页岩气开发环境及安全风险管控

仲如冰（中石化胜利油田采油工艺研究院）

页岩气开发环境及安全风险管控

仲如冰（中石化胜利油田采油工艺研究院）

页岩气是重要的天然气资源，由于页岩气藏的特殊性，其开采方式也同样具有特点，其中水平井和水力压裂技术是页岩气开发关键技术。在页岩气开发过程中，会对环境产生潜在的影响，包括用水量大、对地下水污染、对地层应力的影响、天然气泄漏、粉尘污染、化学剂污染以及对当地社区的影响等多方面。针对此介绍了相关的风险管控做法，以及相应的成功经验。主要包括了建立健全相关的法律，加强相关的风险评估力度，发展相关技术降低对环境的影响。

页岩气开发 环境及安全风险 管控政策 大气污染 水体污染

天然气是重要的清洁能源，但常规天然气资源随着不断的开发利用已变得有限，非常规天然气的开发越来越受到关注，其中页岩气发展速度最快。作为页岩气勘 探开 发的 先驱 ，美国在近 30年内 ，在技术研发、矿场开发和环境保护等方面已取得突破性的进展；在过去5年内，其页岩气产量增长了20倍，现在已成为世界第一大天然气生产国。我国四川盆地、塔里木盆地、准格尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地及渤海湾等区域均含有丰富的页岩气资 源 ， 预 计 可 采 储 量 约 为 30× 1012m3， 但 我 国 的 页岩气勘探开发才刚刚起步；虽然，近几年的勘探开发技术发展迅速，但在页岩气开发的环境及安全风险管控方面与世界先进水平相比还存在很大差距[1]。 本 文 系 统 介 绍 了 美 国 在 页 岩 气 开 发 的 环 境 及安 全 风 险 管 控 方 面 的 经 验 与 做 法[2]， 为 我 国 页 岩 气的安全开发提供参考和借鉴。

1 页岩气开发主要技术

大 部 分 页 岩 气 气 藏 埋 深 都 在 1800m 以 上 ， 而且 相 对 较 薄 （Marcellus 页 岩 气 气 藏 厚 度 只 有15～60m），这样只有通过在页岩气气藏打水平井才能有效开采。为了尽量减少对环境的影响，通常从同一钻井场向页岩气藏不同方向钻出多口井即丛式井，从而在一个井场开发更大范围的页岩气藏。

与常规气藏不同，页岩气气藏渗透率低，且气体分布在相互不连通的孔隙或缝隙中，一般需要通过水力压裂技术来连通这些孔隙，实现气体的流动。水力压裂向页岩气藏中高压注入约几千立方米的液体，其中 98%～99.5%的 水 和 支 撑 剂 （通 常 是 石英砂），其余的是一些化学剂，典型的药剂包括酸、杀菌剂、防腐剂、防垢剂、凝胶、支撑剂、减阻剂等。在高压下，压裂液通过射孔挤入页岩气藏，将孔隙和裂缝联通，为页岩气流到井筒开通了通道。当压裂完成后，支撑剂滞留在缝隙，保持缝隙张开状态，压裂液通过井筒返排地面。每次最大可 压 裂 300m 水 平 段 ， 每 口 井 要 分 段 进 行 多 次 压裂。当水力压裂完成后，液体将立即从井中返排到地面，返排液中不仅含有压裂液中各种化学剂，还含有从页岩气藏中带出的烃类、盐类、矿物质及一些具有天然放射性物质 （NORM） 等。先返排出的液体与压裂液化学性质相似，后返排的液体与页岩气藏的化学性质相似。多数情况下，返排液可重新用于压裂液，不能重复利用的返排液需要经过处理后排放；然而，过去处理方式很不妥当，有的直接注入到地表水，有的弃置于污水处理厂，而现在更多的处理方式是在美国环保署统一协调下，作为油田回注水回注到油气藏，以确保其与地表饮用水源分开。

除水力压裂外，页岩气生产还包括许多过程，这些过程均对环境有着潜在的影响作用，除了水力压裂过程，还包括道路井场建设、钻井、固井、射孔、水力压裂、完井、生产、弃井和重新使用等过程。

2 页岩气开发潜在的环境与安全风险

页岩气的开发对环境产生潜在的影响，包括对气候、空气质量、水源及当地社区的影响等多方面。

2.1温室气体的排放

天然气作为低碳燃料而被推崇，因为与煤和石油燃料相比，天然气在燃烧时产生非常少的CO2外排 。 然 而 ， 天 然 气 的 主 要 成 份 甲 烷 （CH4）， 其 本 身就 是 很 强 的 温 室 气 体 。 2011 年 ， 美 国 环 保 署（EPA）公 布 的 美 国 天 然 工 业 泄 漏 的 CH4量 翻 了 一倍。页岩气生产一个主要泄漏 CH4的过程 是气井 的建设。页岩气生产前需要进行压裂液返排，气体从返排水中逸出，进入空气。生产一段时间后，页岩气气井需要进行作业以提高产量，通常是重复压裂，如果这个过程不进行控制，又有 大量的 CH4泄漏 。EPA 形 成 了 一 个 天 然 气 STAR 计 划 的 实 施 组织，公司和政府共同合作降低 CH4的泄漏 。该计 划通过燃烧和在作业中控制 CH4泄漏 的措施 ，已减 少了 50%的 CH4泄漏。用目前估计的 泄 漏 率 来 计 算 ，100 年 内 ， 天 然 气 CH4的 泄 漏 将 会 构 成 温 室 气 体 总体的 15%，而使用天然气的好处还是显而易见的。例如，许多研究表明，发电厂使用天然气与使用煤相比可减少 30%～50%的温室气体排放；一些轻型车辆使用天然气，与使用汽油相比减少 10%的温室气体排放。

2.2对空气的污染

页岩气的生产活动会引起严重的空气污染，在快速发展的气田地区，会引起空气质量下降，除了排放温室气体外，天然气泄漏还会释放出挥发性有机化 合物 （VOC）、有毒的空气污染物 （HAP），如苯。氮氧化物也是另一类污染物，在钻井、水力压裂和天然气压缩过程中，一般都是依靠大型内燃机提供动力，这会产生这类污染物。

美国几个州调查结果表明，石油和天然气生产过程释放的物质是当地空气重要的污染源（其中有48%的 VOC、18%的 NOx和 15% 的 苯 类）， 页 岩 气的生产可能导致本地区的臭氧和HAP水平的升高。但这些向大气中排放的物质对环境的影响也有许多不确定因素，所以，需要更精细的模型来模拟解释工业生产向大气中排放的物质对当地空气质量的影响程度。另外，已发现在生产区附近排放的苯类物质在空气中含量升高，但浓度还不致影响健康，目前还不清楚HAP的排放对人类健康如何影响，需要进一步研究。另一个空气污染的问题就是结晶硅石粉尘，主要来源于压裂使用的石英砂支撑剂。粉尘产生于石英砂的生产、运输、现场压裂液的配制等过程。粉尘被吸入体内，粒径小于4μm的属于HAP和致癌物。除了增加肺癌风险外，暴露在粉尘中还会引起硅肺病。最近，美国国家职业健康与安全 研 究 所 （NIOSH）在 5 个 州 11 个 压 裂 现 场 进 行 调研分析，79%现场空气样品中的硅石粉尘超标，31%超标10倍或更高。说明现场的防护不够，需要加强。

2.3消耗水量

页岩气开发过程中有几个阶段需要用大量的水 ， 主 要 是 压 裂 ，1口 井 压 裂 用 水 量 可 达 （1～2.5）× 104m3。 钻 井 完 井 过 程 1 口 井 也 需 要 800～1500m3水 。 压 裂 后 的 井 前 10 天 要 返 排 5%～20%的压 裂 液 。 另 外 ， 相 当 于 注 入 体 积 的 10%甚 至 到300% 体 积 的 水 在 整 个 生 产 过 程 中 返 回 地 面 。Marcellus气 田 可 循 环 利 用 95%的 返 排 液 ， 而 Barnett和 Fayetteville 气 田 只 能 循 环 利 用 20%的 返 排 液 ； 所以，水的利用管理各气田情况不同，需要看水的数量、质量、来源的充分性及成本等因素而定。假设1口 页 岩 气 井 生 产 周 期 30年 ， 压 裂 3次 ， 预 计 用 水（3～7）×104m3以上。

当天然气开采出来以后，其处理、运输、分销直到最后被使用等过程都有水消耗，在这过程中非生产用水量相当大。如果天然气用于车辆，就需要被压缩，这个过程需要电动压缩机，而压缩1加仑汽 油 当 量 （GGE）的 天 然 气 ， 其 用 电 需 要 消 耗 水2.7～3.6lm3。King 和 Webber（2011）研 究 表 明 ， 从生产到消耗总体计算，车辆使用天然气消耗水量约为 4.5～11.4lm3/GGE。 为 了 便 于 比 较 ， 列 出 以 下值：车辆使用常规天然气时，其消耗水量约为4～51m3/GGE； 使 用 汽 油 时 消 耗 水 量 约 为 12～301m3/ GGE；使 用玉 米乙 醇时 ，消 耗水 量约 为 120～1600 m3/GGE。

2.4对水质的影响

在水力压 裂过程中 CH4或压裂 液可能污染 饮用水。压裂液可能在地下从井筒直接渗漏污染饮用水，也可能处理不当或因事故导致压裂液渗漏到地表水体。由于页岩气藏埋藏很深，所以气藏中的液体不太可能通过缝隙穿过上千米的气藏盖层流到地表 饮 用 水 体 。 EPA 对 Pavillion 和 Wyoming 的 气 田 调查结果表明，较浅的页岩气藏有可能出现这种问题， 有些地 方气藏 与 饮用水 源之间 隔层只 有 120m。对于较深的气藏，可能因井筒破损导致污染的发生，如果固井不好，CH4气可能从气藏渗漏到较浅的水体，并溶解于饮用水。

2.5对当地社区的影响

油气生产是一工业过程，和其他工业活动一样，不可避免对当地环境产生影响。这个过程需要动用重型设备，成百上千的卡车运输给当地路面带来巨大的压力。钻井和压裂使用大型设备还会产生噪音污染等。

3 降低对环境影响的策略和做法

一些很大的页岩气田所在的区块以前没有油气开发的经历，这引起两方面挑战：管理和公共接受情况。下面列出一些较好的实施措施，包括通过技术来降低向空气中的排放，通过循环使用返排液减少淡水的使用，降低废水的处理量。

3.1温室气体的排放和当地空气的污染

为了防止 CH4泄漏到 空气，过去 的做法是直 接燃烧，包括将返排液排入坑内或罐内，收集释放出的 CH4也直接燃烧。这种做法的一 个好处 就是燃 烧CH4产 生 的 CO2比 直 接 排 放 CH4可 减 少 90%温 室 气体 ； 同 时 ，燃烧 可 大 幅 度 降 低 VOC及 HAP， 有 利于 空 气 质 量 ， 但 同 时 也 产 生 了 N2O 和 CO 等 有 害物。尽管燃烧能降低一些有害物的释放，但同时也损失有价值的天然气。最近发展起来的一项“绿色完井技术”（REC技术）可减少天然气的漏失，该技术可以在完井和作业过程中收集分离天然气。REC技术装备轻便，可从返排液中收集天然气，返排的混合物通过一个砂体捕捉器，这是一个三相分离器，可从天然气中分离出液体天然气和水，然后天然气可进入商业管线进行分销。即使天然气价格很低，REC技术的使用也是高效的。

自然资源保护委员会估计，90%天然气的漏失可以回收。另外，为了在人口稠密地区的井场进一步降低向空气中排放的影响，可用电力代替内燃机。还有许多途径可以降低向空气中排放的影响和避免暴露于粉尘的影响，包括产品替代、工程控制、提高个人防护装备。例如，使用毒性小一些的无硅粉尘支撑剂（陶瓷支撑剂），更改装备减少粉尘散发，增加粉尘压缩与控制措施；减少人员，缩短人员在高浓度粉尘中的暴露时间；加强培训，使用更高效的呼吸防护装备。2012年，美国国家职业健 康 与 安 全 署 及 其 研 究 所 （NIOSH）要 求 缩 短 人 员在高浓度粉尘中的暴露时间。

3.2水量与水质

现场操作者将越来越多的返排液循环使用，这种做法有两方面好处，首先减少了淡水的需求，其次是减少了要求处理的污水总量。实际操作时，影响循环使用的水量有多方面因素，包括各气田的具体地质情况、淡水的供应情况、外排污水处理的成本情况及污水的数量与质量。用于循环使用的污水处理工艺很多，简单方法有沉淀与过滤，成本较高的方法有反渗透或热法处理来降低其盐度或矿物组分。2012年，技术上也在探索不用水的压裂，而改用丙烷胶和石英砂压裂，丙烷胶来源于液体天然气（NGL）或 原油源 天然 气 （LPG），压裂 后， 丙烷胶会气化随天然气一起产出而重新收集。

3.3对社区的影响

在页岩气开发过程中，对环境短期和长期影响的公共协商是非常必要的，每个社区都有其独特性，一个简单的协议不可能适合所有的情况，有几种做法可以缓解这方面问题。目前有一个趋势就是“井工厂”的应用，即在同一个井场钻多口井，这样可以减少页岩气开发过程对周围环境的影响。使用 声 音 屏 障 将 噪 音 污 染 降 低 到 65dB 以 下 。 除 了GHG和空气污染得到控制外，REC技术的使用可以不 再 使 用 火 炬 燃 烧 ， 避 免 20ft（1ft=30.5cm）高 火焰带来的光污染。经营方与当地社区还可在多方面达成协议，如限定重型卡车通过学校或居民区的时间。

4 美国页岩气开发风险管控的相关政策

在页岩气开发初期，美国并未对页岩气采取特殊的环境监管，只需遵循常规天然气的相关要求。适用的法律包括 《美国联邦环境法》、《清洁水法案》、《安全饮用水法》、《资源保护和恢复法》、《清洁空气法》等。随着页岩气开采规模的扩大，引起了对开采带来的环境问题的争论，美国对页岩气的环境监管开始趋严，通过修改法律关闭了著名的“哈里伯顿漏洞”，允许环境保护局依据《安全饮用水法》监督页岩气开采活动。

4.1联邦政府的相关规定

国家内政部所属的陆地管理署 （BLM）建议草拟在公共陆地进行油气生产的相关规定，要求地下水保护条例中公开水力压裂所使用的化学剂成分（2012），规定要求经营者在水力压裂之前提交作业计划，由 BLM根据当地地质情况来评估其对地下水保护的设计、审核其对地表的预期影响，批准提交的管理及返排水的处理。另外，经营者还要在生产之前、过程之中和最后分别向BLM提供确保井筒完善稳定的必要信息。水力压裂之前，作业方应检查所用的液体是否符合联邦、州和地方法规的允许；压裂完成之后，应提交压裂施工总结报告，包括施工各环节实施情况和明确所用压裂液的化学剂组成。

EPA除了执行在 《安全饮用水法》 下的管理条例， 还正在 探索在 《毒性 物质控 制法》（TSCA）下加入新的规定条例的可能性，来规范水力压裂液的配 方 （2011）。EPA 也 执 行 《清 洁 空 气 法》 来 管 理压裂过程对空气的污染。2012年4月 17日，EPA公布了新的资源开发标准和油气开发过程中对向大气中排放有毒污染物的国家标准，该标准中包括了第一个针对气井的水力压裂的联邦空气标准，以及对目前在联邦层面上还没有形成规定的油气工业其他的 污 染 源 的 要 求 。 这 些 规 定 要 求 ， 在 2015年 1月 1日前，所有的天然气井均可使用火炬和REC技术来减 少 向 大 气 中 排 放 CH4， 而 在 此 之 后 ， 只 能 使 用REC技术。这些规定的实施，有望使水力压裂的气井减少向大气中排放VOC约95%，同时减少天燃气工 业 总 VOC、HAP 和 CH4向 大 气 中 排放量约 10%。

4.2各州的相关规定

EPA没有强行规定要求页岩气开发者公开其水力压裂液的化学成分，但各州鼓励或要求其公开。2010年，Wyoming州第一个要求各公司公开水力压裂液的化学成分，但这个要求不包括其商业及行业秘密。由于有这个豁免，相关技术公司列出了 150种 不 同 的 化 学 剂 要 求 受 保 护 不 公 开 （2012）。 随后，州法律试图保护这些商业秘密，同时增加其他内 容 的 公 开 。Texas州 要 求 公 开 的 法 律 于 2012 年 2月1日生效，要求公开的内容在政府压裂网站上展示，内容包括用水总量、化学添加剂等。另外，至少还有4个州也要求相关公司在政府压裂网站上公开，其他州也鼓励这种做法。

Colorado 州 要 求 公 开 的 法 律 最 严 厉 ， 要 求 列 出所有的化学剂及使用浓度，为了保护商业秘密，采取了只列出使用化学剂的化学剂组分及浓度，而不列出压裂液配方，这样就可以不泄漏其产品中特殊的 化 学 剂 及 使 用 量 。 Pennsylvania 州 就 有 规 定 限 制生产过程中排出水的总固体溶解量，防止在采取回注地层处理这些水时，渗漏到地表水体。Texas州执 行 所 有 油 气 井 结 构 的 管 理 规 定 。 Pennsylvania 州由于水力压裂发展迅速，规定所有的钻井必须执行更加严格的井结构标准，要求有套压测试、套管外环 压 最 低 值 、 季 度 检 查 和 年 度 报 告 。 Pennsylvania州要求还包括对已报告的天然气向地表水体运移情况要进行跟踪分析。另外，钻井公司被要求提交计划以确保使用的套管和水泥符合要求。因存在一些不确定因素或公众的反对，以及水力压裂对健康的潜在影响，有几个州采取暂缓或中止程序，2010年，NewYork 州就启动了暂缓程序，虽然已制定了严 格 的 页 岩 气 开 发 的 管 理 规 定 。 2011 年 3 月 ，Maryland 州 也 启 动 了 实 际 上 2 年 的 暂 缓 程 序 ， 以 容出时间完成对水力压裂的研究。

4.3地方的相关规定

NewYork 州 和 Pennsylvania 州 及 其 他 州 的 有 些地方政府，通过地方条文禁止实施水力压裂工艺。NewYork 州的联 邦高级 法院也 多次确 立禁止 条例。Pennsylvania 州 的 地 方 政 府 以 前 是 通 过 噪 音 标 准 和其他规定来限制实施水力压裂工艺，现在有了一个新的州法 律 代 替 了 以 前 的 规 定 ， 并 于 2012年 4月14日生效。有些城市没有限制页岩气的开发，但也要求 尽 量 减 少 对 健 康 和 环 境 的 影 响 ， 如 FortWorth 、Southlake 和 Texas 要 求 所 有 天 然 气 井 使 用 REC技术。

4.4DOE的能源部长咨询部的建议

美 国 DOE 的能源部 长 咨 询 部 （SEAB）下 属 的页 岩 气 开 发 分 会 ， 在 其 2011年 11月 18日 发 布 的 最后报告中给出许多有关页岩气开发建议，要求立即执行的建议包括：召集联邦各部门之间在数据采集和页岩气开发对环境潜在的影响相关政策制定等方面进行沟通与协调；优先的采集数据包括收集向大气中泄漏数据，分析页岩气的 GHG足迹；调查天然气向地表水体运移的可能性。该分会也建议降低页岩气开发对环境的潜在影响所采取的步骤，包括禁止在水力压裂液中使用柴油，公开压裂液中的化学剂成分，使用可靠的技术减少向大气中排放，还包括提高页岩气开发相关信息的公共透明度。

5 结论

我 国 页 岩 气 开 发 已 经 启 动 ， 预 计 2015 年 以前，形成 规 模 产 量 ， 至 2020 年 有 望 实 现 规 模 开 发利用。但这项资源的开发对环境有着潜在的风险，包括在完井和生产过程中有温室效应气体排放，影响当地的空气质量；水力压裂会产生返排液；返排液的回注不当可诱导地震，一些设计和完井不善的井可能泄漏液体，以及返排水处理不当等，会影响地表水的水质；页岩气开发过程也给社区带来噪音和光的污染。尽管美国经历了长期的页岩气开发过程，但对这些风险的科学评估还正在进行之中。我国在发展页岩气开发技术的同时，应该加强两方面工作，一是加强相关风险的评估，二是发展相关技术降低对环境的影响，重点包括：REC技术，以减少向大气中的排放；返排液的循环利用技术，可减少淡水的使用量，降低废水的处理成本；井工厂技术，降低占地面积，同时对地下水进行跟踪监测，以确保页岩气开发的环境保护。

[1] CHEN Shangbinl,ZHU Yanmin,WANG Hongyan,et al. ResearchstatusandtrendsofshalegasinChina[J].ActaPetroleiSinica,2010,31(4):689-694.

[2]ClarkC,BurnhamA,HartoC,etal.HydraulicFracturingandShaleGasProduction:Technology,Impacts,andPolicy（R）.U.S.EnvironmentalScience Division,ArgonneNationalLaboratory,2012.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.013

2013-07-18）

仲如冰，高级工程师，2002年毕业于中国石油大学 （油气 田 开 发 专 业）， 从 事 油 气 开 发 的 HSE 管 理 与 规 划 研 究 ， E-mail：greensky1123@163.com， 地 址 ： 山 东 省 东 营 市 西 三 路 306 号 胜 利 油田采油工艺研究院，257000。