镜鉴镜鉴】】Marcellus 页岩气开采的水与环境影响页岩气开采的水与环境影响文/夏玉强 中国地质大学环境学院引言英国石油公司（BP）2009 年发布的《世界能源统计年鉴 2009》显示，2008 年底全球已探明天然气储量达 185.02 万亿 m3（美国占 3.6%，中国占 1.3%），全球天然气产量为 3.06 万亿 m3（美国占 19.3%，中国占 2.5%），全球天然气消耗量（美国占 22%，中国占 2.8%）占世界能源消耗总量的 24.1%该公司还预测，非常规天然气（页岩气、煤层气、致密砂岩气）资源量将达到天然气总量的 60%左右随着水平钻探技术、水力压裂技术的发展以及天然气价格的快速上升，页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，已成为全球油气资源开发的新亮点目前，全球页岩气资源量为 456.2 万亿 m3，约占非常规天然气资源量的50%《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会指出，2007 年美国页岩气产量接近 500 亿 m3 美国清洁国土基金会（ACSF）和 Navigant 咨询公司（NCI）的统计分析表明，2007 年美国非常规天然气产量达 0.25 万亿 m3（约占美国天然气总产量的 46%），其中页岩气产量为 297.33 亿 m3（占非常规天然气产量的 11.84%），并预测 2018 年美国页岩气的产量将占其非常规天然气产量的 38%（图 1，修改自美国能源部）。
美国能源信息管理局（EIA）的统计结果显示，2008 年全美已探明的页岩气储量高达 9295 亿 m3 （产量约572.57 亿 m3）中国国土资源部的报道指出，美国页岩气资源量超过 28 万亿 m3，2009 年美国页岩气产量接近 1000 亿 m3，美国页岩气的快速勘探开发使其天然气储量增加了 40%，预计 2010 年页岩气产量将占全美天然气产量的15%以上美国能源部（DOE）2009 年的报告显示，目前主要的页岩气田有Fayetteville，Haynesville，Marcellus，Woodford，Barnett，Antrim 和 New Albany，前 4 个区的可开采总量可达 15.57 万亿 m3，其中 Marcellus 页岩气田的分布面积、地质储量和可开采量是美国目前最大的Marcellus 页岩气田的开采属于美国近两年最新的天然气资源开发方向，它的开采引发了全美一系列环境问题讨论2009 年底以来，中国也正在积极筹划页岩气资源战略调查和勘探开发战略构想，然而，目前中国各方面都将注意力集中在如何保障和促进页岩气资源的勘探开发技术和政策上，忽略了页岩气资源开发可能带来的水资源挑战、环境影响及其相应的防治和管理措施等问题。
中国目前关于北美页岩气的介绍还未考虑此类问题，因此，本文简要介绍美国 Marcellus 页岩气资源的开发经验和相关资源环境影响讨论的最新成果，以期为中国正在筹划的页岩气勘探开发战略提供参考，也为促进中国水资源规划和环境影响评估等领域的发展提供新思路1 Marcellus 页岩气资源概况美国 Marcellus 页岩气田是目前世界上最大的非常规天然气田，位于东部Appalachian 盆地，横跨纽约州、宾夕法尼亚州、西弗吉尼亚州及俄亥俄州东部（图 2）Marcellus 页岩是富含有机质的黑色沉积岩，形成于中泥盆纪（约350 百万年前）的一个浅内陆海，其埋深在 1200～2600m 之间，平均厚度为15～61m（50～200in），延伸面积达 24.6 万 km2美国地质调查局（USGS）2002 年的评估显示，Marcellus 页岩气田的可开采量为 538 亿m3，2006 年的评估报道其可开采量达 8778 亿 m3NCI 2008 年的报告称，Marcellus 页岩气的地质储量多达 42.47 万亿 m3，占整个 Appalachian 盆地的 85%以上，其可开采量约为 7.42 万亿 m3。
最新评估报告显示，Marcellus 页岩气的可开采量为 13.85 万亿 m3，可供全美 20 多年的天然气消费美国第一口页岩气生产井完成于 1821 年，它位于纽约 Fredonia 镇附近的泥盆纪页岩区Marcellus 页岩气田的第一口钻井完成于 1880 年，位于纽约Ontario 郡的 Naples宾夕法尼亚州的第一口 Marcellus 页岩气钻井位于华盛顿郡的早志留世 Rochester 页岩区，由 Range Resources 公司于 2003 完成，直至 2005 年才开始开采页岩气截止 2009 年 3 月，宾夕法尼亚州已完成的Marcellus 页岩气井达 501 口宾夕法尼亚州环境保护保部（DEP）油气管理局网站的数据显示，2009 年该州共完成 Marcellus 页岩气井 768 口，2010 年 1 月新增 71 口有报告预测，2010 年该州的 Marcellus 页岩气井将达1000 口，日产量约 15.57 百万 m3，2020 年的井数为 2800 口，日产量高达113.27 百万 m3 根据西弗吉尼亚州的 Marcellus 页岩气井数目的统计和估计，美国能源部预测 Marcellus 页岩气可开采量在 2.83 万亿～4.25 万亿 m3 。
美国 Marcellus 页岩气的开采技术主要是水平钻探技术和水力压裂技术水平钻探技术除了需要一个用于地下水平钻进的特别装置外，其余钻探过程与常规的垂直钻探一样水平钻井的优点在于它可以最大化接触气藏岩层，增加单井产气量；在同一个地表点下可以布设多个水平钻井，与垂直钻井相比，减少了对地表的破坏19 世纪 50 年代，美国德克萨斯州发展了大尺度水力压裂法，1986 年首次应用于 Barnett 页岩气开采水力压裂技术的目的是增加井孔与气藏岩层的接触，为油气提供一个向井孔流动的高渗透通道其基本流程是在完成钻井的钻探和安装后，将高压液体混合物注入钻井，使气藏岩层裂开，而高压液体中的支撑剂进入裂缝后使其保持开放状况，从而使得这种水力裂缝成为将油气导向钻井的高速通道高压液体由水和固体支撑剂（如石英砂）以及化学添加剂组成，水砂含量一般为 98%～99.5%，添加剂含量 0.5%～2%用于高压液中的化学添加剂有 250 余种，美国能源部总结了常用的 14 种添加剂，例如减阻剂（friction reducer）用于降低高液与钻井管道的摩擦，杀菌剂（biocides）用于抑制液体中微生物的繁殖和裂缝中的生物沉积，除氧剂（oxygen scavengers）和碳化物稳定剂（stabilizers）用于防止金属管道的腐蚀，稀酸液（diluted acids）用于移除钻探泥浆对气藏岩层的破坏。
2 水资源挑战和环境影响尽管 Marcellus 页岩气的开采给美国和当地政府带来了巨大的经济效应，但其潜在的环境影响更让美国生态环境和水资源等领域的专家及当地民众担忧：一方面是页岩气的开采需要消耗大量的淡水资源，可能威胁到当地和区域的水资源可持续利用；另一方面是页岩气开采过程中产生噪声、废水、废气及其开采事故灾害等引起的环境污染2.1 水资源挑战美国 Marcellus 页岩气田位于 Appalachian 盆地的上部，穿越了包括Delaware 河、Susquehanna 河、Ohio 河和五大湖的 St. Lawrence 河等在内的几个重要流域1961—1990 年，Appalachian 盆地的年降雨量为76～3175px，高出美国大陆平均值约 625pxMarcellus 页岩区的平均年降雨量约为 2725px，按照 Marcellus 页岩的边界面积（14 万～24.6 万 km2），因降雨每年流入该页岩区的水量为 0.71 万亿～1.25 万亿 gal （1gal=3.785×10-3m3）一个典型的页岩气水平钻井在钻探和水力压裂过程中需使用 100 万～400 万 gal 的水，而其中 50%～70%的水在这些过程中会被消耗。
根据美国能源部的统计，Marcellus 页岩气田的每一个钻井平均用水量为 3.88 百万gal（约 1.5 万 m3），其中用于水力压裂的水量占 98%Barnett 页岩气田每个钻井需水 1 万 m3（水力压裂水占 85%），Fayetteville 页岩气井需 1.2 万m3 （水力压裂水占 95%），Haynesville 页岩气井需 1.4 万 m3（水力压裂水占 73%）以 Susquehanna 河流域为例，每天用于电力生产的累积淡水量约150 百万 gal，而每天用于 Marcellus 页岩气井钻探的水量估计达 8.4 百万gal该流域委员会初步估计最终在该流域（宾夕法尼亚州和纽约州）实施的Marcellus 页岩气井数目达 5000 口根据前面统计的 Marcellus 页岩气钻井数目，预计 2010 年宾夕法尼亚州的页岩气井需消耗 1500 万 m3 的水，西弗吉尼亚州则需消耗 1017 万 m3 的水换句话说，2010 年仅宾夕法尼亚和西弗吉尼亚两州的页岩气井需水量占Marcellus 页岩区总水量的 0.52%～0.92%尽管这个水量比该区域水量小，但由于页岩气井的钻探周期较短（24h 作业，一个水平井需 4～5 周，再加3～5d 的水力压裂处理），在此期间内大量消耗当地地表水或地下水（每口Marcellus 页岩气井每天需用水约 3 万 gal），很可能会影响当地水生生物的生存、捕鱼业、城市和工业用水等。
另外，页岩气开采的水资源消耗问题在Barnett 页岩气开采过程中一直饱受争议针对 Marcellus 页岩气开采，美国地质调查局的报告提出了需要着重注意的 3 个水资源问题：①钻探用水不能给当地的水资源带来冲击；②应避免（乡村）小流域和河流的退化；③评估选定合适的处理方法处置含有污染物质的大量钻探回收水美国能源部的报告[2]强调，页岩气是否能够成功开发的一个关键因素是，在不干扰当地工农业正常用水的前提下，当地水资源的供水能力是否能够满足页岩气井的钻探与水力压裂用水如果没有正确控制钻探取水的频率、时间和地点，则会对河流的有效利用产生不利影响例如，河流水量的减少会造成下游公共给水的不足，对水生和陆地生态系统、湿地、含水层补给等生态环境带来负面影响，同时也可能会加剧干旱效应换句话说，在现有工农业用水的基础上，大量增加的页岩气开采用水可能会引起对环境的累积影响，如河流等地表水和地下水资源的枯竭、含水层储水能力的丧失、水质的恶化，以及区域水资源的可持续利用率减少等2.2 环境污染及事故灾害近年来，Marcellus 页岩气资源开发的蓬勃发展不仅消耗了大量的水资源，也对生态环境造成了新的威胁纽约环境保护署（NYSDEC）2009 年 9 月起草的关于油气矿开采的环境影响评价的方案中归纳了油气资源开采对水资源、淡水湿地、生态环境和野生动植物、空气质量、自然景观及道路等的潜在影响。
在 Barnett 页岩气开采过程中，其用水和废料的运输专车挤占了常规交通工具使用的公路，不仅在当地社区造成混乱，而且由于运输车的重量超过当地道路的承受能力，对道路也产生了严重破坏如德克萨斯州的 Parker 郡由于Barnett 页岩气的开采，道路受到严重破坏实际上，类似的影响在 Marcellus 页岩气资源开发中同样存在限于篇幅，下文将主要介绍 Marcellus 页岩气井产生的压裂液（hydraulicfracturing fluids）和地层水（naturalformation water）潜在的环境危害，这两种水统称回流水（flowback water）回流水的体积占原来注入高压液体的 30% 30%～70%，例如 Marcellus 页岩气井的回流水体积在 50 万～100 万 gal 之间钻探泥浆和回流水一般先存储于现场的废水池或储存车中，然后运往指定处理中心进行后期处理回流水中除了含有高压。