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基于环境保护角度的页岩气开发准则
作者:管理员    发布于:2017-04-15 14:20:22    文字:【】【】【

  环境风险和挑战,包括大气污染及温室效应、地下水及地表水污染,并会因用水量巨大而导致局部地区水资源短缺。为此,在借鉴美国应对页岩气开发所致环境风险对策的基础上,从如何防止大气与气候污染、地下水与地表水污染等方面总结了基于环境保护角度的页岩气开发准则。从技术层面对页岩气开发过程可能导致的环境风险进行了分析,并提出防范大气污染及温室效应、防止地下水及地表水污染等相应的对策和监测手段;旨出在页岩气开发过程中,还应该在现有环境法案框架基础上有针对性地制定环境保护政策,这些政策法规应该起到中坚作用。结论认为,我国尚处于页岩气的发展初期,具有很好的实施环境和社会协调发展的基础,因此在页岩气开发伊始就要把环境保护纳入管理体系。

  基金项目:中国海洋石油总公司综合科研项目“国内外页岩油气资源评价与开发关键技术前期调研研究”(编号:0100(3-反,页岩气勘探开发除可以导致常规油气开发所带来的环境风险之外,还可能带来新的环境风险和挑战,包括大气和气候污染、地表水和地下水污染等。从环境保护角度出发,探讨美国在页岩气勘探开发中是如何实施环境保护的,以期从环境保护角度为我国未来的页岩气开发提供。

  1页岩气及其发展页岩气是指赋存于暗色富有机质和极低渗透率的泥页岩、泥质粉砂岩以及砂岩夹层系统中,在页岩孔隙和天然裂缝中以游离方式存在,在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在,甚至在干酪根和坜青质中还可能以溶解状态存在的天然气,是自生自储、连续聚集的非常规天然气藏。由于页岩气与常规天然气的政策法规管理体系天然气聚集方式不同,其勘探、开发方法和技术都有明显的区别。

  据国外权威机构预测,非常规天然气资源量近4000X1012m3,约为常规天然气资源量的8倍,其中页岩气约为456X1012m3.美国是世界上页岩气开发为成功的国家,但美国页岩气发展也经历了很长的历程,在前期阶段不温不火,到1997年产量才达108m3.得益于优惠的政策以及开发技术的突破,到2009年美国页岩气开发得到了迅猛发展,产量达到了867X108m3;2010美国页岩气产量达到108m3,占全美天然气年总产量的23,超过我国天然气年产量。2011年,美国页岩气产量超过1800X108m3.而且美国页岩气快速勘探开发使美国天然气储量增加了40.页岩气作为储量巨大、具备商业开采能力的非常规油气资源之一已引起各国充分重视7.除北美的美国、加拿大以外,欧洲的德国、法国、波兰等一些国家也积极地投入到页岩气的勘探开发中,以期在未来的非常规气资源开发中获益。

  我国非常规天然气资源丰富,分布广泛,初步估计资源量在150X1012m3,约为常规天然气资源量的3倍。其中煤层气和致密砂岩气都得到了商业开发,但页岩气尚处于起步阶段,与美国相差甚远。我国页岩气初步评价远景资源量为86X1012166X1012m3,可采资源量为26X1012m3.面对如此巨大的页岩气资源,我国也制定了国家页岩气开发规划,以期在页岩气开发上获得突破。

  2页岩气开发可能导致的环境风险2.1大气和气候污染基于美国经验,页岩气开发以及管理不当而导致的与空气和水相关的主要环境风险如下:温室效应。页岩气基本、重要的成分是甲烷气体,在开发和生产中由于各种原因可能导致甲烷释放和泄漏。虽然人们总认为二氧化碳含量上升是气候变暖的主要原因,但也应该认识到甲烷也是一种非常重要的导致气候变暖的温室气体之一。同样质量的甲烷导致的气温上升能力是二氧化碳的几十倍。目前气候变暖的三分之一原因是由于甲烷气体产生的。在美国,CATF(CleanAirTTaskForce)组织基于美国EPA(美国环境保护局)的估算,从石油和天然气生产过程中释放出的天然气是电厂释放出的二氧化碳导致变暖效应的35.从角度来看,到2030年,油气生产所释放的甲烷气体将是人为产生甲烷气体的大来源,如果考虑近几年迅猛发展的页岩气开发,该比例还会提高。

  地面臭氧烟雾污染。主要由于天然气燃烧释放入大气中的氮氧化物、碳氢化合物等在特殊的气象条件下(强烈日光、无风或微风、夏季至秋初等),经过一系列复杂的光化学反应生成的。由于臭氧是经过光化学反应生成的新的污染物(又称二次污染物),其危害比一次污染物更为严重。在美国的一些地区,由于页岩气的大规模开发导致的地面臭氧烟雾污染(比如氮氧化物和有机质组分),使得一些农村地区的臭氧烟雾达到了污染的临界值。

  有毒气体。放空天然气的燃烧以及使用柴油的钻井设备及卡车等都会产生大量的有毒气体和烟灰,天然气以及发动机燃烧也会产生有毒气体。

  2.2地下水污染非常规天然气开发过程中的来自地层的流体、压裂液及天然气(甲烷)可能窜入水层并且对水层带来不利的影响,尤其是在大规模的压裂和返排作业过程中,这种影响的可能性更大。污染地下水可能的来源主要有:①固井和完井的不合理设计及管理;②压裂、钻井设备及大型设备的地面震动以及扰动(目前在美国已经有证据显示这些震动导致了当地井水的混浊)③一些老的或没有封堵好的废弃井眼;④地表存在的一些水文通道,比如断层和裂缝区等。

  目前美国有关报道认为页岩气的大规模压裂开发会导致地下水的污染,但这仍旧是一个非常有争议的问题。不过可以想象,在没有严格的作业标准情况下,这类报道随着页岩气的开发将会越来越多。

  2.3地表水污染页岩油气井的产出液、压裂液、常规钻井操作和意外的井喷等都会含有大量的污染物质,这些污染物包括压裂液中添加的各种化学药剂、天然气烃类物质、支撑剂、含有天然有毒物质的地层高矿化度水(比如放射性元素、有毒矿物质等)。如何处理这些含有污染物质的流体关系到地表水及地下水是否会受到污染。我国的下扬子地区页岩发育丰富,同时河流、湖波密集分布,水网发达,在该地区进行页岩气开发,如何处理好与页岩气勘探开发相关的产出液、压裂液等含有污染物质的液体至关重要。稍有不慎,排入地表水的污染源就会随着发达的水网迅速扩散,给生态和社会生产带来不可预测的影响。

  2.4局部地区的水资源短缺目前页岩气主要开发技术是长水平井多段水力压裂,通常而言,每口井目前的压裂用水将高达几万立方米,甚至更多,比常规压裂用水量剧增。仅美国2000年在FortWorth盆地Barnett页岩中开采页岩气就用掉了86.3X104m3的水资源。到2007年水资源用量激增10倍,其中6080的水会返回地面,其中含有大量的化学剂及放射性元素。如何处理日益增多的废水和压裂液是必须面临的问题,处理不当会造成环境污染。因页岩气的产量和井数有着密切的关系,增加生产井数是增加页岩气产量直接有效的手段。可以预测,随着开发井数激增,水资源用量也会激增。基于我国目前的统计工作,我国部分页岩气发育较好的盆地,水资源短缺问题很严重,如何有效、合理地利用好水资源是非常重要的,既要做到有效开发页岩气,也应做到不与自然界抢水,维持生态的协调可持续发展。

  3环境风险的防范措施3.1控制气体排放在美国,尽管已经有可行的技术去减少上述提到的污染物质的释放,但在美国目前的一些州法律和联邦法律框架下,还没有明确要求采取相关技术来减少上述的排放行为。因此需要制定操作标准以使得上游的释放少,而且,正如下面所讨论的那样,目前非常规油气导致的气候问题所关注的焦点仍旧是这些油气燃烧之后释放出的二氧化碳。大部分减少页岩气开发所释放的甲烷及其他气体污染物的方法是商业可行的,并且成本也并不高。这些方法和措施包括:减少页岩气井甲烷及其他气体污染物的排放,所有压裂操作的返排液应该直接排放在专用设备内,然后进行气液分离。分离后的气体尽可能进入管线用以销售和使用。不能被捕获的气体必须进行燃烧。

  减少油田伴生气的燃烧。那些具有明显气体产出的井好等到管线就位之后再进行完井。

  零排放控制阀、控制器和泵应该尽量采用压缩空气或者捕获的排放气。如果单独安装这些设备非常昂贵,也必须要考虑低排放控制器。

  对所有的设备采用合适的泄漏检测和修理程序(管线、压缩机、阀门、处理设备等);主复式压缩机要采用合适的密封替代程序。

  严格控制发动机排出物。

  近的研究表明,减少油气生产过程中的甲烷气体释放是减缓甲烷增长成本低的方法。对一些油气井而言,甚至还会从捕获的气体中获得效益。应该指出的是,在目前阶段,估算甲烷及其他气体的排放量也不是非常,大概有20左右的误差,这使得在目前很难进行的成本和效益分析。

  既然甲烷释放是出自上游生产,因此建议页岩气开发气体排放控制的准则如下:以100气体回收作为准则,即使有一点意外的排放,也要进行燃烧,而不是放空,必须杜绝完井阶段的气体排放。

  消除油井伴生气的排放。

  当不可避免进行燃烧时,确保燃烧充分,以使得甲烷气、挥发性有机化合物(VOC)、NOx和黑炭的释放量减到小。

  严格限制钻机及相关辅助设备、压缩机及卡车的气体排放。

  要求所有的柴油机设备达到一定的排放标准。

  比如在美国,包括承包商自有的柴油机设备在内,都要达到US2007高速公路或者2010非上路柴油机微粒释放标准,或者和欧洲标准相当。

  发动机的NOx的排放小化(钻机、压裂车、压缩机等)。

  小化压缩机、动力装置、凝析油罐等的VOC(挥发性有机化合物)的排放量。对新设备及现有设备的排放标准要采用EPA(美国环保组织)建议的油气设备排放标准。

  2保护地表水和地下水在页岩气开发中,保护地表水和地下水的准则是:采用全风险管理框架,尽可能运用先进技术刻画地下地质构造,使得污染物质进入地下水层的风险小化。

  在完井期间以及完井后,启动地下水监测体制,不但要监测当地的水井,也要监测其他的井,以保证能够尽早发现污染物对地下水的污染情况。

  采用严格的返排液处理标准,确保由于正常作业、意外井喷及泄漏导致的压裂液和压裂返排液,地层水以及烃类的释放与自然环境和地下水隔绝。)确保在地表的作业,比如震动和扰动不影响到浅部含水层。

  4政策法规应起的作用上面的针对性措施都是从技术层面来讨论的,实际上在页岩气开发过程中,还应该在现有环境法案框架基础上有针对性地制定环境保护政策。这些政策法规应该在推动上述标准实施过程中起到中坚作用。针对油气生产、处理、运输过程中的气体排放,美国已经开始着手实施采用联邦法律,并且很快就会被确定下来。这些政策法规需要上述提到的一些措施,但不是全部的方法和标准。当油气生产产生的气体排放严重影响到空气质量时,针对气体排放的州法规仍然起作用。对于地下水方面的影响,美国联邦法律对此提及甚少。因此,这些空白将要被州法规、行业自律组织的法规等在某种程度进行补充。CATF就正参与这些法规的制定,一旦这些法规被确立,就会针对生产企业进行应用。除了上述的空气和地下水保护实践,政府法规以及行业自律组织还应该考虑如下方面:1)制订监测计划,对目前页岩气开发区域的气体排放量、空气质量以及地下水、地表水进行监测。包括:①测量或定量评估燃烧和排放气体以及排放气体的组分(对所有有明显气体排放以及燃烧的过程);②对于典型的操作或生产过程,测量燃烧后排放物的组成;③对处理厂存放液态烃类的罐或者其他排放富含VOC的过程进行监测和测量;④优质完井的数量,对完井质量进行统计,估算优质完井的频率,即监测完井过程中几乎不排放气体的完井作业频率;⑤监测和测量非常规气开发地区空气中烃类(包括甲烷气)的含量,测量精度要达到能够监测出单一气体组分的浓度,在空间上的测量精度和频率应满足估算烃类气体单个组分在该区域不同位置的空间分布情况;⑥监测和检测在现场条件下从发动机中排放出的NOx和微小粒子。

  2)实行第三方监测、评估和认证体制,以监督和保证相关公司遵循制定的标准和法规政策。这种体制可以包括不定期的检查和独立测量监测。

  我国还处在页岩气开发的初期,在针对性的政策和法规方面还有很多空白。因此,需要借鉴美国已经成熟的、或者正在调整制定的法规政策,结合我国页岩气发展的总体规划,制定适合我国页岩气发展的法规政策。以保证从一开始就步入正轨,避免出现走别人已经证实为错误的老路。

  5结束语页岩气在未来的几十年内将起到一个非常重要、甚至是主要的作用。推动页岩气开发的经济和地缘政治驱动力是非常强的。人们对页岩气进行评价时,往往首先特别关注经济效益,其次才是其他方面的影响。

  但目前美国的页岩气发展经验告诉我们,页岩气开发对环境的影响必须从一开始就要考虑充分。

  我国尚处于页岩气的发展初期,具有很好实施环境和社会协调发展的基础,因此,在页岩气开发伊始就要把甲烷、有毒物质以及水问题纳入管理体系。如果要制定与页岩气开发相关的环境保护政策法规,上述方法就是基于环境角度的页岩气开发的准则。

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