岳 婷，胡社榮，彭紀(jì)超，褚福賀，張運(yùn)勛

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

根據(jù)《全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選成果》（全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)和有利區(qū)優(yōu)選成果新聞發(fā)布會(huì)，2012年3月1日），全國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42萬(wàn)億m3（不含青藏區(qū)），全國(guó)頁(yè)巖氣可采資源潛力為25.08萬(wàn)億m3（不含青藏區(qū)）。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，已獲工業(yè)氣流或有頁(yè)巖氣發(fā)現(xiàn)的評(píng)價(jià)單元，面積約88萬(wàn)km2，地質(zhì)資源93.01萬(wàn)億m3，可采資源15.95萬(wàn)億m3，優(yōu)選出的頁(yè)巖氣有利區(qū)180個(gè)。

“加大四川、重慶、云南、貴州、湖北、陜西、山西等地區(qū)的頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景區(qū)勘查力度，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)突破，推動(dòng)頁(yè)巖氣、煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要（2011～2020年）》（國(guó)辦發(fā)〔2011〕57號(hào)）。“探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量6000億m3，可采儲(chǔ)量2000億m3。2015年頁(yè)巖氣產(chǎn)量65億m3?！薄傲?zhēng)2020年產(chǎn)量達(dá)到600億～1000億m3?！薄俄?yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011～2015年）》在《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要》中，提出了頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)面臨三大挑戰(zhàn)，然而，并沒(méi)有提及勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題。

前人對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采帶來(lái)的需水量大及污染問(wèn)題進(jìn)行過(guò)一些討論［1－2］或提到了環(huán)境問(wèn)題［3］。事實(shí)上，頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題是很復(fù)雜的。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行較全面的討論，并探討在環(huán)境友好的前提下中國(guó)大陸頁(yè)巖氣可持續(xù)勘探開(kāi)發(fā)的若干問(wèn)題。

1 頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題

美國(guó)是世界上頁(yè)巖氣產(chǎn)量最多的國(guó)家。2007年，頁(yè)巖氣產(chǎn)量為366.2億 m3，2010年，1379.2億 m3，2011年達(dá)到1800億m3。頁(yè)巖氣產(chǎn)量的不斷提高，改變了美國(guó)石油過(guò)度依賴(lài)進(jìn)口，被認(rèn)為是一場(chǎng)綠色能源革命。Marcellus頁(yè)巖氣田是美國(guó)最大的頁(yè)巖氣田。Navigant Consulting Inc 2008年的報(bào)告稱(chēng)Marcellus頁(yè)巖氣的地質(zhì)儲(chǔ)量多達(dá)42.47萬(wàn)億m3，可開(kāi)采量為13.85萬(wàn)億m3。頁(yè)巖氣的開(kāi)采給美國(guó)和當(dāng)?shù)卣畮?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但其潛在的環(huán)境影響更讓美國(guó)生態(tài)環(huán)境和水資源等領(lǐng)域的專(zhuān)家及當(dāng)?shù)孛癖姄?dān)憂(yōu)［4］。環(huán)境問(wèn)題主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：開(kāi)采需要消耗大量的水資源，開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生噪聲、廢水、廢氣、地震，開(kāi)采事故災(zāi)害等引起的環(huán)境污染，以及水力壓力液中的添加劑擴(kuò)散造成污染等［1，5］。

頁(yè)巖氣勘探與致密砂巖氣、煤層氣的開(kāi)采不同：一是頁(yè)巖氣的鉆孔密集，二是需水量巨大。需水量巨大導(dǎo)致一些地區(qū)勘探開(kāi)采的成本可能很高。美國(guó)Marcellus頁(yè)巖氣田鉆一口井所需大致的水量如表1所示。

表1 單口頁(yè)巖氣井鉆井與壓裂法開(kāi)采所需水量

杜克大學(xué)Robert Jackson等（2011）在《美國(guó)科學(xué)院院刊》上發(fā)表文章，他們通過(guò)對(duì)賓夕法尼亞和紐約北部60多口井的分析后得出，正在勘探和開(kāi)采頁(yè)巖氣區(qū)段的地下水的甲烷含量比飲用水井分布區(qū)段以及做過(guò)勘探且已處于危險(xiǎn)水平的區(qū)域的高出17倍。

水力壓裂液中的添加劑，也是爭(zhēng)議焦點(diǎn)之一。2010年4月，美國(guó)三名民主黨議員在一份報(bào)告中說(shuō)，美國(guó)14家油氣公司過(guò)去五年的頁(yè)巖開(kāi)采中使用了約295萬(wàn)m3的壓裂添加劑，其中包括250余種化學(xué)產(chǎn)品，以及有毒物質(zhì)苯和鉛等。在這250余種添加劑中，14種是常用的（表2）。

表2 壓力液添加劑的成分和用途［5］

此外，頁(yè)巖氣的開(kāi)采與普遍出現(xiàn)礦震現(xiàn)象的煤炭開(kāi)采一樣，也會(huì)誘發(fā)地震。采用水力壓裂法排采頁(yè)巖氣時(shí)，當(dāng)大量的壓裂液壓入地層，導(dǎo)致地層應(yīng)力的瞬間變化，致使地層快速破裂，從而誘發(fā)微震。事實(shí)上，美國(guó)阿肯色州、賓夕法尼亞州、俄亥俄州、俄克拉荷馬州等地區(qū)也確實(shí)出現(xiàn)一連串輕微地震。

回流水（flowback water）的體積占原來(lái)注入高壓液體的30%～70%。Marcellus頁(yè)巖氣井的回流水體積在50萬(wàn)～100萬(wàn)加侖之間?；亓魉谐撕懈邏阂后w中的化學(xué)添加劑成分外，還含有烴類(lèi)化合物、重金屬和總?cè)芙夤腆w（Total Dissolved Solids，TDS）等，其中TDS組分包括鈣、鉀、鈉、氯化物、碳酸鹽以及來(lái)自氣藏巖層的天然放射性物質(zhì)，如鈾、釷及其衰變產(chǎn)物等。Marcellus頁(yè)巖管理委員會(huì)透露，回流水TDS平均含量為90g／L，硫化物含量約20mg／L，氯化物平均含量達(dá)60g／L。預(yù)計(jì)到2020 年，TDS負(fù)荷含量達(dá)110 萬(wàn)lb／d（1b＝0.4536kg），硫化物負(fù)荷含量225lb／d，氯化物負(fù)荷約為80萬(wàn)lb／d。實(shí)際上，回流水的水質(zhì)變化很大，咸水TDS含量5～35g／L，鹵水TDS含量35～50g／L，超飽和鹵水TDS含量50～200g／L，有些TDS甚至超過(guò)400g／L［1，4－5］。高鹽度回流水若不進(jìn)行及時(shí)處理可能造成泄漏對(duì)水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響不可低估。由此，2009年以來(lái)，針對(duì)Marcellus頁(yè)巖氣資源開(kāi)采的環(huán)境影響、回流水處理技術(shù)、立法、政策和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、環(huán)境保護(hù)的責(zé)任等方面已經(jīng)進(jìn)行了多次研討。2010年4月，在天普大學(xué)第二個(gè)關(guān)于Marcellus頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的公開(kāi)討論會(huì)上有報(bào)告指出，頁(yè)巖氣開(kāi)采產(chǎn)生的廢氣中有61%的成分是對(duì)健康有害的，該鎮(zhèn)開(kāi)采地附近的許多樹(shù)木因開(kāi)采產(chǎn)生的污水和廢氣已經(jīng)枯死或正面臨死亡［1］。

不論是在頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)還是運(yùn)輸及銷(xiāo)售的過(guò)程中，都有可能發(fā)生甲烷泄漏事故，這是難以避免的。美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員Robert Howarth在《氣候科學(xué)》的文章中認(rèn)為，頁(yè)巖氣生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的甲烷大部分都被排放到大氣中，而不是捕捉用來(lái)做燃料［6］，并且給出了一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表3，表4）。

表3 美國(guó)不同盆地頁(yè)巖氣及致密砂巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程泄漏數(shù)據(jù)表

表4 常規(guī)氣與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程的甲烷泄漏對(duì)比表

由表3可以發(fā)現(xiàn)，一些頁(yè)巖氣田的確存在比較突出的甲烷泄漏現(xiàn)象，但是也能找到甲烷泄漏較少的地區(qū)。表4則顯示出頁(yè)巖氣相對(duì)常規(guī)氣最突出的地方就是在完井鉆穿氣層時(shí)泄漏的甲烷氣體明顯增多。

確實(shí)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都可能造成甲烷的泄漏，給周邊的環(huán)境帶來(lái)危害，如采氣管道管壁因質(zhì)量問(wèn)題或者操作不當(dāng)而破裂或出現(xiàn)空洞，氣井固井質(zhì)量不合格，水力壓裂裂縫連接天然裂縫導(dǎo)致甲烷上竄，以及甲烷溶解后隨壓裂液回流而釋放到大氣中等等。

2 中國(guó)大陸頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)采的環(huán)境問(wèn)題及解決途徑

2.1 缺水是中國(guó)大陸頁(yè)巖氣排采的最重大環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題

前文已提到，《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要（2011～2020年）》提出，“加大四川、重慶、云南、貴州、湖北、陜西、山西等地區(qū)的頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景區(qū)勘查力度”。從國(guó)土資源部第一、二期頁(yè)巖氣勘探招標(biāo)區(qū)塊來(lái)看，缺水是最重大的環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題。

2010年，中國(guó)大陸西南的云貴川發(fā)生了大旱，歷時(shí)三個(gè)月。位于中國(guó)大陸北方的山西與陜西省更是缺水的干旱區(qū)。尤其是在山西與陜西區(qū)塊，水的問(wèn)題本來(lái)就已經(jīng)是這些地區(qū)的一個(gè)難以承載的問(wèn)題。以缺水的陜西省為例，自古以來(lái)一直缺水，有古訓(xùn)曰：善治秦者先興水。全省水資源總量?jī)H有423.3億m3，分布極不均衡，71%的水在陜南。陜北人均水資源只有890m3，關(guān)中人口最密集、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地方，人均水資源量只有380m3，畝均只有250m3，僅相當(dāng)于全國(guó)平均水平的八分之一和六分之一，全省每年缺水25億m3。加之近十幾年來(lái)煤炭開(kāi)采力度很大，淺層的煤炭大量開(kāi)采，導(dǎo)致地下水系統(tǒng)全面改觀。在陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和山西交界處，有神華的煤炭直接液化企業(yè)?，F(xiàn)在只是試驗(yàn)階段，如果最終達(dá)到1500萬(wàn)t煤造油目標(biāo)的話(huà)，以每噸油消耗5t洗選煤、至少每噸煤洗選需要5t水，煤造油過(guò)程需要大量的水來(lái)計(jì)，上述三?。▍^(qū)）的水需求是非常大的。同樣，在這些省區(qū)還有不少的煤化工企業(yè)。煤炭開(kāi)采與煤層氣、石油、天然氣的開(kāi)采都需要大量的水，再加上一個(gè)用水量更大的頁(yè)巖氣，水資源的供需矛盾將會(huì)非常突出。

由于頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)在致密的頁(yè)（泥）巖中進(jìn)行，所以，相對(duì)于常規(guī)油氣開(kāi)采和煤炭鉆孔間距，大大地減小了。鉆孔間距的減小，相應(yīng)地，鉆孔數(shù)大大地增加。由此帶來(lái)一系列的問(wèn)題：鉆孔泥漿使用量、鉆孔需水量、對(duì)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)地區(qū)的破壞程度都大大地增加了，不僅增加了對(duì)地下水系統(tǒng)的破壞、污染，而且，對(duì)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)采區(qū)的環(huán)境與生態(tài)帶來(lái)重大后果。

2.2 中國(guó)大陸頁(yè)巖氣可持續(xù)勘探開(kāi)發(fā)

不論是現(xiàn)在，還是在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，無(wú)論是常規(guī)油氣，還是非常規(guī)的煤層氣、致密砂巖氣和頁(yè)巖氣，水力壓裂技術(shù)都是不可或缺的主力技術(shù)。從目前來(lái)看，壓裂技術(shù)的未來(lái)發(fā)展將可能朝兩個(gè)方向發(fā)展：一是水力壓裂技術(shù)不斷取得進(jìn)展和完善，希冀不遠(yuǎn)的將來(lái)水平井壓裂耗水量顯著減少；二是水力壓裂技術(shù)逐漸被更有效的其他節(jié)水壓裂技術(shù)所替代。這已經(jīng)顯露出一絲曙光，如2011年9月，沈忠厚院士在非常規(guī)天然氣有效開(kāi)采工程技術(shù)論壇暨發(fā)展前景高端研討會(huì)上，提出了超臨界CO2系統(tǒng)采氣技術(shù)和加拿大Gas Frac公司發(fā)明的液化石油氣（LPG，liquefied petroleum gas）壓裂技術(shù)，這都有可能從根本上解決頁(yè)巖氣勘探開(kāi)采耗水量大的問(wèn)題（表5）。

表5 不同壓裂技術(shù)下油氣開(kāi)采耗水量對(duì)比表

在中國(guó)大陸，資源的開(kāi)采工作是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的緊迫需求下進(jìn)行開(kāi)展的，這往往造成勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)儲(chǔ)備不足，環(huán)保先行、法律緊跟的觀念更是有待培養(yǎng)。無(wú)論是頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)，還是環(huán)保概念與法律層面，美國(guó)和加拿大的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，至少都是很有借鑒意義的。

在頁(yè)巖氣“黃金年代”來(lái)臨的時(shí)候，應(yīng)汲取山西沁水盆地煤層氣開(kāi)采的經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)的地質(zhì)條件與美國(guó)、加拿大的差別巨大，與美國(guó)煤層氣公司的合作并不成功。在充分分析沁水盆地的實(shí)際情況后，晉煤集團(tuán)首先取得了中國(guó)大陸煤層氣勘探和開(kāi)采的突破性進(jìn)展。所以，抓緊研究適合中國(guó)大陸開(kāi)采頁(yè)巖氣的工藝，制訂相關(guān)的環(huán)保法律法規(guī)，也是迫切且重要的任務(wù)。

為彌補(bǔ)《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要（2011～2020年）》確定頁(yè)巖氣勘探區(qū)塊時(shí)缺失環(huán)保問(wèn)題、水資源和減少污染等問(wèn)題，對(duì)已經(jīng)進(jìn)行第一、二輪招標(biāo)的區(qū)塊，建議進(jìn)行嚴(yán)格的包括環(huán)保、保護(hù)水資源在內(nèi)的監(jiān)督；對(duì)后續(xù)的招標(biāo)區(qū)塊應(yīng)先行水資源和環(huán)保條件評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。此外，加緊研究適合中國(guó)大陸地質(zhì)條件的開(kāi)采技術(shù)，并盡快出臺(tái)頁(yè)巖氣開(kāi)采的環(huán)保政策和法律法規(guī)，使中國(guó)大陸開(kāi)采出來(lái)的頁(yè)巖氣，成為真正的綠色、環(huán)保氣。

3 結(jié)論

頁(yè)巖氣勘探需要鉆孔密集，水力壓裂法是成功和有效開(kāi)采頁(yè)巖氣的正當(dāng)時(shí)方法，然而卻伴隨著水資源用量大、鉆孔沖洗液和壓裂液添加劑量大等問(wèn)題。壓裂液與鉆孔沖洗液添加劑含有有毒有害元素，對(duì)地下水系統(tǒng)有破壞，對(duì)水資源及環(huán)境有影響。

頁(yè)巖氣開(kāi)采和輸送過(guò)程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都可能發(fā)生氣的漏失，部分甲烷被排放到大氣中，特別是壓裂液使用的回流水，除了含有高壓液體中的化學(xué)添加劑成分外，還含有烴類(lèi)化合物、重金屬和總?cè)芙夤腆w等；TDS組分含有鈣、鉀、鈉、氯化物、碳酸鹽，以及來(lái)自氣藏巖層的天然放射性物質(zhì)鈾、釷及其衰變產(chǎn)物等。因此，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的環(huán)保問(wèn)題不容忽視。

加緊頁(yè)巖氣開(kāi)采工藝與技術(shù)的研究，快速解決水力壓裂技術(shù)耗水過(guò)大的問(wèn)題，盡早發(fā)展和完善超臨界CO2壓裂和LPG等無(wú)水新工藝和技術(shù)。

優(yōu)先勘探和開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源豐富、水資源相對(duì)充裕的四川等區(qū)塊。加強(qiáng)已完成投標(biāo)區(qū)塊頁(yè)巖氣勘探開(kāi)采的環(huán)境監(jiān)管；對(duì)今后頁(yè)巖氣勘探開(kāi)采區(qū)塊的投標(biāo)，應(yīng)該明確環(huán)保要求和達(dá)標(biāo)。

盡快制訂頁(yè)巖氣開(kāi)采的環(huán)保規(guī)章與法律。

［1］夏玉強(qiáng).Marcellus頁(yè)巖氣開(kāi)采的水資源挑戰(zhàn)與環(huán)境影響［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2010，28（18）：103－110.

［2］陳莉，任玉.頁(yè)巖氣開(kāi)采的環(huán)境影響分析［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，9（3）：52－55.

［3］王蘭生，廖仕孟，陳更生，等.中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題與對(duì)策［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（12）：119－122.

［4］New York State Department of Environmental Conservation.Supplemental generic environmental impact statement on the Oil，Gas and Solution Mining Regulatory Program［R］.Albany，NY：New York State Department of Environmental Conservation，2009.

［5］Office of Fossil Energy and National Energy Technology Laboratory，US Department of Energy.Modern shale gas development in the United States：A primer［R］.Oklahoma：Gound Water Protection Council，2009.

［6］Methane and the greenhouse－gas footprint of natural gas from shale formations［J］.Robert W.Howarth，Enee Santoro，Anthony Ingraffea，Climatic Change，2011，106：679－690.