美国页岩气开发水力压裂作业监管措施概述
刘付臣1,2袁波3刘安琪3赵曼玲1,2杨振周1,2
(1.中国石油休斯敦技术研究中心，北京 100028；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；3.中国石油集团安全环保技术研究院，北京 102200)
摘要： 美国的页岩气开采经历了非凡的增长，水力压裂作为页岩气的主要开发方式，作业过程中对环境影响及需要采取的相应做法是开发生产的保证。文章介绍了北美页岩气开发过程中水力压裂作业过程中的监管内容及压裂取水、废水处理等按照当地法律采取的做法。
关键词： 美国页岩气 水力压裂 监管流程
0 引言
十多年以来，美国的页岩气开采经历了非凡的增长。近几年，诸如水平钻井和水力压裂(压裂)这样的技术改进为开发带来了经济性，使得利用美国页岩深层储层的天然气生产一片繁荣。这一欣欣向荣的趋势加上估计仍有很多未开发储量和预测未来产量将继续攀升，带来了十分乐观的情绪。然而，很多人也对页岩气生产的环境影响深感担忧，包括这可能会对地下水和地表水带来的伤害、对栖息地的摧毁和对空气的污染。监管单位、政策部门和公众需要以客观的信息来源为依据，就如何管理页岩气开发所伴随的挑战寻求解答方案和决策。
他将节足拿至眼前，望了望整齐平滑的切口，心中既痛且恼，道：“天葬刀，果然名不虚传！小生今天，倒要好好讨教一二！”言罢，身躯猛地弹起，节足大展，朝着天葬师扑下。
1 监管和执行框架
在美国，油气的开发和生产，包括页岩气，是通过一系列复杂的联邦法、州法和地方法加以管理的，这些法律涉及勘探和作业的所有领域。所有适用于常规油气资源勘探和生产活动的法律法规和许可证也适用于页岩气的开发。多数联邦法由美国国家环境保护局管辖，虽然管理联邦所属土地上开发活动的主要职责在于美国内政部下属的土地管理局和美国农业部下属的林务局。
在明尼苏达州高速公路附近的汉普顿酒店和丹尼餐厅旁边隐匿着一个耀眼的实验室，它就是大名鼎鼎的生物技术公司——Calyxt（其隶属法国制药公司Cellectis），这家公司的研究人员主要通过控制一台四四方方的机器人来工作。
除此之外，每个从事油气生产的州都有一个或多个监管部门发放油气井的许可证，许可范围包括井身设计、井位、井间距、作业、弃井，并负责监管可能造成的环境影响，包括取水和废水处理，废弃物管理和处理、大气排放、地下灌注、对野生动植物的影响、地面干扰、工人健康和安全。很多联邦法律是由州政府根据相关联邦机构批准的各个协议和规划来实施的。
2 水力压裂流程监管
管理诸如返排液这样的废水，责任部门可能是一个或多个州立部门，视该州的情况而言。至少在美国9个州，管辖油气勘探和生产活动废弃物料的部门不止一个。管理废弃物料废处理的法规在不同州存在很大差异[2]。
喷混植生是快速生态治理岩石边坡的一个新技术，为了更好地运用推广喷混植生技术，必须对该项技术的材料、工艺、方法及设备等编制地方或国家技术标准和技术规程，使这项技术走上规范化、标准化和法制化管理轨道，从而保证施工技术质量和整体工程的安全性。对施工材料、工艺、方法以及设备纳入规范化和标准化管理，最终使喷混植生技术成为石质边坡环境生态修复的一项标准化技术，从而能更好地服务于我国现代化建设。
服务公司或是作业公司在对一口井(垂直或水平)实施水力压裂前要进行一系列测试。这些测试旨在确保作业井、井下工具和水力压裂设备工作情况良好，能够安全承受压裂作业的各项压力和泵速。首先是在钻井和井身施工过程中测试套管和固井水泥。接着，是在压裂作业前对水力压裂设备进行的压裂测试。应该提出的是州政府油气监管部门对于井身施工是有规定条件的，目的在于保护水资源不受影响和确保井下作业的安全性。
图1 西弗吉尼亚马赛勒斯页岩井的水力压裂工程 (来源：切萨皮克能源公司2008年)
伏牛山区气候条件优越，水资源丰富，灌溉条件较好，农业相对较为发达，有着充足的农业生物质资源、林业生物质资源和其他各类生物质资源。农业生物质资源通常是由农作物秸秆和将农产品进行加工产生的废气和废渣组成。在我国，绝大部分农村地区都是将农作物秸秆作为日常生活的传统供给能源。通过调查，伏牛山区农业秸秆资源种类主要包括小麦、玉米等粮食作物秸秆。2017年，伏牛山区内17个县市粮食总产量476.21万吨。
图2 微地震监测数据揭示裂缝是如何从水平井段延伸出去以及它们是否会与邻近的平行井段的造缝发生相交。(来源：美国能源部)
水力压裂是将一种压裂液按事先计算确定的一定速率和压力泵入地层以在目标地层中制造裂缝或裂隙。就页岩气开发而言，压裂液主要是水基液体，与协助支撑剂进入裂缝的添加剂混合在一起。
压裂液的成分包含水、各种化学制剂以及一种用于撑开裂缝使气体得以流向井筒的支撑剂(如砂)。这种液体中的主要成分是水，因此每一个压裂作业需要上达几百万加仑的水。这些井的钻井和水力压裂作业用水通常取自于诸如河流与湖泊等地表水域，但有时也取自于地下水、私有水源、市政供水和重复使用的产出水。如果不对压裂液进行再循环利用，那每项作业用水都必须从当地水源汲取，并用卡车或是管道输送到现场。大规模从地表取水对于生态系统和下游用户的影响带来人们一定的担忧[4]。取水问题尤其是在遇到干旱时颇为突出，因为干旱大大限制了水的供应和分配。就算在水资源充足的区域，从流动不足的小溪流中取水也可能是一个问题[3]。
州政府、地方政府和页岩气作业者在管理产出水的过程中，致力于保护地表和地下水资源，并在可能的情况下减少未来对于淡水的需求。在奉行防止污染的三级原则，即“减少使用、重复使用和循环利用”时，这些部门探索了管理页岩气井产出水方面的传统和创新方法。这些返排水目前是通过多重机制管理的，包括地下灌注、处理和排放，以及循环使用。
水平钻井和水力压裂的使用是页岩气开发不同于常规气体开采作业的区别所在。另一处区别在于压裂液的主要成分是大量的水。一口井的压裂工程通常在几天左右，沿水平井段的多个层区进行依次射孔和压裂作业，从井的末端(“脚趾”)开始沿水平段反向作业直到水平段的起点(“脚跟”)。单个井筒内可以同时进行25个或更多的压裂作业。每次压裂后，会用临时胶塞将泵入压裂液的层区和之前压裂的井段分隔开来，随后这些胶塞将在压裂液从井中返排前被去除 页岩气作业公司通过微地震监测，可以绘出压裂造成的微地震活动，揭示裂缝是如何从水平井段延伸出去以及它们是否会与邻近的平行井段的造缝发生相交 (图2)。
管理取水和披露压裂液成分的法规是涉及水力压裂的最普遍的法规。
3 取水
作业者和服务公司持续监测水力压裂增产作业以评估和记录作业过程中的各项活动。压裂增产过程中的各环节都受到严谨的监控，包括井口和井下压力、泵速和压裂液水泥浆的密度。监控者还会跟踪每一种添加剂和使用水的体积变化以确保设备的正常运作。
有数个州已就起草规章限制页岩气工业取水问题作出讨论，但是还没有一个州通过此类立法。然而，多数州都有一般性法规监管地表和地下水的汲取问题。有些州规定取水需要申请许可证，其它州则规定需要注册和通报，还有少数州要求这两项规定都要遵守。例如，俄亥俄州要求日均取水量超过100,000加仑(378.5吨)的必须注册和通报，但是并没有申请许可证的要求，除非日均取水量超过2,000,000加仑(7570吨)。除了要求申请许可证或是通报，有些州还有其它一些管理取水的法规。
3.1 压裂液信息披露
页岩增产压裂液的主要成分是水，但是也包括很多不同的添加剂。一个典型的压裂作业中所用到的化学添加剂数量取决于被压裂的井的具体条件。一个典型的压裂作业，视压裂用水和被压页岩地层的具体特点，一般使用3～12种不等低浓度的化学添加剂。每一个添加成分都服务于一个特定的、专门设计的目的。在页岩有利勘探区的压裂作业中，目前主要使用的液体为水基压裂液体，并和减阻剂(叫做滑溜水)混合使用。
作为旨在确保美国饮用水质量的主要联邦法，《安全饮用水法案 》授权美国环保局制定饮用水的质量标准。《安全饮用水法案》的一项关键内容就是要求环保局负责对于地下液体灌注的管理以保护地下的饮用水资源。在其各项规定中，《安全饮用水法》相关压裂液的规定是要求州政府监管部门做好“视察、监测、记录和报告”工作。2005年出台的《能源政策法案》明确将“依照水力压裂作业要求对地下灌注的各种液体和支撑剂(除柴油以外)”从《安全饮用水法》对于”地下灌注”的定义中去除。压裂液的信息披露自此变得颇有争议，因为环境组织(还有一些行业)要求州政府作出独立于联邦法的披露规定。很多州因此制定了或正在制定和水力压裂相关的公开披露法，包括怀俄明州、宾夕法尼亚州、阿肯色斯州、德克萨斯州、科罗拉多州、新墨西哥州、蒙大拿州、西弗吉尼亚州、爱达荷州和北达科多州。虽然这些法规的内容不同，但是它们的意图都在于向公众提供压裂井中所用化学制剂的信息[5]。此外，美国内政部也发布了法规草案要求披露联邦所属土地上所钻井中使用的压裂液成分，环保局也表示将依据《有毒物质控制法案》要求披露。
要求向监管部门和公众披露的细节程度在各州有所不同。并不是所有州都要求披露所有使用的化学制剂，而是将职业安全和健康局颁布的《材料安全数据表》中所要求披露的化学制剂作为默认标准。职业安全和健康局的《材料安全数据表》披露要求只针对存量达到或超过10,000磅(4536kg)以上的有害化学品。《材料安全数据表》不对列名材料的具体成分做记录。
有些州的规定中还授予了一些其它的免除权，包括对商业秘密免除披露。所有要求披露化学用剂的州对于被视为“保密商业信息”的商业秘密都有免除条款。有些州，诸如宾夕法尼亚州和阿肯色斯州，要求披露添加剂的用量和液体的浓度。
3.2 生产作业
一个井场上所有的井在完钻、完井(实施了水力压裂)并实施了生产准备(安装了井口装置、管道和地面设备并完成了返排)后，这些井就可以投入生产了。从一个井场上多口井中伴随天然气产出的还有水和烃(油或凝液)，它们将被分离并储存在井场上的储罐中，如图3所示。如果井场上有多口井，每口井可能都装有单独的计量仪表。
页岩气的生产阶段相比钻井和开发环节受到的州立监管较少[1]。这并不令人惊讶，因为生产阶段相比作业密集的钻井和压裂阶段，情况相对静止，无需太多维护。就生产井的环境风险而言，主要可能是钻井和压裂施工不当(或出现事故)而造成的，但是当然也有例外。生产井可能会产水，这就必须妥善处理。为了增产，也可能对井进行二次压裂，作业者必须遵守一次压裂必须遵守的同样州法。如有事故，无论该井是否投产都必须按照州法规定予以通报。
图3 典型的马赛勒斯井场分布图，具有多个邻近的采油树(A)以及井场生产处理设备，包括凝液储罐(B)(来源：美国能源部)
4 废水管理
页岩气井中完成水力压裂后将减少液压，让部分注入液体作为 “返排”水回到井筒，并采至地面加以处理、循环利用和/或作废弃处理。从井内汲取的这些液体事实上包含返排回来的水以及来自页岩地层的盐水，被统称为“产出”水。大多数压裂液在几小时到几周之内就返排了。在有些情况下，产出水中还带有压裂返排液的现象会在产气开始后持续几个月。在不同的盆地和页岩气有利勘探区，返排液中所含有的压裂作业用水和其它物质的占比在3%～80%之间不等。
促成页岩气经济可采的另一个技术关键就是水力压裂。水力压裂是一种对地层实施的增产措施，用于改善生产层的渗透率，使气体可以更好地流向井筒。水力压裂可以用来克服阻碍流体(气或水)流向井筒的天然屏障。这样的屏障可能包括页岩地层中的天然低渗层，或是由于附近井筒在钻井活动受损而导致渗透率降低。
3.提高就业技巧。就业技巧是影响迈进求职大门的首要因素，对就业技巧的学习，首先是要意识到其对就业的重要性；其次是寻找提供就业技巧的方法和途径；最后是有计划有目的的对自己进行训练。大学生可以通过就业培训课了解到就业技巧相关知识，或是通过观看求职类电视节目，观察和总结优秀的求职者在求职过程中的表现，对他们所运用到的就业技巧进行模仿学习。在掌握了一定就业技巧的相关知识之后，还应为自己创造模拟训练的机会。比如通过参加学校举办的“模拟招聘”、“面试竞赛”等活动，锻炼自己的就业技巧，使自己掌握这项重要的技能。
4.1 地下灌注
大多数返排液是通过地下灌注井作废弃处理的。返排液灌注是通过二类注井(只用于注入油气生产伴生的液体)操作的。负责管理返排液地下灌注的部门可以是美国环境保护局的地下灌注控制处 或是由环保局授权的州政府地下灌注控制处主要责任部门。
4.2 处理和排放
产出水可以通过在井场或是气田设立的独立体系、市政废水处理场或商业处理设施进行处理。如果州法或联邦法允许排污，必须加以严格的控制，通常要求州立或者联邦环境保护部门发放《国家污染物排放削减系统许可证》。
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4.3 循环利用
服务公司和作业者正在评估压裂液的再利用工程，以确定循环利用的水处理和配制要求。是否利用现场独立的处理设施以及采用的处理方法是否有实用性取决于流速和需要处理的总水量、需要去除的组成成分和浓度、处理目标以及管理水再利用或排放的要求。有些情况下，更实际的做法是对水进行处理使之达到能用于后续压裂作业或是其它工业用途的质量要求，而不是把排放到地面水域或是达到饮用水标准作为处理目标。
4.4 废水运输
废水如果没有在现场进行重复使用、循环利用或是作废弃处理，就必须运往其它地方以作处理，有时运输是依靠管道，但多数时候是用卡车运输。州立部门负责管理这类废水的运输并/或要求进行跟踪记录。一般而言，要求记录的内容包括作业者和运输者的名称、提取废水的日期和地点、处理设施的地点或运输的目的地、运输的液体类型和液量，以及处理的方式。
当月经量比较少的时候，比如在刚刚来月经的那天或者月经即将结束的时候，由于经血量比较少，混合的子宫内膜碎片比例就偏多。另外，比较少的月经流动性相对会差，当长时间坐、卧的时候，就会积聚在体内，没有流出。血液中含有含铁血红蛋白，其中的含铁血红素因为含有棕色色素，长时间没有流出的血液在被氧化后颜色就会变黑。所以当月经偏少的时候，月经血颜色会偏黑。所以有些人会觉得月经已经干净了，可还是会有点黑黑的分泌物，就是这个原因。
5 结语
随着开采技术不断进步，页岩气作为石油工业近年来十分热门的产品，对世界石油业界的景气产生重要影响。本文介绍了北美页岩气开发过程中水力压裂作业过程中的监管内容及压裂取水、废水处理等按照当地法律采取的做法，为国内业者提供参考。
参考文献：
[1] Wren, B., and Locke, S. Upgraded Rig Lighting Improves Night Time Visibility While Reducing Stray Light and the Threat to Dark Skies in West Texas. SPE 173492 .2015
[2] Veil, J.A. Drilling Waste Management: Past, Present, and Future. SPE 77388.2002
[3] Burnett, D.B., McDowell, J., Scott, J.B., and Dolan,C. Field Site Testing of Low Impact Oil Field Access Roads:Reducing the Environmental Footprint in Desert Ecosystems.SPE 142139.2011
[4] Burton Jr., G. A., Basu, N., Ellis, B.R. Kapo, K. E.Hydraulic “Fracking”: Are Surface Water Impacts An Ecological Concern? Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 33, No.8, August.2014
[5] U.S. EPA. 2016. Hydraulic Fracturing for Oil and Gas:Impacts from the Hydraulic Fracturing Water Cycle on Drinking Water Resources in the United States. U.S. Environmental Protection Agency.
作者简介： 刘付臣(1967-)，高级工程师，硕士，从事钻井液、压裂液和提高采收率方面的研究，毕业于西南石油大学油田化学专业。基金项目：国家重大科技专项“美国页岩气开发环保政策及企业对策研究”(2016ZX05040)资助。
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