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中国页岩气开发面临水资源挑战

2015/2/9 11:41:52
文章来源:网络

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  中国可能是其中最热门的“人选”。美国能源信息署(EIA)的研究报告指出,中国拥有36万亿立方米的页岩气,居世界首位。中国国土资源部经初步普查则认为,中国可采页岩气资源为25.08万亿立方米,与美国相当。

  巨大的储量催生了政府的雄心壮志和企业的跃跃欲试。中国在《页岩气发展规划(2011-2015年)》中提出到2015年完成页岩气产量65亿立方米、力争2020年产量达到600-1000亿立方米的目标。前两轮的页岩气勘探权招标吸引了多家民企和国企的激烈角逐,而即将举行第三轮招标区块分布将更广泛,矿藏质量也更好,预计将吸引更多的企业竞标。

  然而仅凭美国的技术和国内丰富的页岩气资源并不能让“页岩气革命”在中国生根发芽。中国还需要解决美国企业未曾遇见的本土性难题,如矿区水资源的获取和利用。在美国和加拿大这样的人均水资源十分丰富的国家,页岩气矿区的用水问题可能并不突出。但是在水资源紧缺且分布不均的中国,如果不能有效解决页岩气开发中的水资源管理问题,页岩气大规模开发很可能只是镜花水月。

  水,贯穿始终。

  和其他石化能源的开发一样,页岩气开采的各个环节都离不开水。在钻井阶段,水是钻井液的主要成分;在压裂阶段,水占到了压裂液的98%以上;而钻井设备的清洗维护同样离不开水。

  当前页岩气生产的核心技术依然是水力压裂法—从地面通过高压泵向地下灌入掺有化学物质的水,让水压将页岩层压出裂缝,并且使裂缝不断扩大。于此同时还要从地面向下灌入混有沙粒或陶粒的支撑剂,以便支撑已经形成的裂缝,使其不至于闭合。压裂之后页岩气的产量将会骤增,随后快速衰减。为了充分提升气井的产量,生产企业很可能会对同一口页岩气井进行多次压裂。

  由于个别矿井产区水资源匮乏,部分地方对水的使用也有不少限制,北美一些油气企业运用二氧化碳进行压裂作业已经很多年了。美国怀俄明州甚至修建了专门运输二氧化碳的输气管道。不过以液态二氧化碳和液化石油气为代表的无水压裂法大多处于试验状态,运用范围还比较小。在可以预见的将来,水力压裂法依然是主流技术。中国将不得不面对页岩气开发中的水资源管理难题。

  效率高,强度大。

  页岩气生产中水资源的使用特点是生产单位能源用水量不高,但是阶段性用水强度高。美国第二大页岩气生产商Chesapeake公司将页岩气与其他能源生产中的用水量进行了对比(如图所示)。以生产单位能源的用水量计算,页岩气与常规天然气的耗水量相当,远低于常规原油生产的耗水量。

  Chesapeake公司的观点在美国和加拿大及民间的统计数据中得到印证。即便是在主要产区,页岩气生产的耗水量也仅占当地总耗水量很小比重,远远比不上居民生活用水。据测算,在加拿大魁北克省用不到一升水和大约5毫升的添加物制成的裂解液,就可以生产出可供当地一个家庭使用一天的页岩气。

  从生产单位能源的角度来讲,页岩气耗水量较低,但是页岩气生产用水呈现明显的阶段性波动。地质状况的差异导致单口井用水量千差万别,但是较为主流的观点是在北美地区单口井的用水量可能达到19000立方米,其中18000立方米左右的用水都集中在关键的半个月至一个月的压裂阶段。可见在页岩气生产的关键阶段,矿井的用水强度非常大。如果矿区中矿井较多,或者物流能力跟不上,则可能出现短期的供水紧张,严重威胁页岩气的正常生产。

  供应紧张

  将“页岩气革命”移植到中国,首先要解决的问题就是获取足够的水。据国土资源部专家张大伟估计,中国要完成《岩气发展规划(2011-2015年)》中提出的600-1000亿立方米的产量,需要打2万口生产井(不包括实验井和未获取工业气流的矿井)。如果以单井用水量19000立方米计算,预计中国将需要3.8亿立方米的水,相当于1266万城市人口一年的用水量。

  联合国粮农组织的数据显示,中国的人均可再生水资源为2060立方米,仅为美国的1/10,加拿大的1/42。中国大部分地区受季风气候影响,年度降水不均,即便是在年均降水相对丰沛的重庆和四川等地,也会出现久旱不雨的情况。

  然而问题就在于,中国的主要页岩气矿区多分布在人口相对密集的区域,如四川盆地或者是严重缺水的地区,如塔里木盆地。页岩气开采将会给矿区带来一系列的问题,如抢占农业用水和居民生活用水,危及脆弱的生态环境。

  另外中国的单井用水量很可能比美国和加拿大的单井用水量大。中国的页岩矿的埋藏深度普遍要比美国的深,因此需要打更深的直井,也意味着更多的打井和压裂用水。

  物流短板

  物流是中国页岩气开发中的大问题,这不仅仅指运送钻井设备,还包括了运送生产用水。美国的页岩气矿区多分布于中央大平原,矿区地势平坦,运水方便。美国企业在生产中充分利用各种水资源包括:地表水资源,如河流湖泊;污水处理厂处理过的工业和生活用水;回收压裂液;地下水;购买市政用水。在运输方法上采用的是临时输水管道和卡车运输。而中国的页岩矿区地貌多为山区和交通不便的盆地,客观上导致运水难度加大和成本上升。

  页岩气生产用水量阶段性波动很大的特点对物流团队的灵活性提出了很高的要求—首先是如何在用水高峰,克服运输困难将大量的水通过卡车运送到交通不便的矿区。如果要完成2万口生产井的压裂用水的运输任务,中国需要大约2000万车次的运输能力;其次,如何在矿区用水淡季,在经济欠发达的中西部地区消化运输团队过剩的运量。

  监管缺失

  防止页岩气生产过程中的水污染也是水资源管理中的重要议题。很多欧洲国家民众抵制页岩气开发的重要原因就是出于对水污染的担忧。目前中国尚无针对页岩油气生产的法律法规,环境保护法规也偏向于监督传统的油气生产,而仅有的政策文件无法对页岩气的生产进行有效监管。

  美国方面的研究发现,虽然水力压裂作业后留在页岩层的压裂液不会对地下水层造成污染,但是压裂过程中的回流液可能会污染地表水。另外在钻井施工中的不当操作也会造成地下水资源的污染。

  美国宾夕法尼亚州一所大学的研究显示,水力压裂法产生的回流液中包含了高浓度的矿物盐、重金属、压裂液中的添加药剂和来自地层深处的放射性物质,如钡和镭。由于含盐量过高,美国业界将其称为“盐水”。

  目前美国使用的是州和联邦的两级管理体系。联邦政府的法规覆盖了整个生产过程,对空气和水的质量,危险物的管理,公众的知情权,污染物的管理都有明确的规定。州政府则根据本地的情况对页岩气的生产提出了更为具体的要求,如井管深度、压裂液成分、蓄水、废水和废弃物管理、以及地震监测。正是这样的两级管理体制迫使美国企业将7%的生产成本运用到对污染风险的控制上。

  即便如此,美国政府和独立机构对页岩气水资源管理的研究并没有止步。奥巴马政府正在推动环保署制定管理水力压裂活动的专项法规,试图将联邦领地上的水力压裂活动彻底纳入联邦法规的管理体系中。

  美国通过对页岩气生产过程的评估认为,只要按照标准进行操作,对压裂液的使用和回收进行妥善的管理,水污染风险是完全可控的,但是相比于监管体系健全的美国,中国尚处无专门法规可依的状态。

  除去技术和资金,水资源管理可能是中国页岩气开发中最大的核心问题。有效地获得足够的水资源事关中国页岩气开发的大局。中美之间的页岩气开发交流不能仅限于开采技术层面,而应当进一步深入到管理领域。对于已经将页岩气开发提上日程的中国来说,充分吸收美国在页岩气开发方面的管理经验,制定有针对性的法律和行业标准才是当务之急。

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