文|吕连宏、张型芳、庞卫科、王健、罗宏
中国环境科学研究院
近年来，中国大气污染防治形势十分严峻，严重污染的灰霾天气频发，以煤炭为主的能源消费结构是形成大气污染的重要原因。提高天然气的供应能力，是中国优化能源消费结构，减少大气污染物排放，大力推行清洁低碳发展战略的重要手段。虽然中国天然气消费量和进口量都在持续快速上涨，但天然气占一次能源消费量的比重仅为5.9%，与世界平均水平差距仍然较大。
页岩气是一种重要的非常规天然气，大力开发页岩气符合中国能源的发展趋势。中国的页岩气资源总体比较丰富，已成为北美之外第一个实现页岩气规模化商业开发的国家。2016 年9 月14 日，中华人民共和国国家能源局正式印发了《页岩气发展规划（2016—2020 年）》（以下简称《规划》），提出大幅增加页岩气产量。页岩气的大规模开发会造成水资源消耗、水环境污染、温室气体排放、生态破坏等直接不利环境影响，但在其替代煤炭利用过程中也能产生优化能源消费结构、减排大气污染物和温室气体等间接有利环境影响。为此，笔者应用定性与定量结合的方法研究《规划》的实施对环境的主要有利与不利影响，以期为强化页岩气开发利用的环境保护工作提供参考。
1规划实施的不利影响
1.1 水资源消耗量
水平钻井和多级水力压裂技术是目前页岩气开发的主流技术。水力压裂决定了开发的成功与否以及后期页岩气产量。在可以预见的将来，中国的页岩气开发离不开水力压裂法和水资源的大量运用。大量水资源的消耗是页岩气开发中最具争议的一个环境问题，其中水力压裂是开采过程中消耗水资源最多的工艺环节，影响用水量的因素包括井深、水平井段长、压裂段数、地质特征以及压裂液等。
从目前有关页岩气开发对水资源消耗的研究成果来看，页岩气田水平井的耗水量差异较大，单井耗水量从最低的0.67×104 m3到最高的3.3×104 m3不等。根据美国能源部的统计，页岩气田每一口钻井的平均用水量为1×104～1.5×104 m3，其中水力压裂用水占73%～98%。从美国和加拿大官方及民间的统计数据来看，页岩气开采的耗水量占当地总耗水量的比重很小。据测算，在加拿大魁北克省不到1L 水和约5mL 的添加物制成的裂解液就可以生产出可供一个家庭使用一天的页岩气。
美国Chesapeake公司将页岩气与其他能源生产中的用水量进行了对比，生产单位页岩气能源的用水量仅为0.84～3.32 gal/mmBtu（1gal＝4.546 L， 1 mmBtu＝10.54×108 J），即每生产1×108 m3 页岩气耗水12765～50455 m3（按页岩气热值35 544 kJ/m3换算，下同），与生产常规天然气的耗水量基本相当，远低于常规原油生产的耗水量。如果考虑到运输过程，生产单位页岩气的用水量将增加到2.84～5.32 gal/ mmBtu，即每生产1×108 m3 页岩气耗水43160～80849 m3。
按照《规划》提出的目标，2020年、2030年中国页岩气产量分别将达到300×108 m3、1 000×108 m3。以Chesapeake 公司数据进行估算，开采过程需要的水资源量为383.0×104～1513.7×104 m3、1276.5×104～5045.5×104 m3，开采与运输过程合并考虑时需要的水资源量是1294.8×104～2425.5×104 m3、4316.0×104～8084.9×104 m3，这与2014年全国生活用水量766.6×108m3 相比是很小的。
通常条件下，页岩气埋藏条件越复杂、深度越深，耗水量也越大。与美国相比，中国页岩气地质条件更为复杂，储层埋藏较深，开采难度更大，同时中国对于返排液的利用率尚比较低，在开发页岩气的过程中可能比美国要消耗更多的水资源。中国近期页岩气开采重点区域为人口密度较大的四川盆地区域，在相对缺水的地区开发页岩气，可能会在短时间内挤占当地农业用水和居民生活用水。
总体上看，页岩气生产的阶段性用水强度很大，若同时进行压裂的矿井较多而返排水回用不足时，可能出现短期的供水紧张，但持续时间不长。由于页岩气井的持续生产寿命较长，页岩气生产对用水资源总量的要求并不高。
1.2 温室气体排放
页岩气的主要成分是烷烃，其中CH4占绝大多数，另有少量的C2H6、C3H8和C4H10，此外还含有H2S、CO2、N2、水气以及微量的惰性气体。CH4 已经被IPCC（Intergovernmental Panel on ClimateChange，联合国政府间气候变化专门委员会）列为仅次于CO2 的短寿命非CO2 气候强迫因子，它对于温室效应的作用在100 年范围内是CO2 的25倍，在20年的范围内是CO2 的72 倍。因此在页岩气开发利用过程中加强对CH4 的逃逸控制是降低其环境影响的重要措施。
页岩气开发利用各阶段的CH4 排放率（CH4 排放量与产气量的比率）是近年来颇受关注的研究领域，从全生命周期来看，CH4 排放主要是在钻井和完井过程，井场生产过程，加工、存储、运输、分配和终端燃烧过程。完井过程的CH4 排放是开发过程中CH4 的最大排放源，大量CH4 气体伴随返排液返回到地面，排放量占到开发生命周期排放量的24.1%～ 52.8%。Howarth 等[28] 首次比较完整地给出了页岩气开发与储运各阶段的CH4排放率，认为页岩气完井阶段CH4的排放率几乎是常规天然气的190倍，从开采与储运过程估算页岩气井的CH4排放总量占产气量的3.6%～7.9%，而常规天然气开发的CH4排放总量仅占产气量的1.7%～6.0%。受调查样本、监测技术、开采条件、基础数据等多种因素的影响，不同学者对页岩气开发过程中CH4 排放率的研究结果差异较大，综合这些不同研究结论，页岩气开发与储运过程中的CH4 排放率大约是3.26%。
按照《规划》确定的2020 年、2030年页岩气产量达300×108 m3、1 000×108 m3 的目标，以页岩气开发与储运过程的CH4 排放率3.26%、CH4 密度0.716 kg/m3 估算，2020 年、2030 年中国页岩气开发与储运过程中的CH4 排放量分别为9.78×108 m3、32.6×108 m3，合1 750×104 t CO2当量、5 835×104 t CO2 当量。根据世界银行的数据，中国2012年的CH4 排放量是175 229×104 t CO2当量，若顺利实现《规划》提出的产能目标，2020、2030年中国页岩气开发与储运过程中的CH4排放量只占2012年总体排放量的1.0%、3.3%。因页岩气开发和储运而直接增加的CH4排放量相对于全国温室气体排放总量来说是很小的，不会造成排放总量的显著增加，同时利用页岩气替代煤炭也可以抵消部分温室气体排放量。
1.3 水环境污染
水力压裂技术中使用的压裂液及完井过程中产生的返排液是页岩气开发过程中水环境污染的主要来源。页岩气开发过程中对水环境污染的途径主要有：①游离气和压裂液从地下页岩储层通过某些裂缝或联通道路向地下含水层的渗漏污染；②游离气和钻井液、压裂液在水泥固井、完井过程中，由于某种操作失当而向周围储层的泄露污染；③返排液回流后外运到处理厂之后未充分处理即排放产生的污染；④返排液回流后外运并注入地下废弃油气井过程中的泄漏污染。
水力压裂液是由水、支撑剂和化学添加剂混合而成，化学添加剂包含超过750种化学物质，根据不同矿区的特征，化学物质数量、类型和浓度有所不同。压裂液中化学物质的毒性存在较大争议，如美国页岩气开发常用的81种化学添加剂中有55 种属于有机物，其中只有27 种有机物可生物降解， 乙醇、萘、二乙醇胺、乙醛、硫脲等均为已经被确认的或怀疑的致癌物。国内使用的压裂液中，国外和自主研发配方兼有，但由于中国尚未实施压裂液成分强制披露政策，各生产商均对压裂液成分保密。
目前美国已知1例在浅层地下水中检测到压裂液成分的事故，可能的泄漏原因包括：储水池泄漏，天然气井完井、固井不完善，压裂施工层位和最深的居民水井水源层之间缺乏足够的垂向封隔。中国的页岩气开发还处于起步阶段，必须不断提高设备的可靠性和制订完善的监测计划来保证压裂施工整个过程的安全性。
水力压裂作业后，体积占注入压裂液60%～80% 的返排液逐渐返排至地表，个别地区地层中可能含水导致返排液明显多于压裂液。返排液中除含有压裂液中的化学添加剂，还含有一定量的烃类化合物、重金属和水溶性盐类等。其中水溶性盐类主要包括Ca2+、K+、Na+ 和CO32-。返排液具有产生量大、高COD、高TSS、高TDS、难生物降解和成分复杂等特点，如不采取有效处理方式加以处理，容易对土壤、地表水、地下水甚至人类健康造成影响。
目前返排液主要有深井回注、处理后外排和处理后回用3种处置方式。美国页岩气的勘探开发较早，其返排液处理方法主要是重复利用，如美国Marcellus 页岩矿通过回收与循环利用方法将80% 的返排液进行了重复利用。
国内主要采用的处置方法是深井回注和重复利用，但深井回注的处理方式与《中华人民共和国环境保护法》中禁止“通过暗管、渗井、渗坑、灌注或者篡改、伪造监测数据，或者不正常运行防治污染设施等逃避监管的方式违法排放污染物的”条款是矛盾的。无论从成本还是从环保考虑，返排液的重复利用都是页岩气开采技术发展的趋势，国内已加大返排液处理技术研究和应用的力度，但总体上仍处于起步阶段。
页岩气开采对区域水环境的影响已经引起了广泛研究与探讨，部分污染物已经有相关研究证实了其与页岩气开发存在着直接或间接关系，而有些污染物仍然缺乏确凿的信息证明其是由页岩气开发引起。以美国为例，2001—2011年间完钻页岩气井数超过20000口，多数环境评估良好。中国在页岩气井开发利用过程中，必须加强压裂过程中的监管以及返排液的处理，力求将其对水环境质量的影响降低到最小的程度。
1.4 生态破坏
油气田开发是网状布局，单个井的点状分布、群井的面状分布性质会对开发区的多种生态系统造成干扰。最明显的生态破坏主要包括占用土地特别是耕地、破坏地表地貌形态、诱发土壤侵蚀和土壤荒漠化、改变天然植被类型或破坏植被、改变地表径流、影响野生动物栖息环境、减少物种多样性、破坏自然生态平衡、阻碍生态系统的正常演替等。页岩气的开发过程还需要挖掘水力压裂液储蓄池，布置大型水力压裂设备，使得土地扰动面积远大于常规油气藏的钻井井场。
根据《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选报告》数据显示，上扬子及滇黔桂区页岩气地质资源潜力占全国总量的46%，是资源最为富集的区域，四川盆地及周边地区也是重点开发区域。这些地区人口密度大，滑坡、泥石流等地质灾害常有发生，植被破坏严重，水土流失严重，石漠化显著，生态敏感性很高，任何因子受影响程度一旦超过阈值，整体生态系统将受到严重破坏，恢复难度非常大，在开发过程中必须做好生态保护与恢复工作。
2《规划》实施的有利影响
2.1 优化能源消费结构
根据《能源发展战略行动计划（2014—2020 年）》提出的2020 年诸多能源发展控制目标，包括：一次能源消费总量控制在48×108 tce（1 tce＝292.71 GJ，下同）、煤炭消费总量控制在42×108 t、能源自给能力保持在85%、天然气消费量比重达10% 以上、年产常规天然气1850×108m3、煤炭消费量比重控制在62% 以内等。根据以上目标，预计2020 年中国天然气消费总量约为3 952.9×108 m3，相对于规划产能来看，仅通过开发利用常规天然气是远远不能满足社会经济发展需要的。
实现页岩气规划目标产能后，到2020年中国可稳定提供天然气产品300×108 m3，合0.36×108 tce，占2020年中国天然气消费量和能源总量的比重分别为7.59% 和0.75%。页岩气的开发对满足中国日益增长的天然气资源需求是很好的补充，对于优化中国能源消费结构具有显著的作用。
2.2 减少能源利用过程中的大气污染物和温室气体排放
在中国约40×108t 煤炭消费中，仅有一半的煤炭是电力行业的集约利用，远低于欧美日等发达国家的90%以上。每年大约有7×108 t 的燃煤消耗用于工业小锅炉、小窑炉、居民生活等方面，相对于燃煤电厂的集中排放、高空排放，散煤污染更严重，这部分污染分散度大、低空污染，排放无序、无组织性，很难控制，对城市及其所处周边的污染贡献很大，对人体健康和安全的影响更为直接。
实现页岩气规划目标产能后，到2020 年和2030 年可提供天然气产品300×108m3 和1000×108m3，可替代终端消费散烧煤炭分别为0.5×108 t 和1.68×108 t，2020 年实现年减排SO2、NOx、PM 和CO2 分别达35.11×104 t、6.59×104 t、67.14×104 t 和6952.63×104 t，2030 年实现年减排SO2、NOx、PM 和CO2 分别达118.02×104 t、 22.18×104 t、225.6×104 t 和3.866277×108 t，能源利用过程中产生的大气污染物和温室气体减排效应显著。
3 结论与建议
3.1 结论
1）实施《页岩气发展规划（2016—2020年）》可能会造成水资源消耗、水环境污染、能源生产过程中温室气体排放和生态破坏等不利环境影响；同时也可以产生优化能源消费结构，减少能源使用过程中大气污染物和温室气体排放等有利影响，对于推动中国实现能源生产与消费革命具有重要的意义。
2）《规划》实施后，中国2020年、2030 年页岩气开采与储运全过程需要的水资源量是1294.8×104～2425.5×104 m3、4316.0×104～8084.9×104 m3， 这与2014 年全国生活用水量766.6×108 m3相比是很小的，但在相对缺水的地区进行页岩气大规模开发可能会在短时间内影响当地农业用水和居民生活用水。
3）《规划》实施后，中国2020年、2030 年页岩气开发与储运全过程中的CH4排放量将分别达9.78×108 m3、32.6×108 m3， 占全国2012 年CH4 排放总量的1.0%、3.3%，增加的直接排放量不会造成排放总量的显著增加。
4）《规划》实施后，2020年可稳定提供天然气产品300×108 m3，占2020 年中国天然气消费量和能源总量的比重分别为7.59% 和0.75%，对天然气资源需求是很好的补充。
5）《规划》实施后，按照替代终端消费散烧煤炭估算，2020年实现年减排SO2、NOx、PM 和CO2 分别达35.11×104 t、6.59×104 t、67.14×104 t 和6 952.63×104 t，2030 年实现年减排SO2、NOx、PM 和CO2 分别达118.02×104 t、22.18×104 t、225.6×104 t 和3.866277×108 t，能源利用过程中产生的大气污染物和温室气体减排效果显著。
3.2 建议
1）完善页岩气环境管理制度。尽快制订实施页岩气开采污染防治技术政策、页岩气开采污染物排放标准和环境影响评价技术导则等政策，建立压裂液配方与环境风险强制披露制度，为规范页岩气开发全过程环境管理提供支撑。
2）攻关环境友好开采技术。针对水力压裂技术存在的水资源消耗与水环境污染问题，研发返排液处理回用技术，不断降低水力压裂技术的新鲜水耗；研发环境友好型压裂液配方，降低压裂液环境风险； 研发突破无水压裂等新型页岩气开采关键技术，减少CH4 气体逃逸，降低水环境影响。
3）开展环境背景值调查工作。对于尚未规模开发的页岩气区块，细化开发前各环境要素的背景值监测调查工作，加强开发过程中的环境监测，以便于准确区分页岩气开发造成的环境影响程度。（来源：《天然气工业》，2017 年 3 月）
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