水在水力减压和石油开采中的基本作用

水力裂解(通常称为裂解)使石油和天然气从低渗透性页岩形成中提取,从而对能源部门发生了巨大的转变。 这一过程严重依赖于水。 通常情况下,水、沙和化学添加剂的混合压力极高,在岩石中产生裂痕,使被困的碳氢化合物能够流向井井。 根据地质学和操作者的策略,单个水平井可能需要200万至1 500万加仑的水。

石油和天然气工业的水使用超出了最初的碎裂阶段,对于加强石油回收技术、钻探泥浆和井垫上的粉尘抑制也至关重要,这些作业的水的生命周期在从最初来源到最后处置的每个阶段都提出了不同的监管挑战,裂液中使用的化学添加剂差别很大,但往往包括生物杀灭剂以防止细菌生长、表面活性剂以减少摩擦以及规模抑制剂以防止矿藏,这些液体的确切组成受到操作者的严密监视,造成了与监管机构和公众的紧张关系,后者寻求充分的透明度来评估环境和健康风险。

管理景观:分散的方法

在美国,石油和天然气用水监管方法在联邦、州和地方各级都高度分散。 这种分散化造成了不一致、监管漏洞和混乱,给运营商和公众都造成了混乱。

美国联邦监督

联邦一级的环境保护局(EPA)拥有多项环境法规规定的权力,《安全饮水法》通过地下注入控制(UIC)计划规范了地下注入活动,但存在明显差距:2005年的能源政策法明确将液压断裂液的注入排除在SDWA条例之外,这一例外通常被称为“Halliburton Loophole ” 。这让各州来管理。《清洁水法》对石油和天然气作业的地表水排放作了规定,但对某些暴雨水流排除了建筑活动。 此外,《资源保护和恢复法》对危险废物进行了管理,将大多数勘探和生产(E&P)废物,包括裂裂裂裂裂缝液和产生的水,排除在有害废物的分类之外。 这一补丁工程治理很难实施国家综合水保护标准。 环保局2016年关于水压断裂和饮用水资源的划时代研究确认了整个水循环中的潜在弱点,包括水的提取、溢漏和建造不足,但没有发现广泛系统性影响的证据。

州一级优先和变化

州是石油和天然气活动的主要监管者,包括水源来源和废水处理。 这导致了监管严格性的巨大差异。 比如,德克萨斯州历史上将矿权列为优先事项,并简化了能源开发用水许可。 相反,纽约州在经过广泛的健康和环境审查后,于2015年实施了全州禁止高容量液压断裂的禁令。俄亥俄州和俄克拉荷马州针对引发的地震,加强了对注入井的监管,而宾夕法尼亚州则主要侧重于井的建造标准和地表溢漏。 宾夕法尼亚州环境保护部(PA DEP)对废水排放实施了严格的总溶解固体(TDS)限制,实际上迫使该行业进行循环。 这一州级办法允许各地区根据具体情况调整,但导致多个州工作的运营商不得不进行复杂的整齐工作。

裂解水条例的国际视角

在全球范围,监管方式差异很大. 加拿大依赖省级监管机构,艾伯塔和不列颠哥伦比亚有健全的水管理框架. 英国最初允许裂缝,但2019年有效禁止,因为担心引发地震,无法准确预测震颤. 澳大利亚对煤接合天然气(CSG)部门的用水和化学品披露有严格的控制,这一全球不一致现象凸显出在管理非常规石油和天然气开发与水有关的风险的最佳做法方面缺乏国际共识.

水的治理的重大挑战

管理供裂缝的水源来源是能源开发与其他用水者之间最直接和最明显的冲突。

争夺稀缺水资源

在诸如佩尔米亚盆地(得克萨斯和新墨西哥)等干旱和半干旱地区,农业部门和不断增长的市镇正在争夺同样的水源,这种竞争愈发激烈,在干旱条件下,国家水管理者面临巨大的压力,需要平衡能源生产的经济价值与对饮用水和粮食安全的基本需求,面临的挑战是发展水分配系统,优先满足人类的基本需要,同时允许负责任的工业使用,关于水权的法律理论——西部各州的先得水权与东部沿岸权——使缺水时如何分配水的问题更加复杂。

水资源使用报告透明度和数据差距

水的提取准确数据是有效监管的基础,但存在重大数据差距。国家化学品和水使用登记册FracFocus被批评为报告不一致、缺乏执行和搜索功能有限。 有些国家要求每月提交详细的用水报告,而另一些国家则依赖自愿提交。由于缺乏全面、标准化和公开的数据库,监管者和研究人员难以跟踪整个流域的水需求总量。 提高数据透明度是实现可持续水管理的关键步骤。没有可靠的数据,就不可能评估对当地流域的累积影响。

确定地下水质量

如果裂缝液或甲烷从井井转移到周围含水层,直接地下水污染可能发生,当井经过饮用水含水层以达到更深的形成时,这种风险最为严重。 强力井的建造条例至关重要,包括要求多层钢壳和水泥,以及严格的压力测试和水泥保证木。 联邦免予从SDWA中喷入裂缝液,给州监管机构带来了沉重的负担,以确保井井的完整不会受到损害,而每年钻钻钻数千口井,这是一项艰巨的任务。

废水挑战:处置、地震和溢出

水的再回流和产生水的管理可以说是与大量液压裂解有关的最复杂的环境挑战,产生的水往往盐碱(盐水),含有海水中许多倍于海水的总溶解固体,以及重金属、天然产生的放射性物质(NORM)和残留裂解化学品。

从深井喷射引来的地震

处理废水的主要方法是向深层II级处置井注入废水。直到最近,这一直被认为是一个安全而永久的解决办法。然而,地震活动急剧增加,特别是在俄克拉荷马州以及堪萨斯州和德克萨斯州部分地区,与大量废水注入深层地下岩石有科学联系。 俄克拉荷马州公司委员会针对这一危机实施了广泛的交通灯系统和减少体积的协议。 由此引发的地震迫使监管机构实施新的框架,通常被称为“交通灯系统 ” , 地震活动超过一定阈值时,注入操作者必须减少体积或完全关闭。 这个问题代表了监管环境的重大转变,表明地下无法吸收无限数量的废物而不会造成后果。

表面溢出和遗留污染

贮存罐、卡车事故或管道泄漏造成的废水溢出对地表水和土壤构成直接风险,盐水的极端盐度和有毒成分会杀死植被、污染饮用水源,需要昂贵的清理,对数千英里的卡车路线和管道以及数万个储存罐进行监管是一项后勤挑战,现行条例往往依赖一般许可和自我报告,对二次封闭和溢出反应规划的要求各不相同。

废水的运输

将废水从井址运至处理或处置设施严重依赖卡车,这造成了一系列次级影响:交通增加、道路损坏、噪音、空气污染(柴油排气)和事故风险。 管道是一种更安全的替代方案,但需要大量资本投资和监管批准。 发展区域废水基础设施是尽量减少运输风险的重要监管目标。

水管理的技术前沿

应对管理和环境挑战需要水管理技术的持续创新。

水的再循环和再利用系统

处理和再利用回流和生产水进行后续断裂作业越来越普遍,这减少了对淡水的需求和需要处理的水量,热蒸馏、反渗透和高级过滤等技术可以处理高TDS水,尽管这些技术耗能和成本高昂。 简化允许回收作业或提供再利用奖励的条例可以加速采用这些技术。 回收的经济效益变化很大,在很大程度上取决于淡水的成本和供应情况以及深井注入的成本。

利用非氟化物水源

经营者越来越多地探索使用替代水源,如咸水地下水(盐水蓄水层无法用于饮用或农业)或经处理的城市废水,利用这些水源可以减少淡水供应的压力,有效的管理必须明确界定不同用途的水质标准,并为这些新的供应来源提供允许的路径。

无水和低水分碎裂技术

某些地区正在开发和部署使用大量水或完全没有水的碎裂技术,例如使用丙烷凝胶、二氧化碳泡沫或氮作为碎裂液。 这些技术完全绕过水源来源和废水挑战,但具有自身的经济和业务限制。 监管确定性可以鼓励对这些创新技术的投资。

人与环境健康方面

调节裂缝中的用水不仅仅是一个技术问题;它对人类健康和环境有深远影响。

对地方社区和公共卫生的影响

生活在高强度石油和天然气开发附近的社区往往报告对水质、空气质量和噪音的关切。 研究发现裂缝活动与哮喘、呼吸道问题和不良的分娩结果等健康问题之间有联系。 环境正义关切是一个重要方面,因为边缘化和低收入社区往往不成比例地位于石油和天然气田附近。 有效的监管必须考虑到多个井垫对社区的累积影响。

生态系统压力和流畅的流量耗竭

提取地表水进行裂解可以降低溪流水平,特别是在对水生生态系统至关重要的较小的汇水溪中。 鱼类和其他水生生物依赖一致的溪流进行产卵、喂养和迁移。 环境流量评估是一个关键但往往被忽视的监管工具。 同样,地下水提取也可以降低水位,影响干旱时期维持生态系统的泉水、湿地和基流。

前进之路:建立21世纪监管系统

解决石油和天然气开采用水的复杂挑战需要转向更加全面、适应性更强和透明的治理。 任何单一政策都不足以解决问题,但综合方法都可以产生显著变化。

生命周期水管理规划

监管者应要求经营者在批准钻井许可证之前提交全面的水管理计划,这些计划应涵盖水的整个生命周期:来源(数量和来源类型)、使用(化学品添加剂)、管理(回收计划)和处置(注入井能力或处理方案),这从零敲碎打的许可证转向对用水影响的整体评估。

适应性管理和持续监测

监管必须能够适应新的科学信息和新出现的风险,诱发地震的经验是适应性管理的一个教科书案例,随着监测技术的改进(如实时化学传感器、卫星监测沉降和储油罐),监管应该逐步发展,以纳入这些新工具,需要基线水质测试和在钻探地点附近持续监测至关重要。

增强数据的透明度和公众获取

数据可获得后,公众信任度提高,各国应投资更新数据收集系统,以确保以标准化、机器可读格式报告用水量、废水处理量和化学品披露,并在网上提供近实时数据,对工业数据进行独立的科学审查对于进行可信的监管也至关重要。

能源与水政策一体化

能源政策和水政策历来是孤立地制定的,水与能源的关系需要更加综合的办法,这意味着能源发展计划应明确考虑到水的提供和可持续性,而水管理计划则必须顾及未来的能源发展设想,超越孤立的治理至关重要。

监管裂缝中的用水是一项复杂而不断变化的挑战。 它需要平衡能源安全、经济发展和环境管理与清洁、丰富的水的基本需求。 尽管仍然存在重大障碍,但建立健全、科学和透明的监管体系既必要又可以实现。