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页岩气等非常规能源开发中的环境安全措施及环保技术
《中国矿业报》 孙张涛 / 时间:2017-11-15 08:18:17

  据中国矿业报网2017年11月2日讯 21世纪以来,非常规能源的开发一路突飞猛进,取得一系列重大突破。页岩气成为全球非常规天然气开发的热点,页密油、致密气、煤层气、重油、沥青砂等也成为全球非常规油气勘探开发的重点领域。已成功进行非常规能源大规模商业开发的国家有:美国、加拿大、澳大利亚等开发煤层气资源;爱沙尼亚等国家开发油页岩资源;加拿大开发油砂资源;美国、加拿大开发页岩气资源,美国首先突破了页岩气开采技术,使世界页岩气进入大规模商业开发阶段。
  全球非常规油气产量快速增长,在全球能源供应中的地位日益凸显。近年来,随着开发技术的日趋进步,其市场角色和地位日益突出,成为世界勘探开发的新宠。
  虽然原油价格在2014年下半年和2015年大幅下跌,但价格暴跌的阴影下也会透出一缕曙光。从历史数据看,原油价格一直起伏不定,时而上升,时而猛降,而全球油气的消耗量却是逐年上升。国际能源署2014年报告称,世界石油需求量正快速增长,因此提高了长期需求增长的估算量。并且,以往油气行业在面临价格低廉的挑战时,均能采取措施提高油气资源开发的效率走出低谷。产业低迷期正是我们抽出时间退一步通观全局、审视过去、总结经验、思考未来革新之路的时机。而环境问题正是我们站在“十三五”的历史节点上,为保护绿水青山需要努力的方向之一。
  非常规能源开发的相关环境问题
  非常规能源开发过程中存在许多重要的环境挑战,国内外相关文献记载的环境影响类型有水资源利用和水质问题、温室气体排放和气候变化、空气质量、诱发地震、土地利用和栖息地破坏等潜在风险。比如,页岩气的开发可能会导致空气中挥发性有机化合物、氮氧化合物和温室气体(如甲烷)浓度的升高,也对土壤和沉积物具有潜在的污染,钻井废物的泄漏可能会造成高度的盐化和酸化。当土壤化学污染物受到流水的侵蚀或者径流的冲刷时,可能会对周围的环境造成污染。
  (一)水资源利用及水质问题
  与常规油气开采和非常规油气开采相关的其它水质问题的关注包括:地表溢出、矿坑泄漏、钻孔和衬垫施工中淤积的液体对地下和地表水产生污染的风险。由于在开采页岩气和致密油时,短时间内需要大量的水来实施水力压裂,所以也就出现水的消耗问题。用水问题包括获取大量水可能对地表水资源、水流和水生生物(尤其是枯水期)的影响,以及其他竞争性用水的影响(例如市政或农业用水)。这些影响可能是区域性的或者局部的,可以随季节或者较长期的降水变化而变化。
  一般非常规能源的开采活动可以大致分为7个不同的阶段:①打钻孔;②混合压裂液;③水力压裂;④回收返排水或采出水;⑤废水处理;⑥利用运输工具和机械装备;⑦封堵弃井。


水力压裂装置(源于美国石油协会)

水力压裂装置(源于美国石油协会)


  在水力压裂过程中,使用的指定压裂液包含水、支撑剂和化学添加剂。压裂液的用量取决于页岩地层的地质组成、所用的水力压裂技术和钻井过程的持续时间。压裂液约92~94%由水组成,其中6~7%是溶解的压裂支撑剂。每口井每次水力压裂过程中的用水量在8000~19000立方米之间。余下的1~2%的液体由不同的化学添加剂组成。这些添加剂由不同的化学物质组成,每一种都具有特定的功能。包括凝胶和交联剂、减摩剂、腐蚀剂、pH调节剂、酸、缓蚀剂、防垢剂、铁控制剂、粘土稳定剂、杀菌剂和表面活性剂。大量的返排液可能会对环境和人类健康造成影响。大约有10~40%的注入压裂液在水力压裂过程中返回到地表。采出水不仅包含在水力压裂前添加的化学物质,而且可能包含页岩气地层吸附的各种物质。返排水可能含有卤化物(如氯化物、溴化物、氟化物)、锶、钡和通常自然产生的放射性物质(NORMs),以及不同的有机或无机物质。
  除了水力压裂,其它开发活动也会对环境造成危害。钻井过程中所使用的管道结构和机械是水力压裂液中化学物质泄漏到环境中的潜在途径。钻井生产能力不足后,连接到地层中的钻孔将会被废弃。按照规定用水泥浆和机械插塞对废弃的井进行封堵。如果废弃井处理得当,对淡水含水层的污染风险可以降低甚至没有风险。
  (二)空气质量
  与非常规油气生产相关的气体释放也是一个重要的挑战。在油气生产的各个不同阶段都能够释放大气污染物。污染源包括衬垫、道路和管道的建设、钻井和完井以及返排、天然气处理、存储和运输设备。主要污染物包括甲烷(天然气的主要成分以及一种强效的温室气体)、挥发性有机化合物(VOCs)、氧化氮、二氧化硫、颗粒物质以及各种有害的大气污染物。根据环境保护署的报道,油气工业是甲烷和挥发性有机化合物排放的一个重要源头,挥发性有机化合物与氧化氮再反应形成臭氧(污雾)。
  (三)诱发地震
  大部分非常规油气资源的开发都需要依靠向地下岩层注入大量液体,这种行为可能会激活附近断层的滑坡而诱发地震。据统计,油田中不断增加的液体灌注行为导致北美部分地区的地震发生频率大幅增长。在美国中部,大部分诱发地震都与油气开发活动中采出水的深部排放有关。相比之下,近几年加拿大西部的许多诱发地震都与水力压裂活动开展的时间和空间存在高度相关性。
  在各种潜在的环境影响中,许多可能会随着适当的安全措施、现有技术和最优方法而得到缓解。
  国外相关管理经验借鉴
  (一)立法先行,加强监管。
  美国一直在不断完善对非常规油气开发中有关环境问题的法律法规。2013年,美国颁布《能源开发法案》,该决议修改了《安全饮用水法案》(该法案最初于1974年由美国国会通过,并于1986年和1996年进行修改,主要宗旨是保护饮用水及其水源——河流、湖泊、水库、泉水和地下水水源等),禁止水力压裂,除非个人提出进行水力压裂作业时同意对地下饮用水源进行测试和报告要求。该立法要求在水力压裂作业之前、之中和之后都需要测试。美国2015年的《压裂化学用品责任和意识法》授权环境保护署根据《安全饮用水法案》来监管压裂过程,对《安全饮用水法案》进行修订:①要求公开压裂过程中使用的化学用品;②废除2005年已制定的《能源政策法》中水力压裂免税政策,将术语“地下注入”修改为包括水力压裂作业中的液体注入,因此授权环境保护署根据《安全饮用水法案》来监管压裂过程。2012年,根据《清洁空气法》权限,环境保护署出台了规定,需要在油气生产中减少排放量,包括天然气井水力压裂所产生的挥发性有机化合物的排放量。《减少能源在空气中传播的有毒污染物对健康的影响法案》授权环境保护署统计油气井、管道和相关部位释放的气体总量,以便控制有毒空气污染物。2013年的《气候保护法案》(Climate Protection Act),S.332议案第301条中包含化学用品公开的规定。第302条要求环境保护署向国会报告天然气基础设施中挥发性甲烷的释放量。此外,美国一直积极致力于:建立控制页岩气开采中排往公共污水处理厂的废水的预处理标准;修订水量标准使水生生物免受油气开采过程中排放到地表水中的卤水影响;要求提供水力压裂化学品有害物质报告,以便规范或管理与非常规油气生产有关的活动。
  在加拿大,各省负责管理并通常拥有本省陆地自然资源,其中包括:石油和天然气,同时也是地表水和地下水资源的监管者。一些省份规定开展地球物理以及钻井活动需要办理许可证,而在另外一些省份,钻井施工、完井、水力压裂、钻井的改造及废弃都需要办理专门的许可证。土地使用需要租赁合同,用水则需要办理取水许可证。同时还有规定要求及时提交钻井报告(套管和固井报告)、钻孔地球物理编录资料(岩性评价)以及测井数据(储层评价),并且要立即或者在结束短暂的保密期(根据钻井类型以及各省规定的不同一般为3个月至3年)后向外界公布。各类生产活动都被纳入在强大的省级或者联邦政府法规的监管之下,以保护环境不会遭受破坏,包括空气质量、农业及林业用地、国家公园、野生动物栖息地、可饮用的地表或地下水。在加拿大东部,勘查和钻探活动(如地球物理、钻探及完井工作)的相关法规在各省由不同部门分别监督执行,环境问题(如水资源提取、水及空气质量、天然气燃烧以及压裂操作的监管和许可)相关法规通过环境部监督执行。在西部省份(不列颠哥伦比亚、阿尔伯塔省),油气工业大部分活动的监管通过不列颠哥伦比亚油气委员会和阿尔伯塔能源监管局执行。
  法律促进技术发展,但不会对相关技术对社会和环境保护造成的不确定性后果和潜在威胁予以过度妥协。应将预防和防治原则作为规范开采活动的两个主要工具,在非常规能源开采的技术发展的促进和抑制之间达成平衡。
  (二)重视研究,加强合作。
  油气公司和监管机构需采取进一步的措施来保护水质、管理水资源的使用及废水的处理,公开报道整个压裂和净化过程中用水的成分和流程,公开压裂液成分并对井开发和建设(尤其是下套管、固井和压力管理)采取最佳操作,也需要通过减少有毒气体、臭氧前体物、甲烷和其它污染物的排放来保护空气质量。
  2012年4月,由美国能源部牵头,与环境保护署和内政部(DOI/美国地质调查局)共同签署了制定多家机构的研究计划的协议备忘录,以解决安全和慎重地开发非常规页岩气和致密油相关的最优先研究的问题,并于2014年7月共同发布了一项非常规油气研究和发展的战略。通过跨部门工作组来协调机构的活动并从事长期规划,确保研究、资源评价和基础设施建设的协调。
  (三)改良技术,降低风险。
  对非常规油气开发的可能风险进行评估,并采取措施将其降到最低。通过改良技术、预测风险等措施积极引导开发活动不断朝着绿色环保的方向发展(如采用“绿色”添加剂、地下水监控、返排水和采出水的回收利用、压裂液添加剂的公布等等),在一些情况下,需要设立相关法规提出硬性要求。
  在美国,由于更加严格的环境规章的发布和实施,水力压裂废水管理趋势已经随着时间逐渐转变,从最初的废水处理设施中处置到重新利用和深井注入。目前,在后续水力压裂作业中重新利用返排液和采出水是普遍趋势。内部重新利用使废水的环境影响和处理成本最小化,同时降低了淡水作为压裂液的需求量。当然,为了使这些压裂液达到重新利用的要求,还需要更多“高级”处理技术,如蒸发和结晶技术、反向渗透、膜蒸馏、正向渗透、生物技术等。