美国页岩气开发环境评价与保护对我国的启示_甲烷论文

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      [中图分类号]X37 [文献标志码]A [文章编号]1003—0166(2014)08-0055-06

      doi:10.3969/j.issn.1003-0166.2014.08.013

      页岩气(shale gas)是以吸附或游离状态存在于泥页岩中的非常规天然气，具有资源潜力大、开采寿命长和生产周期长的优点[1]。页岩气藏在成藏原理和储藏条件方面有其独特之处，需要在特殊的开采条件下利用特殊的开采技术才能被开采出来。从世界范围看，页岩气资源巨大，技术可采资源量为220.6万亿

，相当于常规天然气的1.2倍，主要分布在北美、中亚、中国及中东、北非等[2]。

      在“页岩气革命”过程中由于开发过程中不可避免会对原有生态情况造成一定程度的改变，诱发环境污染问题，因此如何妥善处理好这些污染一直都是一个突出的重要问题。页岩气开采过程中主要产生“四大环境”问题包括水资源大量消耗，地下水与土壤污染，甲烷泄露，地质风险。目前来看，美国应对这些环境问题已经采取了大量工作，包括立法、评价、监管、创新等，同时企业也采取了一系列措施，来妥善处理好环境污染问题。2013年底，中国页岩气勘探开发取得重大进展，重庆涪陵页岩气井(满足商业化)平均单井产量15万

/天，所产气烃类含量高达98%[3]。中国在页岩气勘探开发过程中如何从美国的经验中吸取教训，控制开采过程中对周围生态环境的影响，重点在于做到合理规划、有序发展。首先要高度重视抓好环保，树立生态环保和责任担当意识，加强开发前对地区的生态环境风险评估，建立环境风险防控技术规范体系，确保实现页岩气安全、可控、有序、健康、持续地发展。

      1 美国“页岩气革命”的发展特点和趋势

      美国“页岩气革命”是指美国在通过开发技术的突破、依靠管网设施的建设，实现页岩气商业化开采的阶段。它一方面使美国国内页岩气产量迅速攀升，促使国内能源结构变化，降低了对外能源需求，有利于美国能源安全；另一方面改变了世界能源格局，引起新一轮能源开发浪潮。

      1.1 美国“页岩气革命”正改变着世界能源格局

      世界页岩气资源研究和勘探开发最早始于美国，早在19世纪30年代开始，美国就对页岩气进行研究和钻探，1980年得到广泛的商业性开采。此后由于页岩气开采技术成熟以及政府加大了对页岩气开采的投入，美国页岩气的产量在2004年到2012年的9年间增速超过40%。页岩气的大规模开采增加了美国一次能源的产量，缓解了美国国内的能源危机。据美国能源署(EIA)数据显示，2012年美国页岩气年产量达到2 653亿

，占美国天然气总量的37%[4]，而2013年这个数据达到了45%。另一方面更使美国从能源需求国变身成为能源输出国，开辟了世界能源的新输出地。据《BP世界能源统计年鉴2013》显示，2012年美国石油进口量为10 587千桶/日，环比下降了6.6%，出口量为2 680千桶/日，环比增加了7.3%；而在天然气方面，进口量为887亿

，环比下降9.8%，出口量为459×

，环比增加8.3%。同时据国际能源署(IEA)在2013年《世界能源展望》报告(Energy Outlook)中预测，美国实现能源独立的时间为2035年[4]。届时世界能源的主要贸易流向势必发生改变，美国“页岩气革命”正在改变世界能源格局。

      

      图1 页岩气开采技术

      

      1.2 美国页岩气开采的技术特点

      纵观美国整个页岩气革命的发展历程，技术的革新对页岩气产量增长具有极为重要的作用。整个技术过程如图1所示。

      从美国页岩气革命的进程来看，页岩气开采过程中主要有两大核心技术，分别是水力压裂技术和水平井钻井技术[5]。水力压裂技术是利用注入地下的高压液体的水压压裂附近岩层形成裂缝，同时在高压液体中的支撑剂支撑裂缝，确保油气能够从裂缝中溢出。水平井钻井技术则是利用水平井身的特点，配合储层中的天然裂缝的形态，使得井筒能穿透更多储层，增加渗流面积，进一步提高页岩气开采效率。目前，将水平井技术和水力多段压裂技术的配合使用，将大大提升现有低产或无产的页岩气井的工业价值。

      相比于美国，中国的地质构造更加复杂，开采条件更加艰巨。首先中国处于板块交汇处，地质构造具有多期次碰撞拼合的复杂构造特征。根据童亨茂等的研究[6]，中国的地质构造演化分为3大阶段，在3大演化期中，形成了多类型、结构复杂、多期叠合、多期构造变动的沉积盆地。其次，我国的天然气资源大部分埋藏在古生界和中生界地层中，大多埋藏于地下3 000～5 000m处，而美国约有70%的天然气不超过3 000m[7]。中美两国页岩气基本状况比较如表1所示。

      因此中国的页岩气开发并不能照搬美国技术，需要在原有基础上进一步改良，同时由于技术与地质条件的不同，中国在页岩气勘探开发中要面对的环境压力与环境污染也与美国有所不同，我们要以中国地质实情为基础，进行充分调研评估后，建立具有中国特色的页岩气评价指标与开采方式，实现页岩气绿色可持续发展。

      1.3 美国十分重视页岩气开采的环境评估

      虽然页岩气开采有着诱人的前景，但由于开采过程中会对周围的生态环境存在不可控的长远影响，美国十分重视页岩气开采的环境评估。现有针对页岩气开采的主要法案有：安全饮用水法案，它规定了在页岩气开采过程中因为水力压裂而需要注入的地下液体的指标标准；清洁水源法案，它规定了在整个页岩气钻探和开采过程中所需消耗水资源的使用后处理流程，同时防止有关水资源从生产地点流失[8]。其余包含页岩气开发过程需要遵守的法案还有：国家环境政策法案，它对那些要在联邦政府土地上进行勘探和开采的有关行为，规定了必须要先对周围环境影响进行全面分析。特别是2012年4月18日，美国环保署(EPA)发布了一项新法规，明确指出截止到2015年1月，全部使用水力压裂法的气井都必须安装专用设备。而使用此设备后可以大量减少有毒有害气体污染物和具有挥发性有机物的排放，同时还可以捕集空气中的污染物和甲烷。此外，法案还规定了所有的相关开采技术和所使用压裂液的主要化学成分必须经过有关部门审查通过后才可以使用，此举成为美国进一步将页岩气开采标准化、规范化的最新法案。

      

      2 美国页岩气开采面对“四大环境”的影响

      美国页岩气商业化开采已有30～40年历史，但始终制约其发展的是环境和生态的影响问题。据了解，2009年德州Fort Worth一些居民曾因为自来水能被点燃而向美国环保署写信投诉，相关检测也证实其中含有大量溶解甲烷气体。而附近就是德州产量最高的Barnett页岩气田。根据相关资料分析得知，美国大规模页岩气的开采面对着“四大环境”影响，分别是：水资源大量消耗；土壤和地下水层受污染威胁；甲烷泄露的环境风险；诱发地震的地质风险。

      2.1 水资源大量消耗

      正如之前所说，水力压裂技术目前仍是页岩气开采的重要技术之一。根据相关数据统计，水力压裂技术的广泛应用，可以提升的天然气可采储量超过90%。在1990年以后，水力压裂技术在低渗油气田的开采方案中比比皆是。而采用水力压裂技术开采页岩气所使用的压裂液中99%以上的高压水和砂，其余不到1%为化学添加剂，因此可以看到对水的需求在整个开发页岩气的过程中是极其关键的。以美国目前的经验来看，其每口页岩气井需耗费1 500万～1 900万

的水，而在不同地区和不同地层，由于地质条件的差异，所需的用水量也并不相同。表2列出了美国部分不同地层的页岩开采的用水量。

      从表2可以看出，即使不同地层的页岩气开采的用水量差别明显，但是用水量最少的巴涅特页岩用水量也已经超过了10000

。而从整体来看，虽然根据地层的不同钻井与压裂用水占总用水量比有所差异，但也可看到压裂用水量要远远高于钻井用水量。这就意味着如果我们要开采一桶页岩气，则至少需要消耗五桶水。如此巨大的用水量对于开采地区来说是一个很大的负担，当地居民的日常生活用水、城市和工业用水等势必会被页岩气开采所需的大用水量所挤压，影响居民和工厂的生产生活。虽然目前有关企业已经通过改进压裂技术，提升压裂用水的二次使用率，已经能够达到重复利用30%～70%的水。但是水力压裂法对于水资源的消耗仍然是触目惊心的。

      据了解，中国重庆涪陵页岩气井压裂用水量为平均每口井3万

，为美国用水量的2～3倍。所用水取自于20公里外的乌江，同时将压裂返排液通过技术处理达标后，重新配置成压裂液用于下口井施工，实现水的循环利用[9]。现阶段我国虽然在用水量上远远高于美国，但已贯彻实施了循环利用，生态施工的概念，有利于减少开发过程造成的环境污染，实现产业的绿色发展。

      2.2 土壤和地下水层受污染威胁

      我国储存页岩气的页岩层处于地下3000～5000m，远深于地下水所处的地下300～400m的岩层。在开采的过程中不能避免地就会穿过地下水层。而据了解，在页岩气的开发过程中不同公司所使用的压裂添加剂作为公司的专利，其主要成分、含量、稳定性、毒性并不透明，其潜在的环境影响难以评估和监测。而压裂液中含有的某些有毒有害的化学成分很可能通过这些在钻井过程中会产生的新的断裂、裂缝系统，在地底压力的影响下运移至地表浅层[10]。此外，在开采过程中也有可能因为人为的操作不当或是不可抗力导致采气管道出现问题而使得压裂液直接泄漏到地下水层中，会破坏当地整个水环境的生态平衡。

      压裂返排废液，包括钻井废液和采气废液的处理也是极其重要的部分。现阶段开采过程中能够重复利用的仅仅是水资源，而在钻井废液和采气废液中大量存在的化学物质还不能有效地重复使用，像钻井液中含有的各类化学处理剂和采气废液中含有的金属盐类和悬浮物，由于具有高矿化度和高化学需氧量等特点需进行集中处理后才能排放。而目前这两种压裂返排废液的处理并非流程化先到先处理，而是采取先积累，后集中处理的处理方式。这种非流程化的处理方法就可能出现先前积累的返排液由于存放时间过长而发生外渗或是外溢，从而使土壤和地下水层受到污染威胁。

      2.3 甲烷泄露的环境风险

      页岩气的主要成分是甲烷，它虽然被称为清洁能源，但其本身则具有比

更强大的温室效应，如果大量甲烷逃逸到大气层中则会加快全球变暖的速度。不仅如此，如果大量甲烷侵入地下水层则会使地下水层受到污染，不利于周围居民的用水健康和企业的用水安全。美国环保局也曾在报告中表明说他们严重低估了页岩气开发中的甲烷排放。由于受到地质条件的制约，使地下水层与气井井身和输气管道存在交叉重合部分，若在开采过程中管道因为各种因素而出现破裂和空洞，或者因为完井、固井存在瑕疵，除了会导致压裂液的泄露，也有可能导致甲烷泄漏到地下含水层中。此外甲烷还可能通过溶解在压裂液中，当压裂废液在等待处理的过程中，由于压强降低而重新排放到大气中。根据现有资料来看，页岩气开发过程中存在由设备弊端、水力压裂作业、操作不当或是人为故意等原因而向外界环境直接泄露甲烷。

      美国康奈尔大学的研究人员安东·因格雷夫及罗波尔·哈瓦斯通过分析指出：在页岩气生产过程中所产生的甲烷，大部分都被排放到大气中，而不是捕捉用做燃料[11]。杜克大学环境科学教授罗伯特·杰克逊在宾夕法尼亚州北部和纽约上州的马塞勒斯和尤蒂卡页岩结构的蓄水层中，找到页岩气开采导致甲烷对饮用水污染的系统性证据，钻探地点附近的甲烷污染程度是没有钻探地点水井水样的17倍。

      2.4 诱发地震的地质风险

      水力压裂技术在美国已经得到了极大范围的推广和应用，而在某些页岩气开采地区，如俄亥俄州、宾夕法尼亚州等却出现了一系列的轻微地震。虽然引起该州产生轻微地震的具体原因尚且不明，但不能否认水力压裂和此类地震之间的确存在着一定的联系。且已有专家表示，此类轻微地震不但能由水力压裂过程引发以外，而且压裂工程中所使用的大量压裂液注入地下后会破坏地层原有应力平衡，同样可能诱发微震。

      由于美国页岩气富集区大部分都远离人群大量集中居住地区和沿海经济发达地区，那些区域地广人稀，且具有丰富的水资源储备。因此美国页岩气的开发对周围环境的影响并不显著。而亚、欧大陆的大多数国家并不具有像美国那样的有利地质条件和开采条件。因此，页岩气开采中的环境保护问题必将是一个重要而且持续的问题。

      3 美国页岩气勘探开发中生态环保措施的借鉴与启示

      中国是世界页岩气储量大国，根据国土资源部发布的《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》(2012年)认定，我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿

，可采资源潜力为25.08万亿

(不含青藏区)[12]。虽然可采资源量小于美国能源署2013年公布数据，但仍超过美国的页岩气储量，位居世界第一。全球页岩气可采储量前10位分布如表3所示[13]。

      美国“页岩气革命”对于缓解传统油气资源短缺，发展清洁低碳能源，满足经济社会发展需求，保障国家能源安全，具有深远的意义。但同时美国也高度重视与页岩气勘探开发和商业化开采相关产业对生态环境的负面影响。中国正在大力推进页岩气勘探开发和商业化开采，除了要在借鉴美国页岩气开采开发技术的前提下，结合中国相比美国更加复杂的地质构造的实情，寻找出符合中国特色的页岩气勘探开发的道路，更要吸取美国的经验教训，制定一套关于页岩气开采的法律法规和环境标准，需要健全页岩气勘探开发和商业化开采法律法规体系，做好初期页岩气资源勘探及周围环境影响评价、形成页岩气开采过程的全流程监管、建立政府领导下的环境应急管理机制，实现页岩气绿色开采。

      3.1 完善法律体系，严格监管页岩气开采

      对于已有30多年页岩气勘探开发历史的美国，其政府主要是通过完善法案来规范页岩气行业的运营以面对页岩气可能带来的负面环境影响。联邦政府通过颁布清洁水源法案、安全饮用水法案、资源保护和回收法等，将页岩气整个开采过程所耗费的资源和产生的废弃物进行标准限制。特别是2012年美国发布了修订后的《清洁空气法》，成为美国规范页岩气开采的最新法规。在企业进行页岩气开采前就审查其环保资质；从源头开始严格监管页岩气开采；从资源重复利用入手加强行业绿色循环发展，成为了美国页岩气产业成功的主要条件之一。

      我国的页岩气资源产权条件相比美国更加复杂，有关环保部门首先应明确页岩气环境管理的主体部门，同时考察现有法律法规、政策规范中对页岩气环境问题的相关规定是否可行，并通过尽快制定出台针对页岩气开采环境管理的专项法律文件来弥补当前存在不足之处。同时吸取美国环保法案跟进滞后的教训，借鉴美国现有法律法规的经验，结合中国实际情况进行深思考度，制定出适合中国国情的法律法规。

      3.2 做好初期页岩气资源勘探及周围环境影响评价

      我国页岩气行业的相关条件与美国并不相同。针对我国现阶段仍然处于页岩气整体勘探阶段的国情，需要相关部门根据目前世界页岩气勘探开发的方式以及我国的地质、地域实情进行仔细分析，对我国页岩气储量进行科学、公正地评估，同时要做好对页岩气储量分布的预测研究。针对国土资源部已经发布的《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》，有关环保部门需要高度重视已规划的页岩气开采点附近情况，重点调查研究是否会因为页岩气开采而破坏当地的水、土壤、大气等方面的生态环境平衡。同时尽早开展科学、详细的环境评测，确保在页岩气开采环保问题上的先验性和规范性。

      3.3 技术创新和进步减少环境的负面影响

      中美两国页岩气埋藏条件具有的显著差异性，决定了我国不能照搬照抄美国页岩气开采的技术经验，需要结合我国地质条件进行技术的创新和进步。在此过程中，美国政府除了对相关企业严格监管外，也从政策的角度提供一系列资金等方面的优惠条件，刺激企业更新页岩气勘探开发技术，引导推动环境友好的开发方式。我国也可以借鉴其政府支持的方式，资助前期技术开发和环保技术研究，同时颁布政策允许更多研究机构和更多资本进入相关环保技术的研发以及创新，以市场化的机制来促进页岩气环保相关的前期技术突破。待到页岩气进入商业化开采阶段后，政府再逐步降低，甚至取消相关优惠政策。如此既可以减轻政府出全资补贴企业而导致的前期财政压力，又可以利用市场化机制刺激技术创新，进而减少页岩气开采过程中对环境的负面影响。

      

      3.4 建立页岩气开采的环境风险监管机制和应急机制

      页岩气的开采涉及多方面因素和多步骤流程，因此我国需要建立起完善的环境风险监管体系对其进行全方位、多角度的生态环境过程管理。而此监管体系需要国家发改委、能源局、环保局、国土资源局和地方等多个部门协调合作，做到权责分明，统筹管理。此外，针对页岩气开采过程不可控的特点，对其可能产生的环境突发事件，我国应吸取美国在页岩气环境管理问题上滞后带来监管主动性不足的教训，提前建立环境风险的应急管理机制，对可能出现的各种环境污染问题做到反应迅速，行动有效。

      建立和完善页岩气开采的环境风险监管机制和应急机制，不仅要从页岩气开采的各个技术指标方面进行监督管理，还要从维护生态环境的角度出发建立完备的应急机制，更要从国家层面制定统一的发展战略，以此来全面推动页岩气实现绿色、可持续发展。

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