中国水环境能否支撑页岩气开采的重压

工作。与中国的“页岩气热”不同的是，同样依赖国外油气资源的大部分欧洲国家并没有足够的热情开发本国的页岩气资源。除英国外，拥有技术和资金优势的西欧国家反而在公民抗议声中明令禁止页岩气的开发。

欧洲国家所担忧的是页岩油气资源开发中可能产生的水资源污染以及诱发性地震隐患。欧洲环保人士认为，与美国相比欧洲的人口更加密集，一旦发生饮用水污染和地震将会造成比在美国更大的危害。欧洲的担忧并非捕风捉影。虽然美国有一整套环境监管体系，但是仍无法避免本国水资源受到页岩油气资源开发的负面影响。此外，美国的地质学家也正在试图进一步研究压裂液污水注入地下深井与诱发性地震之间的联系。

水从哪里来？

页岩油气的生产离不开水力压裂法的支持。生产企业需要从地面通过高压泵向地下灌入掺有化学物质的水，让水压将页岩层压出裂缝，并且使裂缝不断扩大。与此同时压裂液中的沙粒或者陶粒将支撑已经形成的裂缝，使其不致闭合。压裂之后页岩气的产量会骤增，然后快速衰减。为了充分提升气井的产量，生产企业可能会对同一口井进行多次压裂作业。

除了个别美国企业在测试使用液化石油气和液态二氧化碳代替水进行压裂作业之外，水力压裂法是让页岩气和页岩油商业化开发的唯一技术手段，因此水资源的获取、利用和处理也就成为页岩气开发活动中贯穿始终的重要话题。

从开发的阶段上来划分，页岩油气开发中的水资源管理问题涉及钻井和压裂阶段水资源的获取和利用，以及压裂完成阶段污水的收集和处理两个阶段。

在第一个阶段，生产企业面临的最大问题就是水从哪里来？生产企业需要获取大量的水用于钻井和压裂。水是钻井液和压裂液的重要组成部分，其中压裂阶段用水量占到整个生产流程总用水量的95%左右。北美地区的开发经验表明，页岩油和页岩气的生产单位能源耗水量分别与常规原油和天然气生产相当，但是阶段性的用水强度很高。以页岩气为例，美国的页岩气开采的单井用水量可达1.9万立方米，其中有1.8万立方米的用水量都集中在关键的半个月至一个月的时间里。

对于页岩油气生产企业来说如何在关键时期获得足够的水关乎开发活动的效率与成败。生产企业可采用的水源无外乎4种：地表水和地下水、市政用水、收集的雨水、经处理循环使用的压裂液。一般来说，只有地表水和地下水、市政用水才可以作为稳定的水源。

页岩气用水必然会造成矿区周边水资源的阶段性甚至是长期性的紧张。即便是在人均水资源相对丰富的美国，水资源紧张的现实已经迫使部分生产州出台政策鼓励生产企业提高压裂液的循环使用比例。

据国土资源部专家张大伟估计，中国要完成《页岩气发展规划（2011—2015年）》中提出的600亿～1000亿立方米的产量，需要打2万口生产井。如果以单井用水量19000立方米计算，预计中国将需要3.8亿立方米的水，相当于1266万城市人口一年的用水量。

但是，中国的人均可再生水资源仅为美国的1/10、加拿大的1/42。因此，在人口密度较大且人均水资源紧张的中国，页岩油气生产必然加剧区域性的水资源紧张局面。此外，由于我国大部分地区处于季风气候的控制之下，年度降水量可能出现较大的差别，因此不能排除我国西南的页岩矿区的生产和生活用水受到干旱威胁的可能性。而塔里木盆地的页岩气开发可能将面临更大的挑战。如果就近采用地表水和地下水，那么势必会破坏当地脆弱的生态环境。

获取水资源的挑战还在于解决水的运输问题。中国西南的页岩矿区地貌多为山区和交通不便的盆地，客观上导致运水难度加大和成本上升。如果采用卡车运送水，那么在用水高峰期，矿区周边的交通线路将承受相当的压力，居民的生产生活也将受到很大的影响。

压裂液里究竟有什么？

解决了水源问题之后，页岩气的生产就进入了下一个阶段，即配制压裂液。一般说来压裂液中主要由水、沙子或者陶粒，以及添加剂构成。水和沙子占压裂液体积的99.51%，而添加剂占0.49%（见图3）左右。压裂液的成分以及浓度可能因水质和具体的岩层特点而有所不同。一般情况下，压裂液的添加剂中可能含有酸、杀菌剂、阻垢剂、阻蚀剂等，具体名称和用途见表1。由表1可以发现，添加剂的主要成分被广泛运用于日常的生产生活当中，不过其中一些成分存在毒性。

针对水力压裂生产会污染水资源的指责最初指向的就是压裂液中使用的这些化学成分。环保组织和民众怀疑页岩气生产企业将含有有毒化学物质的压裂液注入钻井后的水力压裂过程很有可能会污染地下水和地表水。同时企业在矿井周围囤积的化学物质也完全有可能污染当地的空气和土壤。

为保障公民知情权，美国有9个州以及美国土地管理局制定了公开化学物品的规定，但是生产企业往往以“专有的商业秘密”为由，拒绝公开压裂液所含物质名称和浓度。目前只有科罗拉多州要求公开所有化学物品名称和浓度，而其他8个州或者不要求公布浓度，或者只要求公布有害物质的浓度。

令人头疼的污水处理

不过美国政府和行业协会都认为如果生产企业能按照行业标准认真做好钻井中的固井工作，并且能严格控制化学物品的存放和使用，压裂液对地下水和地表水的污染完全是可以控制的。页岩油气生产对水资源的最大威胁在于如何处理压裂完成之后的污水。

美国方面的研究显示，页岩油气生产过程中产生的污水成分十分复杂，其中可能含有高浓度重金属盐、压裂液、钻井液，以及来自地下的放射性物质，如镭228、镭226和铀238。此外，由于生产企业需要卡车运送设备和水，并且使用柴油发电机发电，因此柴油也可能是污水的成分之一。由于这些污染物往往都溶于水，如果草率处理将严重污染矿区河流、湖泊以及地下水，还可能造成土壤盐碱化。

目前美国页岩矿区的污水处置方式有两种：净化后再利用或者注入地下深井。从环境效益上来讲污水净化再利用应当是首选方案。污水的再利用可以降低矿区的用水总量，避免更多的水资源受到污染。在美国的马塞勒斯页岩气矿区，污水回收率可达90%。

当然污水必须经过净化处理才能投入使用，不然难以达到压裂液应有的效果。页岩油气开发兴起之后，专业的污水处理公司在美国迅速发展起来。这些公司的污水处理技术包括采用高技术含量的薄膜过滤特定的污染物，或者是采取直接的蒸馏方式分离污染物和水。

每一口矿井中产生的污水在很多方面都会有所不同，如污水的酸性、盐分含量和污染物种类。专业的污水处理公司可以因地制宜地设计污水净化方案。美国企业的处理技术已经达到很高水平。在一些情况下，由于处理过的污水过于纯净，企业不得不加入矿物质才能将其排放到河流当中。

传统的市政污水处理厂对来自页岩气矿区的污水无能为力，因此净化污水的重任只能由专业的污水处理公司完成。不过生产企业要为此付出高昂的代价：污水净化成本可能占页岩气开采成本的5%左右。

在美国，将污水注入地下井是更普遍的处理方式，原油和天然气产业上游产生的90%的污水都被注入美国环保署管理的超过15万个二级注水井中。注水井深达千米以上，污水注入后将彻底与地表水和地下水水源隔绝。虽然注水井的造价在500万美元以上，且生产企业需要支付运输污水的费用，但是在他们眼中，这或许是最直接、也是最简单的污水处理方式。

然而事实并非如此，采用注水井处理污水也隐藏着不小的隐患。污水进入注水井之后，就被完全隔离在大自然的水循环之外。这意味着一部分水资源彻底地从一个区域内流失了，当地的生态环境和居民生产生活可能受到不可逆转的影响。

更大的隐患在于将污水注入深井的方法可能会诱发注水井附近的地震。美国能源部的文件指出抽取地下水或者向地下注水都有可能诱发地震，包括人们可以在地面察觉的有感地震，这已经是科学界的共识。美国国家科学院的研究报告指出，水力压裂法诱发地震的可能性并不大，不过向地下深井注入污水则会造成不小的地质隐患。

哥伦比亚大学的地震学家John Armbruster也持同样态度：页岩气井往往比较浅，而且水力压裂持续时间较短，往往不足以对地壳断层产生足够大的影响。当然事情不能一概而论，美国的页岩矿藏埋藏较浅，而世界其他地方却并非如此。除了矿井深度的影响因素外，美国国家科学院指出注水的速度和压力，注水量和持续时间都会影响诱发性地震出现的概率和震级。例如，英国就出现过压裂活动引发地震的案例，该国的页岩气开发因此被中断一年。

更多的证据将注水井和地震联系到了一起。近几年，得克萨斯州、科罗拉多州、俄亥俄州、俄克拉荷马州和阿肯色州都出现了一系列的诱发性地震。一些地震甚至发生在从地质构造角度来讲不太会发生地震的区域。在经历了2011年冬天众多小型地震之后，阿肯色州政府禁止了该州范围内所有的深井注水作业。当地政府的地质监测机构发现，当注水井被关闭之后，地震活动随即迅速下降。

以往的学术观点认为，人类活动造成的诱发性地震往往震级较小，一般在2级以下，且破坏性较低，但是发生在俄克拉荷马州的地震改变了人们的看法。2011年11月5日，该州Prague镇发生了4.8级地震，随后又发生了两起地震，其中一起竟然高达5.7级！ 2013年美国地质协会出版的《地质学》杂志刊登了一篇由多位学者联名发表的论文。文章用翔实的数据将该起地震与深井注水作业联系在一起：地震发生在距离注水井仅仅几百米的地方，它们之间明显有直接联系。

迫在眉睫：

中国应建立水资源专项管理体系

由于石油行业发展较为成熟，美国已经建立起一套完善的针对水力压裂活动的水资源管理体系。这一管理体系主要分为三个维度：联邦、地方和行业（见图4），涉及联邦和地方法规、行业标准。然而即便如此，美国依然无法完全杜绝页岩油气生产带来的环境影响。

与国外不同的是，中国有关页岩油气的分析和报道多偏重该产业对国家经济的影响，对生产活动中的环境影响缺少应有的关注。目前中国的页岩气生产基本上是处于“半透明”的状态。除了页岩气产量和钻井数量外，生产企业对媒体和公众公布的信息十分有限，没有涉及化学物品名录及管理方式、污水处理情况、钻井深度与地质构造的评估。考虑到人口密度大，人均水资源紧张，以及部分地区地质构造复杂的基本状况，中国亟待建立一整套科学的页岩油气生产水资源专项管理体系。决不能饮鸩止渴，让页岩油气开发对中国水资源和环境产生不可挽回的环境影响。 （本文作者为易贸研究中心研究员）

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