羅靖

據(jù)國(guó)土資源部專家張大偉估計(jì)，中國(guó)要完成《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》中提出的600億～1000億立方米的產(chǎn)量，需要打2萬(wàn)口生產(chǎn)井。如果以單井用水量19000立方米計(jì)算，預(yù)計(jì)中國(guó)將需要3.8億立方米的水資源，這相當(dāng)于1266萬(wàn)城市人口一年的用水量。

“熱潮”背后的隱憂

以頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)是進(jìn)入21世紀(jì)后能源領(lǐng)域首屈一指的大事件。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的摸索，美國(guó)生產(chǎn)企業(yè)順利地將水平井技術(shù)和水力壓裂法運(yùn)用到了頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油的生產(chǎn)當(dāng)中。頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油從此具備了商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值，成為可以被人類大規(guī)模利用的能源。

頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油的開(kāi)發(fā)動(dòng)搖了“石油峰值論”，改變了世界能源格局，也再一次展示了技術(shù)進(jìn)步對(duì)能源行業(yè)發(fā)展的深遠(yuǎn)影響。美國(guó)能源信息署EIA（Energy Information Administration）在一項(xiàng)研究中指出豐富的頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油資源遍布世界各國(guó)。由此“頁(yè)巖氣革命”跨越了美國(guó)國(guó)界，走向了世界各國(guó)。

中國(guó)的頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油資源十分豐富。EIA的數(shù)據(jù)顯示中國(guó)的頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源總量約為31.6萬(wàn)億立方米，居世界首位；頁(yè)巖油的技術(shù)可采資源總量為320億桶，僅次于俄羅斯和美國(guó)，居世界第三位（見(jiàn)圖1和圖2）。從儲(chǔ)量上來(lái)看，中國(guó)完全可以借助本國(guó)的非常規(guī)油氣資源降低對(duì)進(jìn)口化石能源的依賴。

目前中石化、中石油兩家公司和殼牌石油公司在中國(guó)西南地區(qū)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了不小的進(jìn)展。在前兩輪頁(yè)巖氣“招標(biāo)熱”的鼓勵(lì)下，國(guó)土資源部也在積極籌劃第三次頁(yè)巖氣探礦權(quán)招標(biāo)工作。與中國(guó)的“頁(yè)巖氣熱”不同的是，同樣依賴國(guó)外油氣資源的大部分歐洲國(guó)家并沒(méi)有足夠的熱情開(kāi)發(fā)本國(guó)的頁(yè)巖氣資源。除英國(guó)外，擁有技術(shù)和資金優(yōu)勢(shì)的西歐國(guó)家反而在公民抗議聲中明令禁止頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)。

歐洲國(guó)家所擔(dān)憂的是頁(yè)巖油氣資源開(kāi)發(fā)中可能產(chǎn)生的水資源污染以及誘發(fā)性地震隱患。歐洲環(huán)保人士認(rèn)為，與美國(guó)相比歐洲的人口更加密集，一旦發(fā)生飲用水污染和地震將會(huì)造成比在美國(guó)更大的危害。歐洲的擔(dān)憂并非捕風(fēng)捉影。雖然美國(guó)有一整套環(huán)境監(jiān)管體系，但是仍無(wú)法避免本國(guó)水資源受到頁(yè)巖油氣資源開(kāi)發(fā)的負(fù)面影響。此外，美國(guó)的地質(zhì)學(xué)家也正在試圖進(jìn)一步研究壓裂液污水注入地下深井與誘發(fā)性地震之間的聯(lián)系。

水從哪里來(lái)？

頁(yè)巖油氣的生產(chǎn)離不開(kāi)水力壓裂法的支持。生產(chǎn)企業(yè)需要從地面通過(guò)高壓泵向地下灌入摻有化學(xué)物質(zhì)的水，讓水壓將頁(yè)巖層壓出裂縫，并且使裂縫不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)壓裂液中的沙?；蛘咛樟⒅我呀?jīng)形成的裂縫，使其不致閉合。壓裂之后頁(yè)巖氣的產(chǎn)量會(huì)驟增，然后快速衰減。為了充分提升氣井的產(chǎn)量，生產(chǎn)企業(yè)可能會(huì)對(duì)同一口井進(jìn)行多次壓裂作業(yè)。

除了個(gè)別美國(guó)企業(yè)在測(cè)試使用液化石油氣和液態(tài)二氧化碳代替水進(jìn)行壓裂作業(yè)之外，水力壓裂法是讓頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油商業(yè)化開(kāi)發(fā)的唯一技術(shù)手段，因此水資源的獲取、利用和處理也就成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)活動(dòng)中貫穿始終的重要話題。

從開(kāi)發(fā)的階段上來(lái)劃分，頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)中的水資源管理問(wèn)題涉及鉆井和壓裂階段水資源的獲取和利用，以及壓裂完成階段污水的收集和處理兩個(gè)階段。

在第一個(gè)階段，生產(chǎn)企業(yè)面臨的最大問(wèn)題就是水從哪里來(lái)？生產(chǎn)企業(yè)需要獲取大量的水用于鉆井和壓裂。水是鉆井液和壓裂液的重要組成部分，其中壓裂階段用水量占到整個(gè)生產(chǎn)流程總用水量的95%左右。北美地區(qū)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣的生產(chǎn)單位能源耗水量分別與常規(guī)原油和天然氣生產(chǎn)相當(dāng)，但是階段性的用水強(qiáng)度很高。以頁(yè)巖氣為例，美國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)采的單井用水量可達(dá)1.9萬(wàn)立方米，其中有1.8萬(wàn)立方米的用水量都集中在關(guān)鍵的半個(gè)月至一個(gè)月的時(shí)間里。

對(duì)于頁(yè)巖油氣生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)如何在關(guān)鍵時(shí)期獲得足夠的水關(guān)乎開(kāi)發(fā)活動(dòng)的效率與成敗。生產(chǎn)企業(yè)可采用的水源無(wú)外乎4種：地表水和地下水、市政用水、收集的雨水、經(jīng)處理循環(huán)使用的壓裂液。一般來(lái)說(shuō)，只有地表水和地下水、市政用水才可以作為穩(wěn)定的水源。

頁(yè)巖氣用水必然會(huì)造成礦區(qū)周邊水資源的階段性甚至是長(zhǎng)期性的緊張。即便是在人均水資源相對(duì)豐富的美國(guó)，水資源緊張的現(xiàn)實(shí)已經(jīng)迫使部分生產(chǎn)州出臺(tái)政策鼓勵(lì)生產(chǎn)企業(yè)提高壓裂液的循環(huán)使用比例。

據(jù)國(guó)土資源部專家張大偉估計(jì)，中國(guó)要完成《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》中提出的600億～1000億立方米的產(chǎn)量，需要打2萬(wàn)口生產(chǎn)井。如果以單井用水量19000立方米計(jì)算，預(yù)計(jì)中國(guó)將需要3.8億立方米的水，相當(dāng)于1266萬(wàn)城市人口一年的用水量。

但是，中國(guó)的人均可再生水資源僅為美國(guó)的1/10、加拿大的1/42。因此，在人口密度較大且人均水資源緊張的中國(guó)，頁(yè)巖油氣生產(chǎn)必然加劇區(qū)域性的水資源緊張局面。此外，由于我國(guó)大部分地區(qū)處于季風(fēng)氣候的控制之下，年度降水量可能出現(xiàn)較大的差別，因此不能排除我國(guó)西南的頁(yè)巖礦區(qū)的生產(chǎn)和生活用水受到干旱威脅的可能性。而塔里木盆地的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)可能將面臨更大的挑戰(zhàn)。如果就近采用地表水和地下水，那么勢(shì)必會(huì)破壞當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境。

獲取水資源的挑戰(zhàn)還在于解決水的運(yùn)輸問(wèn)題。中國(guó)西南的頁(yè)巖礦區(qū)地貌多為山區(qū)和交通不便的盆地，客觀上導(dǎo)致運(yùn)水難度加大和成本上升。如果采用卡車運(yùn)送水，那么在用水高峰期，礦區(qū)周邊的交通線路將承受相當(dāng)?shù)膲毫Γ用竦纳a(chǎn)生活也將受到很大的影響。

壓裂液里究竟有什么？

解決了水源問(wèn)題之后，頁(yè)巖氣的生產(chǎn)就進(jìn)入了下一個(gè)階段，即配制壓裂液。一般說(shuō)來(lái)壓裂液中主要由水、沙子或者陶粒，以及添加劑構(gòu)成。水和沙子占?jí)毫岩后w積的99.51%，而添加劑占0.49%（見(jiàn)圖3）左右。壓裂液的成分以及濃度可能因水質(zhì)和具體的巖層特點(diǎn)而有所不同。一般情況下，壓裂液的添加劑中可能含有酸、殺菌劑、阻垢劑、阻蝕劑等，具體名稱和用途見(jiàn)表1。由表1可以發(fā)現(xiàn)，添加劑的主要成分被廣泛運(yùn)用于日常的生產(chǎn)生活當(dāng)中，不過(guò)其中一些成分存在毒性。

針對(duì)水力壓裂生產(chǎn)會(huì)污染水資源的指責(zé)最初指向的就是壓裂液中使用的這些化學(xué)成分。環(huán)保組織和民眾懷疑頁(yè)巖氣生產(chǎn)企業(yè)將含有有毒化學(xué)物質(zhì)的壓裂液注入鉆井后的水力壓裂過(guò)程很有可能會(huì)污染地下水和地表水。同時(shí)企業(yè)在礦井周圍囤積的化學(xué)物質(zhì)也完全有可能污染當(dāng)?shù)氐目諝夂屯寥?。endprint

為保障公民知情權(quán)，美國(guó)有9個(gè)州以及美國(guó)土地管理局制定了公開(kāi)化學(xué)物品的規(guī)定，但是生產(chǎn)企業(yè)往往以“專有的商業(yè)秘密”為由，拒絕公開(kāi)壓裂液所含物質(zhì)名稱和濃度。目前只有科羅拉多州要求公開(kāi)所有化學(xué)物品名稱和濃度，而其他8個(gè)州或者不要求公布濃度，或者只要求公布有害物質(zhì)的濃度。

令人頭疼的污水處理

不過(guò)美國(guó)政府和行業(yè)協(xié)會(huì)都認(rèn)為如果生產(chǎn)企業(yè)能按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真做好鉆井中的固井工作，并且能嚴(yán)格控制化學(xué)物品的存放和使用，壓裂液對(duì)地下水和地表水的污染完全是可以控制的。頁(yè)巖油氣生產(chǎn)對(duì)水資源的最大威脅在于如何處理壓裂完成之后的污水。

美國(guó)方面的研究顯示，頁(yè)巖油氣生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污水成分十分復(fù)雜，其中可能含有高濃度重金屬鹽、壓裂液、鉆井液，以及來(lái)自地下的放射性物質(zhì)，如鐳228、鐳226和鈾238。此外，由于生產(chǎn)企業(yè)需要卡車運(yùn)送設(shè)備和水，并且使用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，因此柴油也可能是污水的成分之一。由于這些污染物往往都溶于水，如果草率處理將嚴(yán)重污染礦區(qū)河流、湖泊以及地下水，還可能造成土壤鹽堿化。

目前美國(guó)頁(yè)巖礦區(qū)的污水處置方式有兩種：凈化后再利用或者注入地下深井。從環(huán)境效益上來(lái)講污水凈化再利用應(yīng)當(dāng)是首選方案。污水的再利用可以降低礦區(qū)的用水總量，避免更多的水資源受到污染。在美國(guó)的馬塞勒斯頁(yè)巖氣礦區(qū)，污水回收率可達(dá)90%。

當(dāng)然污水必須經(jīng)過(guò)凈化處理才能投入使用，不然難以達(dá)到壓裂液應(yīng)有的效果。頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)興起之后，專業(yè)的污水處理公司在美國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)。這些公司的污水處理技術(shù)包括采用高技術(shù)含量的薄膜過(guò)濾特定的污染物，或者是采取直接的蒸餾方式分離污染物和水。

每一口礦井中產(chǎn)生的污水在很多方面都會(huì)有所不同，如污水的酸性、鹽分含量和污染物種類。專業(yè)的污水處理公司可以因地制宜地設(shè)計(jì)污水凈化方案。美國(guó)企業(yè)的處理技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高水平。在一些情況下，由于處理過(guò)的污水過(guò)于純凈，企業(yè)不得不加入礦物質(zhì)才能將其排放到河流當(dāng)中。

傳統(tǒng)的市政污水處理廠對(duì)來(lái)自頁(yè)巖氣礦區(qū)的污水無(wú)能為力，因此凈化污水的重任只能由專業(yè)的污水處理公司完成。不過(guò)生產(chǎn)企業(yè)要為此付出高昂的代價(jià)：污水凈化成本可能占頁(yè)巖氣開(kāi)采成本的5%左右。

在美國(guó)，將污水注入地下井是更普遍的處理方式，原油和天然氣產(chǎn)業(yè)上游產(chǎn)生的90%的污水都被注入美國(guó)環(huán)保署管理的超過(guò)15萬(wàn)個(gè)二級(jí)注水井中。注水井深達(dá)千米以上，污水注入后將徹底與地表水和地下水水源隔絕。雖然注水井的造價(jià)在500萬(wàn)美元以上，且生產(chǎn)企業(yè)需要支付運(yùn)輸污水的費(fèi)用，但是在他們眼中，這或許是最直接、也是最簡(jiǎn)單的污水處理方式。

然而事實(shí)并非如此，采用注水井處理污水也隱藏著不小的隱患。污水進(jìn)入注水井之后，就被完全隔離在大自然的水循環(huán)之外。這意味著一部分水資源徹底地從一個(gè)區(qū)域內(nèi)流失了，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和居民生產(chǎn)生活可能受到不可逆轉(zhuǎn)的影響。

更大的隱患在于將污水注入深井的方法可能會(huì)誘發(fā)注水井附近的地震。美國(guó)能源部的文件指出抽取地下水或者向地下注水都有可能誘發(fā)地震，包括人們可以在地面察覺(jué)的有感地震，這已經(jīng)是科學(xué)界的共識(shí)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的研究報(bào)告指出，水力壓裂法誘發(fā)地震的可能性并不大，不過(guò)向地下深井注入污水則會(huì)造成不小的地質(zhì)隱患。

哥倫比亞大學(xué)的地震學(xué)家John Armbruster也持同樣態(tài)度：頁(yè)巖氣井往往比較淺，而且水力壓裂持續(xù)時(shí)間較短，往往不足以對(duì)地殼斷層產(chǎn)生足夠大的影響。當(dāng)然事情不能一概而論，美國(guó)的頁(yè)巖礦藏埋藏較淺，而世界其他地方卻并非如此。除了礦井深度的影響因素外，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院指出注水的速度和壓力，注水量和持續(xù)時(shí)間都會(huì)影響誘發(fā)性地震出現(xiàn)的概率和震級(jí)。例如，英國(guó)就出現(xiàn)過(guò)壓裂活動(dòng)引發(fā)地震的案例，該國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)因此被中斷一年。

更多的證據(jù)將注水井和地震聯(lián)系到了一起。近幾年，得克薩斯州、科羅拉多州、俄亥俄州、俄克拉荷馬州和阿肯色州都出現(xiàn)了一系列的誘發(fā)性地震。一些地震甚至發(fā)生在從地質(zhì)構(gòu)造角度來(lái)講不太會(huì)發(fā)生地震的區(qū)域。在經(jīng)歷了2011年冬天眾多小型地震之后，阿肯色州政府禁止了該州范圍內(nèi)所有的深井注水作業(yè)。當(dāng)?shù)卣牡刭|(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注水井被關(guān)閉之后，地震活動(dòng)隨即迅速下降。

以往的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，人類活動(dòng)造成的誘發(fā)性地震往往震級(jí)較小，一般在2級(jí)以下，且破壞性較低，但是發(fā)生在俄克拉荷馬州的地震改變了人們的看法。2011年11月5日，該州Prague鎮(zhèn)發(fā)生了4.8級(jí)地震，隨后又發(fā)生了兩起地震，其中一起竟然高達(dá)5.7級(jí)！ 2013年美國(guó)地質(zhì)協(xié)會(huì)出版的《地質(zhì)學(xué)》雜志刊登了一篇由多位學(xué)者聯(lián)名發(fā)表的論文。文章用翔實(shí)的數(shù)據(jù)將該起地震與深井注水作業(yè)聯(lián)系在一起：地震發(fā)生在距離注水井僅僅幾百米的地方，它們之間明顯有直接聯(lián)系。

迫在眉睫：

中國(guó)應(yīng)建立水資源專項(xiàng)管理體系

由于石油行業(yè)發(fā)展較為成熟，美國(guó)已經(jīng)建立起一套完善的針對(duì)水力壓裂活動(dòng)的水資源管理體系。這一管理體系主要分為三個(gè)維度：聯(lián)邦、地方和行業(yè)（見(jiàn)圖4），涉及聯(lián)邦和地方法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而即便如此，美國(guó)依然無(wú)法完全杜絕頁(yè)巖油氣生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境影響。

與國(guó)外不同的是，中國(guó)有關(guān)頁(yè)巖油氣的分析和報(bào)道多偏重該產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的影響，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)中的環(huán)境影響缺少應(yīng)有的關(guān)注。目前中國(guó)的頁(yè)巖氣生產(chǎn)基本上是處于“半透明”的狀態(tài)。除了頁(yè)巖氣產(chǎn)量和鉆井?dāng)?shù)量外，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)媒體和公眾公布的信息十分有限，沒(méi)有涉及化學(xué)物品名錄及管理方式、污水處理情況、鉆井深度與地質(zhì)構(gòu)造的評(píng)估。考慮到人口密度大，人均水資源緊張，以及部分地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的基本狀況，中國(guó)亟待建立一整套科學(xué)的頁(yè)巖油氣生產(chǎn)水資源專項(xiàng)管理體系。決不能飲鴆止渴，讓頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)對(duì)中國(guó)水資源和環(huán)境產(chǎn)生不可挽回的環(huán)境影響。 （本文作者為易貿(mào)研究中心研究員）endprint