北美頁巖氣開發(fā)環(huán)境的挑戰(zhàn)與應(yīng)對

陸　輝卞曉冰

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院

北美頁巖氣開發(fā)環(huán)境的挑戰(zhàn)與應(yīng)對

陸輝1卞曉冰2

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院

陸輝等.北美頁巖氣開發(fā)環(huán)境的挑戰(zhàn)與應(yīng)對. 天然氣工業(yè)，2016，36（7）：110-116.

近年來，為緩解油氣資源短缺的難題，全球不少地區(qū)的頁巖氣開發(fā)都步入了快車道，特別是北美和中國的頁巖氣產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)投產(chǎn)階段。但是，開采頁巖氣所引發(fā)的大量環(huán)境問題也逐漸浮現(xiàn)。為此，通過廣泛調(diào)研北美地區(qū)頁巖氣產(chǎn)業(yè)開發(fā)中所遇到的環(huán)境問題，逐一分析了開發(fā)過程可能形成污染物的來源、運移通路以及潛在的環(huán)境損害后果，認(rèn)為頁巖氣開發(fā)主要存在地下水污染、有害氣體泄漏、淡水損耗、微地震發(fā)生等多個方面的環(huán)境風(fēng)險。其次，總結(jié)了當(dāng)?shù)卣槍搸r氣開發(fā)的環(huán)境風(fēng)險所采取的應(yīng)對措施，認(rèn)為應(yīng)重點著手于防范返排液污染、降低甲烷排放量、監(jiān)測微型地震等。最后，針對中國的頁巖氣開發(fā)形勢，指出在越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求將成為新常態(tài)的背景下，政府監(jiān)管部門和頁巖氣開發(fā)企業(yè)應(yīng)立足于國內(nèi)的實際情況，充分借鑒北美頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗、汲取已有的教訓(xùn)，從政策法規(guī)、技術(shù)和信息公開等方面入手，多管齊下，以規(guī)避頁巖氣開發(fā)中所面臨的環(huán)境風(fēng)險。

北美地區(qū) 非常規(guī)能源 壓裂 水污染 溫室氣體 對策 新常態(tài) 政策法規(guī) 中國 環(huán)境風(fēng)險

近年來，為緩解油氣資源短缺的難題，全球不少地區(qū)的頁巖氣開發(fā)都步入了快車道，特別是北美和中國，頁巖氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)投產(chǎn)階段。但是，在這股開發(fā)熱潮的背后，開采頁巖氣所引發(fā)的大量水資源消耗、地下水層污染、有毒氣體泄漏以及地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境問題也逐漸浮現(xiàn)。為此，筆者分析研究了美國和加拿大頁巖氣開發(fā)的環(huán)境保護(hù)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，以期從環(huán)境保護(hù)角度為我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供建議。

1　頁巖氣開發(fā)可能導(dǎo)致的環(huán)境風(fēng)險分析

1.1地下水的污染

頁巖氣開發(fā)對地下水的污染威脅主要包括：鉆井過程中的泄漏、壓裂液中污染流體的泄漏以及返排液的處理等。

鉆井過程中漏失的流體主要是廢棄鉆井液和鉆井廢水，鉆遇異常低壓地層或裂縫，會造成鉆井液漏失，引發(fā)地下水污染。作業(yè)事故引發(fā)的溢流井噴，以及大量鉆井液通過井噴后壓井作業(yè)失敗形成的裂縫進(jìn)入地層，都會造成污染。研究表明，美國采用水平井開發(fā)的頁巖氣藏，其鉆井過程中會比常規(guī)直井開采的氣藏產(chǎn)生更多的廢水。在Marcellus頁巖氣田，水平井鉆井過程中，單井產(chǎn)生廢水為660±115 m3，而常規(guī)直井鉆井僅為102±6 m3［1］，采用水平井而產(chǎn)生的大量鉆井廢水在一定程度上也加大了地下水污染以及泥漿池、排污溝的鉆井污水發(fā)生滲漏和溢流的機(jī)率。

頁巖中存在著多種潛在的污染流體，主要指束縛水和壓裂液中的抗菌劑：壓裂目標(biāo)層內(nèi)已存在于地下數(shù)百萬年的束縛水中通常含有高濃度的鹽類、苯、砷和汞等污染物，以及伴生放射性物質(zhì)；而用于抑制細(xì)菌生長的鹽酸、戊二醛等抗菌劑均對環(huán)境有一定的危害性，對水體可造成污染［2］。這些污染流體一般在壓裂鉆塞作業(yè)完成后，通過井筒返排回地表，且這個返排周期最長可以延續(xù)整個生產(chǎn)期間［3］。研究顯示，頁巖氣藏壓裂液返排率較低，僅為10%～40%［4］。針對大量沒有被回收的壓裂液去向，Engelder分析了Marcellus頁巖氣田的測井資料后發(fā)現(xiàn)，低滲透的頁巖僅含有較少的游離水，大量的壓裂液可以就此被頁巖吸收［5］。這些殘留在頁巖層內(nèi)的壓裂液，一般不會對位于儲層數(shù)百米上方的地下水層造成污染，但是在返排液的回收以及處理過程中易造成污染，特別是壓裂液和地層水中的天然污染物可以穿過井筒和套管之間沒有完全密閉的環(huán)空，或者壓裂目標(biāo)層以外的天然裂縫以及斷層等水文通道，運移到含水層造成對地下水的污染［6-7］。而近來的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對于返排廢水的放射性評估集中在單一元素鐳上［8］，忽略了鈾、釷、錒等放射性元素，大大低估了其總放射性污染水平，從而也低估了污染流體造成淡水污染的風(fēng)險。

在返排液處置前的臨時存儲或者運輸過程中，也存在著環(huán)境污染的風(fēng)險。這些液體通常被儲藏在管線中甚至露天蒸發(fā)池里，暴雨和大風(fēng)等極端天氣可能導(dǎo)致蒸發(fā)池中的返排液溢出，造成徑流污染，進(jìn)而給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會生產(chǎn)生活帶來難以預(yù)計的影響［9］。

1.2有害氣體的泄漏

頁巖氣開采過程中所泄漏的有害氣體主要就是甲烷。甲烷是頁巖氣的主要成分，同時也是導(dǎo)致全球氣候變暖的溫室氣體之一，當(dāng)前全球氣候變暖1/3的原因可以歸結(jié)于甲烷氣體的排放［10］。研究證明，在過去100年間，甲烷的暖化能力比二氧化碳高33倍［11］。此外，泄漏的甲烷在地層中可以被細(xì)菌氧化，導(dǎo)致氧氣耗盡，而低氧濃度則會導(dǎo)致地層中砷、鐵離子的溶解度增加，污染地下水質(zhì)［12］，并且低氧濃度下厭氧細(xì)菌增殖可以將硫酸鹽還原為硫化物，會進(jìn)一步加劇地下水和大氣的污染風(fēng)險。因此限制頁巖氣開采過程中的甲烷泄漏具有重要意義。

開采頁巖氣藏時所泄漏的甲烷一般要多于常規(guī)氣藏［13］。這是由于在壓裂后返排期內(nèi)，返排液回流到地表的同時，伴隨著大量的甲烷氣體，并最終排放到大氣中，導(dǎo)致了大氣中甲烷氣體含量的增加。Howarth等人研究了頁巖層水力壓裂后溫室氣體的排放情況。結(jié)果表明，在頁巖氣生產(chǎn)過程中，占總產(chǎn)量3.6%～7.9%的甲烷泄漏到大氣中，而這些泄漏的甲烷量超出常規(guī)氣藏開發(fā)泄漏量的30%～200%［14］。

頁巖氣開發(fā)過程中，環(huán)空中的密封不嚴(yán)也可以導(dǎo)致部分甲烷泄漏，泄漏的通道如圖1所示。在氣井建井施工中，如果固井失敗或者環(huán)空密封不嚴(yán)，會造成甲烷沿井筒外壁竄至飲用水層或其他巖層［15］，引發(fā)環(huán)境風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，在2008—2013年間，賓夕法尼亞州6 466口非常規(guī)氣井施工過程中出現(xiàn)219次故障，故障率達(dá)到了3.4%，其中套管和水泥膠結(jié)的故障率為1%～2%［16］。泄漏的甲烷進(jìn)入到飲用水層，可造成飲用水混濁，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到10 mg/L的極端情況時會發(fā)生爆炸［15-17］。隨著頁巖氣開發(fā)力度的加大，發(fā)生甲烷泄漏的風(fēng)險也不斷提高。而美國相當(dāng)一部分頁巖氣工區(qū)位于人口稠密的地區(qū)，近年來，得克薩斯州的DeSoto、賓夕法尼亞州的Dimock和Milanville等地頁巖氣工區(qū)的鄰近居民水井中常有甲烷被發(fā)現(xiàn)［18］。關(guān)于這些甲烷的來源存在著分歧，即甲烷是來自頁巖氣開采中的泄漏還是由淡水系統(tǒng)中微生物合成的［19］。

圖1　甲烷泄漏的通道圖

其他層中的甲烷，同頁巖層中的甲烷一樣，都可以通過斷層由地層深處向上運移，或者通過裂縫由沼澤或冰磧層進(jìn)行橫向運移［20］，并最終進(jìn)入飲用水層中；此外，居民水井中的甲烷也可能來自儲氣罐、煤礦、垃圾填埋場、天然氣管道和被遺棄的氣井等［21］；當(dāng)甲烷在地下運移時，也可能被部分氧化，進(jìn)而與其他氣體混合，或者沿著移動路徑逐漸稀釋，這在一定程度上加大了確定甲烷來源的難度。因此，除了對甲烷泄漏地區(qū)水井和頁巖氣生產(chǎn)過程進(jìn)行長期地下水取樣以及檢測之外，也應(yīng)當(dāng)采用多種手段分析水井中甲烷的來源，減小甲烷泄漏帶來的地下水層環(huán)境風(fēng)險［22］。

頁巖氣開采過程中產(chǎn)生的有害氣體還包括氮氧化物（NOx）、返排液中易揮發(fā)的有機(jī)廢氣、PM2.5和PM10等大氣顆粒懸浮物以及臭氧等大氣有毒物。Robinson對上述有害氣體排放的主要來源和次要來源做出了分析（表1），氮氧化物的來源主要是建井過程中的鉆機(jī)和壓裂泵等，有機(jī)廢氣的來源主要是完井放空，PM2.5等大氣懸浮物主要來源自建井過程［23］。

1.3淡水的損耗

當(dāng)前頁巖氣商業(yè)性開發(fā)的迅猛增長與以水平井和水力壓裂為代表的頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)獲得突破是密不可分的［24］，然而這也以水資源的大量消耗為代價。在Marcellus頁巖氣田，單口水平井整個生產(chǎn)過程需要用水7 500～27 000 m3［25］，與之相比，由于接觸面積小，直井只需要用水3 700 m3（圖2）。統(tǒng)計結(jié)果顯示，Marcellus頁巖氣田天然氣開采用水量平均為70 780 m3/d，且其中的95%都消耗在水力壓裂上，而壓裂用水大部分（60%～70%）是來自地表水提取。在生產(chǎn)高峰期，該氣田的用水量甚至達(dá)到了賓夕法尼亞州淡水消耗量的1%［26］。在生產(chǎn)區(qū)當(dāng)?shù)剡^度取水或在干旱條件下維持生產(chǎn)，還會帶來更加嚴(yán)重的環(huán)境問題，而這些問題在美國西南部和西部干燥的頁巖氣區(qū)塊是普遍存在的。此外，頁巖氣的產(chǎn)量與生產(chǎn)井?dāng)?shù)目密切相關(guān)［7］，頁巖氣產(chǎn)量的增加必然要求氣井井?dāng)?shù)急劇增加，也就意味著消耗水量的進(jìn)一步增加，水資源短缺的問題將變得更加嚴(yán)重。

表1　有害氣體的泄漏來源

圖2　Marcellus頁巖單井開采頁巖氣地下水的消耗量圖

1.4微地震的發(fā)生

頁巖氣開發(fā)中需要注意的風(fēng)險還包括水力壓裂以及污水回注可能導(dǎo)致的低震級地震，學(xué)者們對于頁巖氣開發(fā)是否能誘發(fā)地震持有不同的觀點。

Frohlich等的研究認(rèn)為得克薩斯州Fort Worth盆地（Barnett頁巖氣藏所在地）發(fā)生的低震級地震與該地區(qū)頁巖氣開采中的水力壓裂之間沒有確鑿的聯(lián)系，但是發(fā)現(xiàn)返排液加壓回注鹽水處理井后，部署在附近水井中的井下地震儀陣列檢測到了約1 000次微地震，其中最大的震級約為里氏1.6級［27］。Ellsworth的研究也發(fā)現(xiàn)俄克拉荷馬州一系列微地震的增加主要是由于返排液廢水回注引起的，和壓裂關(guān)系不大［28］。

De Pater等則持有不同的觀點，他們認(rèn)為水力壓裂引發(fā)低震級地震的可能性非常大，這是因為在壓裂液高壓注入斷裂帶后，緩解了斷層間的摩擦，使其更加容易滑移，從而引發(fā)地震［29］。Lamontagne的研究發(fā)現(xiàn)，在加拿大的不列顛哥倫比亞省和阿爾貝塔省，較為頻繁中等強(qiáng)度的地震與水力壓裂相關(guān)，震級最高達(dá)到里氏4.4級［30］，而這一地區(qū)在開展壓裂之前，僅有較微弱的地震發(fā)生。

1.5其他方面的威脅

Soeder等的研究認(rèn)為頁巖氣建井施工中，低等級的農(nóng)村公路難以承受重型設(shè)備的移動，安全隱患大、破損嚴(yán)重，而拓寬或新辟道路又存在造成小溪和小流域侵蝕以及污染的可能［31］。同時，道路和井場的建設(shè)需要侵占大量的耕地，侵占耕地及鉆井、壓裂等活動也可能會影響到附近野生動物種群的棲息和繁育。

與常規(guī)油氣藏的水力壓裂相比，頁巖氣藏水力壓裂作業(yè)規(guī)模大、排量高，一般在12～14 m3/min之間，壓裂車施工時產(chǎn)生的噪音巨大，對壓裂現(xiàn)場附近居民的生活會造成一定影響。

2　環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對措施

在頁巖氣革命的推動下，頁巖氣產(chǎn)量的快速增長是過去30年來世界能源生產(chǎn)端的巨大變革。特別是在美國，2012年頁巖氣的產(chǎn)量已占其天然氣總產(chǎn)量的39%。然而在商業(yè)開發(fā)高速增長的背后，不可避免地帶來諸多環(huán)境問題，這也引發(fā)了美國政府和民間的廣泛關(guān)注。政府的監(jiān)管部門和頁巖氣開發(fā)企業(yè)已開始采取大量的補救措施。

2.1地下水保護(hù)對策

早在2005年，為促進(jìn)頁巖氣開發(fā)，美國國會曾將水力壓裂排除在國家環(huán)境保護(hù)局所制訂的《安全飲用水法案》之外，企業(yè)也不需要公開壓裂液的化學(xué)成分，這就降低了對于頁巖氣開發(fā)的環(huán)保要求。隨著近年來頁巖氣開采的環(huán)境污染問題逐漸被重視，得克薩斯州等8個州已要求企業(yè)公布壓裂液中所添加的化學(xué)添加劑配方，其余州的很多企業(yè)已經(jīng)主動公開了這些信息［32］。與此同時，眾多科研單位加緊研究更環(huán)保的綠色壓裂液，這也有助于降低壓裂液污染所造成的環(huán)境和健康風(fēng)險。

對于有可能造成環(huán)境污染的返排液，美國頁巖氣工業(yè)處置方式主要有以下兩種：①Barnett、Woodford、Fayetteville以及Haynesville等氣田的處理方法是將返排液直接注入地下鹽水層，如Barnett氣田頁巖層下面的Ellenberger組石灰?guī)r層［33］；②Marcellus氣田的處理方法則是借助于城市污水處理系統(tǒng)，凈化處理后的返排液可以被淡水稀釋后重新作為壓裂液注入［34］。對返排液的循環(huán)利用可以最大限度地減少壓裂用水量。然而由于近年來壓裂作業(yè)數(shù)目大增，產(chǎn)氣量大幅提升，Marcellus頁巖氣田的處理設(shè)施已經(jīng)不能滿足劇增的返排液處理需求，也缺乏處理鉆井過程中所產(chǎn)生的高鹽度廢水的設(shè)備，不能達(dá)到重復(fù)使用返排液進(jìn)行后續(xù)壓裂作業(yè)的要求。此外，賓夕法尼亞州環(huán)境保護(hù)局要求開發(fā)企業(yè)，對于移動儲罐、蒸發(fā)池和井口之間的流體等必須長期監(jiān)測并定期測試，對于運輸至注入井和處理廠的返排液，必須采取嚴(yán)格的預(yù)防措施，以防止泄漏。

2.2控制有害氣體排放

在控制頁巖氣開發(fā)過程中的地層水及地表水污染的同時，美國還采取了一系列措施限制溫室氣體的排放，國家環(huán)境保護(hù)局已將甲烷納入污染源監(jiān)測范圍，并設(shè)定氣井的天然氣放空和燃燒的限值，嚴(yán)格要求在井口安裝甲烷捕集設(shè)備，以減少甲烷的排放量［35］。目前，已有多項捕集技術(shù)被應(yīng)用，甲烷的排放量可以降低80%［36］。同時甲烷在地層中的運移也受到了極大的重視。在Marcellus頁巖氣田投入開發(fā)前，已有在私人水井中發(fā)現(xiàn)甲烷的相關(guān)報道，經(jīng)分析后認(rèn)為這些甲烷是由地下（如煤層，冰磧巖或頁巖）運移而來的。然而，由于缺乏可靠的數(shù)據(jù)，在頁巖氣井投入開采之后，公眾很容易將這類甲烷運移引發(fā)的環(huán)境事故歸因于天然氣開采活動。因此，匹茲堡大學(xué)的研究者建議，在建井前應(yīng)廣泛收集和整理地層的詳細(xì)地質(zhì)資料，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用多種技術(shù)手段可以更好地分析甲烷的運移情況，從而采取適當(dāng)措施減少甲烷的排放量［37］。

2.3其他方面

水力壓裂施工過程中可能造成大量的微地震，雖然這些地震震級較小且在地表難以被檢測，但是在施工過程中的地震監(jiān)測對于防止壓裂引發(fā)高震級地震是必不可少的。美國地質(zhì)調(diào)查局正在對誘發(fā)地震的地質(zhì)條件和工業(yè)實踐進(jìn)行研究，以制定應(yīng)對地震風(fēng)險的方法［28］。

3　對于中國頁巖氣開發(fā)的啟示

近年來，公眾的環(huán)保意識逐漸加強(qiáng)，更加嚴(yán)格的環(huán)保要求將成為“新常態(tài)”。因此，分析美國頁巖氣環(huán)境保護(hù)政策的發(fā)展演變以及防范的具體技術(shù)措施，將會為我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)安全、綠色發(fā)展提供許多的啟示。

首先在政策層面，應(yīng)盡早制訂和完善與開采頁巖氣相關(guān)的政策和法規(guī)，并對污水泄漏和其他意外排放、低震級地震等風(fēng)險進(jìn)行全面的評估，基于國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的特點，可以參照美國當(dāng)前實施的和正在制訂的聯(lián)邦法律法規(guī)，以及相關(guān)州的法規(guī)，進(jìn)而制訂中國頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管法律體系。根據(jù)頁巖氣開發(fā)工區(qū)的地質(zhì)特征和開發(fā)特點，建立相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別要對壓裂液返排過程進(jìn)行全程動態(tài)跟蹤分析，并且對返排液的處理和泄漏、甲烷的排放和泄漏以及壓裂施工中的低震級地震進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測。

同時，進(jìn)一步加大技術(shù)層面上的投入力度。例如，加大對于壓裂液體系研發(fā)的投入，研發(fā)出性能穩(wěn)定、無腐蝕性、低傷害的壓裂液。針對壓裂時注入流體中大部分未在返排期間排出的情況，應(yīng)建立基于目標(biāo)層地球物理和地球化學(xué)特征的數(shù)學(xué)模型，以精確計算整個壓裂流體的流量，并預(yù)測流體的運移通路以及注入流體的最終分布位置。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合壓裂液返排過程和低震級地震監(jiān)測的“大數(shù)據(jù)”，可以更加有效地鎖定污染源，協(xié)助環(huán)保部門更好地預(yù)測未來發(fā)展趨勢。這也有助于緩解外界對于頁巖氣開采造成環(huán)境風(fēng)險的疑慮。

最后，應(yīng)加強(qiáng)頁巖氣開采過程中的用水管理。淡水資源的大量消耗是頁巖氣開發(fā)過程面臨的主要環(huán)境風(fēng)險之一，相對于Marcellus頁巖較淺的埋深（1 291～2 591 m），涪陵頁巖氣田正在開發(fā)的層系埋深在2 200～2 400 m之間，這意味著需要消耗更多的水資源。此外，我國頁巖氣資源儲量豐富的地區(qū)大多數(shù)也是季節(jié)性缺水嚴(yán)重的地區(qū)，淡水資源匱乏。因此必須對頁巖氣開發(fā)過程中水資源的消耗加以重視。而根據(jù)美國的經(jīng)驗，用水管理的關(guān)鍵在于返排液的重復(fù)利用。壓裂返排液通過技術(shù)處理達(dá)標(biāo)后，被重新配制成壓裂液，用于下次施工，實現(xiàn)循環(huán)利用。此外，考慮到頁巖氣滾動勘探開發(fā)的特點，有必要在投產(chǎn)之前預(yù)先安排設(shè)計返排液處理設(shè)備，避免因產(chǎn)量快速增長、循環(huán)處理設(shè)備不足而產(chǎn)生環(huán)境危害。對于無法避免的污水泄漏和其他意外排放所形成的環(huán)境風(fēng)險要進(jìn)行全面風(fēng)險評估和監(jiān)管，力爭做到對于水資源合理、有效地利用。

4　結(jié)束語

未來數(shù)十年間，頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將逐漸成為世界經(jīng)濟(jì)的重要推進(jìn)器?？v觀北美地區(qū)30年來開發(fā)頁巖氣的歷程，在頁巖氣開發(fā)初期就要對其環(huán)境風(fēng)險予以足夠的重視。我國的頁巖氣產(chǎn)業(yè)處于起步階段，頁巖氣藏主要分布地區(qū)，地形往往較為復(fù)雜，人口比較稠密，加之近年來公眾的環(huán)保意識逐漸提升，因此監(jiān)管部門和開發(fā)企業(yè)應(yīng)立足于頁巖氣田當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，充分借鑒北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，完善相關(guān)政策法規(guī)，加強(qiáng)技術(shù)投入，利用監(jiān)測過程中產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”助力環(huán)境保護(hù)，從政策、技術(shù)和信息公開等角度入手，始終把安全環(huán)保、綠色低碳放在首位，堅持資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)并重，多管齊下以規(guī)避頁巖氣開發(fā)中所面臨的環(huán)境風(fēng)險。

［1］Lewis A. Wastewater generation and disposal from natural gas wells in Pennsylvania［D］. Durham： Duke University， 2012.

［2］ Polizzotti DM， Mcdaniel CR， Pierce CC， Vasconcellos SR. Methods and compositions for remediating microbial induced corrosion and environmental damage， and for improving wastewater treatment processes： US， 20140030306A1［P］. 2012-03-29.

［3］ Fagan MN. Resource depletion and technical change： Effects on US crude oil finding costs from 1977 to 1994［J］. The Energy Journal， 1997， 18（4）： 91-105.

［4］ Alkouh AB， Mcketta SF， Wattenbarger RA. Estimation of fracture volume using water flowback and production data for shale gas wells［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， 30 September-2 October 2013， New Orleans， Louisiana， USA. DOI：http： //dx.doi.org/10.2118/166279-MS.

［5］ Engelder T， Cathles LM， Bryndzia LT. The fate of residual treatment water in gas shale［J］. Journal of Unconventional Oil and Gas Resources， 2014， 7： 33-48.

［6］ Fisher MK， Warpinski NR. Hydraulic-fracture-height growth： Real data［J］. SPE Production & Operations， 2012， 27（1）： 8-19.

［7］ 肖鋼， 白玉湖. 基于環(huán)境保護(hù)角度的頁巖氣開發(fā)黃金準(zhǔn)則［J］.天然氣工業(yè)， 2012， 32（9）： 98-101.

Xiao Gang， Bai Yuhu. A golden rule of shale gas development from an environmental perspective［J］. Natural Gas Industry， 2012，32（9）： 98-101.

［8］ Warner NR， Christie CA， Jackson RB， Vengosh A. Impacts of shale gas wastewater disposal on water quality in western Pennsylvania［J］. Environmental Science & Technology， 2013，47（20）： 11849-11857.

［9］ Delaware Riverkeeper Network. Natural gas well drilling and production in the upper Delaware River Watershed［R/OL］. （2010-05-10）［2016-03-20］. http： //www.calcium25.com/drilling_and_ production.pdf.

［10］ Shindell DT， Faluvegi G， Koch DM， Schmidt GA， Unger N，Bauer SE. Improved attribution of climate forcing to emissions［J］. Science， 2009， 326（5953）： 716-718.

［11］ Intergovernmental Panel on Climate Change. Fifth Assessment Report （AR5）［R/OL］. （2015-06-10）［2016-03-20］. https： //www. ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/SYR_AR5_FINAL_full_ wcover.pdf.

［12］ 吳青蕓， 鄭猛， 胡云霞. 頁巖氣開采的水污染問題及其綜合治理技術(shù)［J］. 科技導(dǎo)報， 2014， 32（13）： 74-83

Wu Qingyun， Zheng Meng， Hu Yunxia. Shale gas produced water contamination and its comprehensive treatment［J］. Science & Technology Review， 2014， 32（13）： 74-83.

［13］ 陳莉， 任玉. 頁巖氣開采的環(huán)境影響分析［J］. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展， 2012， 37（3）： 52-55.

Chen Li， Ren Yu. Analyzing the environmental implications of shale gas exploitation［J］. Environment and Sustainable Development， 2012， 37（3）： 52-55.

［14］ Howarth RW， Santoro R， Ingraffea A. Venting and leaking of methane from shale gas development： Response to Cathles et al［J］. Climatic Change， 2012， 113（2）： 537-549.

［15］ Gorody AW. Factors affecting the variability of stray gas concentration and composition in groundwater［J］. Environmental Geosciences， 2012， 19（1）： 17-31.

［16］ Considine T， Watson R， Considine N， Martin J. Environmental impacts during Marcellus Shale gas drilling： Causes， impacts， and remedies［R/OL］. （2012-05-15）［2016-03-20］. http： //www2.cce. cornell.edu/naturalgasdev/documents/ubsrsi-environmental%20 impact%20report%202012.pdf.

［17］ Earthworks TML Oil & Gas Accountability Project. Pennsylvania Department of Environmental Protection inadequate enforcement guarantees irresponsible oil and gas development in Pennsylvania［ R/OL］. （2012-9-12）［2016-03-20］. https： //www. earthworksaction.org/files/publications/FINAL-PA-enforcementsm.pdf.

［18］ Révész KM， Breen KJ， Baldassare AJ， Burruss RC. Carbon and hydrogen isotopic evidence for the origin of combustible gases in water-supply wells in north-central Pennsylvania［J］. Applied Geochemistry， 2010， 25（12）： 1845-1859.

［19］ Laughrey CD， Baldassare FJ. Geochemistry and origin of some natural gases in the Plateau Province， central Appalachian Basin，Pennsylvania and Ohio［J］. AAPG Bulletin， 1998， 82（2）： 317-335.

［20］ Etiope G， Drobniak A， Schimmelmann A. Natural seepage of shale gas and the origin of "eternal flames" in the northern Appalachian Basin， USA［J］. Marine and Petroleum Geology，2013， 43： 178-186.

［21］ Breen KJ， Revesz K， Baldassare FJ， McAuley SD. Natural gases in ground water near Tioga junction， Tioga county， north-central Pennsylvania—occurrence and use of isotopes to determine origins， 2005［R/OL］. （2012-03-08）［2016-03-20］. https：//pubs. er.usgs.gov/publication/sir20075085.

［22］ Molofsky LJ， Connor JA， Wylie AS， Wagner T， Farhat SK. Evaluation of methane sources in groundwater in northeastern Pennsylvania［J］. Groundwater， 2013， 51（3）： 333-349.

［23］ Robinson AL. Air pollution emissions from shale gas development and production［R/OL］. ［2016-03-20］. http： // petrofed.winwinhosting.net/newsletter/WR-325_06Sep13/ w325_20.pdf#page=54.

［24］ 黃玉珍， 黃金亮， 葛春梅， 程克明， 董大忠. 技術(shù)進(jìn)步是推動美國頁巖氣快速發(fā)展的關(guān)鍵［J］. 天然氣工業(yè)， 2009，

29（5）：7-10. Huang Yuzhen， Huang Jinliang， Ge Chunmei， Cheng Keming，Dong Dazhong. A key factor promoting rapid development of shale gas in America： Technical progress［J］. Natural Gas Industry，2009， 29（5）： 7-10.

［25］ Arthur JD， Uretsky M， Wilson P. Water resources and use for hydraulic fracturing in the Marcellus Shale region［C］// Prepared in conjunction with Co-Researchers including the New York State Energy Research and Development Authority，Susquehanna River Basin Commission， and the Delaware River Basin Commission under U.S. Department of Energy Research Project DE-FE0000797. Presented at the International Petroleum and Biofuels Environmental Conference， August 30-September 2 2010， San Antonio， Texas， USA. http：//www.all-llc.com/ publicdownloads/WaterResourcePaperALLConsulting.pdf.

［26］ Nicot JP， Scanlon BR. Water use for shale-gas production in Texas， US［J］. Environmental Science & Technology， 2012， 46（6）：3580-3586.

［27］ Frohlich C， Potter E， Hayward C， Stump B. Dallas-Fort Worth earthquakes coincident with activity associated with natural gas production［J］. The Leading Edge， 2010， 29（3）： 270-275.

［28］ Ellsworth WL. Injection-induced earthquakes［J］. Science， 2013，341（6142）： 1225942.

［29］ De Pater CJ， Baisch S. Geomechanical study of Bowland Shale seismicity［R/OL］. （2011-11-02）［2016-03-20］. https：//www.politiekemonitor.nl/9353000/1/j4nvgs5kjg27kof_ j9vvioaf0kku7zz/viu9lvhwcewb/f=/blg137575.pdf.

［30］ Lamontagne M， Lavoie D， Ma S， Burke KBS， Bastow I. Monitoring the earthquake activity in an area with shale gas potential in Southeastern New Brunswick， Canada［J］. Seismological Research Letters， 2015， 86（4）： 1068-1077.

［31］ Soeder DJ， Kappel WM. Water resources and natural gasproduction from the Marcellus Shale［M］. Reston， Virginia： US Department of the Interior， US Geological Survey， 2009.

［32］ Maule AL， Makey CM， Benson EB， Burrows IJ， Scammell MK. Disclosure of hydraulic fracturing fluid chemical additives：Analysis of regulations［J］. New Solutions： A Journal of Environmental and Occupational Health Policy， 2013， 23（1）： 167-187.

［33］ GWP Council. Modern shale gas development in the United States： A primer［M］. Washington DC： US Department of Energy，Office of Fossil Energy， 2009.

［34］ Abdalla CW， Drohan JR， Blunk KS， Edson J. Marcellus shale wastewater issues in Pennsylvania： Current and emerging treatment and disposal technologies［J］. Philadelphia：Pennsylvania State University， 2011.

［35］ 田磊， 劉小麗， 楊光， 楊晶. 美國頁巖氣開發(fā)環(huán)境風(fēng)險控制措施及其啟示［J］. 天然氣工業(yè)， 2013， 33（5）： 115-119.

Tian Lei， Liu Xiaoli， Yang Guang， Yang Jing. Enlightenment from environmental risk control measures in the U. S. shale gas development［J］. Natural Gas Industry， 2013， 33（5）： 115-119.

［36］ Harvey S， Gowrishankar V， Singer T. Leaking Profits： The US oil and gas industry can reduce pollution， conserve resources，and make money by preventing methane waste［R］. New York：NRDC， 2012.

［37］ Vidic RD， Brantley SL， Vandenbossche JM， Yoxtheimer D， Abad JD. Impact of shale gas development on regional water quality［J］. Science， 2013， 340（6134）： 1235009.

Lessons from North American shale gas development : How to mitigate such associated environmental risks

Lu Hui1， Bian Xiaobing2
（1. Petroleum Engineering College， Yangtze University， Wuhan， Hubei 430100， China； 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering， Beijing 100029， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.110-116， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

In order to alleviate oil and gas shortage， shale gas has been recently developed at a high speed all over the world， especially in North America and China where the industrialized shale gas production has been carried out. However， a great number of environmental issues have arisen accordingly. In this paper， the environmental issues occurred in the shale gas development in North America were investigated， and then the potential sources， migration pathways and consequential environmental damages of pollutants formed in shale gas development were analyzed one by one. Such environmental risks are believed to be attributed to groundwater pollution， harmful gas leakage， freshwater loss and micro earthquakes. Moreover， the countermeasures taken by local governments to address the environmental risks were reviewed. It is recommended that flowback fluid pollution prevention， methane emissions reduction and micro earthquakes monitoring be focused. Finally， in view of China's shale gas development situation， it is proposed that， under the New Normal of increasingly rigorous environmental requirements， relevant governmental regulators and shale gas development enterprises should combine the practical situations in China and the available experiences both in China and abroad to minimize the environmental risks in shale gas development， from the aspects of policies and regulations， technologies and information disclosure.

North America； Unconventional energy； Fracturing； Water pollution； Greenhouse gas； Countermeasure； New Normal； Policies and regulations； China； Environmental risk

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.016

2016-03-20 編 輯 陳 嵩）

國家科技重大專項“3000型成套壓裂裝備研制及應(yīng)用示范工程”（編號：2011ZX05048）、長江大學(xué)博士啟動基金（編號：801110010145）。

陸輝，1980年生，博士；主要從事非常規(guī)能源方面的研究工作。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區(qū)蔡甸街大學(xué)路111號。ORCID：0000-0002-1718-7364。E-mail：luxhui@yahoo.com