水力壓裂需要大量的水，這成為頁巖氣生產(chǎn)中水資源管理的首要問題。
根據(jù)埃森哲最近出版的《水資源和頁巖氣開發(fā)》(以下簡(jiǎn)稱《水資源》)報(bào)告顯示，在頁巖氣生產(chǎn)過程中，各井的需水量迥異。
一般而言，一口頁巖氣水平井鉆井和壓裂所需水量達(dá)到約500萬加侖，相當(dāng)于1000輛卡車的運(yùn)水量。其中，用水量最大的是壓裂過程，最大時(shí)用水量可達(dá)總用水量的90%;用水量較多的是鉆井作業(yè)，淡水是鉆井液的主要成分;在壓裂后的設(shè)備沖洗和清潔環(huán)節(jié)，用水很少。
因此，淡水供應(yīng)不足成為制約行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)峻問題�！端Y源》報(bào)告分析，在面臨水資源日益枯竭的干旱地區(qū)，或是水流和供應(yīng)受季節(jié)變化影響的地區(qū)，運(yùn)營商的水資源獲取可能受到更加嚴(yán)重的制約。
例如在賓夕法尼亞州，夏季需要保持最小水流量，因此獲得許可可能是一個(gè)艱巨挑戰(zhàn)。2012年7月，由于薩斯奎漢納盆地的水流減少，薩斯奎漢納河流域委員會(huì)(SRBC)暫停了取水許可，這一政策涉及大多數(shù)頁巖運(yùn)營商，其中包括切薩皮克能源公司和塔利斯曼能源公司。在德克薩斯州的干旱地區(qū)，頁巖氣生產(chǎn)用水需求被認(rèn)為與灌溉用水和家庭用水相競(jìng)爭(zhēng)。
根據(jù)埃森哲大中華區(qū)副總裁楊葳介紹，在開發(fā)初級(jí)階段，美國也在對(duì)無水壓裂液(包括液態(tài)丙烷、液態(tài)二氧化碳、氮?dú)馀菽湍z)進(jìn)行研究。然而，目前這些液體也面臨自身挑戰(zhàn)。例如，在使用液態(tài)丙烷時(shí)，因涉及在地下使用爆炸性氣體，因此具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。
在開發(fā)過程中，地表水體污染風(fēng)險(xiǎn)也很大，單井的生產(chǎn)廢水總量可達(dá)數(shù)百萬升。
在水質(zhì)之外，頁巖氣對(duì)水的影響更多地體現(xiàn)在水質(zhì)方面，如果管理不當(dāng)，水力壓裂開采所產(chǎn)生的大量廢水會(huì)威脅到地表及地下水水體水質(zhì)。
根據(jù)美國自然資源保護(hù)委員會(huì)完成的報(bào)告《借鑒國際經(jīng)驗(yàn)：中國頁巖氣資源環(huán)境友好開發(fā)之路》介紹，在注入水力壓裂液體并且釋放壓力后，10%-70%的原注液體量，或大約1萬-6萬桶(160-960萬升)液體會(huì)返回地表，俗稱“返排廢水”。有些氣井也會(huì)產(chǎn)生“生產(chǎn)廢水”(指在地下地層自然存在，與油和天然氣共同開采出來的水)，從長期來看，每百萬立方英尺的燃?xì)猱a(chǎn)量通常會(huì)伴隨200-1000加侖的生產(chǎn)廢水(每百萬立方米的燃?xì)猱a(chǎn)量會(huì)伴隨3-13萬升的生產(chǎn)廢水)。因?yàn)槊總�(gè)頁巖構(gòu)造不同，一口頁巖氣氣井的生命周期最長可以達(dá)到40年，這個(gè)單井的生產(chǎn)廢水總量可以達(dá)到數(shù)百萬升。
這兩種類型的廢水包涵了用于減小摩擦的有毒化學(xué)潤滑劑，用于抗腐蝕和防細(xì)菌滋生的添加劑，以及自然生成的污染物，如碳?xì)浠衔�、重金屬、鹽分以及自然生成的放射性物質(zhì)(NORM)。其中不少都是有毒有害的化學(xué)物質(zhì)。
如果廢水排放前的處理工作不到位，地表與地下水就會(huì)受到污染;化學(xué)物質(zhì)會(huì)滲透到淺層土壤，然后進(jìn)入含水層;水力壓裂液體和廢水在儲(chǔ)存和往返于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸過程中會(huì)出現(xiàn)意外的地表溢漏。
為了減少上述風(fēng)險(xiǎn)，美國在頁巖氣開發(fā)中已經(jīng)積累了一套相對(duì)成熟的方法。根據(jù)美國自然資源保護(hù)委員會(huì)的報(bào)告《水力壓裂開采來勢(shì)洶洶：需要制定新規(guī)定來保護(hù)我們的健康和環(huán)境免受廢水污染的侵害》介紹，對(duì)于在頁巖構(gòu)造中開展天然氣生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水，通常有五種基本的管理方法：最大程度地減少生產(chǎn)廢水量;在天然氣鉆井作業(yè)中進(jìn)行循環(huán)回收和再利用;儲(chǔ)水池或儲(chǔ)水罐以及生產(chǎn)場(chǎng)地內(nèi)的處理;處置以及作業(yè)外的有益再利用。
其中，“反排廢水”的處理通常采用前三種方法，而“生產(chǎn)廢水”的處理往往采用后兩種方法。
根據(jù)楊葳介紹，在“生產(chǎn)廢水”的處置中，地下注入的方法是傳統(tǒng)石油天然氣生產(chǎn)的普遍做法。運(yùn)營商可以采用將廢水注入到地下注水井或II類井，或聘請(qǐng)第三方商業(yè)處理公司，將廢水注入到處理井等方法進(jìn)行處理。在美國，如采用這種方法，任何類型的井必須按照地下注入控制(UIC)計(jì)劃由州級(jí)機(jī)構(gòu)或州環(huán)保署批準(zhǔn)。根據(jù)要求，被注入的地下多孔巖層大多位于地下數(shù)千英尺。
然而，這種方法卻存在導(dǎo)致地震的風(fēng)險(xiǎn)，因此監(jiān)管機(jī)構(gòu)增加了限制在注入井中進(jìn)行廢水處理的壓力。2011年，自蓋伊鎮(zhèn)附近發(fā)生地震后，阿肯色州石油和天然氣委員會(huì)(AOGC)關(guān)閉了費(fèi)耶特維爾頁巖區(qū)塊的四口處理井。在沒有地下注入井的情況下，馬塞勒斯的運(yùn)營商紛紛不再采用地下注入的方法，而是開始采用水資源再利用的方法。
在地下注入之外，另外一個(gè)常用的方法即水處理技術(shù)。據(jù)介紹，水處理是最為復(fù)雜的廢水管理方式。既可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)或外處理，也可以與循環(huán)回收/再利用、排放和處置等一起進(jìn)行。特別值得注意的是，廢水處理重點(diǎn)是去除造成井內(nèi)污染的有機(jī)污染物和無機(jī)成分。
例如，某些地區(qū)的頁巖氣作業(yè)者，包括馬塞勒斯區(qū)塊作業(yè)者，會(huì)將廢水運(yùn)到公共污水處理廠(POTWs)進(jìn)行處理，但是這種做法可能會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境惡果。馬塞勒斯頁巖氣廢水中最常見的污染物之一是鹽分，而公共污水處理廠的設(shè)計(jì)并未考慮去除可溶固體物，因此這些設(shè)施完全不會(huì)對(duì)鹽分進(jìn)行任何有意義的處理。
另外，在開發(fā)頁巖過程，壓裂液化學(xué)物質(zhì)需對(duì)外披露，然而多數(shù)州曾允許給予被視為“貿(mào)易機(jī)密”的化學(xué)成分信息的披露豁免待遇。
由頁巖氣引發(fā)的水污染風(fēng)險(xiǎn)，不僅存在于地表水，也可能存在地下水。
據(jù)介紹，來自氣井的甲烷、重金屬、放射性物質(zhì)、壓裂液體和其他污染物可能會(huì)通過多種潛在途徑流出，從而污染地下水資源。劣質(zhì)套管、水泥灌注和完井工作都可能成為污染物流出的通道。此外，液體通過自然斷層、裂隙、透水巖層、附近不恰當(dāng)?shù)臈壘屯瓿删蛏线w移以及向地下蓄水層內(nèi)或者上方的直接灌注都可能對(duì)地下水造成威脅。
在我國，據(jù)研究報(bào)告《中國頁巖氣開發(fā)與未來監(jiān)管框架研究》，出現(xiàn)污染可能在三個(gè)環(huán)節(jié)：鉆豎井階段，會(huì)穿過地下水層，未將井和地下水層很好地隔離，壓裂液會(huì)泄漏到地下水層;壓裂階段，強(qiáng)力壓裂可能破壞氣蓋巖層的壓力平衡，增大裂縫或出現(xiàn)斷層，使壓裂液向上滲透到地下水層;廢水排返階段，未經(jīng)處理排到地表，也可能會(huì)滲透到地下水。
不過，一般來講，由于頁巖氣(如-1000米以下)和地下水(如-300米)在不同的深度，頁巖氣開發(fā)不會(huì)污染地下水。關(guān)于污染事件，美國麻省理工學(xué)院關(guān)于2011年天然氣報(bào)告指出：“過去十年已鉆探2萬多口頁巖井，雖然大多數(shù)頁巖氣開發(fā)保持較好的環(huán)境記錄，但重要的是應(yīng)認(rèn)識(shí)到，一次不當(dāng)操作就可能引發(fā)潛在的風(fēng)險(xiǎn)和損害……不過，在調(diào)查研究中，沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)壓裂液對(duì)淺層存水區(qū)造成污染的相關(guān)報(bào)告。”
在美國，很多州都沒有要求公開水力壓裂液體的化學(xué)成分，多數(shù)州條例都允許給予被視為“貿(mào)易機(jī)密”的化學(xué)成分信息的披露豁免待遇。這些豁免待遇的具體實(shí)施各不相同。這使得管理風(fēng)險(xiǎn)比較困難。
盡管目前，尚未發(fā)生環(huán)境污染事件，但考慮其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)很大，美國各方機(jī)構(gòu)也在加強(qiáng)對(duì)壓裂液的管制。目前已有一些州對(duì)此提出了具體的要求。
例如，懷俄明州曾經(jīng)是美國第一個(gè)要求披露所有水力壓裂液體化學(xué)成分的州，無論是有害或無害成分。企業(yè)可對(duì)所用化學(xué)成分提出商業(yè)秘密保護(hù)，但前提是必須獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的核準(zhǔn)。
再如，德克薩斯州要求企業(yè)向一家在線數(shù)據(jù)交換中心披露水力壓裂液體的化學(xué)成分;賓夕法尼亞州最近修改了條例，要求企業(yè)將每口非常規(guī)氣井所用的化學(xué)物質(zhì)清單上傳到fracfocus.org網(wǎng)站上面。
此外，阿肯色、印第安納、路易斯安那、密西根、蒙大拿、新墨西哥、北達(dá)科他、俄亥俄和西弗吉尼亞也出臺(tái)了化學(xué)物質(zhì)披露條例。
專業(yè)建議，應(yīng)該要求全面披露水力壓裂液體的化學(xué)成分，以便負(fù)責(zé)監(jiān)管地下水和地表水源質(zhì)量的政府機(jī)構(gòu)，例如環(huán)保部、水資源部以及國土資源部，可以開展適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管工作。
在我國，目前尚有很多地區(qū)是嚴(yán)重缺水的，尤其是在西南區(qū)域的頁巖氣開發(fā)中，可能會(huì)出現(xiàn)與工農(nóng)業(yè)爭(zhēng)水的問題更加明顯。
目前，中國也正在大力開發(fā)頁巖氣，在水資源管理方面的風(fēng)險(xiǎn)控制，亟待引起決策層的關(guān)注。
2012年3月，中國提出了雄心勃勃的頁巖氣開采計(jì)劃，提出頁巖氣產(chǎn)量在2015年將達(dá)到65億立方米，而到2020年的產(chǎn)量更高達(dá)600億-1000億立方米。這也意味著頁巖氣的開發(fā)，即將面臨嚴(yán)峻的水資源監(jiān)管問題。
首先的挑戰(zhàn)來自水量。中國的水資源分布并不均衡，根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院水資源所的研究，遼河中下游和遼東半島、黃淮海平原、山西能源基地、山東半島、四川盆地、浙東與閩南、天山北麓和河西走廊為我國的重點(diǎn)缺水地區(qū)。
而四川盆地也是我國頁巖氣豐富的地區(qū)。它位于中國西南地區(qū)，面積為21.1萬平方公里，擁有我國40%的頁巖資源。因此，有專家預(yù)計(jì)，隨著開采規(guī)模的擴(kuò)大，或許該區(qū)域的頁巖氣開發(fā)會(huì)出現(xiàn)與工農(nóng)業(yè)爭(zhēng)水的問題。
對(duì)此，專業(yè)人士建議，中國的水力壓裂作業(yè)非常有必要利用循環(huán)回收水。利用循環(huán)回收的礦排水可能是一個(gè)潛在的選擇方案。四川、陜西和新疆都是中國的產(chǎn)煤大省，對(duì)采礦排水的循環(huán)利用有助于將工業(yè)生態(tài)實(shí)踐做法納入水力壓裂作業(yè)之中，并且推動(dòng)建立能源生產(chǎn)的閉環(huán)體系。
在水量的挑戰(zhàn)之外，還有水質(zhì)的污染風(fēng)險(xiǎn)。在廢水處理上，中國應(yīng)該借鑒美國廢水的處理和循環(huán)利用經(jīng)驗(yàn)，尤其是將“返排廢水”和“生產(chǎn)廢水”進(jìn)行處理后將其再利用于水力壓裂作業(yè)的技術(shù)。廢水還可以在經(jīng)過處理后出售用于其他用途，例如未鋪砌道路的灰塵控制。返排廢水給定氣井進(jìn)行再壓裂時(shí)更容易在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行再利用，而且對(duì)其的處理也比生產(chǎn)廢水要少。
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