持續(xù)加重的環(huán)境負(fù)擔(dān)或許逼迫政府出臺相關(guān)限制性法規(guī)
由于前幾年美國頁巖油氣產(chǎn)量的快速增長，影響了世界的能源格局，被稱為美國的“能源革命”。在這種背景下，許多國家都表現(xiàn)出對頁巖油氣的高度興趣。但與此同時，在大規(guī)模開發(fā)頁巖油氣的過程中也出現(xiàn)了許多問題，如大量消耗水資源、溫室氣體排放、對飲用水影響以及區(qū)域空氣質(zhì)量問題等，這些環(huán)境問題已經(jīng)引起了各國政府的重視，一些國家專門針對頁巖油氣勘查開發(fā)制定了相關(guān)的環(huán)保政策。
A 主要產(chǎn)區(qū)
與傳統(tǒng)石油不同，頁巖油來自頁巖。頁巖成分較復(fù)雜，主要由黏土及其他礦物經(jīng)歷長時間的壓力沉積所形成。其顏色多為深褐色，具有薄片層狀的外觀。通常所提及的頁巖油其實有兩種：一種是存在于頁巖層中的原油(亦稱致密油tight oil)，另一種是油頁巖通過低溫干餾處理所提取到的油物。本文所提到的頁巖油指的是第一種。
美國的頁巖田主要分布在美國東南部以及中部偏北地區(qū)。這些頁巖田當(dāng)中，油氣的產(chǎn)量以及頁巖田的年齡均有所不同，如中東部的Marcellus是美國頁巖氣產(chǎn)量最大的產(chǎn)區(qū)，該產(chǎn)區(qū)地跨賓夕法尼亞、西弗吉尼亞、俄亥俄及紐約四個州，其中幾乎覆蓋整個西弗吉尼亞州。頁巖氣儲藏深度從2000到9000英尺不等，少量頁巖氣儲藏在深于9000英尺的頁巖層內(nèi)。儲深分布自西北向東南由淺變深，伊利湖沿岸地區(qū)較淺，深度為2000到3000英尺，產(chǎn)區(qū)東南邊緣的賓夕法尼亞州中部地區(qū)儲深最大，達(dá)8000英尺以上。
除Marcellus之外，鄰近的Utica、南部的Haynesville、Eagle Ford、Permian盆地都有較大的頁巖氣產(chǎn)出。除Utica外，以上的頁巖氣產(chǎn)區(qū)都有共同的特征——在2009年前后開始實現(xiàn)產(chǎn)出。Utica的開發(fā)時間相對較晚，在2013年開始實現(xiàn)產(chǎn)出。
需要注意的是，頁巖氣產(chǎn)量大的地區(qū)不一定意味著其同樣具備豐富的頁巖油儲量。以最大的頁巖氣產(chǎn)區(qū)Marcellus為例，截至2017年上半年，其頁巖氣生產(chǎn)占比38%，但同期的頁巖油產(chǎn)出占比僅不到1%。反觀位于美國南部的Permian盆地，其頁巖油產(chǎn)量占全國總量近50%，是目前最活躍的頁巖油產(chǎn)區(qū)。
B 產(chǎn)量激增
由于開采技術(shù)的突破，美國頁巖油產(chǎn)量從2010年開始，發(fā)生了指數(shù)級別的上升。2015年更是升至了歷史高位，當(dāng)年頁巖油生產(chǎn)占比已經(jīng)超過傳統(tǒng)方式開采的石油。
2015年12月18日，長達(dá)40年的石油出口禁令正式解除，意味著美國境內(nèi)的石油生產(chǎn)商可以吸納來自國外的石油需求，進一步加快生產(chǎn)步伐。不斷擴大的頁巖油產(chǎn)能也對國際油價造成了巨大沖擊，油價2016年一度跌至33美元/桶。
其實頁巖油早在19世紀(jì)早期已被發(fā)現(xiàn)，并且開始了初步的開采活動。但由于開掘成本較高，加上中東石油對石油市場造成的沖擊，石油生產(chǎn)商一直對美國頁巖油望而卻步。因此，從2010年開始，頁巖油產(chǎn)量的激增并不是由于新資源的發(fā)現(xiàn)，而是在于新技術(shù)的突破。
C 技術(shù)革新
產(chǎn)量激增的背后，主要的推動力量來自于開采技術(shù)的革新。此前由于頁巖油開采成本過于高昂，無法與傳統(tǒng)的石油生產(chǎn)商競爭，潛在的頁巖油生產(chǎn)商都望而卻步。但新技術(shù)的突破有效削減了生產(chǎn)成本，致使頁巖油開采具備了產(chǎn)生經(jīng)濟效益的能力，以及在成本足夠低的前提下足以讓其與傳統(tǒng)石油生產(chǎn)相競爭。而這技術(shù)的革新，指的就是水力壓裂(Hydraulic Fracturing).
與傳統(tǒng)石油開掘不同，水力壓裂是把通過高度加壓的含水壓裂液(frack fluid)注入頁巖層，從而抽取出頁巖層內(nèi)的油氣。用以穿裂巖層的壓裂液主要成分是水，同時也含有一定量的的沙粒及支撐劑。支撐劑是人造的的高強度陶瓷顆粒，有較高的支撐性與導(dǎo)流性能。壓裂液中之所以需要加入支撐劑，是為了防止在高壓壓裂液被抽取后壓裂縫被其他內(nèi)部物質(zhì)重新填補的現(xiàn)象，從而保持頁巖油氣順暢溢出。
當(dāng)水力壓裂與水平鉆井技術(shù)相結(jié)合時，能夠進一步減少開掘成本。傳統(tǒng)的石油開采需要定點垂直打井，此種石油開掘方式對勘探技術(shù)的要求較高，同時對地面的占用率也比較大。水平鉆井與水力壓裂相結(jié)合，能夠使油井盡可能大面積地接觸頁巖油資源，并且可以把井區(qū)的占地面積最小化，從而提高開采效率。
技術(shù)的革新造就了美國頁巖油開采的經(jīng)濟可行性，推動了美國頁巖油產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，目前美國石油對外依存度已較之前大幅降低。美國現(xiàn)行的石油產(chǎn)出當(dāng)中，逾50%來自使用水力壓裂技術(shù)的油井。
然而，水力壓裂在大幅削減石油開發(fā)成本的同時，也帶來了一些潛在的環(huán)境問題。隨著頁巖油產(chǎn)量的增加，其對環(huán)境的影響日益顯著。
D 潛在的環(huán)境問題
水力壓裂需要耗費大量的水，這些水在與沙粒及一系列化合物混合之后被制成壓裂液，用于穿透頁巖層。在穿透頁巖層的同時，頁巖層內(nèi)天然含有的一些重金屬及輻射物會進一步污染壓裂液。完成鉆探后，大部分壓裂液會回流至地面，這些受污染的水或會在回流的過程中對地下水資源造成污染。壓裂液完成回流后，其后續(xù)處理也存在污染環(huán)境的可能性。因此，使用水力壓裂的鉆井活動會在幾個方面對環(huán)境造成負(fù)面影響。
水資源的耗用
使用水力壓裂技術(shù)的頁巖油井開發(fā)對水資源的消耗巨大，例如在Marcellus產(chǎn)區(qū)，每個油井進行一次水力壓裂需要耗費200萬到1000萬加侖的水資源，約等于757萬到3785萬升水。由于油井可以進行多次水力壓裂，對水資源的耗用或遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于估算值。地形與技術(shù)的差異也會導(dǎo)致用水量的變化，儲深較大的井區(qū)普遍會耗費更多的水資源。在德克薩斯州及科羅拉多州，每次水力壓裂需要使用超過360萬加侖的水。美國環(huán)境保護組織(EPA)通過測算得出，2010年美國的3.5萬座油氣井消耗了1050億加侖的水，已經(jīng)超過同期丹佛的總用水量。除此之外，美國的頁巖油井每年都在增加，意味著對水資源的消耗將不斷增加。
美國部分地區(qū)的水資源本來已非常稀缺，在這些地區(qū)使用水力壓裂進行頁巖油的開采更大大增加了不可見的隱性成本。目前，美國頁巖油開采最活躍的Permian盆地，覆蓋了一些水資源比較稀缺的地區(qū)，例如德克薩斯州西部。該地區(qū)的居民用水量一直遭到限制，然而頁巖油的開采依舊使用水力壓裂方式進行。因此，頁巖油的開采活動也對居民生活造成了影響?？紤]到水資源的運輸問題，開發(fā)商取水一般依照就近原則，因此當(dāng)?shù)厮Y源的緊張很難通過跨地區(qū)輸水解決。
作為頁巖油開發(fā)商，使用水力壓裂進行石油開發(fā)固然能大幅降低成本，但是負(fù)面的外部效應(yīng)或許會增加開發(fā)的隱性成本，因此從運營的角度來看這一因素也應(yīng)當(dāng)被納入考慮范圍。
儲水的影響
由于消耗量巨大，頁巖油開發(fā)商一般需要在井區(qū)附近修建水池，用以儲存將要使用的或者回流的壓裂液。用于存儲將要使用的壓裂液的水池尺寸普遍更大，壓裂液中的有害物質(zhì)更有可能泄漏到土層，污染環(huán)境。而回流的壓裂液含有較復(fù)雜的物質(zhì)，其中包括VOC(易揮發(fā)有機混合物)，此種物質(zhì)在大氣中極易揮發(fā)，對空氣污染巨大。
水力壓裂潛在的泄漏可能
水力壓裂理論上有多重潛在渠道可以污染地下水，其中包括但不限于：儲存狀態(tài)下的滲漏、注入井泄漏、壓裂過程中泄漏等。
頁巖油井在鉆探的同時會在井管外部環(huán)繞一層水泥保護層，以防止鉆井在通過地下飲水層時管道內(nèi)的污染物侵襲地下水源。但在水力壓裂的過程中，水泥保護層有可能在高壓狀態(tài)下破裂，導(dǎo)致管道內(nèi)的壓裂液以及頁巖層內(nèi)的物質(zhì)外泄。幾乎所有的頁巖田都含有頁巖氣及頁巖油，因此當(dāng)油氣泄漏過量時，對地下飲用水將造成嚴(yán)重污染。
此外，水力壓裂的過程當(dāng)中存在一種叫氣侵(gas migration)的現(xiàn)象。氣侵指的是在頁巖油氣開發(fā)過程當(dāng)中氣體從頁巖層內(nèi)向外遷移，遷移的氣體中多屬碳?xì)浠衔?，因此亦稱碳?xì)浠衔镞w移(hydrocarbon migration)。由于氣侵現(xiàn)象的存在，盡管在水泥保護層完好的情況下，頁巖層內(nèi)的氣體仍然有可能滲漏到地下水層及地面土層中。
污水處理
壓裂液在使用前和使用后都含有大量對環(huán)境有害的物質(zhì)，因此在水力壓裂結(jié)束后，壓裂廢水的后續(xù)處理成為了關(guān)鍵問題。
目前美國政府仍未出臺相關(guān)法規(guī)要求頁巖油氣開發(fā)公司披露水力壓裂相關(guān)使用的化學(xué)物清單。部分地方政府要求地方企業(yè)公開化學(xué)物使用狀況，但由于存在法律漏洞，這些企業(yè)可以以保護商業(yè)機密為由拒絕公開部分化學(xué)物的使用狀況。一直以來，許多頁巖油氣生產(chǎn)商不斷對外宣稱壓裂液只含有不到2%的化學(xué)添加劑，對環(huán)境無害。但就算只有2%的占比，在數(shù)十億噸的壓裂液使用下，化學(xué)添加劑的使用總量仍然是巨大的。在2011年，一份國會報告中指出，前14家使用水力壓裂的企業(yè)使用了約7.8億加侖的化學(xué)添加物，其中含有超過750個不同的種類。
溴化物、放射性核素、溶解性總固體(TSD)都是一些普遍能在壓裂廢水當(dāng)中檢驗到的有害污染物。這些污染物的處理，對河流、湖泊以及地下飲用水都會造成潛在威脅。雪上加霜的是，美國境內(nèi)大部分傳統(tǒng)的污水處理廠都不具備處理TSD的能力。美國EPA的報告中曾指出，只有少量的公共污水處理廠具備處理壓裂廢水污染物的設(shè)備與技術(shù)。
E 反思
以目前美國的產(chǎn)業(yè)動向來看，特朗普政府似乎鼓勵頁巖油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而頁巖油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將意味著產(chǎn)生更多的環(huán)境污染物以及耗用更多的水資源。
在這個現(xiàn)象持續(xù)的大背景下，持續(xù)加重的環(huán)境負(fù)擔(dān)或許逼迫政府出臺相關(guān)限制性法規(guī)，而在遵守這些法規(guī)的原則下，頁巖油氣生產(chǎn)企業(yè)或許面臨著更高的生產(chǎn)成本，對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及油價的長期走勢都將會產(chǎn)生一定的影響。