互动科普

开采天然气污染饮用水

为开采天然气对深部页岩层进行一次水力压裂，对饮用水供水系统产生的危害很小，但如果将“水力压裂”定义为包括钻井和处理返排水在内的整个工业流程，我们的饮用水就可能已经被污染了。

撰文  克里斯·穆尼（Chris Mooney） 翻译  关振良

天然气的水力压裂开采法会污染饮用水吗？近来对这个问题的讨论异常激烈，科学家也对这个问题发表了很多看法。

安东尼·印格里夫（Anthony Ingraffea）是美国康奈尔大学钻井工程系的教授，也是备受争议的天然气钻井开采技术专家，他就这个话题发表的言论最多，尤其是在参加了由美国环保局（EPA）3月在弗吉尼亚州阿林顿举办的会议后。在会上，他遇到了美国戴文能源公司、切萨皮克能源公司、哈利佰顿石油公司等顶级天然气公司和钻井公司的科学家。这些科学家聚集在一起的目的是帮助EPA确定，水力压裂法是否真如被指控的那样把一些有毒化学物质和气体输入到饮用水供水系统。这个问题的答案是争论的中心，而这场争论已在美国多个州，以及澳大利亚、法国和加拿大等国家和地区愈演愈烈。

作为一项基本技术，水力压裂在常规油井中的应用始于20世纪40年代末：垂直钻井到达页岩层，利用经过化学处理的水和砂，通过高压压开页岩，释放出天然气。然而就在最近，这项技术融合了一种叫做定向井（directional drilling）或水平井（horizontal drilling）的新技术，能将向下的钻头扭转近90度，再平行于地表，继续在地层内部钻进数千英尺（1英尺=0.3048米）。其结果是达到真正意义上的气涌（Gas Rush）：那些富含甲烷气体的密实页岩层能突然变得“畅通”，甲烷可以自由流通。美国预计有23.4万亿立方米的非常规页岩气可开采——足以持续数十年——尽管在今年6月，《纽约时报》公布的一些来自业界的电子邮件指出，这种资源的实际开采难度可能比天然气公司声称的更大，花费也更多。

与垂直井压裂不同，水平井压裂的最大问题是，需要泵入大量的水和化学物质，还需要大容量的贮水池和贮水罐，来存储压裂后从钻孔内回流到地面的、化学物质含量超标的返排水（flowback water）。

印格里夫坐在会议室里，目睹了业界科学家驳斥水力压裂可能导致水井污染和厨房水龙头容易“着火”的说法。毕竟从逻辑上讲，页岩层埋藏很深，可能在1 600米或更深，它与浅含水层（饮用水所在的地下水层）被几千英尺厚的岩石层隔开，这也是到现在为止，页岩气依然难以开采的原因。水力压裂的能量是巨大的，但也没有想象中那么大，还不足以压开一条穿透这么厚岩层的缝隙，从而连通水平井和靠近地表的地下水。

印格里夫说：“我看见他们用漂亮的幻灯片描绘他们所认为的真实情况。”印格里夫曾在全球天然气供应商斯伦贝谢公司供职，现在已经成为气涌方面的首席科学评论家。“每一位演讲者最后的结论都认为，水力压裂是不可能污染饮用水系统的”。然而印格里夫解释说，这些分析都仅考虑了单次“压裂”—— 在一个分支井内，仅用一次水力冲击压裂一次。然而，为了最大程度地开采天然气，天然气公司可能要在一个井场上钻十几个或更多的垂直井，相互之间隔得很近。对于每一个垂直钻井，他们又会分段压裂每个水平分支，还可能重复多次。

 “你得从三维空间和时间上去考虑问题，”印格里夫说。他也对单次水平分支压裂能连通页岩层和浅含水层表示怀疑。不过，他补充说：“考虑到我刚才所解释的问题，我认为这种可能性在上升，但具体上升多少我也说不清楚。”

“压裂”的罪证与无辜

科学家和监管机构现在都试图告诉我们，这个复杂问题不久后就会得到解决；在水力压裂变成口诛笔伐的对象之前，我们就能看到他们的研究成果。引入水平井技术开采页岩天然气，是美国纽约州产生尖锐政治冲突的起因。该州环保局最近公布了一个计划草案，准许钻井公司钻探纽约州马塞卢斯页岩和尤蒂卡页岩，而这两处页岩占了全美总页岩量的85%。只有纽约市或锡拉库扎城水域不允许水力压裂，因为那里的饮用水未经过滤处理就直接输送给居民。

纽约州环保局称，作出这样的决定是基于对各种研究的综合评估，而且他们将对任何钻探工作进行严密监管。这种做法其实是取代了美国的一条全国禁令，尽管EPA的一项大型安全评估研究目前只进行了一半，预计要到2012年底才能完成。纽约州环保局不愿意等待EPA的最终结果，他们已在今年10月发布了最终的管理条例，在12月12日前公开征求公众意见。

在EPA的研究结果出来之前，纽约州就开始推动钻探工作，这使专家们不得不尽力判定哪些反对水力压裂的理由值得考虑，哪些又需要新的研究来解释。要解答这些令人困惑的问题，最终依赖于对“水力压裂”定义的界定。

如果“水力压裂”包括非常规天然气钻采的全过程，那它已经有一些严重的违规行为了。如此大规模的工业化作业需水量惊人，一口水平井大约需要7 500～15 000立方米的水，以及55～230立方米各类化学物质，如果在一个地区钻多个分支井，还要乘上分支的数目。输送这些液体还需要一个罐车车队和大型贮藏容器。

接下来还需要处理返排水，多达75%的压裂液都会流回地面。返排水不仅含有用于保证水力压裂液流畅通、保护管道和杀死细菌的化学物质，还含有来自地下岩层的放射性物质和盐类。这些有毒污水必须先储存在现场，然后转移到处理厂或回收再利用。大多数公司都是利用在地面上挖出的露天储水池来储存返排水。美国很多州政府要求在储水池底部铺垫合成材料来防止渗漏，有些州还要求储水池要远离地表水。可问题是，即使已采取了适当的预防措施，储水池的内衬材料也可能会破裂，暴雨时储水池内的液体也可能外溢。根据纽约州的提议，只有密封的容器才能储存返排水，而且必须制定防溢措施。

在这些过程中，每个环节都可能发生事故。“这不是一个无风险的产业，”美国宾夕法尼亚州立大学水力压裂专家特里·英格德尔（Terry Engelder）说，他支持返排水的处理流程，但偶尔也会批评有关公司。事实上，《纽约时报》披露了宾夕法尼亚州的主要河流，如沙士魁海纳河和特拉华河可能存在污染物，它们都是由于排水处理不当而被污染。在宾夕法尼亚州，普通家庭的水龙头曾经出现散发难闻气味，甚至能点着火的情况，天然气公司也遭到起诉并被处以罚款：最近，该州环保局以钻井操作方式不当，导致16户家庭的饮用水被甲烷污染为由，对切萨皮克公司处以100多万美元的罚款。

如果水力压裂是指天然气的整个工业生产方式，那么以上不良影响都可归咎于水力压裂。但是，如果这个概念仅是指在钻井之后，用高压地下水冲击岩石致使其破裂的话，那就不一定了。即使十分精通这个术语的人，在这个基础问题上也会有不同看法。纽约州环保局前副局长瓦尔·华盛顿（Val Washington）认为：“使用如此大量的化学物质才是问题的关键，但这是来自工业生产上的威胁，而不是水力压裂本身带来的威胁。”康奈尔大学的印格里夫却不这么看：“我只是希望业界停止玩‘水力压裂不会造成污染’的游戏，你们已经钻井了，压裂了。这不仅是个词义的问题，这个词背后的含义才是问题的本质。”

为了证明业界对水力压裂的定义正是问题所在，你不得不去核实被宣传得最多，同时也最不确定的所谓“威胁”：用水冲击地下深处，会产生无法预料的通道，以至于天然气或液体会穿过这些通道，从较深的页岩层流入较浅的地下水层，直接污染饮用水。

为了弄清这个问题有多复杂，我们首先来看看在2010年，EPA针对美国Range资源公司（Range Resources）的诉讼案。这是一家位于沃思堡市的天然气公司，恰好处在得克萨斯州著名的巴内特页岩区内。EPA称，该公司的两口钻井附近有两口民用饮用水井，而饮水井已被来自地下深处的热成因甲烷（thermogenic methane）所污染。这种甲烷不同于“生物”甲烷（由靠近地表的微生物作用产生，在地下含水层很常见），它产自页岩层。EPA还称，其中一口饮用水井中的水含有水力压裂时常用到的化学物质（如苯），而且这口井的水已经达到了可以点燃的程度。

EPA要求Range资源公司向受害者提供洁净饮用水，确定附近其他水井是否也受到污染，并采取相应措施。这个案子有力驳斥了那种推卸责任、强调钻井的“水平和垂直距离都很远，不会污染饮用水”的说法。到了2010年9月中旬，此案已经闹到美国上诉法院（U.S. Court of Appeals）。然而，关键问题是，即使EPA是正确的，Range资源公司在这件事上负有责任，也不一定意味着污染问题是由地下深层水力压裂引起的。因此，EPA要求Range资源公司确定哪些“气体流动通道”与污染有关——而与此有关的通道，数量很多。天然气可能经过某些不为人知的通道，从水力压裂后的页岩层以各种各样的方式涌了上来，而在靠近地表的垂直井段，不合格的固井作业也可能导致饮用水受到污染。

有缺陷的固井是最可能的污染源，但按业界定义，固井并不是水力压裂的一部分。任何向下的钻井都要经过近地表的含水层，还可能穿过未知的小规模天然气层。钻井人员用水泥填充天燃气管道和井壁之间的空隙，使气体不能在浮力的作用下沿着管道外侧上升，渗入到饮用地下水中。当页岩层被压裂时，释放的压力会推动含化学物质的水回流，如果套管有损伤，也会导致返排水泄漏。

水文地质学家、数家天燃气公司的顾问安东尼·戈蒂（Anthony Gorody）是水力压裂的拥护者，他认为固井明显是一个“薄弱环节”。其他科学家也同意他的观点。“如果在安装气井套管时工作没做好，就可能为有毒物质的泄漏打开了一条暗道，”美国杜克大学尼古拉斯环境学院的生态学家和水资源专家罗伯特·B·杰克逊（Robert B. Jackson）解释说。尽管对固井有许多约束条款，业界也在努力提高固井质量，但这个问题还没有完全解决。“大多数固井是失败的，”印格里夫说，“一直都是这样，总是得不到解决。”

固井质量差导致污染是传统垂直井长期存在的问题，水力压裂也是如此。根据数字设备公司（DEC）华盛顿地区前副总监的说法，“几十年来，我们在纽约西部已经打了很多井来生产石油和天然气。水力压裂是从致密页岩中开采天然气的主要方式，这种开采方式至少还要持续20年。”现在对页岩层进行水平压裂的不同之处在于，“天然气的深度，以及水力压裂与水平井技术的结合，导致一次水力压裂的需水量高达3 800多立方米，而不是从前的300立方米”， 她说，这大大增加了化学物质的用量。

压裂井连通了饮用水井？

在非常规气体开采中，因固井质量不好引起的地下水污染占了很大比重，包括前面提到的切萨皮克公司违规案。英格德尔说：“在某些地区，甲烷运移是个问题。这毋庸置疑。”难题在于，是否还有别的原因存在。如果地下水问题真是由固井问题引起，那么水力压裂的业界定义就可以成立，而且需要按严格的规章制度对正在钻井的公司进行监管，正如纽约州目前所提议的那样。

有关天然气运移，最让人感兴趣的一项研究出现在最近一期的《美国国家科学院院刊》上，论文作者是杰克逊及其同事。这篇论文同时引起了环保主义者和天然气公司的注意。杰克森开玩笑说，当这篇反响激烈的文章刊出后，有人说“你救了我的命”，还有人说“你简直是我的再生父母啊！”

杰克逊的团队分析了60份来自私人饮用水井的水样，涵盖了宾夕法尼亚州东北部的马西拉页岩区和纽约州北部的优迪卡页岩区。在这些水样中，51份含有甲烷，距离钻井工地较近的水井所产出的水，甲烷含量明显偏高。化学分析证明，大多数甲烷都是来源于地下深处的热成因甲烷，而不是接近地表的由微生物产生的“生物”甲烷。

但是，没有一个样品含有压裂液成分，也没有深部页岩层的盐成分。因此杰克逊认为，最可能的污染原因是固井和套管质量不合格。他还指出了另一种可能性：水力压裂可能会产生一些裂纹，这些裂纹延伸长度超过水平页岩层本身。如果真是这样，这些裂纹有可能连通以前就存在的一些裂缝和缺口，让气体能够向上运移很远的距离。杰克逊注意到，在宾夕法尼亚州东北部至纽约州北部“埋藏着许多废弃井”。“数十年前，这些钻井是不下套管的，并且在开采完后没有封堵。你可以想象，这些深度超过300米的钻孔把地下钻得像蜂窝一样，而且我们不知道它们在哪里”。

然而，如果甲烷是通过钻井进入饮用水的，为什么水力压裂中的化学物质没有进入饮用水？对于这个问题，杰克逊和英格德尔只能猜测：首批从岩石中释放出来的甲烷具有足够的初始压力，能将水和化学物质推回到井筒中。但气流的能量会迅速下降，此后，虽然气体有足够的浮力可以垂直运动，而水却难以向上流动。

不过，如果水力压裂产生的新裂缝可以连接以前的裂缝或钻井，化学物质就可能威胁到地下水。压裂缝“超越开采区域”的事件也会发生。品尼高公司（哈利伯顿下属的服务公司）的工程师凯文·费歇尔（Kevin Fisher）对巴奈特和马西拉页岩区水平井中的数千条裂缝进行了检测，他用微震监控设备来测量裂缝的长度。结果发现，马西拉页岩区最长的裂缝的纵向长度接近600米，但依然留下了一个缓冲区，费歇尔认为：“这是一个很好的物理隔层，将水力压裂的顶部和含水层隔开。”

其他工程师不太认同这种说法。在加拿大不列颠哥伦比亚省，监管者发现了19个“裂缝连通”案例，即新钻井以一种出乎意料的方式与其他钻井连通。在一个案例中，地表上相距超过600米的两口钻井之间竟也存在一个连接通道。正如不列颠哥伦比亚石油及天然气委员会（British Columbia Oil and Gas Commission）警告经营者的那样，“事实证明，由大规模水力压裂导致的裂缝延伸是难以预测的”。该机构补充说，在上覆岩层比较薄弱的地区，裂缝长度可能比预期的还要长。

这些证据都不能证明，在页岩层进行水平井水力压裂会直接污染含水层。EPA局长丽莎·杰克逊（Lisa Jackson）最近指出，目前还没有发现这类污染事件，尽管她还补充说：“有些调查正在进行。”但是，没找到证据并不代表证据不存在，这是两种不同的立场。最近，《纽约时报》和美国环境工作组 （Environmental Working Group）披露了一个发生在1984年的污染事件。据说，当时西弗吉尼亚州的一口水力压裂钻井，可能连通了附近一口废弃已久的钻井，从而造成了饮用水污染。不过，业界对此事的真实性一直争论不休。

缺失的数据与现实的担心

无论水力压裂的定义是什么，要弄清楚它会不会造成饮用水污染都需要更多数据。这就是EPA开始做大型安全评估研究的原因。该机构正在审查钻井过程中可能污染供水系统的各种途径——从布下衬垫和易渗漏的废水池到不合格的固井，再到可能连通地下深处和地表的裂缝，都在调查范围内。EPA将审查引起地下水污染的5个案例（包括宾夕法尼亚的两个案例），确定污染原因。该机构还计划全程监视另外两个地区即将启动的钻井工程，并通过计算机模型对地下深处无法观察到的场景进行数字模拟。

印格里夫建议，建立一个功能强大的模型，用于反演各种场景，包括多口井、多水平分支井、多重水力压裂以及气体和液体在150立方米范围内的岩石层中流动的情景——这些都是在几个星期的钻井过程中会发生的事。他说，要确定污染出现的可能性，“的确需要超级电脑，如果能在超级电脑模拟上述场景，我就可以告诉你，哪些事‘不可能发生’，哪些事‘每天都会发生’”。印格里夫说，至少这种模拟可以揭示，“在何种情况下，气体运移更可能发生，而哪些运移更为合理”。

这种模型可能很难找到。依照目前学术界用于模拟地下油藏的标准，EPA计划使用的模型被称为“Tough 2”，但印格里夫说，这种模型还没达到商用标准。大公司会用他们自己的模型，在印格里夫看来，“最聪明的科学家，最好的软件、仪器和数据都在那些商人和服务公司手里”。印格里夫担心， 在“处理与断层、裂缝连通和延伸有关的所有情况”时，“Tough 2”模型还不够精细，无法确定是否会形成某个有害的气流通道。

同时，戈蒂和杰克逊认为，当天然气公司准备在一个新地点钻探时，EPA也应该监测钻井前后当地饮用水中的化学成分变化。如果化学污染发生在钻井之后，天然气公司就很难争辩说水污染是自然发生的，“在钻井之前就这样了，只是当地居民没有注意到”。

对于水力压裂的污染问题，美国俄怀明州立大学提高采收率研究所（Enhanced Oil Recovery Institute）的石油地质学家杰弗里·泰恩（Geoffrey Thyne）提出了另一种解决方案：他建议天然气公司在压裂混合物中加入一种易于识别的化学示踪剂，如果示踪剂出现在不该出现的地方，那就证据确凿了。泰恩认为，引入示踪剂“相对容易”，但“这个方案通常不受业界的待见”。EPA称正在“考虑”使用示踪剂。该机构还透露，就水力压裂过程中的化学物质使用情况而言，他们已经掌握了很多信息，但由于天然气公司称，这些信息属于“商业机密”，因而目前无法向公众提供这些信息。不过，相关的立法也许可以改变这一局面。

EPA和其他机构开展的研究也许能揭开真相，让人们可以分清楚，在当前那些纷繁芜杂而又自相矛盾的说法中，哪些才是正确的。但是，真相或许来得太晚了。水力压裂“从未得到彻底的调查”，美国自然资源保护委员会（Natural Resources Defense Council）的高级政策分析师艾米·莫尔（Amy Mall）说，“这是一场规模极大的实验，却没有任何可靠的科学数据来引导它”。但纽约州似乎坚信，严格的规章制度就已足以保护好它的人民。

居民反对在纽约州、宾夕法尼亚州和其他州进行水力压裂，在公共草坪上树起了警示牌：黑色背景上，醒目地衬托着“水力压裂”（FRACK）几个白色大字，一个红色圆圈和斜杠像印章一样盖在字上。

具有讽刺意味的是，尽管天然气公司很可能受到处罚，但或许，这只是因为他们在钻井和处理废物时粗心大意，压裂技术本身是无罪的。

警示牌上的标志可能是错的，但担心并没错。