五邑大學化學與環(huán)境工程學院 黃一鳴

1 引言

21世紀以來，非常規(guī)天然氣開發(fā)規(guī)模不斷擴大，相關(guān)技術(shù)發(fā)展快速，儼然形成了一次天然氣革命。全球能源資源供需格局與能源相關(guān)的學科發(fā)展已發(fā)生了根本性的變化，而在開發(fā)非常規(guī)天然氣的過程中，環(huán)境直接或間接地受到了不同程度的影響。本文對天然氣在環(huán)境方面的影響進行了分析。

2 環(huán)境影響

2.1 溫室氣體排放

天然氣燃燒時產(chǎn)生的溫室氣體比煤炭或石油燃燒時產(chǎn)生得少。在燃燒發(fā)電廠中，使用天然氣作為燃料能夠比燃煤燃燒減少50%～60%的CO2排放量。在相同汽車發(fā)動機工作效率下，天然氣燃燒能比汽油燃燒減少15%～20% CO2排放量。但是，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，天然氣的開采和運輸依然對環(huán)境有著深刻的影響。

通過天然氣的鉆探和運輸所造成的天然氣泄漏對全球變暖有巨大的影響。在過去的100年時間里，天然氣主要成分的熱捕捉能力是CO2的34倍，而在過去的20年時間內(nèi)，熱捕捉能力達到CO2的86倍。根據(jù)實地考察，這些逃逸的天然氣占天然氣總生命周期排放量的1%～9%。

天然氣是否具有比煤炭和石油更低的生命周期溫室氣體排放取決于所假設(shè)的泄漏率、甲烷導(dǎo)致全球變暖的潛能、能量轉(zhuǎn)化效率和其他因素。有研究指出，為了在未來的20年內(nèi)或更短的時間內(nèi)比燃煤電廠具有更低的生命周期排放量，天然氣發(fā)電廠的甲烷損失率必須低于3.2%。如果算上天然氣在車輛燃燒中的邊際效益，那么與柴油和汽油相比，甲烷的損失率必須低于1%和1.6%。要想達到這種效果，適當?shù)恼吆屯顿Y是其中的關(guān)鍵因素。

2.2 空氣污染

天然氣的燃燒比其他化石燃料更清潔，燃燒過程中只釋放微量的硫、水銀和顆粒物。燃燒天然氣實際上會釋放煙霧的前驅(qū)物——氮氧化物NOX，但依然比車用汽油和柴油釋放的NOX少。有研究指出，每萬戶美國家庭使用天然氣供能而不是燃煤供能每年可以減少1 900 t NOX，3 900 t SO2和5 200 t顆粒物。當這些污染物與一些疾病相關(guān)時，例如支氣管炎、肺癌、哮喘和心臟病，減少這些污染物的排放能給公共健康方面帶來益處。

盡管天然氣是清潔能源，但是非傳統(tǒng)天然氣的發(fā)展能影響當?shù)鼗蚓植康貐^(qū)的空氣質(zhì)量。一些鉆探地區(qū)經(jīng)歷了有毒空氣污染物和顆粒物的富集，會對人們的健康和環(huán)境造成有害的影響。人暴露在高濃度空氣污染物中會造成嚴重的健康問題，包括呼吸道問題，心臟疾病和癌癥。研究顯示，住在離天然氣鉆井少于半英里的地區(qū)的居民比那些住在離鉆井更遠的地區(qū)的居民會遭受更大的健康風險。

2.3 土地和棲息地的侵蝕

天然氣開發(fā)所需要的建設(shè)和對土地的擾動不僅會改變土地的性質(zhì)，同時還會侵蝕和分割野生生物的棲息地并改變它們的遷移模式，從而對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成危害。當天然氣公司在目標地點建立井場，鋪設(shè)管道和清理道路時，建設(shè)過程會引起土壤和礦物質(zhì)流失，并污染附近水源。研究發(fā)現(xiàn)，水力壓裂對環(huán)境的潛在影響包括加速水土流失、增加化學物溢出導(dǎo)致水被污染的風險、棲息地破碎化和表面徑流減少。

2.4 水資源污染

非常規(guī)天然氣開發(fā)會對臨近社區(qū)居民帶來健康方面的影響，因為他們飲用了受到化學污染的水。利用水壓鉆探天然氣井、處理和提煉天然氣或處理污水的過程都會使水資源受到污染。放射性物質(zhì)、甲烷和其他地下煤氣有時自然而然地從不規(guī)范的套管井滲透到飲用水源中去。甲烷與嚴重的健康影響沒有直接相關(guān)性，但大量的甲烷聚集會引發(fā)易燃易爆方面的問題。在某些地區(qū)，非常規(guī)天然氣的開發(fā)還會引起可用水資源方面的問題。

2.4.1 地下水

有案例記錄說明臨近天然氣井的地下水會被混入各種氣體的壓裂液污染，包括甲烷和其他揮發(fā)性有機化合物。造成水體污染的主要原因是不規(guī)范的鉆探操作或者是故障的天然氣井令氣體泄漏到水體中。自然或人為導(dǎo)致的地表下巖石的斷裂會使從油氣層釋放出的雜亂氣體進入地下水源，從而令水體污染。除此之外，在個別案例中，因天然氣井的荒廢或不良好的密封性能，壓裂液會從破裂的巖層或故障的污水機坑里襯漏出。

2.4.2 地表水

非常規(guī)的油氣開發(fā)會帶來地表水被污染的風險。化學物質(zhì)、柴油、現(xiàn)場施工設(shè)備的液體的溢出和泄漏以及污水儲存設(shè)施和處理設(shè)施中污水的泄漏會造成上述問題。與地下水污染不同的是，地表水污染往往與土地管理、現(xiàn)場及非現(xiàn)場的化學品和污水管理相關(guān)。目前，已經(jīng)有超過1 000 種化學添加劑用于水力壓裂，包括酸(特別是鹽酸)、殺菌劑、除垢劑和摩阻減低劑?？赡軐τ谔烊粴饩裕恍枰玫狡渲械囊恍┗瘜W添加劑，但它們的選擇與特定的天然氣井的地球化學性質(zhì)有關(guān)。大量的化學品運輸和儲存到井場當中，如果沒有嚴格管理，那么這些化學物質(zhì)會在運輸?shù)倪^程中溢出或泄漏。

在鉆探過程中，泥漿、柴油和其他液體會溢出到地表上，返排或生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生廢水的不當管理也會導(dǎo)致泄漏和溢出，這些因人為不當所導(dǎo)致的現(xiàn)象會給環(huán)境帶來風險。

2.4.3 水資源消耗

隨著水力壓裂的使用，水的大量消耗會對當?shù)氐牡叵滤偷乇硭?yīng)造成壓力，尤其是缺水地區(qū)。每個天然氣井所消耗水的總量根據(jù)地理和巖層結(jié)構(gòu)的不同而有所不同。2011年美國35 000口天然氣井消耗水的總量達到700億～1 400 億加侖。其他能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)的水消耗具有可恢復(fù)性，能夠直接排放到河流或湖中，而天然氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)所消耗的水不具有可恢復(fù)性?；诓煌愋汀⒉煌攸c、不同深度的天然氣井，第一次使用水力壓裂所消耗的水量達到了3百萬～12百萬加侖，相當于傳統(tǒng)天然氣開發(fā)需水量的數(shù)十倍。而一般的頁巖氣井開發(fā)的需水量是一般非常規(guī)天然氣井開發(fā)需水量的兩倍。

2.5 引發(fā)地震

水力壓裂自身與低震級地震活動相關(guān)（一般低于2矩震級），但這些輕微的地質(zhì)活動通常無法在地表上被探測到。然而，將高壓水注入第二級注入井深處行為已經(jīng)被證實與更大震級的地震活動相關(guān)。過去10年，至少一半在美國本土發(fā)生的高于或等于4.5矩震級的地震活動均發(fā)生在這些潛在的因注入高壓水而誘發(fā)地震活動的區(qū)域。盡管將地震歸因于注入高壓水的行為很難被證實，但在很多案例中時間和地點均對以上假設(shè)進行了有力的支撐。

3 結(jié)語

非常規(guī)天然氣的開發(fā)對人類減少化石燃料的依賴以及實現(xiàn)節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標具有重要意義。與此同時，人們不能忽略在非常規(guī)天然氣生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境所造成的若干影響。非常規(guī)天然氣革命的下一步目標是盡可能減少不同環(huán)境下可能造成的環(huán)境破壞和對人健康的影響，只有在可持續(xù)綠色發(fā)展的前提下，新的能源革命才是人類可持續(xù)發(fā)展所需要的。