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页岩气中国开发存巨大“水危机”

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页岩气中国开发存巨大“水危机”

发布日期:2014-10-25 11:43 来源:http://www.jplangley.com 点击:

在页岩气革命引发的诸多环境问题当中,水资源管理是最受关注的争议话题。

       页岩气开采的核心技术主要是水平钻井法和水力压裂法,而在美国超过一半的天然气都是通过水力压裂法获得的。这种方法促进了页岩气的快速发展,但也引来了接连不断的争议。

       水力压裂法,简单说即借助高压将大量水、沙子以及化学物质的混合物通过钻孔打入地下,压裂页岩层,使其出现更大更多裂缝,从而将其中的石油或天然气储备释放出来的开采方法。

       这种方式引发争议的一个主要原因在于,在生产过程中需要消耗大量水资源。在美国,根据页岩构造的地质特性,一次水力压裂作业就需一千多万升的水耗,同时开采所产生的大量废水会威胁到地表及地下水体水质。

      根据美国麻省理工学院的2011年天然气报告,回顾了有关天然气井钻探事件公开报道的三项研究,发现在2000-2010年十年间,对有关天然气井钻探进行“广泛报道”的水体污染事件有43起。在此期间,大约钻探了2万口页岩气井,几乎所有气井均采用水力压裂技术。在所有地下水污染事件中,48%与天然气或钻井液有关;33%涉及井场表面泄漏,10%涉及取水和空气质量以及井喷问题;剩下9%涉及井场外的处置不当问题。

       因此,在中国复制美国页岩气的革命经验过程中,其水资源管理的经验尤其值得注意和借鉴。

       一口井耗水量约1000辆卡车运水量

       淡水供应不足成为制约行业发展的严峻问题。

       水力压裂需要大量的水,这成为页岩气生产中水资源管理的首要问题。

       根据埃森哲最近出版的《水资源和页岩气开发》(以下简称《水资源》)报告显示,在页岩气生产过程中,各井的需水量迥异。

       一般而言,一口页岩气水平井钻井和压裂所需水量达到约500万加仑,相当于1000辆卡车的运水量。其中,用水量最大的是压裂过程,最大时用水量可达总用水量的90%;用水量较多的是钻井作业,淡水是钻井液的主要成分;在压裂后的设备冲洗和清洁环节,用水很少。

       因此,淡水供应不足成为制约行业发展的严峻问题。《水资源》报告分析,在面临水资源日益枯竭的干旱地区,或是水流和供应受季节变化影响的地区,运营商的水资源获取可能受到更加严重的制约。

       例如在宾夕法尼亚州,夏季需要保持最小水流量,因此获得许可可能是一个艰巨挑战。2012年7月,由于萨斯奎汉纳盆地的水流减少,萨斯奎汉纳河流域委员会(SRBC)暂停了取水许可,这一政策涉及大多数页岩运营商,其中包括切萨皮克能源公司和塔利斯曼能源公司。在德克萨斯州的干旱地区,页岩气生产用水需求被认为与灌溉用水和家庭用水相竞争。

       根据埃森哲大中华区副总裁杨葳介绍,在开发初级阶段,美国也在对无水压裂液(包括液态丙烷、液态二氧化碳、氮气泡沫和凝胶)进行研究。然而,目前这些液体也面临自身挑战。例如,在使用液态丙烷时,因涉及在地下使用爆炸性气体,因此具有一定的安全风险。

       地表水体污染风险

       单井的生产废水总量可达数百万升。

       在水质之外,页岩气对水的影响更多地体现在水质方面,如果管理不当,水力压裂开采所产生的大量废水会威胁到地表及地下水水体水质。

       根据美国自然资源保护委员会完成的报告《借鉴国际经验:中国页岩气资源环境友好开发之路》(以下简称《友好之路》)介绍,在注入水力压裂液体并且释放压力后,10%-70%的原注液体量,或大约1万-6万桶(160-960万升)液体会返回地表,俗称“返排废水”。有些气井也会产生“生产废水”(指在地下地层自然存在,与油和天然气共同开采出来的水),从长期来看,每百万立方英尺的燃气产量通常会伴随200-1000加仑的生产废水(每百万立方米的燃气产量会伴随3-13万升的生产废水)。因为每个页岩构造不同,一口页岩气气井的生命周期最长可以达到40年,这个单井的生产废水总量可以达到数百万升。

       这两种类型的废水包涵了用于减小摩擦的有毒化学润滑剂,用于抗腐蚀和防细菌滋生的添加剂,以及自然生成的污染物,如碳氢化合物、重金属、盐分以及自然生成的放射性物质(NORM)。其中不少都是有毒有害的化学物质。

       如果废水排放前的处理工作不到位,地表与地下水就会受到污染;化学物质会渗透到浅层土壤,然后进入含水层;水力压裂液体和废水在储存和往返于钻井现场的运输过程中会出现意外的地表溢漏。

      为了减少上述风险,美国在页岩气开发中已经积累了一套相对成熟的方法。根据美国自然资源保护委员会的报告《水力压裂开采来势汹汹:需要制定新规定来保护我们的健康和环境免受废水污染的侵害》(以下简称《来势汹汹》)介绍,对于在页岩构造中开展天然气生产所产生的废水,通常有五种基本的管理方法:最大程度地减少生产废水量;在天然气钻井作业中进行循环回收和再利用;储水池或储水罐以及生产场地内的处理;处置以及作业外的有益再利用。

商南天和泥浆有限公司      其中,“反排废水”的处理通常采用前三种方法,而“生产废水”的处理往往采用后两种方法。

商南天和泥浆有限公司      根据杨葳介绍,在“生产废水”的处置中,地下注入的方法是传统石油天然气生产的普遍做法。运营商可以采用将废水注入到地下注水井或II类井,或聘请第三方商业处理公司,将废水注入到处理井等方法进行处理。在美国,如采用这种方法,任何类型的井必须按照地下注入控制(UIC)计划由州级机构或州环保署批准。根据要求,被注入的地下多孔岩层大多位于地下数千英尺。

      然而,这种方法却存在导致地震的风险,因此监管机构增加了限制在注入井中进行废水处理的压力。2011年,自盖伊镇附近发生地震后,阿肯色州石油和天然气委员会(AOGC)关闭了费耶特维尔页岩区块的四口处理井。在没有地下注入井的情况下,马塞勒斯的运营商纷纷不再采用地下注入的方法,而是开始采用水资源再利用的方法。

      在地下注入之外,另外一个常用的方法即水处理技术。根据《来势汹汹》介绍,水处理是最为复杂的废水管理方式。既可以在生产现场内或外处理,也可以与循环回收/再利用、排放和处置等一起进行。特别值得注意的是,废水处理重点是去除造成井内污染的有机污染物和无机成分。

      《来势汹汹》对此举例。某些地区的页岩气作业者,包括马塞勒斯区块作业者,会将废水运到公共污水处理厂(POTWs)进行处理,但是这种做法可能会带来严重的环境恶果。马塞勒斯页岩气废水中最常见的污染物之一是盐分,而公共污水处理厂的设计并未考虑去除可溶固体物,因此这些设施完全不会对盐分进行任何有意义的处理。

      压裂液化学物质需对外披露

      多数州曾允许给予被视为“贸易机密”的化学成分信息的披露豁免待遇。

      由页岩气引发的水污染风险,不仅存在于地表水,也可能存在地下水。

商南天和泥浆有限公司     《友好之路》介绍,来自气井的甲烷、重金属、放射性物质、压裂液体和其他污染物可能会通过多种潜在途径流出,从而污染地下水资源。劣质套管、水泥灌注和完井工作都可能成为污染物流出的通道。此外,液体通过自然断层、裂隙、透水岩层、附近不恰当的弃井和完成井向上迁移以及向地下蓄水层内或者上方的直接灌注都可能对地下水造成威胁。

      根据中国能源网的研究报告《中国页岩气开发与未来监管框架研究》,出现污染可能在三个环节:钻竖井阶段,会穿过地下水层,未将井和地下水层很好地隔离,压裂液会泄漏到地下水层;压裂阶段,强力压裂可能破坏气盖岩层的压力平衡,增大裂缝或出现断层,使压裂液向上渗透到地下水层;废水排返阶段,未经处理排到地表,也可能会渗透到地下水。

      不过,一般来讲,由于页岩气(如-1000米以下)和地下水(如-300米)在不同的深度,页岩气开发不会污染地下水。关于污染事件,美国麻省理工学院关于2011年天然气报告指出:“过去十年已钻探2万多口页岩井,虽然大多数页岩气开发保持较好的环境记录,但重要的是应认识到,一次不当操作就可能引发潜在的风险和损害……不过,在调查研究中,没有发现有关压裂液对浅层存水区造成污染的相关报告。”

      《友好之路》介绍,在美国,很多州都没有要求公开水力压裂液体的化学成分,多数州条例都允许给予被视为“贸易机密”的化学成分信息的披露豁免待遇。这些豁免待遇的具体实施各不相同。这使得管理风险比较困难。

      尽管目前,尚未发生环境污染事件,但考虑其环境风险很大,美国各方机构也在加强对压裂液的管制。目前已有一些州对此提出了具体的要求。

      例如,怀俄明州曾经是美国第一个要求披露所有水力压裂液体化学成分的州,无论是有害或无害成分。企业可对所用化学成分提出商业秘密保护,但前提是必须获得权威机构的核准。

      再如,德克萨斯州要求企业向一家在线数据交换中心披露水力压裂液体的化学成分;宾夕法尼亚州最近修改了条例,要求企业将每口非常规气井所用的化学物质清单上传到fracfocus.org网站上面。

商南天和泥浆有限公司      此外,阿肯色、印第安纳、路易斯安那、密西根、蒙大拿、新墨西哥、北达科他、俄亥俄和西弗吉尼亚也出台了化学物质披露条例。

      《友好之路》建议,应该要求全面披露水力压裂液体的化学成分,以便负责监管地下水和地表水源质量的政府机构,例如环保部、水资源部以及国土资源部,可以开展适当的监管工作。

       中国页岩气开发中将临“缺水”难题

       西南区域的页岩气开发可能会出现与工农业争水的问题。

      目前,中国也正在大力开发页岩气,在水资源管理方面的风险控制,亟待引起决策层的关注。

    2012年3月,中国提出了雄心勃勃的页岩气开采计划,提出页岩气产量在2015年将达到65亿立方米,而到2020年的产量更高达600亿-1000亿立方米。这也意味着页岩气的开发,即将面临严峻的水资源监管问题。

      首先的挑战来自水量。中国的水资源分布并不均衡,根据中国水利水电科学研究院水资源所的研究,辽河中下游和辽东半岛、黄淮海平原、山西能源基地、山东半岛、四川盆地、浙东与闽南、天山北麓和河西走廊为我国的重点缺水地区。

      而四川盆地也是我国页岩气丰富的地区。它位于中国西南地区,面积为21.1万平方公里,拥有我国40%的页岩资源。因此,有专家预计,随着开采规模的扩大,或许该区域的页岩气开发会出现与工农业争水的问题。

      对此,《友好之路》建议,中国的水力压裂作业非常有必要利用循环回收水。利用循环回收的矿排水可能是一个潜在的选择方案。四川、陕西和新疆都是中国的产煤大省,对采矿排水的循环利用有助于将工业生态实践做法纳入水力压裂作业之中,并且推动建立能源生产的闭环体系。

      在水量的挑战之外,还有水质的污染风险。在废水处理上,《友好之路》建议,中国应该借鉴美国废水的处理和循环利用经验,尤其是将“返排废水”和“生产废水”进行处理后将其再利用于水力压裂作业的技术。废水还可以在经过处理后出售用于其他用途,例如未铺砌道路的灰尘控制。返排废水给定气井进行再压裂时更容易在施工现场进行再利用,而且对其的处理也比生产废水要少。


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