1.水力压裂引发的环境问题

    高油价时代，页岩气作为一种新能源，正在被世界所追捧。美国是世界上页岩气资源勘探开发最早的国家。近 3年，页岩气的大规模开发改变了美国的能源格局。美国页岩气的快速发展，靠的是竞争的市场机制，靠的是竞争带来的技术创新。

    水力压裂技术，是目前唯一可以开启页岩气矿藏的金钥匙。当高压液体注入钻井并使岩层裂开后，高压液体中的支撑剂可以保持住裂缝，使其成为油气导向钻井的高速渗透通道。

    页岩气水力压裂主要使用含砂的水，其中砂作为支撑剂，此外还有 2%或更少的化学增强剂。每口井的平均耗水量大约为 450万加仑。对水力压裂的立法要求仍在美国联邦和州的层面上进行辩论。可以肯定的是，必须有对(现存和未来的)地表和地下水源地和河流的保护措施，才能使需要大量水力压裂的钻井工程获得批准。

    很可能压裂液的成分在使用之前需汇报，以获得美国政府的批准。最终可能需要在开始施工之前，提交全面的处置程序以及可能的循环压裂液的净化程序，以获得评价和批准。

    页岩气开发会造成严重的环境问题，因为它使用的生产技术(“压裂”)，众所周知地应用于工业，会使用大量水和造成水污染问题，水污染对居住地区甚为敏感。

    美国的页岩气在发展的同时，也在不断地处理与环境的关系。
 
1.1 水力压裂需要消耗大量水

    页岩气在美国也引发了一系列潜在的问题：首先是开采页岩气所使用的水力压裂技术需要消耗大量水资源且不可回收。
 
    水力压裂井比传统的井需要更多的水。在美国密歇根的 Antrim页岩气田，一个传统的井一次需要 5万加仑水。然而据估计，如果是水平钻井，一个水力压裂井一次需要 500万加仑水，大约是一个1000兆瓦煤电站 12小时的水用量。据介绍，灌溉 640英亩(约合 2.6平方公里)干旱土地需要 4.07亿加仑(约合 15.4亿升)水，可收获价值 20万美元的玉米。等量的水，如果用于水力压裂技术钻井，可获得价值25亿美元的石油。由于钻井所使用的水要注入比地下蓄水层深得多的页岩层，大量水主要被岩石吸收，而不能再回收利用。
环保人士担心，水力压裂过程中会消耗大量水资源。据德国地球科学研究中心的霍斯菲尔德教授介绍，每口页岩气井需耗费 400万加仑(1加仑约合 3.78升)的水才能使页岩断裂。表 1列出美国页岩气生产不同井的水需求量。

    根据勒克斯研究(Lux Research)公司于 2012年 5月 6日发布的新的报告，用于生产页岩气的水力压裂的水处理市场，2020年将增长 9倍，达到 90亿美元。勒克斯研究公司表示，这一扩容将推动有关水的处理和再利用的技术创新和新思维，但该领域正在迅速成长，为新加入者克服重大风险创造机会。每口井的压裂需要 4000m 3，甚至超过 22000m 3 (25000～140000桶)的水，并会产生有毒的盐水，其含盐浓度是海水的 6倍以上。水力压裂的增长对水业的发展提出新的要求，激发了一系列新的水处理技术来应对返回水的挑战。压裂代表着对水处理的重要挑战，生产中和来自页岩气井的返流水中的烃类、重金属、微生物和盐类，对水处理提出了挑战，它代表着最难以处理的工业废水。虽然机遇是很大的，但目前只有少数几家公司真正由此获得利润。   

表1 页岩气生产不同井的水需求量      单位：立方米

http://info.cnpc/NR/rdonlyres/C7934F9F-9AB2-40AF-B36A-FF048ADFE366/36271/%E8%A1%A81.JPG

资料来源： http://europeecologie.eu/IMG/pdf/shale-gas-pe-464-425-final.pdf。

1.2 水力压裂可能污染地下水

    水力压裂技术也是一柄双刃剑，不仅消耗大量水资源，还可能污染地下水。循环后的水典型地含有用于水力压裂处理的化学浓聚物和自然产生的浓盐水，有时候有少量的放射物质，如镭。循环后的水必须要妥善处理才能避免对危害公共健康和环境的担忧。

    据美国能源部统计，页岩气单井钻井平均用水量高达 1.5万立方米。用水力压裂法开采天然气时，需要用高压将混有化学物质和沙子的水注入到地下页岩层，在高压下用水压裂岩石，同时用沙或其他物质支撑裂口，使页岩破碎释放出气体。在压裂过程中，采用各种化学品(含量一般小于压裂液总体积的 0.5%)促进压裂过程的进行。该技术可以将原本封存在页岩层中的天然气释放出来，从而显著提高美国的天然气储备量。美国 14家油气公司过去 5年使用了约 295万立方米压裂添加剂，其中包括 750种化学产品和苯及铅等有毒物质。回流的压裂液如果未及时处理或造成泄漏，对生态环境的影响将不可低估。环保人士和当地居民长期以来都认为，此举会使地下水受到甲烷和化学物质的污染。

    气体和压裂液体的流动——主要的担忧是气体和水力压裂过程中使用的化学物质污染提供饮用水的蓄水层。在大约地下 2000英尺或者以上，压裂是水平的，因为石头自然的压力是气体流向气体储存器。在更深的底层，压裂可能垂直地发生，但是被压在上方的气体储存器所限制。如果某处地下水由于水力压裂液体污染，多数可能是由于不合理的施工而不是水力压裂本身。

    美国杜克大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》撰文表示，在宾夕法尼亚州使用水力压裂法开采页岩气的地区，地下水中甲烷含量比未钻探区域高出 17倍。研究者分析了宾夕法尼亚州和纽约州五个郡范围内 68个私有水井中的甲烷含量，报告称：“证据表明，饮用水受甲烷污染的现象与用水力压裂法开采页岩气有关。 ”

    地球正义组织的数据显示，美国目前有 32个州采用水力压裂法开采页岩气。
 
    杜克大学的研究人员表示，甲烷气体的释放可能是由于钻探设备缺陷导致的，而研究并未发现注入页岩层的化学物质会向上流动影响浅层地下水。研究人员还表示，水力压裂法注入的液体会慢慢自地下深处向上层运动，几十年后可能才产生影响。此外，开发页岩气还易造成环境污染。开采页岩气在钻井过程中要经过地下蓄水层，钻井使用的化学添加剂会对地下水形成严重污染和生态破坏。

    例如，2010年 4月，大约 150户迪索托居民被迫疏散到邻近的卡多县——埃科(Exco)能源公司的钻井机无意中造成了浅层天然气的泄漏。当时，埃科公司承认甲烷已经渗入当地的饮用水中，并且表示会监测是否有气体从钻井中逸出。图 1示明页岩气勘探、抽取和处理时甲烷的排放，表 2为美国页岩气井返流液体中的甲烷排放量。
 
    美国南部的小镇迪默克也不平静。十几位居民与卡波特石油与天然气公司对簿公堂。卡波特公司被指控在开发天然气的过程中，造成了甲烷渗透进居民水井的严重后果。

http://info.cnpc/NR/rdonlyres/C7934F9F-9AB2-40AF-B36A-FF048ADFE366/36272/%E5%9B%BE1.JPG

图1 页岩气勘探、抽取和处理时甲烷的排放

表2 美国页岩气井返流液体中的甲烷排放量

http://info.cnpc/NR/rdonlyres/C7934F9F-9AB2-40AF-B36A-FF048ADFE366/36274/%E8%A1%A82.JPG

资料来源：
http://europeecologie.eu/IMG/pdf/shale-gas-pe-464-425-final.pdf。

    其次表现为化学物质的泄漏。地表溢出——化学物质和开采使用水的溢出，给公众健康和环境造成负面影响。2009年，在隶属于切萨皮克能源公司的钻井平台附近，人们发现了 16头牛的尸体。事后调查显示，这些牛是食用了钻井机使用的化学制品后死亡。而这些化学制品则是在一次暴风雨中发生泄漏的。在这次看似偶然的事故之后，切萨皮克公司宣布将会避免类似事件再次出现。

    在美国的东北区域，情况也让人感到有些棘手。在宾夕法尼亚州，关于饮用水安全和其他潜在环境问题的诉讼让钻探工作遇到了不小的麻烦，甚至间接导致了能源产品成本的增加。同时，政府也在近期暂时中止了在国有林区内发放新的钻井许可证。

   在这种情况下，美国环保局开始了一项关于天然气开发对地下水影响的调查研究项目，同时，一些环保组织也在不遗余力地游说并开展各种活动，希望能有更严厉细致的联邦法规出台，来规范天然气开采行业。但与此同时，也有一些环保主义者肯定了天然气开发的正面影响。因为与石油和煤相比，天然气更为低碳。而且，在可再生资源大规模应用之前，天然气能够取代煤炭成为美国电能的主要来源，为美国从传统能源向可再生能源转变开辟了一条低碳之路。

    关键在于寻找环保与开发的结合点。在人们的环保忧虑之下，美国的相关部门和页岩气开采公司已开始采取补救措施。
 
    2011年 2月，宾夕法尼亚州的环保厅厅长约翰•韩格尔宣布了一项耗资 1200万美元的计划——用管道将城市用水从蒙特罗斯运送到迪默克。这项计划旨在消除人们的用水恐慌。据了解，为这条5.5英里长的管道工程买单的正是在当地开发页岩气的卡波特公司。此外，卡波特公司还为很多居民提供了价值不菲的纯净水系统。虽然公司一直声称没有证据证明是该公司的行为造成了当地的污染，但业内表示，要彻底杜绝页岩气开发带来的潜在危害，仅仅靠送水计划并不能完全解决问题。

    美国新泽西州州长 Chris Christie于 2011年 8月 25日颁布为期一年的水力压裂禁令，因此新泽西成为美国首个禁止使用水力压裂的州。2011年 6月，新泽西立法机构通过一项禁止水力压裂的法案。由于在新泽西州没有运营商对使用水力压裂法感兴趣，所以在很大程度上这只表明政府的态度，而没有对运营商造成实际的负担。正如在美国东北部各州发现的马塞勒斯页岩气田一样，页岩气储量非常丰富，但都藏于致密岩层之中，使用常规钻井方法无法开采。过去十年里，生产商已经开始水平钻井穿过岩层，并使用多级水力压裂法打开致密岩层，从而开采出天然气。这种新的钻完井技术正改变着美国和加拿大的石油天然气市场，世界许多其他国家也正努力研究如何开发页岩气和非常规资源。得州州长 Rick Perry通过一项要求开发公司公开水力压裂液组分的法令，但支持在该州开发页岩气。

    2010年 3月，美国环保局已出资 600万美元，深度研究页岩气压裂开采法对环境可能造成的影响。该研究将持续两年，这也是美国首次开展此类研究。使用水力压裂获取天然气，给提供饮用水的地下蓄水层带来的污染是最大的担忧。为此，密歇根州制定了以下要求：

    (1)每个井必须有结实的套管，把气体和液体控制在井眼以内。   

    (2)要求地表管套至少深入基岩内 100英尺，在淡水层 100英尺以下，并且被从管套底到地表牢固的粘接。

    (3)在水力压裂前，一个额外的生产管套必须被安置在贮备所在处相同的深度，用水泥固定。
 
    (4)回流的水被视为油气废物，必须被收集在金属结构罐内，运输到废物井内，被注入与浅水层分离的深层岩石。

    (5)废物井的许可证由环境质量部门和美国环保署发放，为了保证井的功能完整性，还要进行周期试验。

    (6)在气罐，井头和其他容易溢出的部位要安装二次安全壳。

    (7)按照环境质量部门的规定，任何溢出必须及时通报和清理。
 
    (8)在使用化学添加剂的地方，材料安全数据表必须要张贴公示，此表要包括化学添加剂的级别和潜在的对健康的影响。一旦发生大的泄露和健康损害，州政府有权知道化学成分和浓聚物的细节。能源生产和使用，未来会在密歇根继续扮演重要的角色。

    不过，调查发现，没有证据表明，在钻井正确时，页岩气开采(压裂)中涉及的水力压裂过程一定会对地下蓄水层构成直接危险。根据该报告，页岩气可望减少全球范围的二氧化碳排放量，通过鼓励将煤改为气发电，特别是在发展中经济体。然而，这不足以满足长远减排目标，并避免因全球气候破坏而产生的影响。页岩气可望在更多的国家受到鼓励，如从煤改为气，则在某些情况下可望减少电厂二氧化碳排放量的一半。

1.3 更严格的空气中臭氧标准可能产生潜在的负面影响

    据美国《油气杂志》2011年 8月 26日报道，美国空气控制中心(ACC)技术和法规事务副总裁 Mike Walls表示，考虑到页岩气资源的重要性，目前更加严格的空气中臭氧标准对该行业可能产生潜在的负面影响。大多数与页岩气开发相关的工业均位于美国人口较少的地区，这些地区目前为空气清洁法的达标地区。但是，更加严格的臭氧标准将使整个美国变成“不达标”，有关许可要求的更改将使企业获得许可证的成本大幅增加，且获得难度更大。需要利用页岩气带来的新的竞争优势，而在更加严格的臭氧标准监管下，越来越多的页岩气资源将处于臭氧不达标地区，这将使这些地区的页岩气生产停止，从而使其拥有页岩气资源却不能利用。

    美国环保局(EPA)未能在 2011年 7月 31日前如期完成臭氧标准的修订，而工业界人士和共和党议员却希望说服 EPA将新标准推迟到2013年。双方的争议源于 2008年 EPA决定将 8小时臭氧标准从0.084ppm减少到0.075ppm，为其提供建议的 EPA清洁空气科学顾问委员会甚至表示不应超过0.070ppm。2011年 9月 2日，美国总统奥巴马要求 EPA撤回有关空气中臭氧标准的监管提案，政府表示关于保护公众健康和环境的承诺仍然不会动摇，但在经济持续复苏的情况下，仍需要强调减少企业界面临的监管负担和监管不确定性的重要性。但是，油气工业界认为，取消臭氧排放条例只是暂时性地缓解了未来可能更加严格的监管负担，因为 EPA要求最大限度地使用减排技术的提议仍在研究日程内。可以预见，业内将持续关注臭氧标准变化对水力压裂的影响。

2 补救措施

    据了解，美国页岩气开发行业正试图减少气井钻探以及水力压裂带来的环境破坏。如在每次压裂完成之后，对水进行获取和重新利用。美国许多页岩气钻井就建在传统天然气生产场所附近，因而压裂后的水能够被捕获、处理，并回收利用到下次水力压裂中。据悉，目前美国页岩气钻探中，70%的水来自水力压裂回收的水。
 
    每口井需要消耗200～500万加仑的水，其中的25%～100%需要回流到地面，这些水必须进行回收和处理。对于美国西部各州，特别是新鲜水供应已经非常紧张的地区，水力压裂会使现有水资源进一步紧张。巴尼特页岩区钻井和压裂过程的耗水量相当于当地 18.5万户家庭(或更多)的耗水量。

    根据美国地质调查的资料报道，得克萨斯州正密切关注钻井过程中水的用量，由巴尼特页岩钻探公司组成的一个财团开发了节约用水的最佳管理措施。马塞勒斯页岩气生产区也采用了类似的方法。
 
    水处理解决方案可以重复利用水资源，以减少新鲜水用量和运输量。水力压裂形成的废水通常有以下三种典型的处理方法：(1)运输到厂区外的污水处理装置进行处理，其后将其封存在地下井中。(2)运输到厂区外的污水处理装置进行处理，再排放到地表水。(3)原地处理后重新用于水力压裂或钻井操作。

    不同页岩气产区的水力压裂回流废水(含不同的化学试剂)要求有不同的水处理解决方案。如在美国东部马塞勒斯页岩区，一定要有处理极高含盐量压裂废水的能力。
 
    据美国《烃加工》2011年 7月 1日报道，为了解决水处理相关的问题，一些领先的水技术公司推出了移动式水处理装置解决方案。这些移动式装置用来处理和回收水力压裂回流液和钻井过程及其他工业操作过程中产生的含盐废水，这样可以减缓新鲜水供应紧张的问题。另外，美国一些大学，如得克萨斯 A&M大学、卡耐基梅隆大学和西弗吉尼亚州立大学也开始了该项目的研究工作，旨在开发新的、更有效的油气钻探和水力压裂过程中的废水处理技术。
 
    一些公司，包括西门子水技术公司和 GE电力和水处理公司，都推出了应用不同技术的移动式水处理装置，能在原地进行水处理并回用。这种原地处理方法不仅能减缓当地水资源的紧缺、降低成本，还可以降低将废水输送到远处的封存井或水处理装置过程中产生的温室气体排放。西门子的解决方案采用浮选/过滤技术，而 GE的解决方案则采用蒸发技术。每种技术各有利弊。

    水资源的紧缺限制了油气工业生产页岩气和其他非常规能源。另外，目前产生废水和压裂回流液的处理和运输成本较高，占总成本的很大比例。领先的水工业供应商、政府和学术界致力于开发、商业化和推广新型、能高效处理废水和压裂废液的移动式和固定式处理技术，将为油气工业和社会带来显著的效益。
 
    OriginOil技术公司于 2012年 4月 30日宣布，可回收石油和天然气生产用水中98%的烃类。在最近的第三方独立测试中，OriginOil技术公司的藻类收获过程仅在第一段中就可用于从西得克萨斯石油井压裂返回水的试样中去除98%的烃类。结果指明了该公司的核心水处理技术，具有潜在有价值的应用，最初的发明采用藻类收获。压裂返流是被称为“水力压裂”钻井过程中使用的水。本次测试的试样取自为期两周的、富油水流 20万加仑的石油井。首次结果显示，采用典型的现有技术，有70%～75%的烃类未被去除，而新技术可去除98%。据美国能源部称，平均 3桶受污染的水可产生1桶石油。在美国，平均为 7桶水。据绿色科技媒体报道，一些能源公司支付 3～12美元来处理所产生的每桶水，这意味着潜在的世界市场价值每年为 3000亿～1万亿美元之间。
 
    Petrohawk能源公司已经在得州Hawkville油田运用油气流体通道水力压裂技术。应用结果显示，在相同的井口压力下，运用油气流体通道水力压裂技术的生产井，与运用降阻水页岩压裂技术或混合液压裂技术生产井相比，初始产量增加，同时费用降低10%，用水量减少10%，用砂量可减少 40%。
 
    水力压裂中使用的杀菌剂也是引发的担忧之一。本来，在水中加入化学用品是为了使水具有凝胶特性，利于水力压裂；而水中的细菌可能阻止化学反应，因此需向水中加入杀菌剂。但人们担心类似化学用品会渗透到地下水位以下。目前，许多页岩气开发公司已经考虑采用高强度的超声波、过滤器或其他环保化学用品，杀死水中的细菌。

    水平井钻井和 10级以上分段压裂技术是最关键的核心技术，目前我们对这两项技术的掌握还不成熟。
 
    中国页岩气田分布与缺水地区重合比较多。在水量相对充裕的长江流域，只在四川和江汉盆地发现了页岩气，而在西北华北等页岩气储量丰富的地区，水资源相当紧张。为此，一方面，企业在勘探开发中必须坚决防止地下水污染，通过技术改进减少施工作业用水量，同时采取措施处置含有污染物的钻探回收水；另一方面，国家层面必须充分考虑页岩气开采引起的特殊环境问题，建立符合我国实际的页岩气勘探开发规范。

    根据美国环保署(EPA)2012年 4月 18日发布的一项新法规，美国将对页岩气开采中因使用水力压裂技术所造成的空气污染加以控制，这是美国控制页岩气开采造成环境污染的首个法规。该法规要求到 2015年 1月，所有采用水力压裂法进行页岩气开采的气井都必须安装相关设备，以减少可挥发性有机化合物及其他有害空气污染物的排放，如苯和正己烷等。EPA空气和辐射办公室副主管吉娜•麦卡锡(Gina McCarthy)在发布该项法规时表示，在页岩气田安装相关设备，同时还可以捕集具有较强温室效应的甲烷。目前大气环境中的甲烷主要是由于油气开采泄漏而造成的。该项法规将对目前美国约 13000口天然气井产生影响。大量天然气的供应无疑对美国的经济和相关工业产生积极而深远的影响，特别是美国化学工业从中受益良多。但是，成千上万采用水力压裂法新气井的投用，大大增加了空气污染物及甲烷的排放，而甲烷的温室气体效应强度至少是二氧化碳的 20倍。
 
    EPA早在 2011年 7月就提出了对水力压裂法气井进行控制的初步建议，当时美国石油协会和其他行业协会都认为这项计划实施的时间进度太紧。因此美国环保署在最终颁布这项法规时，将具体实施时间推迟了两年多，在此期间，这些气井在生产中可以通过燃烧的方法减少甲烷和其他污染物的排放。这项修改后的法规得到了美国天然气协会和美国石油协会的赞扬。他们称时间等方面的修改“能够让相关公司在生产国家急需的石油和天然气的同时，又能减少污染物的排放”。这项法规同时也得到美国环保组织的支持。野生地球守护者的气候变化和能源方案主任杰里米•尼科尔斯表示：“虽然未来两年多，这些气井还将继续燃烧甲烷而不是捕集，但从另一方面来说，将这些物质通过燃烧等方法除去毕竟也减少了向空气中的排放。”他强调，现在该是工业界行动起来，加紧安装新设备捕集这些物质的时候了。据了解，目前美国新气井中约有一半已安装了相关设备，以便在进行页岩气开采时能够根除可挥发性有机化合物的排放，捕集空气污染物及甲烷。

（来源：寰球能源资讯•油气版 2012年第11期）