生活和生态影响等因素纳入考虑范围。

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Brief Analysis of Environmental Problems in Exploitation of Shale Gas in China

YUANMeng,TIANYuan-yu,ZHANGJun-tao

(Petroleum Refining Engineering Technology Center of Xi’an Petroleum University, Shaanxi Xi’an 710000, China)

Abundant of shale gas has geological resources in our country, 2.6×1014m3of shale gas is recoverable in major basins and regions of China. At present, the development of shale gas in our country is still in its infancy, most of the money is focused on shale gas exploration and development, environmental problems about shale gas exploration and development may be not taking seriously enough. The environmental problems of shale gas development in China, such as water consumption and pollution, the earth’s surface and vegetation destruction, greenhouse gas emissions and noise pollution, and so on, were summarized. And from two aspects in the research of the prevention and control technology and perfect management system, countermeasures were put forward, which could provide the reference for Chinese shale gas exploration and development to handle the relationship between the environment and resources.

shale gas; environmental risk; water consumption; greenhouse gas

袁梦(1993-)，女，西安石油大学硕士研究生。

张君涛，教授，博士，主要从事炼油化工工艺及催化新材料研究。

TE99

A

1001-9677(2016)021-0144-04