对在英国开发页岩气的思考

来源:中国地质图书馆《非常规能源信息》2015年第11期(总第47期) 作者:蒋秀玲 发布时间:2016-07-08

一、引言

美国页岩油气繁荣在国内外既受到怀疑,也有所期待。寻找开发其自身页岩储量的其他国家希望从美国经历的成功和失败中学习。特别是,英国已经认识到在北海油气产量下降时这种能源的潜力。自2013年以来,英国地质调查局(BGS)和能源与气候变化部(DECC)公布了对石炭纪Bowland-Hodder页岩、侏罗纪Weald盆地及苏格兰石炭纪Midland谷地非常规油气资源的评估。然而,页岩气资源评价在很大程度上是不确定的。此类评估得到了热衷于把重点放在促进经济增长、创造就业和确保能源安全的支持页岩气的英国政府的强烈支持。在许多新一轮许可证发放期间,英国政府部长们开始向公司发放允许开始初步勘探的许可证。大规模生产不是勘探的必然产物。尽管这项决定可能会开放英国的一些地区以供进行页岩气开发。

在钻探热潮中,关于页岩气及其他非常规天然气开发(UGD)对环境、人类健康和福祉的潜在影响已有广泛的讨论和辩论。虽然缺少定量的流行病学资料对风险因素与环境和健康后果之间的联系进行评价,但是越来越多的科学评议指向影响公众健康的重大环境灾害和风险。英格兰公共卫生——英国卫生部的一个执行机构查阅了一些文献,并得出结论:如果运行和管理适当,页岩气开采对公众健康就会产生较低的风险。然而,此类断言没有被这种技术的实际应用验证。正如世界其他的研究人员和机构所承认的那样,在得出页岩气开发安全结论之前仍有许多不确定性,并且需要更多的信息。

回顾英国的页岩气开发,能源与气候变化部将水力压裂定义为“一种在过去60年被广泛使用的从页岩中开采天然气的技术”。水力压裂确实被作为一种激发技术使用长达数十年,但是,只是在最近水力压裂才被用在传统上没有油气生产历史的地区开采页岩层。技术的创新联合,如大规模水力压裂和定向钻进,被用于从致密岩层(如行业热衷的、需要更多水和化学物质和配套设施的、人们很少了解的页岩层)中开采天然气。例如,当传统水力压裂每口井75000至300000加仑的压裂液时,页岩气开发需要200~500万加仑。此外,与那些常规天然气藏相比,对页岩层自身的地质状况知之甚少。

由于对人口聚居区和风险缺少精心的规划研究,所以搞乱了非常规天然气开发对健康和福祉影响的评估。美国已经有许多与健康有关的对页岩气开发的投诉。这些投诉不应该被忽视或认为是不相关。事实上,最近的一次使用调查数据的相关研究表明对在天然气井附近生活的居民中个人健康症状的报道相对较高。

这就成为确定风险程度,以及应该制定何种政策来管理风险并确保这一资源安全开发的问题。一些机构认识到这种风险,并相信风险可以通过最佳实践和适当的调节得到充分的管理。然而,正如我们之前所讨论的,这个信念混淆了理论上的最佳实践与实际的做法和经验。

不同的国家有不同的方式来应对非常规天然气开发的科学不确定性,这反映了关于风险和预防措施的不同的立法观点。法国和保加利亚已经全面禁止,而德国事实上已经暂停了对目前处于审查中的页岩气开采技术的使用。德国联邦环保局(UBA)明确声明,只要不能预测和控制关键的技术风险,就不应该允许开采页岩气。加拿大的新不伦瑞克省最近通过法案禁止了所有形式的水力压裂,直到更好地了解环境和公共健康风险;而纽约州禁止大规模水力压裂(每次激发事件超过300,000加仑)和相应全面的页岩气开发,纽约州健康部在广泛审查后提出公众健康风险。此外,南非在2012年解除了暂停,曾被认为在欧洲拥有最大的天然气储量的波兰已经迫不及待地推动开发和寻求从国外吸引投资和勘探。总之,作为能源游戏改变者已得到全球响应。

下面,我们列举英国以及其他打算开发页岩气资源的国家深入考虑的一些关键因素。这些包括水资源、空气污染物排放、影响气候变化、生态后果、地震事件、社区和社会问题、经济意义、美学和健康以及正常环境方面的风险。任何一个踏上这一旅途的国家都会很好地吸取美国的经验教训,但是也明确其具体情况不同于美国。例如,人口密度及其分布、文化和哲学、环境法规及其他能源的可得性等有重大的差别。还必须考虑各国地理、地质和法规方面的差异,但是美国的经验表明一些固有后果是不可能用法规来弥补的。美国的经验不一定能确保在英国或世界任何地区进行页岩气开发的安全性,但是现真世界影响着观测活动,还不应忽视至今的数据空缺。特别是,最佳实践的陈述和强大的法规并不确保安全性,显然也不能使大量的公众的舆论放心。

二、水资源方面的风险

在许多情况下,已经把现代天然气开采与地表水及地下水污染联系起来,这在评议文献中已有大量论述。例如,在宾夕法尼亚州,已证实243例水污染是由常规和非常规油气开发活动引起的。其中大多数发生在2010年后。然而,产生这些污染的机理和途径很多,油气井固井失败和套管障碍仍然是最常引证和难于控制的机制之一。

一些有主见的科学家和及石油和天然气行业的研究人员进行的研究认为6%~75%的油气井经历了层间封隔和井身结构完整性破坏,并且页岩气开发所使用的非常规偏斜井可能要比常规竖井具有更高的破坏率。当钢管受到腐蚀、水泥发生收缩、出现裂缝或套管与岩石产生脱粘时,井身结构的完整性损失率就会增加。一旦打了钻井和进行了水力压裂,这些破坏会无限期地存在地下,即使塞紧,也会持续泄漏流体(液体或气体)长达数年。

在非常规天然气开发过程中经常使用的一些化学品有剧毒(例如甲醇、乙醇、盐酸)。还有些化学成分与内分泌干扰作用、遗传毒性、免疫毒性及神经毒性相关。在人体发育关键阶段内分泌干扰化学品尤为有害,并且由于影响发育过程它们的临床表现可能延迟到发育的后期阶段。科罗拉多州的研究人员检测了取自非常规天然气开发活动密集区的地表水和地下水水样,发现与那些钻探不多的地区相比,在那些钻探强烈的地区,内分泌干扰化学品的活性显然要高得多。

还有一些天然存在的放射性物质,即它们在油气开采过程中被活化了,从而存在潜在的健康危害。例如,在许多页岩建造中含有不同数量的镭-226,它们与返流液和生产水、钻井泥浆及其他废物一起来到地表。在宾夕法尼亚州,在废物处置设施场地附近排放点的水系沉积物中镭-226的含量几乎要比上游和背景沉积物高200倍,远远高于美国环保局的监管标准。

根据监管的情况,化学信息披露通常有限。而有意披露信息的网站确实存在,在美国使用的压裂液的化学组成并没充分提供给公众或科学家供评价使用。即使在有很严厉化学信息披露政策的一些州,如加利福尼亚州,公开的化学品大约有30%没有用于风险分析的毒性信息。

三、大气污染物排放带来的健康风险

损害健康的空气污染物如氮氧化物、硫化氢、甲醛、苯、颗粒物、地面臭氧(烟雾)前身(包括甲烷)的排放仍然是非常规天然气开发产生的较为显著的危害之一。空气污染物排放于页岩气开采的全周期,不仅会从井台逸出,而且在水、砂和化学品运往井台和运出井台过程中也会逸出。数据表明天然气的开发活动会对当地和区域的空气质量产生负面影响。

非常规天然气开发的排放没有作过全面阐述,但是模拟和初步的经验研究表明,断断续续的强烈排放可能会使附近居民过量吸入排放的污染物而产生额外的危害。一次风险评估表明那些生活在靠近井台的居民罹患急性和慢性呼吸道疾病、神经系统疾病的风险有所增加,并影响生殖健康,还多少增加了罹患癌症的风险。另一项研究表明,居住在油气开发密度较高地区的孕妇要比居住在油气开发密度较低地区的孕妇更容易产生不良的分娩结局,包括产下患有先天性心脏缺陷的新生儿。

当然应当把产自页岩的天然气与其他形式的能源生产和最终用途作对比。煤炭是一种能够替代天然气用于发电的燃料,它其整个生命周期也排放各种危害健康的空气污染物,包括颗粒物、汞和二氧化硫。因为与煤炭相比,天然气发电产生的一些空气污染物排放量较少,所以,从煤炭转向天然气对靠近煤炭生产区或燃煤发电厂的社区是有利的。此外,由于已经对煤炭研究的时间较长,更多的令人信服的流行病学证据表明,一些特定的健康问题与煤炭生产有关。然而,尚未对页岩气生产和煤炭生产作的健康评估进行对比。也应该与非常规天然气开发可能替代的其他类型的能源生产进行比较,包括与可再生能源进行对比。

最后,还有一些证据表明,强有力的政策并不能有效地解决来自非常规天然气开发的空气污染物排放。在科罗拉多州东北部的一项研究发现,即使有更严格的排放标准,实际上页岩气开发产生的特定的空气污染物排放量却增加了。尽管应该鼓励制定更为严格的法规,似乎非常规天然气开发固有的问题,即使最严厉的法规也可能不足以解决。

四、对气候变化的影响

天然气主要由甲烷(CH4)组成,这是一种强烈的温室气体,它在20年的时间框架内比二氧化碳强约86倍,在100年的时间内比二氧化碳强约34倍。根据最新的科学共识,在天然气生产、运输和分配的各个阶段都会发生甲烷泄漏并排放到大气中。共识的气候科学表明,为避免达到气候倾覆点和反馈回路,有必要控制甲烷排放,特别是在短期内。为了量化和确定缓解天然气开采甲烷泄漏的方法,已经做了大量的研究工作。

尽管天然气发电的效率要高于煤炭,野外研究结果支持如下观点,即从生命周期的角度来看,利用产自页岩的天然气对气候产生的影响不会比利用煤炭小。最近的一项利用五个综合评估模型的研究表明,直接从煤炭转向天然气不可能达到减慢气候变化所需的减少排放的目标。天然气泄漏损失利润,天然气行业通过财务刺激来解决甲烷泄漏问题。然而,近期的许多经验数据表明,他们已经无法或不再愿意这样做。

在数据表明社会必须重视减缓日益增加的气候变化风险的时候,非常规天然气开发延长了对化石燃料的依赖,并通过转移投资阻碍了可再生能源开发。最初,油气行业提出把页岩气作为一种走向更加可持续能源的未来的“过渡燃料”,这个概念越来越遭到质疑。目前相比其他行业天然气的丰度和相对较低的成本、大量补贴、以及对化石燃料宽松的监管环境,较为可再生能源的竞争产生了一个具有挑战性的经济环境。在世界的某些地区这种不平衡的市场竞争推迟了可再生能源市场的渗透,而那正是减少气候压力和健康有害排放所必须的。

五、生态后果

评估非常规天然气开发产生的各种生态影响的研究数量正在快速增长。页岩气开发是空间密集型的,除井台以外需要大量的配套基础设施,导致栖息地损失、退化,植被和动物群破坏。在直接评价非常规天然气开发对生态过程、野生动物和栖息地的影响方面资料依然相当短缺。有证据说明非常规天然气开发会对动物、森林、栖息地和当地的生物多样性会产生风险。还查明对农业生态系统和畜牧业也会产生不利影响。已经知道和猜测,与非常规天然气开发相比,其他类型能源(如风能和水力发电)的开发也会造成生态危害。虽然还需要进行更多的研究。但是一些证据表明,天然气开采在每年产生的单位能源上的影响可能要比风能要低,随时间推移,天然气开采可能有一个较大的累积生态足迹。

六、地震事件

在英国布莱克普尔镇附近已经经历了由水力压裂活动引发的地震。在美国,数次地震事件与油气开发有关,甚至在那些先前未曾经历频繁地震的地区也是如此。用于污水处理的地下注水井比水力压裂激发过程本身对诱发断层滑移造成更大的风险。在俄克拉荷马州研究把震级为5.7级的一次地震与污水注入井联系了起来。在2010~2013年期间,美国每年经历了100多次震级超过3.0的诱发地震,而正常的平均数为每年21次。如果不允许向地下注入污水,英国的地震活动就应该不是太大的问题。然而,正如布莱克普尔所证实的那样,风险仍然存在。此外,没有作地下处置的页岩气开发的外在建筑物因为要在地表进行处置可能会对水质造成其他危害。

七、社区和社会问题

在小的农村社区或周围成规模地引入短暂的、空间密集的开采行业可以深刻地改变社会和经济结构。有时,这些变化可能是好的,但也可能出问题。人口密度、文化和生活方式是影响非常规天然气开发引入效果的关键因素。在美国各地存在不同的地理和社会因素,例如,宾夕法尼亚州人口密度是109.61人/平方千米,科罗拉多州人口密度为18.7人/平方千米,而英国是265人/平方千米。这些差异必须考虑,非常规天然气开发的许多成果应该分享。除了影响环境,非常规天然气开发也带来巨大的卡车运输(每口井一次大规模水力压裂需要1.000多趟卡车)、噪音和光污染,以及影响社区健康的其他一些后果,如交通事故、宜居性明显下降、财产损失、社会压力和焦虑。

八、经济意义

毫无疑问,天然气行业通过创造就业、增加税收、降低能源成本给美国的一些社区带来了经济利益。然而,这些短期收益必须权衡其他的经济因素和长期的可持续性。在非常规化石燃料储量迅速下降的情况下,当这些油气资源不再有利可图并且行业离开小镇时,留下的的问题将是会发生什么。社区将在很长的历史时期内被留下来应对开采行业所带来的长期的经济和环境后果。

还要关注非常规天然气开发对其他行业的影响。特别是,与卫生保健和环境整治有关的主要的直接或间接费用往往被忽视。例如,页岩气开采有助于温室气体的排放,从而驱动气候变化,并产生经济后果。此外,通常过多地谈论了在美国与非常规天然气开发有关的良好的就业。在能源繁荣的城镇,最初的经济繁荣常常转化为长期的经济衰退。

九、美学与健康

景观之美学包含具有经济意义的实用价值(如旅游、休闲),经济学家称之为“使用价值”。然而,大多数人都会同意自然风景的固有美应该得到颂扬,应保其原貌。高质量的生活取决于更多的经济财富。在英国,如果被证明是出于公众的利益,可以对在“风景点”和国家公园进行的页岩气开发和其他重要工业项目颁发许可证。事实上,在英国过去工业的残迹已经遍布谷地,包括在皮克山地区的采矿活动和在北威尔士的板岩采场。

页岩气的开发是一个空间密集的重要工业活动,它深刻地改变变着乡村的美景。必定要清除森林,农田,和其他地形特征,这不仅是为了修建井台并供在其上进行钻探和水力压裂,而且也为了建设天然气生产,加工,和传输等所需要的大量的配套基础设施,如压缩机站、管道、道路,污水处理和储存设施。这些建筑许多是永久性的,很少是不显眼的,这些都带来破坏土地性质和美景的后果。此外,英国乡村的广大地区保留着狭窄的古道和车道,并不适合使用大型的商用车辆。

需要注意的是,以上讨论的经济和非经济价值的重要是主观的,反映了情感关注和健康问题。他们是社会科学学科研究。自然科学家之间对于污染浓度和对地球物理影响客观证据的产生出现的争论往往不能说服当地居民所强烈持有的的观点。

十、减灾法规

监管行业活动可能有助于减少不利的环境和健康灾害。然而,有理由怀疑英国和其他国家是否将能够适当地监管页岩气开采。正如一些评论家指出的那样,英国没有能够有效地监管页岩气开发的独立的监管机构,并且现有的一些监管机构不是被取消,就是被重组或者被裁员。在美国,几乎每一开发页岩气的州都发表了关于加强法规和执法的类似言论,然而,经验调查已经质疑任何州对这种工业实践所造成的无意识的环境和公众健康后果是否有充分的控制能力。然而,英国强有力的监管机制能改善其中一些不利的后果,但仍有一些油气开发固有的风险,并且目前的监管制度尚不足以补救。如上所述,美国一些证据说明严格的规章尚不能控制大气污染物的排放。

十一、讨论

如果英国关心页岩气资源的安全开发,政策制定者就必须了解常规和非常规技术及石油地质方面的差别。能源和气候变化部的陈述表明情况可能并非如此。美国的许多政策制定者也未能掌握这些差异。然而,水力压裂技术已在常规储层中使用数十年了,但在页岩建造中大规模水力压裂的影响更具危害性,只是到现在才开始科学地认识。

在本文我们列举了一些对美国页岩气经验的思考,任何打算开发其非常规油气资源的国家和州都应该考虑。经验证据应指导与页岩气开发密切相关的政策制定,并且,如果一个国家决定进行开发,也应该指导监管框架。然而,也有一些单靠科学不能解决的问题。例如,科学不能告诉我们社会应该忍受多大的风险以换取某些利益,哪些人群应该承担这些风险所带来的负担,或得到了什么利益,这些最终是有价值的一些问题。

然而,根据美国的经验,有几个任何开发其页岩资源的国家都应该遵循的基本方针。为了减少风险,从水力压裂过程到完成生产和最终放弃油气井,国家应实施稳健的监管制度和严格的执法机制,决策过程还需要更大的透明度和公众参与。应规定充分披露在油气开发过程中使用和产生的化学化合物。页岩气开发与家庭、学校和其他敏感的受体之间保持合适的距离是做决策的依据,这应该是一个先决条件。钻井前,应该对附近的地下水和地表水资源进行全面的基础研究。公共卫生专业人员应充分融入到政府委员会和机构中。最后,需要进行更多的研究来确定急性的和慢性的公共健康危害因素的潜在影响,应由一个独立的科学咨询机构来评审减轻已查明危害和风险的计划。

最后,决策者和政治家们必须问自己和他们的选民,非常规天然气开发带来的更为直接的、可以识别的收益是否值得以长期的和在某些情况下是永久不利的环境、气候和健康影响为代价。当许多其他替代的可再生能源在经济上可行时,或当气候变化影响变得更加明显时,应该考虑页岩气开发还可能坚持多久,公众应该了解或接受页岩气生产。理想的情况是,正如美国经验所证实的那样,在大规模开采之前应该考虑这些问题。

感谢项仁杰研究员对本文提出的宝贵意见。本文受中国地质调查“非常规能源信息集成与热点专题调查(12120114049401)”项目支持。

资料来源:Jake Hays, Madelon L. Finkel, Michael Depledge, et al.Considerations for the development of shale gas in the United Kingdom. Science of the Total Environment, 2015(512~513):36~42.

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