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美国新能源革命环保难题待解

持续加重的环境负担或许逼迫政府出台相关限制性法规


  由于前几年美国页岩油气产量的快速增长,影响了世界的能源格局,被称为美国的“能源革命”。在这种背景下,许多国家都表现出对页岩油气的高度兴趣。但与此同时,在大规模开发页岩油气的过程中也出现了许多问题,如大量消耗水资源、温室气体排放、对饮用水影响以及区域空气质量问题等,这些环境问题已经引起了各国政府的重视,一些国家专门针对页岩油气勘查开发制定了相关的环保政策。
  
  A 主要产区
  与传统石油不同,页岩油来自页岩。页岩成分较复杂,主要由黏土及其他矿物经历长时间的压力沉积所形成。其颜色多为深褐色,具有薄片层状的外观。通常所提及的页岩油其实有两种:一种是存在于页岩层中的原油(亦称致密油tight oil),另一种是油页岩通过低温干馏处理所提取到的油物。本文所提到的页岩油指的是第一种。
  美国的页岩田主要分布在美国东南部以及中部偏北地区。这些页岩田当中,油气的产量以及页岩田的年龄均有所不同,如中东部的Marcellus是美国页岩气产量最大的产区,该产区地跨宾夕法尼亚、西弗吉尼亚、俄亥俄及纽约四个州,其中几乎覆盖整个西弗吉尼亚州。页岩气储藏深度从2000到9000英尺不等,少量页岩气储藏在深于9000英尺的页岩层内。储深分布自西北向东南由浅变深,伊利湖沿岸地区较浅,深度为2000到3000英尺,产区东南边缘的宾夕法尼亚州中部地区储深最大,达8000英尺以上。
  

图为美国页岩田分布
  除Marcellus之外,邻近的Utica、南部的Haynesville、Eagle Ford、Permian盆地都有较大的页岩气产出。除Utica外,以上的页岩气产区都有共同的特征——在2009年前后开始实现产出。Utica的开发时间相对较晚,在2013年开始实现产出。
  

图为美国页岩气产量
  需要注意的是,页岩气产量大的地区不一定意味着其同样具备丰富的页岩油储量。以最大的页岩气产区Marcellus为例,截至2017年上半年,其页岩气生产占比38%,但同期的页岩油产出占比仅不到1%。反观位于美国南部的Permian盆地,其页岩油产量占全国总量近50%,是目前最活跃的页岩油产区。
   

图为美国页岩油各产区占比
  

图为美国页岩油产量从2010年开始激增


B 产量激增
  由于开采技术的突破,美国页岩油产量从2010年开始,发生了指数级别的上升。2015年更是升至了历史高位,当年页岩油生产占比已经超过传统方式开采的石油。
  2015年12月18日,长达40年的石油出口禁令正式解除,意味着美国境内的石油生产商可以吸纳来自国外的石油需求,进一步加快生产步伐。不断扩大的页岩油产能也对国际油价造成了巨大冲击,油价2016年一度跌至33美元/桶。
  其实页岩油早在19世纪早期已被发现,并且开始了初步的开采活动。但由于开掘成本较高,加上中东石油对石油市场造成的冲击,石油生产商一直对美国页岩油望而却步。因此,从2010年开始,页岩油产量的激增并不是由于新资源的发现,而是在于新技术的突破。
  
  C 技术革新
  产量激增的背后,主要的推动力量来自于开采技术的革新。此前由于页岩油开采成本过于高昂,无法与传统的石油生产商竞争,潜在的页岩油生产商都望而却步。但新技术的突破有效削减了生产成本,致使页岩油开采具备了产生经济效益的能力,以及在成本足够低的前提下足以让其与传统石油生产相竞争。而这技术的革新,指的就是水力压裂(Hydraulic Fracturing)。
  与传统石油开掘不同,水力压裂是把通过高度加压的含水压裂液(frack fluid)注入页岩层,从而抽取出页岩层内的油气。用以穿裂岩层的压裂液主要成分是水,同时也含有一定量的的沙粒及支撑剂。支撑剂是人造的的高强度陶瓷颗粒,有较高的支撑性与导流性能。压裂液中之所以需要加入支撑剂,是为了防止在高压压裂液被抽取后压裂缝被其他内部物质重新填补的现象,从而保持页岩油气顺畅溢出。
  

图为页岩油开采技术革新
  当水力压裂与水平钻井技术相结合时,能够进一步减少开掘成本。传统的石油开采需要定点垂直打井,此种石油开掘方式对勘探技术的要求较高,同时对地面的占用率也比较大。水平钻井与水力压裂相结合,能够使油井尽可能大面积地接触页岩油资源,并且可以把井区的占地面积最小化,从而提高开采效率。
  技术的革新造就了美国页岩油开采的经济可行性,推动了美国页岩油产业的迅速发展,目前美国石油对外依存度已较之前大幅降低。美国现行的石油产出当中,逾50%来自使用水力压裂技术的油井。
  

图为美国页岩油产量增长
  然而,水力压裂在大幅削减石油开发成本的同时,也带来了一些潜在的环境问题。随着页岩油产量的增加,其对环境的影响日益显著。
 
  D 潜在的环境问题
  水力压裂需要耗费大量的水,这些水在与沙粒及一系列化合物混合之后被制成压裂液,用于穿透页岩层。在穿透页岩层的同时,页岩层内天然含有的一些重金属及辐射物会进一步污染压裂液。完成钻探后,大部分压裂液会回流至地面,这些受污染的水或会在回流的过程中对地下水资源造成污染。压裂液完成回流后,其后续处理也存在污染环境的可能性。因此,使用水力压裂的钻井活动会在几个方面对环境造成负面影响。
  水资源的耗用
  使用水力压裂技术的页岩油井开发对水资源的消耗巨大,例如在Marcellus产区,每个油井进行一次水力压裂需要耗费200万到1000万加仑的水资源,约等于757万到3785万升水。由于油井可以进行多次水力压裂,对水资源的耗用或远远高于估算值。地形与技术的差异也会导致用水量的变化,储深较大的井区普遍会耗费更多的水资源。在德克萨斯州及科罗拉多州,每次水力压裂需要使用超过360万加仑的水。美国环境保护组织(EPA)通过测算得出,2010年美国的3.5万座油气井消耗了1050亿加仑的水,已经超过同期丹佛的总用水量。除此之外,美国的页岩油井每年都在增加,意味着对水资源的消耗将不断增加。
  美国部分地区的水资源本来已非常稀缺,在这些地区使用水力压裂进行页岩油的开采更大大增加了不可见的隐性成本。目前,美国页岩油开采最活跃的Permian盆地,覆盖了一些水资源比较稀缺的地区,例如德克萨斯州西部。该地区的居民用水量一直遭到限制,然而页岩油的开采依旧使用水力压裂方式进行。因此,页岩油的开采活动也对居民生活造成了影响。考虑到水资源的运输问题,开发商取水一般依照就近原则,因此当地水资源的紧张很难通过跨地区输水解决。
  

图为页岩油井开发对水资源的消耗巨大
  作为页岩油开发商,使用水力压裂进行石油开发固然能大幅降低成本,但是负面的外部效应或许会增加开发的隐性成本,因此从运营的角度来看这一因素也应当被纳入考虑范围。
  储水的影响
  由于消耗量巨大,页岩油开发商一般需要在井区附近修建水池,用以储存将要使用的或者回流的压裂液。用于存储将要使用的压裂液的水池尺寸普遍更大,压裂液中的有害物质更有可能泄漏到土层,污染环境。而回流的压裂液含有较复杂的物质,其中包括VOC(易挥发有机混合物),此种物质在大气中极易挥发,对空气污染巨大。
  水力压裂潜在的泄漏可能
  水力压裂理论上有多重潜在渠道可以污染地下水,其中包括但不限于:储存状态下的渗漏、注入井泄漏、压裂过程中泄漏等。
  页岩油井在钻探的同时会在井管外部环绕一层水泥保护层,以防止钻井在通过地下饮水层时管道内的污染物侵袭地下水源。但在水力压裂的过程中,水泥保护层有可能在高压状态下破裂,导致管道内的压裂液以及页岩层内的物质外泄。几乎所有的页岩田都含有页岩气及页岩油,因此当油气泄漏过量时,对地下饮用水将造成严重污染。
  此外,水力压裂的过程当中存在一种叫气侵(gas migration)的现象。气侵指的是在页岩油气开发过程当中气体从页岩层内向外迁移,迁移的气体中多属碳氢化合物,因此亦称碳氢化合物迁移(hydrocarbon migration)。由于气侵现象的存在,尽管在水泥保护层完好的情况下,页岩层内的气体仍然有可能渗漏到地下水层及地面土层中。
  污水处理
  压裂液在使用前和使用后都含有大量对环境有害的物质,因此在水力压裂结束后,压裂废水的后续处理成为了关键问题。
  目前美国政府仍未出台相关法规要求页岩油气开发公司披露水力压裂相关使用的化学物清单。部分地方政府要求地方企业公开化学物使用状况,但由于存在法律漏洞,这些企业可以以保护商业机密为由拒绝公开部分化学物的使用状况。一直以来,许多页岩油气生产商不断对外宣称压裂液只含有不到2%的化学添加剂,对环境无害。但就算只有2%的占比,在数十亿吨的压裂液使用下,化学添加剂的使用总量仍然是巨大的。在2011年,一份国会报告中指出,前14家使用水力压裂的企业使用了约7.8亿加仑的化学添加物,其中含有超过750个不同的种类。
  溴化物、放射性核素、溶解性总固体(TSD)都是一些普遍能在压裂废水当中检验到的有害污染物。这些污染物的处理,对河流、湖泊以及地下饮用水都会造成潜在威胁。雪上加霜的是,美国境内大部分传统的污水处理厂都不具备处理TSD的能力。美国EPA的报告中曾指出,只有少量的公共污水处理厂具备处理压裂废水污染物的设备与技术。


  E 反思
 
 以目前美国的产业动向来看,特朗普政府似乎鼓励页岩油气产业的发展,而页岩油气产业的发展将意味着产生更多的环境污染物以及耗用更多的水资源。
  在这个现象持续的大背景下,持续加重的环境负担或许逼迫政府出台相关限制性法规,而在遵守这些法规的原则下,页岩油气生产企业或许面临着更高的生产成本,对于产业发展以及油价的长期走势都将会产生一定的影响。