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摘要国内一些文献在讨论美国页岩气开发环境影响问题时，选择了这样的预设立场，即认为页岩气开发的环境危害显著高于常规油气开发。事实上，无论在美国的研究领域还是在实践层面，对这个问题的认识都充满了争议，争议的源头和焦点是页岩气开发的潜在水污染风险。为了客观认识页岩气开发过程中的水污染风险问题，本文从污染成因入手，聚焦争议的关键点和产生来源，并在梳理各方观点和证据的基础上得出几点认识：①关于地表泄露，并没有证据表明与水力压裂相关的泄露对水环境的负面影响程度高于其他作业环节，也不能判定页岩气开发的水污染风险高于常规油气;②关于地下泄露，目前能够认定甲烷气是潜在的地下污染源，产生的原因是完井缺陷和特殊地质条件，而源自压裂液和深层含盐地层水的污染尚未得到证实;③尽管来自液体污染物的地下水污染尚未在页岩气采区得到证实，但当地下水层和压裂作业层距离过近时，存在水污染的可能。在中国页岩气开发环境影响防治过程中，除了要借鉴美国经验，还要注意到两国之间的差异，这些差异有可能让相似根源的问题产生相异的结果。建议考虑以下几方面差异：首先，要认识到规制强度的差异，上述认识是在美国各州普遍进行严格监管的条件下得到的，如果监管放松，页岩气开发对环境的不利影响确实高于常规（非水力压裂）油气开发;其次，要重视中国特殊地质条件可能引发的新问题，如天然裂缝滑动导致生产套管变形甚至破裂、地下溶洞发育等会增大地下水污染的风险;最后，与美国不同，中国页岩气井场多位于丘陵或山地，还有一些气田临近人口稠密的村镇，这些将增加地表泄露风险和泄露发生后的补救难度。
关键词页岩气;环境影响;水污染风险;争议
中图分类号X37
文献标识码A文章编号1002-2104（2019）06-0031-09DOI：10.12062/cpre.20190328
我国的页岩气产业在全面研究和借鉴美国经验的基础之上起步和成长。在美国，页岩气开发的环境风险引起了社会的广泛关注和学界的浓厚兴趣[1-2]，在国内，这一问题也正在成为页岩气研究领域的热点，并且会随着页岩气产业的发展受到越来越多的关注。目前，以国内页岩气开发环境影响为对象的研究较少，绝大多数中国作者的文献是从不同角度介绍、分析或评价美国的研究与实践。故而，国内对页岩气环境影响的认知主要建立在美国的研究基础上。需要特别指出，一些文献在论述过程中有意或者无意地选择了这样的预设立场，即认为页岩气开发的环境危害（显著）高于常规油气开发。事实上，这一问题在美国也引发了激烈的争论，美国环保署（EPA）组织了两次专门调查，却也没有给出十分明确的结论[3]。在国内，即便舆论和学术界普遍强调页岩气开发的环境风险，但也有人持截然不同的观点，例如，业内资深专家张抗认为，页岩气的開发方式根本就不会造成污染，“页岩气污染论”完全是危言耸听[4]。
无论强调还是淡化环境危害，一旦偏离事实，都会对认知产生错误的导向，不利于协调产业发展和环境保护之间的矛盾。与页岩气开发有关的环境影响之中，最受关注的是其对水资源的潜在负面影响，包括水资源消耗和水污染风险。由于采用了耗水量较大的水力压裂技术，页岩气开发引发了对水资源过度消耗的担忧，然而，有研究指出，与其他耗水行业相比，水力压裂的水消耗量并不突出，仅在干旱地区才有可能因为水力压裂而产生阶段性的水资源短缺[5]。关于页岩气开发中的水资源消耗问题并不存在认定困难或研究难点，也没有学术上的争议，故而，对页岩气开发水环境影响的关注实质上是对水污染风险的关注。通过对学术文献和媒体事件进行梳理发现，水污染风险问题也是页岩气开发环境影响争论的起因和焦点。尽管国内有文献提及这一问题的争议性，如文献[6-7]，但未聚焦于此。故而，笔者希望通过梳理水污染风险的内在技术成因，并从成因角度分析其争议来源，以期客观呈现“页岩气污染论”的是与非，为中国页岩气发展提供借鉴。
1页岩气开发的潜在水污染成因、特征和分类
水平井钻井和水力压裂技术（以下简称水平井压裂）是推动北美页岩气革命的核心技术，但也正是这项技术组合，尤其是水力压裂，使页岩气开发饱受争议。当前已有诸多文献从不同方面阐述了页岩气开发过程中水污染风险来源和技术成因情景。更进一步地，这一部分将系统梳理这些研究成果，并从污染物来源、事故直接起因和可控性等方面来分析成因基本特征，按照成因与页岩气开发的相关性对成因情景归类，同时，结合成因特征对成因情景进行筛选。
1.1水平井压裂技术及潜在的水污染成因
（1）水平井压裂与污染物来源。水平井是指最大井斜角度近乎垂直，并且水平段在目的层中维持一定长度的井。尽管水平井增加了井筒与产层的泄流面积，但由于页岩渗透率极低，无自然产能，还必须借助压裂实现产气。水力压裂是目前应用最为广泛的压裂技术——将水基压裂液注入地下，压开地层，形成由天然裂缝和人工裂缝连结而成的裂缝网络作为产气通道。压裂完成后，部分压裂液混合深层地层水返排至地表，返排压裂液数量存在井间差异，据文献[8]估计，返排比例在15%～80%之间。压裂液和地层水混合而成的液体被称之为返排水。
压裂液和返排水含有危害健康的物质。水力压裂采用的水基压裂液（滑溜水）由水、支撑剂（比如砂）和化学添加剂构成，添加剂比例在0.01%～0.05%之间[3]。化学添加剂的构成组份被指含有多种有毒物质，如苯、二甲苯、甲苯、甲醛等致癌物;深层地层水也会携带放射性物质、腐蚀性盐和苯等[9-10]。尽管压裂液及返排水中的有毒物质占比很低，但由于压裂液和返排水总量大[10]，有毒物质总量不低，污染风险不能忽视。
除了压裂液和返排水中的有毒物质之外，作为页岩气主要成分的甲烷也被认为是污染物来源。“被点燃的自来水”成为环保组织开展反页岩气宣传活动的佐证，媒体的宣传报道也常聚焦于此。理论上，水中溶解的甲烷能够对水质产生影响，例如，甲烷在细菌作用下发生氧化反应会消耗水中的氧气，低氧环境将增加砷、铁等元素的溶解度[2]。不过，甲烷在水中的溶解度极低（1个大气压下26mg/L），在美国并未将它视为健康威胁而加以规制。尽管甲烷直接危害健康的可能性较小，但甲烷气的聚集可能会引发爆炸，因此甲烷也被视为潜在污染物。 （2）潜在的水污染成因情景。水污染风险与固井、压裂和返排水处理这三项作业有关。通过固井作业，在表层套管和井眼之间注入水泥，形成水泥环来封隔可用地下水层（以下简称地下水层），保护可用地下水。固井完成之后，开始压裂作业。利用压裂车上的压裂设备将压裂液高压注入地层，压裂完成之后返排水存入地表储水池或者储水罐，等待进一步处理。返排水的处理方式有三种，分别是：一、经废水处理装置处理达标后排放;二、回注地下;三、处理后再次用于压裂作业。以下将结合作业过程分析各类水污染成因。
在压裂作业过程中，如果操作不当或者出现意外事故（如井喷）压裂液或者返排液就有可能泄露，并透过地表浸入地层污染地下水（编号为A1，以下将用编号代表各类水污染成因情景）;存储过程中的操作违规或者储水池和储水罐等储水装置不合格也会导致泄露（如劣质的储水池衬造成的污水泄露），产生同样的污染（A2）;未达到排放标准的返排水排入河流会污染地表水（A3）[3，11]。除了地表泄漏造成的污染之外，可用地下水受到污染的威胁也可能来自于地下。首先，由于表层套管底端距离地下水层较近，如果表层套管及环面水泥密闭不严，来自于页岩层的甲烷就有机会通过缝隙进入地下水层，压裂液和地层水也可能同甲烷一样进入地下水层（A4）[2-3，11];其次，来自中部地层的逃逸甲烷气也被认为能够通过井筒环面或水泥缝隙向上运移至地下水层（A5）[11];另外，也有学者提出，致密的页岩层被压开形成裂缝网络，使得页岩以下的深层盐水或压裂液能够穿过原本致密的页岩层和上覆地层，抵达地下水层（B）[12];最后，当采用地下回注方式处理废水时，如果固井水泥环面存在缺陷，也可能会发生类似A3和A4的污染（A6）[13]。
1.2成因情景的基本特征分析
从以上7种潜在的水污染成因情景之中，可以归纳出每种情景下的污染物来源和被污染水体（见表1）。除此之外，污染的可控性，即能否借助一定手段来避免或者降低污染，也是考察水污染影响的重要方面。判断污染的可控性需要追踪每一种污染成因下引发具体污染事件的直接起因。按照是否存在主观故意可将事件起因划分为两类：一类为主观故意造成的违法事件，比如偷排行为，这类事故可以通过规制手段消除，属于可控的污染;另一类为非主观故意情况下发生的事件。后者要进一步区分为两种情形，一是设备、工艺、施工（操作）及管理等方面的缺陷或者疏忽造成的偶发事故，比如工人操作失误或设备老化致使压裂软管从碗口脱落而造成的压裂液泄露，定义这类事故可控性为风险可控（见表1）;二是页岩气开发技术固有的污染事件，在不改变开发技术的情况下，污染影响难以降低或消除，定义这类事件为风险不可控。接下来，逐一分析每种污染成因情景下的污染事件起因及污染可控性。
A1、A2為地表泄露事件，此类事件的起因主要是设备故障、人为过错、储存设施密闭性故障等[14-15]，污染可控性为风险可控。A3属于偷排行为，是违法事件，可以通过立法和严格执法杜绝此类事故，污染可控性为可控。由于固井施工缺陷造成的水泥环密闭不严是导致A4～A6情景发生的最常见原因[16]，可以通过提高技术和管理水平来降低这类事件的发生概率，污染可控性为风险可控。B是因为作为生（油）气层和封隔层的页岩被压裂开，形成了可供甲烷气、深层盐水和压裂液向上流通的通道，根据污染原理可判定这类污染不可控。
综上分析，按照污染物来源、被污染水体、污染事件起因和污染可控性等几个方面归纳出各种污染成因情景的基本特征（见表1）。
1.3成因情景与页岩气开发的相关性分析及归类
水平井压裂技术广泛用于常规油气和包括页岩气在内的非常规油气的开采。并不是页岩气开发的专有技术。
为了聚焦于页岩气开发的环境影响，笔者对7种水污染成因情景进行了区分和归类，确定哪些成因情景属于页岩气开发特有，哪些源于水平井压裂技术（应用水平井压裂技术开采其他类型的油气资源时也存在同样的风险），哪些是油气开发中遇到的共性问题。划分方案（见图1）及理由如下。
B属于页岩气开发的特有风险。这是因为页岩是深层盐水层的上覆地层，起到封隔作用，只有当页岩层经由水平井被压裂开之后，深层盐水层才有可能与渗透率较高的地层联通，成为污染源。当开采其他类型的油气资源时，页岩层不是压裂目的层，也就不存在这类污染风险。
A1、A2和A4的直接起因是水力压裂作业。不管水力压裂用于直井还是水平井，用来开采页岩气还是其他油气资源，均存在类似的泄露风险。有研究指出，由于页岩致密，必须采用大规模高压水力压裂，这使得压裂作业中的地表泄露（A1和A2）和地下泄露（A4）风险均高于普通水力压裂作业。尽管此推断有合理性，但目前的统计数据尚不能证实这种观点，因此不对水力压裂技术进行细分。
A5、A6同样存在于常规油田开发过程中，与页岩气开发以及水力压裂技术没有直接因果关联，并且这种污染情形的技术成因与A4一致，因此不再单独对其进行分析。关于污水偷排（A3），由于此类污染成因源于完全可控的违法事件，故而也将其排除在本次研究之外。
综上分析，将对B、A1、A2、A4等潜在的水污染成因情景作进一步分析，其中A1、A2属于地表泄露、A4和B为地下泄露（见图1）。地下泄露较为隐蔽，不易通过常规检查程序发现，一般通过水质测试来间接求证;相较于地下泄露，地表泄露更易于发现和监测。鉴于地表泄露和地下泄露的显著差异，接下来将分别按这两个方面来进行分析。另外，需要注意，成因B是页岩气（油）开发的特有风险，并且不可控，在一定程度上，对成因B的认识会影响是否该区别对待页岩气（油）和采用水力压裂技术开发的其他油气资源。
2地表泄露的可能性、不利影响及认识分歧
本研究中的地表泄露特指水力压裂相关的泄露，即压裂液（或返排液）在压裂、存储和水处理作业过程中泄露到地表，属于成因类型A1和A2。以下将分别从泄露事件发生的可能性、泄露产生的不利影响以及泄露事件的可控程度这三个层次认识地表泄露的水污染风险。 2.1泄露事件的发生频率
根据有关学者和环境机构的数据统计，在水力压裂作业期间每百口井发生达到上报标准的泄漏比例为0.4～12.2。EPA发布的州和工业泄露调查报告中[14]，统计了2006—2012年之间11个州的36000起油气工业的泄露事件，其中24000起记录能够提供足够的信息用以判定事故与水力压裂作业是否相关。认定为由水力压裂作业引起的泄露事件为457起，约占这些泄露事件总量（24000起）的1.9%。由于12000起事件因信息缺失而被排除在计算之外，使得计算得到的泄露事件比例可能与实际存在偏差，并且在没有对照的情况下，仅通过水力压裂相关泄露事件的比例，也难以直观地感受泄露频繁程度。为此，另外选取数据记录较为详实、可信度高的由科罗拉多州自然资源部油气保护委员发布的一份调查报告[15]，作进一步分析。该报告统计了2010年1月至2013年8月之间的泄露事件，在1638起事件中，与水力压裂作业相关的事件为125起，占比约为7.6%;生产过程中发生泄露事件1277起，占比78.0%;钻井过程中发生泄露事件96起，占比5.8%。
通过数据对比不难发现，水力压裂相关的泄露事件频率并未明显高于其他作业环节，尤其，科罗拉多州的统计数据表明，泄露事件绝大多数发生在生产环节而不是压裂环节。尽管如此，也要注意到，水力压裂作业期间的泄露事件不能忽视，其泄露的频率超过了钻井过程中的泥浆泄露。
2.2对水资源及健康的不利影响与认识分歧
除了泄露的可能性之外，泄露是否对环境造成影响更值得关注。泄露潜在的污染对象包括对地表水、地下水和土壤。就水资源而言，泄露对水资源有无影响或者影响大小取决于泄露数量、泄露点和被污染水体的距离、化学物质的物理化学特性、土壤结构等多种因素。这些影响因素在不同泄露事件中千差万别，难以给出一般性的结论。不过，EPA的调查证实泄露确实可以造成不利的环境影响。EPA统计了457起与水力压裂有关的泄露事件，其中的411起提供了能够判断泄露液是否抵达污染受体的信息，在这411起事件之中，291起污染了土壤，32起泄露液接触了地表水，1起泄露液抵达地下水[14]。此外，一份向加州能源服务办公室汇报的评估报告指出，2009年1月至2014年12月之间，18%的泄露接触到了水体（未指明是地表水还是地下水）[17];在北达科他州，84%的泄露产生的影响仅限于生产设施所在范围之内[18]。总体而言，大部分上报事件的泄露量和影响范围较小。根据泄露液抵达水体的比例和水力压裂作业相关的泄露事件比例（7.6%），估算，泄露液抵达水源的泄露事件的比例在2%以内。
另一个值得关注的问题是，当泄露液侵入水体时对健康的危害如何。由于数据和信息缺失，难以基于实际案例和数据对泄露引发的健康风险进行系统评估，这就导致了不同立场的人所持的观点不同[3，19]。美国的专业环境风险咨询机构Gradient在为哈里伯顿公司撰写的评估报告中，基于水污染扩散机理和环境溶解机理建立了概念模型，并通过模拟评估了泄露液对健康的潜在影响[20]。Gradient采用宾夕法尼亚州的泄露数据模拟了泄露液抵达地表水和地下水（包括饱和带和非饱和带含水层）之后的有害物质含量。模拟结果表明，压裂液、返排液中有害物质在饮用水中含量高于健康标准值的概率极低，这还是在保守假设下的评估结果，实际产生的健康危害还会远低于模拟值，由此，Gradient认为地表泄漏所产生的水污染对健康的危害无关紧要（关于模型、参数、计算等详细信息可以查阅文献[20]）。
Gradient的模拟分析有一定说服力，但Gradient所服务的哈里伯顿公司是最大压裂作业公司之一，这让报告的公信力下降。而且也有案证实了地表泄露的危害，例如，2009年，在路易斯安娜州的卡多郡，17头牲畜被发现死于一处井场附近，监管部门认为这是压裂液泄露污染了牧场所致[8]。
2.3泄漏事件的直接起因及可控程度
虽然对于地表泄露的危害程度在认识上存在分歧，但是研究普遍认为地表泄露的发生频率及其不利影响能够得到有效的控制，这是由地表泄露事件起因的特点决定的。在前文提到的457起泄露事件中，人为操作失误150起（33%），设备故障124起（27%），储存设施故障50起（11%），其他19起（4%），原因不明114起（25%）[14]。尽管原因不明的泄露事件数量达到25%，但仅占总泄漏液量的4%。科罗拉多州的调查报告提供了更为详细的压裂作业过程中的泄漏事件起因数据（见表2）[15]，综合两份报告可以发现，造成地表泄露的主因是设备（存储设施）故障和人为操作失误。
设备故障和人为操作失误造成的泄露可控，可以通过加强行业监管和强化作业管理来降低其發生概率。已有研究指出，随着水管理方案、技术进步和州监管政策的动态变化，泄露及其造成的影响有减弱的趋势[2，3，11，21]。尤其是，作业单位在泄露事件发生后采取的补救措施几乎消除了绝大多数事件产生的负面环境影响[21]。例如，Gross等认为：科罗拉多州影响地下水的泄露比例较低（小于0.5%）的原因之一是企业必须遵守数量繁多的监管政策和应急处理方案;至少84%的泄露事件得到了及时处置，有效地降低了苯、甲苯等有害物的含量水平[22]。
3地下泄露案例、成因及有关争议
地下泄露的潜在污染对象是地下水，可能的污染物来源是甲烷气和压裂液（或地层水）。前文已经指出，甲烷溶解于地下水并不会直接危害健康，但甲烷含量过高容易引起爆炸，所以也被视为污染物。由于气体的流动性强于液体，所以，在理论上，甲烷侵入地下水的可能性大于液体（压裂液或地层水）。记录在案的案例数量也与这一推定一致，即被认定（或疑似）为甲烷污染的事件数量比压裂液（或地层水）污染更多。考虑到气、液两类污染源的污染机理有一定差异，将分别对甲烷和压裂液（或地层水）的污染风险进行讨论。 另外，地下泄露与地表泄露还有两点不同：一是地下泄露难于被发现和监管，且污染取证与责任认定更为复杂，争议性很强;二是地下泄露事件的发生频率远低于地表泄露，不具有普遍性。鉴于这两点，通过典型案例分析的方式来探讨地下泄露的成因及其争议。
3.1甲烷污染案例分析
2007年12月5号，俄亥俄州班布里奇镇的一户居民家中发生了甲烷爆炸。这起甲烷爆炸事件使水力压裂作业的环境影响问题受到关注。俄亥俄州矿产资源管理部门随后启动的调查认为，EnglandNO.1井的完井作业缺陷及后续的作业过失可能是导致事故发生的主要起因[23-24]。事故的发生是由多方面因素累加造成的：首先，由于目的层“Clinton”的上覆地层“PackerShell”可能存在天然裂缝，固井水泥在这一层段大量流失，致使水泥柱高度保持在“PackerShell”地层之下，未达预期（计划到达更高的“Newburg”地层之上），这导致“Newburg”地层与生产套管连通;随后，在没有解决这一重大固井缺陷的情况下，作业人员继续进行压裂作业，这又进一步导致“Clinton”地层与生产套管连通;更为严重的是，在压裂之后的31天内，生产套管和表层套管之间环面的泄气阀处于关闭状态，在关闭期间环面内聚集了来自“Clinton”和“Newburg”地层内的高压天然气，最终侵入地下水层，进入住户家中。这起事件是自1984年俄亥俄州矿产资源管理部门确立地下水检查制度以来记录的首次甲烷泄露污染地下水事件。
需要指出，“Clinton”地层是俄亥俄州传统的砂岩层，EnglandNO.1井属于常规天然气井，所以班布里奇的爆炸事件不是由页岩气开发引起。并且，从上述原因分析也不难发现，事件源于特殊的地质条件和作业疏忽，与水力压裂没有直接因果关系。因此，这起事故并未使水力压裂的环境影响问题引起大范围的讨论和关注。
将页岩气开发和水力压裂的环境问题置于聚光灯下的是另外一起甲烷爆炸事件。事件发生在宾夕法尼亚州东北部的迪莫克镇，事发后在媒体的助推下，页岩气开发和水力压裂引起了大众更为普遍的关注，并引发了各方的激烈争论。
2009年1月1日，迪莫克一农户家中水泥材质的水井盖受外力冲击翻转，碎成三段。宾西法尼亚州环境保护部门认为甲烷爆炸是导致井盖翻转的最可能的原因（不过，最近发表的一片文章研究了井盖翻转并断裂的触发条件，认为甲烷爆炸造成该事件发生的可信度不高[25]）。尽管在当时官方没有给出定论，但外界普遍将这一事件与水力压裂作业联系在一起。甚至以该事件为发端，诞生了一部报道水力压裂影响的纪录片Gasland，这部纪录片让水力压裂这个专业词汇成了客厅谈资，从此，水力压裂与环境问题经常被相提并论。然而，工业界并不认可这样的结论，他们认为水中的甲烷是自然生成的，在钻井之前就已经存在，并且也有证据表明，远在油气开发之前，该地区饮用水就深受富含甲烷的困扰。围绕迪莫克地区甲烷污染原因的争论持续了数年，Hammond（2016）在综合分析了各方数据、资料和研究成果之后认为，该地区地下水中的甲烷，既有自然形成的（热成因和生物成因），也有受页岩气开发活动影响而产生的[26]。后者的主要依据为：一是同位素分析结果显示地下水中含有与页岩气井环面中同位素值相同的甲烷;二是实施增注固井水泥等补救措施之后，地下水中的甲烷含量有所减少。
不过，在一项最新研究中，研究人员选取了萨斯奎汉纳地区的8口井为对象，对钻井和压裂之前、之中和之后分别进行了水质跟踪测试对比研究，并未发现地下水中的甲烷与页岩气开发有显著关系[27]。萨斯奎汉纳与迪莫克同属于Marcellus页岩区域，相距不足10英里。虽然萨斯奎汉纳的研究结论不足以否定对迪莫克事件的认定结论，但至少说明类似的甲烷污染并不是一种普遍现象。再比如，在Fayetteville页岩区，就没有发现甲烷侵入地下水的证据，据此可以推断，甲烷污染除了受页岩气开发活动影响之外，还与特殊的地质条件有关，例如是否存在连通地下水和井筒的天然裂缝[28]。
班布里奇和迪莫克事件中的甲烷主要来源于页岩层之上的浅层和中部地层，按照前文划分的技术成因分类，它们的污染成因类型更接近A5。此类污染的可能性同样存在于常规油气开发过程中，因此，不能将其与页岩气开发（甚至水力压裂）直接划等号。
3.2压裂液（或地层水）污染案例分析
在以上两起甲烷污染事件中，并未发现地下水被压裂液或地层水污染的证据[23，29]。迪莫克事件之后，研究的地域范围从迪莫克扩大到了迪莫克所在的宾夕法尼亚州东北地区甚至Marcellus页岩区，研究的潜在污染源范围也从气体扩大到了压裂液、产出水、返排水等液态物质，不过在这些研究中还没有发现与压裂活动有关的液体污染证据[30-31]。
虽然在甲烷污染的“重灾区”未发现压裂液（或地层水）的污染证据，但是还不能以此来排除压裂液（或地层水）污染的可能性，这是因为，以上甲烷污染案例属于A5成因类型，而与压裂作业有关的液体污染也可能来自于A4和B这两种污染成因情景，或者由其他特殊情况引发。接下来，结合两起典型案例来讨论地下水受液体污染的情形。
其中一起地下水污染事件发生在北达科他州的基尔迪尔：由于套管破裂引發了井喷，大量压裂液泄露到地表，部分未能得到及时处置的压裂液并经由土壤渗透到地下水层。这起事故中泄露的压裂液数量高达628000L[3]，在全部上报的与压裂作业有关的泄露事件中，超过这一数量的事件也仅有一起（占比0.3%）[14]，因此，基尔迪尔事件不具有代表性，并且它也不是因地下泄露造成的水污染。
另一起与压裂有关的地下水污染事件则属于地下泄露污染，发生在怀俄明州的普威廉小镇。早于2008年，EPA收到了几位家用水井所有者的投诉，投诉人表示在附近常规天然气井压裂作业过程中，水中出现了令人不愉快的气味和味道。针对这些投诉意见，EPA对该地区的地下水启动了综合调查，并在部署的两口浅层监测井中检测到了水质污染[32]。不过，EPA的调查被质疑采样方案不完善，缺乏足够的可信度，为此，USGS（U.S.GeologicalSurvey）再次取样研究，证实了水质受到污染。虽然污染被证实，但这两个机构并未明确污染机理，不能确定污染是来自于地表未加衬底的储水池还是来自于注入到地下的压裂液。为了回答这一问题，Digiulio等对公开的文献和数据进行综合分析之后认为：尽管不能确定储水池是否是污染来源，但可以确定地下水受到了注入压裂液的影响[33]。 普威廉水污染事件也属于较为特殊的案例，这是因为在此案例中水力压裂作业的目标地层和地下水源均在WindRiver地层（该地层从地表延伸至地下1036m）内，并且距离地表最浅的压裂作业深度（距地表250m以内）接近地下水的深度，这些极大地增加了压裂液污染地下水的风险[32-33]。虽然WindRiver是常规油气储层，不属于页岩气开发的范畴，但是此类污染与本文归纳的B类污染成因情景相近，对页岩气开发有参考意义。或许，研究人员正基于此类案例提出了B类污染成因情景的设想。
A4和B类污染的关键特征是污染物为页岩层甲烷和深层含盐地层水。由于含甲烷和盐的地层水在沉积盆地普遍存在，因而区分水中甲烷和盐类的来源具有挑战性。为了识别水中的甲烷和盐类物质是天然形成还是由水力压裂引发，Harkness等首次利用地球化学手段，综合分析了西弗吉尼亚地区某页岩气井场钻井前后的地球化学物质变动情况，在研究中未发现与人类活动有关的污染证据[34]。截至目前，还没有确凿的证据来证实A4和B这两种污染情景存在于页岩气开发中，不过，研究人员普遍认为压裂作业层与地下水层的距离是主要影响因素。理论上，如果距离过近，人工裂缝（或者连通天然裂缝之后）会成为页岩层或高含盐水地层与可用水源层的连通通道，此时在压力梯度的作用下压裂液或地层水就有可能向上运移到地下水层。从实际情况来看，半数页岩气压裂作业层顶部和地下水层底部之间的垂直距离超过2000m[3]，而来自Barnett等4大页岩区的统计数据以及相关研究表明，水力压裂的裂缝的长度通常不会超过600m（超过350m的只有1%）[35-36]。在页岩气埋深较深的页岩区，压裂液或地层水通过裂缝通道向上运移并污染地层水的可能性很小。相反，在作业层和地下水层距离较近的页岩区，这类污染的风险将会增加，比如，Antrim页岩的距离在90～580m之间，NewAlbany页岩的距离在30～490m之间[37]。不过，埋深过浅的页岩往往不适合应用水平井，压裂之后也就不会形成向上的连通通道，比如Antrim页岩气区就全部采用直井开发[37]。
4争议分析和对中国的启示
经过以上分析，关于页岩气开发水污染风险的争议，得出三点主要结论。
（1）总体上，与压裂作业相关的地表泄露对水资源，尤其是对地下水的负面影响并不显著。虽然地表泄露不是关注和争论的焦点，但在泄露可能性和泄露后产生的不利影响这两方面的认识上，也存在一定分歧。经过分析认为：与压裂作业相关的泄露事件的发生频率仅稍高于普通的钻井泄露事件，并不能证明水力压裂作业会带来更高的泄露风险;绝大多数泄露事件中的泄露规模不会对地下水构成污染，有记录的大规模泄露并对地下水或地表水造成水污染的事件仅有数起。需要特别说明，地表泄露产生的土壤污染并未纳入研究范围。
（2）关于甲烷泄露对地下水污染的争议，笔者倾向于肯定这类污染风险的存在。不过，甲烷污染风险与水力压裂技术或页岩气开发并不存在必然的因果关系，尽管地层压裂会增加甲烷泄露的可能性，但固井质量和特殊的地质条件才是决定性因素。提高固井作业标准和固井质量是应对甲烷污染风险的最有效手段。根据Gradient的模拟研究，在完全符合作业规范并成功固井和完井的情况下，发生泄露的概率仅为1/5000。
（3）与页岩气开发活动相关的压裂液或含盐地层水的污染还没有得到证实。理论上，当目的层和地下水层距离过近时存在这类污染的可能，并且，普威廉的水污染案例（气、水同层压裂作业开发常规天然气）也增加了这种观点的说服力。这类污染风险难以借助管理或技术手段来消除，对于存在此类污染风险的页岩气区块只能通过禁止采用水平井和水力压裂技术来规避水污染。
通过梳理发现，相对于已经压裂的250000口井的庞大规模而言，与页岩气开发相关或疑似相关的水污染事件应属于小概率事件，并且，无论地表泄露还是地下泄露，对水环境的危害程度并未显著高于传统的常规油气开发。然而，这些基于美国页岩气开发实践得出的认识并不能简单地移植到中国，在借鉴美国经验的同时还應该注意两国在以下几个方面的区别。
首先，要考虑规制强度的差异。尽管美国联邦政府放弃了对水力压裂的监管，但是各州的监管普遍较为严格，个别州甚至禁止实施水力压裂作业，如纽约州。相比之下，中国的监管强度、执法检查力度、监管法规和行业性指导文件的专业度和可操作程度都弱于美国。我们文中呈现的统计数据和污染个案是以相对严格的监管为前提，如果监管放松，页岩气开发的潜在环境危害程度或将高于常规油气开发。比如，压裂液或返排液中含有更多的有害物质，一旦泄露并污染水资源，对健康的影响会大于钻井液泄露的污染。因此，加强对页岩气开发的监管，刻不容缓。
其次，要考虑地质条件的差异。从水环境影响角度来看，中国与美国在地质条件上的差异会带来正反两个方面的影响。一方面是存在有利因素，比如目前开发的页岩气区目的层埋深普遍在千米以上，几乎不会发生B类污染，地方政府在设计监管政策的过程中可以排除对此类污染进行监管。另一方面，也存在不利因素：比如，由于地质原因国内压裂作业过程中存在生产套管变形甚至破裂的情景，这会大大增加地下泄露污染的可能，而这种情况在美国并未见报道;再比如，目前主产区所在的四川盆地部分地区溶洞、溶孔发育，这些天然孔隙如果与压裂通道连通，就可能形成连通地下水的气液运移通道。
最后，还应考虑地形条件和人口密度的差异。美国的页岩气区块多位于平原地区，而国内多位于丘陵或山区，当发生较大规模的地表泄露时，国内页岩气井场的补救处理难度更大，泄露液更容易沿山坡进入地表水，或者因为得不到有效控制而渗入地下水。另外，如果山洪冲毁储水池等地表储水设施也会将污染物带入饮用水体。此外，人口密度的差异也应纳入考量。国内页岩气田大多临近人口密集的村镇或城市，一旦发生水体污染，波及的人群范围更大，处置成本也更高。
鉴于以上差异，中国在制定和实施页岩气监管政策的过程中，既要吸收美国经验，也要充分考虑中国的特有问题。除此之外，还应该明晰监管对象。水污染风险与页岩气不存在必然关联，但与水力压裂的关系密切，所以应当以水力压裂而不是仅以页岩气开发作为监管对象。如果将水力压裂作为监管对象，那么还要考虑因资源类型不同而产生的差异，例如，采用水力压裂开发煤层气时，有可能出现类似于普威廉案例的污染情形。 （編辑：于杰）
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关键词页岩气;环境影响;水污染风险;争议
中图分类号X37
文献标识码A文章编号1002-2104（2019）06-0031-09DOI：10.12062/cpre.20190328
我国的页岩气产业在全面研究和借鉴美国经验的基础之上起步和成长。在美国，页岩气开发的环境风险引起了社会的广泛关注和学界的浓厚兴趣[1-2]，在国内，这一问题也正在成为页岩气研究领域的热点，并且会随着页岩气产业的发展受到越来越多的关注。目前，以国内页岩气开发环境影响为对象的研究较少，绝大多数中国作者的文献是从不同角度介绍、分析或评价美国的研究与实践。故而，国内对页岩气环境影响的认知主要建立在美国的研究基础上。需要特别指出，一些文献在论述过程中有意或者无意地选择了这样的预设立场，即认为页岩气开发的环境危害（显著）高于常规油气开发。事实上，这一问题在美国也引发了激烈的争论，美国环保署（EPA）组织了两次专门调查，却也没有给出十分明确的结论[3]。在国内，即便舆论和学术界普遍强调页岩气开发的环境风险，但也有人持截然不同的观点，例如，业内资深专家张抗认为，页岩气的開发方式根本就不会造成污染，“页岩气污染论”完全是危言耸听[4]。
无论强调还是淡化环境危害，一旦偏离事实，都会对认知产生错误的导向，不利于协调产业发展和环境保护之间的矛盾。与页岩气开发有关的环境影响之中，最受关注的是其对水资源的潜在负面影响，包括水资源消耗和水污染风险。由于采用了耗水量较大的水力压裂技术，页岩气开发引发了对水资源过度消耗的担忧，然而，有研究指出，与其他耗水行业相比，水力压裂的水消耗量并不突出，仅在干旱地区才有可能因为水力压裂而产生阶段性的水资源短缺[5]。关于页岩气开发中的水资源消耗问题并不存在认定困难或研究难点，也没有学术上的争议，故而，对页岩气开发水环境影响的关注实质上是对水污染风险的关注。通过对学术文献和媒体事件进行梳理发现，水污染风险问题也是页岩气开发环境影响争论的起因和焦点。尽管国内有文献提及这一问题的争议性，如文献[6-7]，但未聚焦于此。故而，笔者希望通过梳理水污染风险的内在技术成因，并从成因角度分析其争议来源，以期客观呈现“页岩气污染论”的是与非，为中国页岩气发展提供借鉴。
1页岩气开发的潜在水污染成因、特征和分类
水平井钻井和水力压裂技术（以下简称水平井压裂）是推动北美页岩气革命的核心技术，但也正是这项技术组合，尤其是水力压裂，使页岩气开发饱受争议。当前已有诸多文献从不同方面阐述了页岩气开发过程中水污染风险来源和技术成因情景。更进一步地，这一部分将系统梳理这些研究成果，并从污染物来源、事故直接起因和可控性等方面来分析成因基本特征，按照成因与页岩气开发的相关性对成因情景归类，同时，结合成因特征对成因情景进行筛选。
1.1水平井压裂技术及潜在的水污染成因
（1）水平井压裂与污染物来源。水平井是指最大井斜角度近乎垂直，并且水平段在目的层中维持一定长度的井。尽管水平井增加了井筒与产层的泄流面积，但由于页岩渗透率极低，无自然产能，还必须借助压裂实现产气。水力压裂是目前应用最为广泛的压裂技术——将水基压裂液注入地下，压开地层，形成由天然裂缝和人工裂缝连结而成的裂缝网络作为产气通道。压裂完成后，部分压裂液混合深层地层水返排至地表，返排压裂液数量存在井间差异，据文献[8]估计，返排比例在15%～80%之间。压裂液和地层水混合而成的液体被称之为返排水。
压裂液和返排水含有危害健康的物质。水力压裂采用的水基压裂液（滑溜水）由水、支撑剂（比如砂）和化学添加剂构成，添加剂比例在0.01%～0.05%之间[3]。化学添加剂的构成组份被指含有多种有毒物质，如苯、二甲苯、甲苯、甲醛等致癌物;深层地层水也会携带放射性物质、腐蚀性盐和苯等[9-10]。尽管压裂液及返排水中的有毒物质占比很低，但由于压裂液和返排水总量大[10]，有毒物质总量不低，污染风险不能忽视。
除了压裂液和返排水中的有毒物质之外，作为页岩气主要成分的甲烷也被认为是污染物来源。“被点燃的自来水”成为环保组织开展反页岩气宣传活动的佐证，媒体的宣传报道也常聚焦于此。理论上，水中溶解的甲烷能够对水质产生影响，例如，甲烷在细菌作用下发生氧化反应会消耗水中的氧气，低氧环境将增加砷、铁等元素的溶解度[2]。不过，甲烷在水中的溶解度极低（1个大气压下26mg/L），在美国并未将它视为健康威胁而加以规制。尽管甲烷直接危害健康的可能性较小，但甲烷气的聚集可能会引发爆炸，因此甲烷也被视为潜在污染物。 （2）潜在的水污染成因情景。水污染风险与固井、压裂和返排水处理这三项作业有关。通过固井作业，在表层套管和井眼之间注入水泥，形成水泥环来封隔可用地下水层（以下简称地下水层），保护可用地下水。固井完成之后，开始压裂作业。利用压裂车上的压裂设备将压裂液高压注入地层，压裂完成之后返排水存入地表储水池或者储水罐，等待进一步处理。返排水的处理方式有三种，分别是：一、经废水处理装置处理达标后排放;二、回注地下;三、处理后再次用于压裂作业。以下将结合作业过程分析各类水污染成因。
在压裂作业过程中，如果操作不当或者出现意外事故（如井喷）压裂液或者返排液就有可能泄露，并透过地表浸入地层污染地下水（编号为A1，以下将用编号代表各类水污染成因情景）;存储过程中的操作违规或者储水池和储水罐等储水装置不合格也会导致泄露（如劣质的储水池衬造成的污水泄露），产生同样的污染（A2）;未达到排放标准的返排水排入河流会污染地表水（A3）[3，11]。除了地表泄漏造成的污染之外，可用地下水受到污染的威胁也可能来自于地下。首先，由于表层套管底端距离地下水层较近，如果表层套管及环面水泥密闭不严，来自于页岩层的甲烷就有机会通过缝隙进入地下水层，压裂液和地层水也可能同甲烷一样进入地下水层（A4）[2-3，11];其次，来自中部地层的逃逸甲烷气也被认为能够通过井筒环面或水泥缝隙向上运移至地下水层（A5）[11];另外，也有学者提出，致密的页岩层被压开形成裂缝网络，使得页岩以下的深层盐水或压裂液能够穿过原本致密的页岩层和上覆地层，抵达地下水层（B）[12];最后，当采用地下回注方式处理废水时，如果固井水泥环面存在缺陷，也可能会发生类似A3和A4的污染（A6）[13]。
1.2成因情景的基本特征分析
从以上7种潜在的水污染成因情景之中，可以归纳出每种情景下的污染物来源和被污染水体（见表1）。除此之外，污染的可控性，即能否借助一定手段来避免或者降低污染，也是考察水污染影响的重要方面。判断污染的可控性需要追踪每一种污染成因下引发具体污染事件的直接起因。按照是否存在主观故意可将事件起因划分为两类：一类为主观故意造成的违法事件，比如偷排行为，这类事故可以通过规制手段消除，属于可控的污染;另一类为非主观故意情况下发生的事件。后者要进一步区分为两种情形，一是设备、工艺、施工（操作）及管理等方面的缺陷或者疏忽造成的偶发事故，比如工人操作失误或设备老化致使压裂软管从碗口脱落而造成的压裂液泄露，定义这类事故可控性为风险可控（见表1）;二是页岩气开发技术固有的污染事件，在不改变开发技术的情况下，污染影响难以降低或消除，定义这类事件为风险不可控。接下来，逐一分析每种污染成因情景下的污染事件起因及污染可控性。
A1、A2為地表泄露事件，此类事件的起因主要是设备故障、人为过错、储存设施密闭性故障等[14-15]，污染可控性为风险可控。A3属于偷排行为，是违法事件，可以通过立法和严格执法杜绝此类事故，污染可控性为可控。由于固井施工缺陷造成的水泥环密闭不严是导致A4～A6情景发生的最常见原因[16]，可以通过提高技术和管理水平来降低这类事件的发生概率，污染可控性为风险可控。B是因为作为生（油）气层和封隔层的页岩被压裂开，形成了可供甲烷气、深层盐水和压裂液向上流通的通道，根据污染原理可判定这类污染不可控。
综上分析，按照污染物来源、被污染水体、污染事件起因和污染可控性等几个方面归纳出各种污染成因情景的基本特征（见表1）。
1.3成因情景与页岩气开发的相关性分析及归类
水平井压裂技术广泛用于常规油气和包括页岩气在内的非常规油气的开采。并不是页岩气开发的专有技术。
为了聚焦于页岩气开发的环境影响，笔者对7种水污染成因情景进行了区分和归类，确定哪些成因情景属于页岩气开发特有，哪些源于水平井压裂技术（应用水平井压裂技术开采其他类型的油气资源时也存在同样的风险），哪些是油气开发中遇到的共性问题。划分方案（见图1）及理由如下。
B属于页岩气开发的特有风险。这是因为页岩是深层盐水层的上覆地层，起到封隔作用，只有当页岩层经由水平井被压裂开之后，深层盐水层才有可能与渗透率较高的地层联通，成为污染源。当开采其他类型的油气资源时，页岩层不是压裂目的层，也就不存在这类污染风险。
A1、A2和A4的直接起因是水力压裂作业。不管水力压裂用于直井还是水平井，用来开采页岩气还是其他油气资源，均存在类似的泄露风险。有研究指出，由于页岩致密，必须采用大规模高压水力压裂，这使得压裂作业中的地表泄露（A1和A2）和地下泄露（A4）风险均高于普通水力压裂作业。尽管此推断有合理性，但目前的统计数据尚不能证实这种观点，因此不对水力压裂技术进行细分。
A5、A6同样存在于常规油田开发过程中，与页岩气开发以及水力压裂技术没有直接因果关联，并且这种污染情形的技术成因与A4一致，因此不再单独对其进行分析。关于污水偷排（A3），由于此类污染成因源于完全可控的违法事件，故而也将其排除在本次研究之外。
综上分析，将对B、A1、A2、A4等潜在的水污染成因情景作进一步分析，其中A1、A2属于地表泄露、A4和B为地下泄露（见图1）。地下泄露较为隐蔽，不易通过常规检查程序发现，一般通过水质测试来间接求证;相较于地下泄露，地表泄露更易于发现和监测。鉴于地表泄露和地下泄露的显著差异，接下来将分别按这两个方面来进行分析。另外，需要注意，成因B是页岩气（油）开发的特有风险，并且不可控，在一定程度上，对成因B的认识会影响是否该区别对待页岩气（油）和采用水力压裂技术开发的其他油气资源。
2地表泄露的可能性、不利影响及认识分歧
本研究中的地表泄露特指水力压裂相关的泄露，即压裂液（或返排液）在压裂、存储和水处理作业过程中泄露到地表，属于成因类型A1和A2。以下将分别从泄露事件发生的可能性、泄露产生的不利影响以及泄露事件的可控程度这三个层次认识地表泄露的水污染风险。 2.1泄露事件的发生频率
根据有关学者和环境机构的数据统计，在水力压裂作业期间每百口井发生达到上报标准的泄漏比例为0.4～12.2。EPA发布的州和工业泄露调查报告中[14]，统计了2006—2012年之间11个州的36000起油气工业的泄露事件，其中24000起记录能够提供足够的信息用以判定事故与水力压裂作业是否相关。认定为由水力压裂作业引起的泄露事件为457起，约占这些泄露事件总量（24000起）的1.9%。由于12000起事件因信息缺失而被排除在计算之外，使得计算得到的泄露事件比例可能与实际存在偏差，并且在没有对照的情况下，仅通过水力压裂相关泄露事件的比例，也难以直观地感受泄露频繁程度。为此，另外选取数据记录较为详实、可信度高的由科罗拉多州自然资源部油气保护委员发布的一份调查报告[15]，作进一步分析。该报告统计了2010年1月至2013年8月之间的泄露事件，在1638起事件中，与水力压裂作业相关的事件为125起，占比约为7.6%;生产过程中发生泄露事件1277起，占比78.0%;钻井过程中发生泄露事件96起，占比5.8%。
通过数据对比不难发现，水力压裂相关的泄露事件频率并未明显高于其他作业环节，尤其，科罗拉多州的统计数据表明，泄露事件绝大多数发生在生产环节而不是压裂环节。尽管如此，也要注意到，水力压裂作业期间的泄露事件不能忽视，其泄露的频率超过了钻井过程中的泥浆泄露。
2.2对水资源及健康的不利影响与认识分歧
除了泄露的可能性之外，泄露是否对环境造成影响更值得关注。泄露潜在的污染对象包括对地表水、地下水和土壤。就水资源而言，泄露对水资源有无影响或者影响大小取决于泄露数量、泄露点和被污染水体的距离、化学物质的物理化学特性、土壤结构等多种因素。这些影响因素在不同泄露事件中千差万别，难以给出一般性的结论。不过，EPA的调查证实泄露确实可以造成不利的环境影响。EPA统计了457起与水力压裂有关的泄露事件，其中的411起提供了能够判断泄露液是否抵达污染受体的信息，在这411起事件之中，291起污染了土壤，32起泄露液接触了地表水，1起泄露液抵达地下水[14]。此外，一份向加州能源服务办公室汇报的评估报告指出，2009年1月至2014年12月之间，18%的泄露接触到了水体（未指明是地表水还是地下水）[17];在北达科他州，84%的泄露产生的影响仅限于生产设施所在范围之内[18]。总体而言，大部分上报事件的泄露量和影响范围较小。根据泄露液抵达水体的比例和水力压裂作业相关的泄露事件比例（7.6%），估算，泄露液抵达水源的泄露事件的比例在2%以内。
另一个值得关注的问题是，当泄露液侵入水体时对健康的危害如何。由于数据和信息缺失，难以基于实际案例和数据对泄露引发的健康风险进行系统评估，这就导致了不同立场的人所持的观点不同[3，19]。美国的专业环境风险咨询机构Gradient在为哈里伯顿公司撰写的评估报告中，基于水污染扩散机理和环境溶解机理建立了概念模型，并通过模拟评估了泄露液对健康的潜在影响[20]。Gradient采用宾夕法尼亚州的泄露数据模拟了泄露液抵达地表水和地下水（包括饱和带和非饱和带含水层）之后的有害物质含量。模拟结果表明，压裂液、返排液中有害物质在饮用水中含量高于健康标准值的概率极低，这还是在保守假设下的评估结果，实际产生的健康危害还会远低于模拟值，由此，Gradient认为地表泄漏所产生的水污染对健康的危害无关紧要（关于模型、参数、计算等详细信息可以查阅文献[20]）。
Gradient的模拟分析有一定说服力，但Gradient所服务的哈里伯顿公司是最大压裂作业公司之一，这让报告的公信力下降。而且也有案证实了地表泄露的危害，例如，2009年，在路易斯安娜州的卡多郡，17头牲畜被发现死于一处井场附近，监管部门认为这是压裂液泄露污染了牧场所致[8]。
2.3泄漏事件的直接起因及可控程度
虽然对于地表泄露的危害程度在认识上存在分歧，但是研究普遍认为地表泄露的发生频率及其不利影响能够得到有效的控制，这是由地表泄露事件起因的特点决定的。在前文提到的457起泄露事件中，人为操作失误150起（33%），设备故障124起（27%），储存设施故障50起（11%），其他19起（4%），原因不明114起（25%）[14]。尽管原因不明的泄露事件数量达到25%，但仅占总泄漏液量的4%。科罗拉多州的调查报告提供了更为详细的压裂作业过程中的泄漏事件起因数据（见表2）[15]，综合两份报告可以发现，造成地表泄露的主因是设备（存储设施）故障和人为操作失误。
设备故障和人为操作失误造成的泄露可控，可以通过加强行业监管和强化作业管理来降低其發生概率。已有研究指出，随着水管理方案、技术进步和州监管政策的动态变化，泄露及其造成的影响有减弱的趋势[2，3，11，21]。尤其是，作业单位在泄露事件发生后采取的补救措施几乎消除了绝大多数事件产生的负面环境影响[21]。例如，Gross等认为：科罗拉多州影响地下水的泄露比例较低（小于0.5%）的原因之一是企业必须遵守数量繁多的监管政策和应急处理方案;至少84%的泄露事件得到了及时处置，有效地降低了苯、甲苯等有害物的含量水平[22]。
3地下泄露案例、成因及有关争议
地下泄露的潜在污染对象是地下水，可能的污染物来源是甲烷气和压裂液（或地层水）。前文已经指出，甲烷溶解于地下水并不会直接危害健康，但甲烷含量过高容易引起爆炸，所以也被视为污染物。由于气体的流动性强于液体，所以，在理论上，甲烷侵入地下水的可能性大于液体（压裂液或地层水）。记录在案的案例数量也与这一推定一致，即被认定（或疑似）为甲烷污染的事件数量比压裂液（或地层水）污染更多。考虑到气、液两类污染源的污染机理有一定差异，将分别对甲烷和压裂液（或地层水）的污染风险进行讨论。 另外，地下泄露与地表泄露还有两点不同：一是地下泄露难于被发现和监管，且污染取证与责任认定更为复杂，争议性很强;二是地下泄露事件的发生频率远低于地表泄露，不具有普遍性。鉴于这两点，通过典型案例分析的方式来探讨地下泄露的成因及其争议。
3.1甲烷污染案例分析
2007年12月5号，俄亥俄州班布里奇镇的一户居民家中发生了甲烷爆炸。这起甲烷爆炸事件使水力压裂作业的环境影响问题受到关注。俄亥俄州矿产资源管理部门随后启动的调查认为，EnglandNO.1井的完井作业缺陷及后续的作业过失可能是导致事故发生的主要起因[23-24]。事故的发生是由多方面因素累加造成的：首先，由于目的层“Clinton”的上覆地层“PackerShell”可能存在天然裂缝，固井水泥在这一层段大量流失，致使水泥柱高度保持在“PackerShell”地层之下，未达预期（计划到达更高的“Newburg”地层之上），这导致“Newburg”地层与生产套管连通;随后，在没有解决这一重大固井缺陷的情况下，作业人员继续进行压裂作业，这又进一步导致“Clinton”地层与生产套管连通;更为严重的是，在压裂之后的31天内，生产套管和表层套管之间环面的泄气阀处于关闭状态，在关闭期间环面内聚集了来自“Clinton”和“Newburg”地层内的高压天然气，最终侵入地下水层，进入住户家中。这起事件是自1984年俄亥俄州矿产资源管理部门确立地下水检查制度以来记录的首次甲烷泄露污染地下水事件。
需要指出，“Clinton”地层是俄亥俄州传统的砂岩层，EnglandNO.1井属于常规天然气井，所以班布里奇的爆炸事件不是由页岩气开发引起。并且，从上述原因分析也不难发现，事件源于特殊的地质条件和作业疏忽，与水力压裂没有直接因果关系。因此，这起事故并未使水力压裂的环境影响问题引起大范围的讨论和关注。
将页岩气开发和水力压裂的环境问题置于聚光灯下的是另外一起甲烷爆炸事件。事件发生在宾夕法尼亚州东北部的迪莫克镇，事发后在媒体的助推下，页岩气开发和水力压裂引起了大众更为普遍的关注，并引发了各方的激烈争论。
2009年1月1日，迪莫克一农户家中水泥材质的水井盖受外力冲击翻转，碎成三段。宾西法尼亚州环境保护部门认为甲烷爆炸是导致井盖翻转的最可能的原因（不过，最近发表的一片文章研究了井盖翻转并断裂的触发条件，认为甲烷爆炸造成该事件发生的可信度不高[25]）。尽管在当时官方没有给出定论，但外界普遍将这一事件与水力压裂作业联系在一起。甚至以该事件为发端，诞生了一部报道水力压裂影响的纪录片Gasland，这部纪录片让水力压裂这个专业词汇成了客厅谈资，从此，水力压裂与环境问题经常被相提并论。然而，工业界并不认可这样的结论，他们认为水中的甲烷是自然生成的，在钻井之前就已经存在，并且也有证据表明，远在油气开发之前，该地区饮用水就深受富含甲烷的困扰。围绕迪莫克地区甲烷污染原因的争论持续了数年，Hammond（2016）在综合分析了各方数据、资料和研究成果之后认为，该地区地下水中的甲烷，既有自然形成的（热成因和生物成因），也有受页岩气开发活动影响而产生的[26]。后者的主要依据为：一是同位素分析结果显示地下水中含有与页岩气井环面中同位素值相同的甲烷;二是实施增注固井水泥等补救措施之后，地下水中的甲烷含量有所减少。
不过，在一项最新研究中，研究人员选取了萨斯奎汉纳地区的8口井为对象，对钻井和压裂之前、之中和之后分别进行了水质跟踪测试对比研究，并未发现地下水中的甲烷与页岩气开发有显著关系[27]。萨斯奎汉纳与迪莫克同属于Marcellus页岩区域，相距不足10英里。虽然萨斯奎汉纳的研究结论不足以否定对迪莫克事件的认定结论，但至少说明类似的甲烷污染并不是一种普遍现象。再比如，在Fayetteville页岩区，就没有发现甲烷侵入地下水的证据，据此可以推断，甲烷污染除了受页岩气开发活动影响之外，还与特殊的地质条件有关，例如是否存在连通地下水和井筒的天然裂缝[28]。
班布里奇和迪莫克事件中的甲烷主要来源于页岩层之上的浅层和中部地层，按照前文划分的技术成因分类，它们的污染成因类型更接近A5。此类污染的可能性同样存在于常规油气开发过程中，因此，不能将其与页岩气开发（甚至水力压裂）直接划等号。
3.2压裂液（或地层水）污染案例分析
在以上两起甲烷污染事件中，并未发现地下水被压裂液或地层水污染的证据[23，29]。迪莫克事件之后，研究的地域范围从迪莫克扩大到了迪莫克所在的宾夕法尼亚州东北地区甚至Marcellus页岩区，研究的潜在污染源范围也从气体扩大到了压裂液、产出水、返排水等液态物质，不过在这些研究中还没有发现与压裂活动有关的液体污染证据[30-31]。
虽然在甲烷污染的“重灾区”未发现压裂液（或地层水）的污染证据，但是还不能以此来排除压裂液（或地层水）污染的可能性，这是因为，以上甲烷污染案例属于A5成因类型，而与压裂作业有关的液体污染也可能来自于A4和B这两种污染成因情景，或者由其他特殊情况引发。接下来，结合两起典型案例来讨论地下水受液体污染的情形。
其中一起地下水污染事件发生在北达科他州的基尔迪尔：由于套管破裂引發了井喷，大量压裂液泄露到地表，部分未能得到及时处置的压裂液并经由土壤渗透到地下水层。这起事故中泄露的压裂液数量高达628000L[3]，在全部上报的与压裂作业有关的泄露事件中，超过这一数量的事件也仅有一起（占比0.3%）[14]，因此，基尔迪尔事件不具有代表性，并且它也不是因地下泄露造成的水污染。
另一起与压裂有关的地下水污染事件则属于地下泄露污染，发生在怀俄明州的普威廉小镇。早于2008年，EPA收到了几位家用水井所有者的投诉，投诉人表示在附近常规天然气井压裂作业过程中，水中出现了令人不愉快的气味和味道。针对这些投诉意见，EPA对该地区的地下水启动了综合调查，并在部署的两口浅层监测井中检测到了水质污染[32]。不过，EPA的调查被质疑采样方案不完善，缺乏足够的可信度，为此，USGS（U.S.GeologicalSurvey）再次取样研究，证实了水质受到污染。虽然污染被证实，但这两个机构并未明确污染机理，不能确定污染是来自于地表未加衬底的储水池还是来自于注入到地下的压裂液。为了回答这一问题，Digiulio等对公开的文献和数据进行综合分析之后认为：尽管不能确定储水池是否是污染来源，但可以确定地下水受到了注入压裂液的影响[33]。 普威廉水污染事件也属于较为特殊的案例，这是因为在此案例中水力压裂作业的目标地层和地下水源均在WindRiver地层（该地层从地表延伸至地下1036m）内，并且距离地表最浅的压裂作业深度（距地表250m以内）接近地下水的深度，这些极大地增加了压裂液污染地下水的风险[32-33]。虽然WindRiver是常规油气储层，不属于页岩气开发的范畴，但是此类污染与本文归纳的B类污染成因情景相近，对页岩气开发有参考意义。或许，研究人员正基于此类案例提出了B类污染成因情景的设想。
A4和B类污染的关键特征是污染物为页岩层甲烷和深层含盐地层水。由于含甲烷和盐的地层水在沉积盆地普遍存在，因而区分水中甲烷和盐类的来源具有挑战性。为了识别水中的甲烷和盐类物质是天然形成还是由水力压裂引发，Harkness等首次利用地球化学手段，综合分析了西弗吉尼亚地区某页岩气井场钻井前后的地球化学物质变动情况，在研究中未发现与人类活动有关的污染证据[34]。截至目前，还没有确凿的证据来证实A4和B这两种污染情景存在于页岩气开发中，不过，研究人员普遍认为压裂作业层与地下水层的距离是主要影响因素。理论上，如果距离过近，人工裂缝（或者连通天然裂缝之后）会成为页岩层或高含盐水地层与可用水源层的连通通道，此时在压力梯度的作用下压裂液或地层水就有可能向上运移到地下水层。从实际情况来看，半数页岩气压裂作业层顶部和地下水层底部之间的垂直距离超过2000m[3]，而来自Barnett等4大页岩区的统计数据以及相关研究表明，水力压裂的裂缝的长度通常不会超过600m（超过350m的只有1%）[35-36]。在页岩气埋深较深的页岩区，压裂液或地层水通过裂缝通道向上运移并污染地层水的可能性很小。相反，在作业层和地下水层距离较近的页岩区，这类污染的风险将会增加，比如，Antrim页岩的距离在90～580m之间，NewAlbany页岩的距离在30～490m之间[37]。不过，埋深过浅的页岩往往不适合应用水平井，压裂之后也就不会形成向上的连通通道，比如Antrim页岩气区就全部采用直井开发[37]。
4争议分析和对中国的启示
经过以上分析，关于页岩气开发水污染风险的争议，得出三点主要结论。
（1）总体上，与压裂作业相关的地表泄露对水资源，尤其是对地下水的负面影响并不显著。虽然地表泄露不是关注和争论的焦点，但在泄露可能性和泄露后产生的不利影响这两方面的认识上，也存在一定分歧。经过分析认为：与压裂作业相关的泄露事件的发生频率仅稍高于普通的钻井泄露事件，并不能证明水力压裂作业会带来更高的泄露风险;绝大多数泄露事件中的泄露规模不会对地下水构成污染，有记录的大规模泄露并对地下水或地表水造成水污染的事件仅有数起。需要特别说明，地表泄露产生的土壤污染并未纳入研究范围。
（2）关于甲烷泄露对地下水污染的争议，笔者倾向于肯定这类污染风险的存在。不过，甲烷污染风险与水力压裂技术或页岩气开发并不存在必然的因果关系，尽管地层压裂会增加甲烷泄露的可能性，但固井质量和特殊的地质条件才是决定性因素。提高固井作业标准和固井质量是应对甲烷污染风险的最有效手段。根据Gradient的模拟研究，在完全符合作业规范并成功固井和完井的情况下，发生泄露的概率仅为1/5000。
（3）与页岩气开发活动相关的压裂液或含盐地层水的污染还没有得到证实。理论上，当目的层和地下水层距离过近时存在这类污染的可能，并且，普威廉的水污染案例（气、水同层压裂作业开发常规天然气）也增加了这种观点的说服力。这类污染风险难以借助管理或技术手段来消除，对于存在此类污染风险的页岩气区块只能通过禁止采用水平井和水力压裂技术来规避水污染。
通过梳理发现，相对于已经压裂的250000口井的庞大规模而言，与页岩气开发相关或疑似相关的水污染事件应属于小概率事件，并且，无论地表泄露还是地下泄露，对水环境的危害程度并未显著高于传统的常规油气开发。然而，这些基于美国页岩气开发实践得出的认识并不能简单地移植到中国，在借鉴美国经验的同时还應该注意两国在以下几个方面的区别。
首先，要考虑规制强度的差异。尽管美国联邦政府放弃了对水力压裂的监管，但是各州的监管普遍较为严格，个别州甚至禁止实施水力压裂作业，如纽约州。相比之下，中国的监管强度、执法检查力度、监管法规和行业性指导文件的专业度和可操作程度都弱于美国。我们文中呈现的统计数据和污染个案是以相对严格的监管为前提，如果监管放松，页岩气开发的潜在环境危害程度或将高于常规油气开发。比如，压裂液或返排液中含有更多的有害物质，一旦泄露并污染水资源，对健康的影响会大于钻井液泄露的污染。因此，加强对页岩气开发的监管，刻不容缓。
其次，要考虑地质条件的差异。从水环境影响角度来看，中国与美国在地质条件上的差异会带来正反两个方面的影响。一方面是存在有利因素，比如目前开发的页岩气区目的层埋深普遍在千米以上，几乎不会发生B类污染，地方政府在设计监管政策的过程中可以排除对此类污染进行监管。另一方面，也存在不利因素：比如，由于地质原因国内压裂作业过程中存在生产套管变形甚至破裂的情景，这会大大增加地下泄露污染的可能，而这种情况在美国并未见报道;再比如，目前主产区所在的四川盆地部分地区溶洞、溶孔发育，这些天然孔隙如果与压裂通道连通，就可能形成连通地下水的气液运移通道。
最后，还应考虑地形条件和人口密度的差异。美国的页岩气区块多位于平原地区，而国内多位于丘陵或山区，当发生较大规模的地表泄露时，国内页岩气井场的补救处理难度更大，泄露液更容易沿山坡进入地表水，或者因为得不到有效控制而渗入地下水。另外，如果山洪冲毁储水池等地表储水设施也会将污染物带入饮用水体。此外，人口密度的差异也应纳入考量。国内页岩气田大多临近人口密集的村镇或城市，一旦发生水体污染，波及的人群范围更大，处置成本也更高。
鉴于以上差异，中国在制定和实施页岩气监管政策的过程中，既要吸收美国经验，也要充分考虑中国的特有问题。除此之外，还应该明晰监管对象。水污染风险与页岩气不存在必然关联，但与水力压裂的关系密切，所以应当以水力压裂而不是仅以页岩气开发作为监管对象。如果将水力压裂作为监管对象，那么还要考虑因资源类型不同而产生的差异，例如，采用水力压裂开发煤层气时，有可能出现类似于普威廉案例的污染情形。 （編辑：于杰）
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