李亮國

（河南城建學(xué)院法學(xué)與公共管理學(xué)院）

頁巖氣開采致水污染的途徑及污染物特點(diǎn)＊

李亮國

（河南城建學(xué)院法學(xué)與公共管理學(xué)院）

針對(duì)水平鉆井和水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣所產(chǎn)生的水污染問題，基于水文地質(zhì)學(xué)原理，對(duì)美國頁巖氣開采導(dǎo)致水污染的實(shí)例及壓裂液成分等方面的文獻(xiàn)予以分析，對(duì)頁巖氣開采導(dǎo)致水污染的途徑及污染物的特點(diǎn)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：頁巖氣開采導(dǎo)致地下水及地表水污染的途徑主要包括越流、井筒泄漏及地表人類活動(dòng)等。頁巖氣開采長期持續(xù)產(chǎn)生水污染物，水污染物種類多、總量大、危害大，某些水污染物難以監(jiān)測。該研究可以為我國頁巖氣開采水污染防治標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)則的制訂提供參考。

頁巖氣；水力壓裂；水污染途徑；水污染物；水污染防治

0 引 言

水平鉆井及水力壓裂技術(shù)在當(dāng)前頁巖氣開采中不可或缺。頁巖具有超低孔滲的特性，通常90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施［1］。水力壓裂技術(shù)的基本工作過程是在鉆井鉆探和設(shè)備安裝完成后，向井孔中注入壓裂液使存氣頁巖層裂開，當(dāng)高壓液體注入鉆井并使巖層裂開后，高壓液體中的支撐劑可以保持住裂縫，使其成為油氣導(dǎo)向鉆井的高速滲透通道［2］。水力壓裂需要使用大量的水，而且需要加入化學(xué)物質(zhì)，這將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響［3］。“費(fèi)水”且產(chǎn)生大量“廢水”的頁巖氣開采帶來異于常規(guī)天然氣開采的水污染問題。

1 頁巖氣開采致水污染的途徑

頁巖氣開采涉及鉆井、水力壓裂、壓裂液及廢水存貯或運(yùn)輸?shù)榷喾N地表和地下活動(dòng)。如果這些活動(dòng)不能得到妥善管理，廢水、鉆屑等都可能進(jìn)入地表或地下水體，導(dǎo)致地下水體和地表水體的雙重污染。頁巖氣開采導(dǎo)致水污染的途徑見圖1。

頁巖氣開采導(dǎo)致水污染的途徑主要包括四種。

1.1 越流

圖1 頁巖氣開采導(dǎo)致水污染的途徑

地層結(jié)構(gòu)中的不同含水層所含的物質(zhì)并不相同，頁巖氣開采所使用的水力壓裂技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致含水層之間的溝通，甚至含水層之間的混合。譬如，地表水、地下不同含水層組水及采礦空間老空水將形成復(fù)雜的補(bǔ)排關(guān)系和交替模式，原采礦作業(yè)已疏干的含水層組及采礦擾動(dòng)裂隙將被重新充水或淹沒，地下不同含水層系統(tǒng)的水化學(xué)、同位素環(huán)境也同時(shí)發(fā)生明顯變化，形成完全不同于礦山開采階段的新的礦山環(huán)境問題［4］。諸如此類的地下水污染可以稱為越流污染。它是頁巖氣開采中導(dǎo)致地下水污染的重要途徑。

水力壓裂在頁巖儲(chǔ)層中產(chǎn)生新的裂縫，這些裂縫沿著頁巖地層層理可能延伸數(shù)千英尺。水力壓裂液中的化學(xué)物質(zhì)可能循著此類裂縫向上滲透進(jìn)入地下含水層，從而導(dǎo)致水污染。在水力壓裂中，添加劑中包括有減阻劑、殺蟲劑、表面活性劑及膨脹抑制劑等化學(xué)制劑。盡管在壓裂液中添加劑的比例一般不足0.5%，但是由于基數(shù)較大，化學(xué)制劑的量也是巨大的［5］。如果水力壓裂操作不當(dāng)，這些化學(xué)制劑可能隨壓裂液進(jìn)入含水層，從而污染地下水。

1.2 井筒泄漏

在頁巖氣開采中，鉆井以及完井需要通過使用貫穿含水層的套管來密封整個(gè)氣井，以防止污染物流出而污染地下水。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的套管井可以防止由于鉆井液、壓裂液或者天然氣泄漏到含水層而導(dǎo)致的地下水污染［6］。在頁巖氣開采中，如果鉆井或完井使用的套管不當(dāng)，以至于未能很好地密封整個(gè)氣井，則可能出現(xiàn)污染物從井筒泄漏出來而污染地下水的現(xiàn)象。

1.3 地表人類活動(dòng)

生產(chǎn)現(xiàn)場的地表蓄水泄漏、水力壓裂液的意外泄漏或鉆井液的管理不善，都可能增加污染的風(fēng)險(xiǎn)。不完善的廢水管理行為（包括返排水和生產(chǎn)水的貯存、處理和處置等）可能對(duì)地表水帶來污染的風(fēng)險(xiǎn)。譬如，水力壓裂液和廢水在儲(chǔ)存和往返于鉆井現(xiàn)場的運(yùn)輸過程中可能會(huì)泄漏到地表。這不但可能污染地表水，而且因泄漏污染的土壤在淋濾的作用下也可能使地下水受到污染。

2 頁巖氣開采中水污染物的特點(diǎn)

頁巖氣開采所涉及的水污染物主要包含在水力壓裂中所使用的壓裂液及返排水和生產(chǎn)水等“廢水”中?？傮w而言，這些水污染物具有以下四個(gè)方面的特點(diǎn)。

2.1 水污染物長時(shí)間持續(xù)產(chǎn)生

頁巖氣開發(fā)的全過程都產(chǎn)生水污染物。如水力壓裂完成后，含有污染物的返排水大約需要3年時(shí)間才能完全排空。而在頁巖氣氣井長達(dá)數(shù)10年的生產(chǎn)周期內(nèi)，都會(huì)產(chǎn)生水污染物。

2.2 水污染物種類多

頁巖氣開采產(chǎn)生的水污染物涉及多種類型。據(jù)美國能源部統(tǒng)計(jì)，壓裂液中常用的添加劑就有14種［7］。此外，水力壓裂將產(chǎn)生大量廢水，這些廢水中含有多種污染物，包括高濃度鹽、放射性粒子和隨水帶出來的地下巖層中的其他物質(zhì)［8］。在頁巖氣開采中，甲烷、重金屬、放射性物質(zhì)、壓裂液添加劑和其他污染物都可能通過多種途徑污染地表水資源和地下水資源。

2.2.1 甲烷泄漏

頁巖氣開采過程中的甲烷泄漏量遠(yuǎn)高于常規(guī)油氣開采中的泄漏量。有統(tǒng)計(jì)表明，甲烷泄漏量可達(dá)到產(chǎn)氣量的3.6%～7.9%［9］。更高的甲烷泄漏量意味著更高的水污染概率。美國就發(fā)生過頁巖氣開采中甲烷污染地下飲用水的實(shí)例。2010年4月，一家能源公司的鉆井機(jī)無意中造成淺層天然氣的泄漏，甲烷滲入當(dāng)?shù)氐娘嬘盟?，致使大約150戶居民被迫疏散［10］。

2.2.2 化學(xué)物質(zhì)

頁巖氣開采中的壓裂液、返排水及生產(chǎn)水中都含有多種化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)可能通過多種途徑進(jìn)入地表水或地下水，從而導(dǎo)致水污染。在化學(xué)制劑被注入地下、棄之垃圾堆、被運(yùn)往水處理廠的過程中，都可能污染河流和飲用水源。譬如，水力壓裂過程中出現(xiàn)越流等，壓裂液就可能進(jìn)入地下含水層從而污染地下水。此外，注入地下的水若被巖石吸收，則不能再回收利用［11］。壓裂液中的化學(xué)物質(zhì)也可能通過天然裂縫等進(jìn)入地下水，從而導(dǎo)致水污染。

2.2.3 放射性物質(zhì)和重金屬

地下巖層中一般含有放射性物質(zhì)，比如鈾、釷及其同位素等；還有一些重金屬元素，比如砷、鉻、鈷等；還可能含有酸性物質(zhì)，比如黃鐵礦及硫化物；還有大量的鹵化物、溴化物。大量的水及添加劑的注入，造成巖石中的這些物質(zhì)溶解或生成有毒的氣體［5］。頁巖氣開采中，地下巖層中的放射性物質(zhì)、重金屬元素等有可能進(jìn)入返排水等，從而致使其污染水環(huán)境。

2.3 水污染物總量巨大

頁巖氣開發(fā)極為“費(fèi)水”，并產(chǎn)生大量“廢水”。與此相應(yīng)，頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的水污染物總量巨大。有關(guān)專家經(jīng)過計(jì)算指出，大約需要450～1380口頁巖氣井，450萬～1380萬m3水，我國才能實(shí)現(xiàn)2015年生產(chǎn)65億m3頁巖氣的目標(biāo)［12］。按2015年65億m3的產(chǎn)量規(guī)劃，壓裂液中的添加劑大約有2.44萬～7.47萬m3之巨。

3 結(jié) 論

美國頁巖氣開采實(shí)踐表明，越流、井筒泄漏是頁巖氣開采導(dǎo)致地下水污染的主要途徑；頁巖氣開采過程中的地表活動(dòng)所致的入滲等也可能污染地下水及地表水。

頁巖氣開采運(yùn)營時(shí)間長，長期持續(xù)產(chǎn)生水污染物。這些水污染物成分復(fù)雜、種類多樣、總量巨大、難以監(jiān)測。與常規(guī)油氣開采相比，頁巖氣開采帶來了更嚴(yán)峻的地下水及地表水污染問題。

頁巖氣開采中水污染物的數(shù)量、類型與壓裂液息息相關(guān)，應(yīng)在加快研發(fā)和推廣新型壓裂技術(shù)的同時(shí)，禁止某些特定壓裂基液或添加劑的使用。

我國應(yīng)基于頁巖氣開采導(dǎo)致地下水體及地表水體污染的具體途徑及頁巖氣開采所產(chǎn)生的水污染物的特點(diǎn)，在常規(guī)油氣開采水環(huán)境保護(hù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，制訂更符合頁巖氣開采水污染防治特點(diǎn)的規(guī)范，如更具針對(duì)性的頁巖氣廢水處理規(guī)范，及頁巖氣廢水處理廠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。

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（編輯 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.001

：1005-3158（2015）03-0001-03

2015-01-15）

＊國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“資產(chǎn)管理和用途管制分離視角下的自然資源權(quán)利義務(wù)配置研究”（14XFX010）。

李亮國，2014年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)礦產(chǎn)資源保護(hù)與法治專業(yè)，博士，現(xiàn)在河南城建學(xué)院法學(xué)與公共管理學(xué)院從事環(huán)境資源保護(hù)法治方面的研究。

通信地址：河南省平頂山市新城區(qū)龍翔大道河南城建學(xué)院，467036