水在水力分解和石油开采中的基本作用

水力裂解(通常稱為裂解)使能源部门大為改變,它能從低渗透性的页岩形成中提取石油和天然气。 这一过程非常依赖水。 通常情况下, 水、沙和化學添加剂的混合壓力極高, 造成岩石裂解, 使困在的碳氢化合物能流向井中。 依地理学和操作者的策略, 單個水平井可能需要200萬到1500萬加仑的水。

石油及天然气工业的水用已超越了最初的碎裂期。它也是提高石油回收(EOR)技术、钻探泥土和井層防塵等重要因素。這些操作的水的生命周期在從最初的來源到最后的處理的每個阶段都提出了不同的管理挑戰。 碎裂液中所使用的化學添加剂相差很大,但通常包括生物消毒剂以防止细菌生长、表面活性剂以减少摩擦以及規模抑制剂以防止礦藏。 它們的確切构成是操作者严密保守的秘密,造成與管理者和公众的緊張,而管理者和公众要寻求完全透明,以评估環境和健康风险。

管理風景:分解的方法

美國石油和天然气用水的管制方式在聯邦、州和地方上都非常分散。 這種分散造成不一致性、管理漏洞和操作者與公眾的困惑。 美國的石油和天然气用水的管制方式是無效的。

美國聯邦監督局

根據多部環境法规, 環保局(EPA)擁有權力。 《安全饮水法》規定了地下注入水的活動, 通過地下注入控制(UIC)方案。 然而, 存在一個显著的空白: 2005年能源政策法明确排除了SDWA管理中注入液壓裂液, 這種豁免常稱為「哈利伯頓環湖」。 該管理權主要由各州來管理。 《清洁水法》規定了油氣和氣體的地表水排水, 但卻免除了某些暴雨水流的建業。 此外, 《資源保存和恢复法》 規定了有害廢物, 豁免了包括裂液和生水在内的大部分廢物的分解, 也不再被归类為有害廢物。 這種拼接合工程治理使得實實施水保護的全面國家标准變得很困難。 該署的地標著2016年的《水壓和饮用水資源研究》 確證確認明了水循环的潛性, 包括水的抽取水、溢出和井的不足, 但沒有找到證據的證據。

州一级优先和差异

美國是石油和天然气活動的主要管理者, 包括水源和废水的處理。 這導致了管理嚴格性的重大變化。 例如, 德克薩斯州在歷史上把礦產權和水資源简化, 供能源發展之用。 相對的, 紐約州在2015年實施了一项全州禁止高容量液壓斷裂的禁令, 該州和俄克拉荷馬州都對引發的地震性進行了嚴格的注水管, 而賓夕法尼亞州則主要注重井的建造标准和地表溢漏。 賓夕法尼亞州环保部(PA DEP) 實施了嚴格的废水排出總溶解固体(TDS)限制, 實際上迫使業重新回收。 州際化方法允许區域裁剪, 但結果是多州內的操作者工作複雜的拼。

水管理国际展望

在全球, 管理方式相差很大。 加拿大依靠省管治者,艾伯塔和不列颠哥伦比亚有強力的水管理框架。 英國起初允许裂解,但2019年有效禁止,原因是引發地震,以及無法准确預測震動。澳洲對煤接合氣(CSG)的用水和化學披露有嚴格控制。 全球的不一致點突出顯現了在管理非常规油氣發展的用水風險方面缺乏国际共识。

水的治理

管理供水的來源,

水資源稀少的競爭

在像佩爾米亞盆地(特克薩斯和新墨西哥)等干旱和半干旱地区,農業和正在增长的市镇正在爭取相同的水源。 水的壓縮使這場競爭更加激烈。在干旱条件下,州水管理者面临巨大的压力,需要平衡能源生产的经济价值和基本饮用水和食物安全的需求。問題在于如何建立分配水的制度,以优先考虑人的基本需要,同时允许以负责任的工業方式使用。 西方各州的用水權和河岸水權的法律理论使缺水期的用水分配更加複雜。

用水的透明度和数据差距

取水的准确數據是有效管制的基础。 然而, 相關的數據缺口很大。 國家化學和用水記錄表FracFocus被批評為報告不连贯、缺乏強制性、搜尋功能有限。 有些州要求每月提交详细的取水報告, 而其他州則依靠自愿提交。 缺乏一個全面、标准化和公開的數據庫, 管理者和研究者難於追蹤全流域的用水需求。 提高資料透明度是向可持续水管理迈出的关键一步。 沒有強烈的數據, 無法估計對當地流域的累积影响。

水的保修

直接地下水污染可能發生於裂隙流体或甲烷從井水中移入周边蓄水层。當井水流過饮用水蓄水层以達更深的形成時,此風險就最嚴重。 強固井的建造規定至关重要,包括多層钢管和水泥,以及严格的压力測試和水泥結構紀錄。 聯邦免予從SDWA中注入裂隙流體,使州管家承担了沉重的负担,以确保井水的完整性永不受到破坏,而每年钻探的井有数千口,这是一项艰巨的工作。

废水挑戰:處理、地震和溢出

水的重水管理是水量大、液壓分解最複雜的環境挑戰。 水的分解量常常是高盐水(水水),其中溶解固体总量是海水的多倍,重金屬、天然的放射性材料(NORM)和残留的裂解化學品。 水的分解率也高,因此,水的分解率高。

深井注射引發的地震

排污的主要方式是注入深II級处置井。 直到最近,這一直被認為是安全而永久的解决方案。 然而,地震活動的急剧增加,特别是在俄克拉荷馬州和堪薩斯州及德克薩斯州部分地区,已經在科學上與大量废水注入深地下室岩石有關。俄克拉荷馬公司委員會對此次危機实施了广泛的交通燈光系統和流量減少協議。這導致了管理者實施新的框架,通常叫做「交通光系 」 , 即如果地震活動超过一定的阈值, 注入操作者必須減少或完全關閉。 這代表了管理地貌的一個重大變化, 表明地下無法吸收無限的垃圾而無後果。

表面溢出和遺傳污染

水箱、卡車事故或管道漏水直接危及地表水和土壤。 水桶的極盐度和毒性成分可能會殺害植被、污染饮用水源、需要昂贵的清理。 管理數以千里計的卡車通道和管道以及數萬個储存罐,是后勤上的挑戰。 目前的管理常常需要一般的許可和自我報告,而二级封鎖和溢漏反應計劃的要求也不同。

废水的运输

水管是安全但需要大量資本投資和管制批准的一种選擇。 發展區域的废水基础设施是把交通風險最小化的重要管制目標。

水管理的技术前沿

需要水管理科技的繼續革新。

水的回收和再利用系统

處理和再利用回流水,再生水供接下來的分解操作,已日益普遍。這可以降低淡水需求和需要处理的水量。熱蒸馏、逆渗透和高级过滤等科技可以處理高TDS水,尽管其耗能且成本高昂。 精简回收操作或提供再利用刺激的条例可以加速采用這些技术。 回收的經濟性極高,且在很大程度上取决于淡水的成本和可用性以及深井注入的成本。

利用非氟化物水源

運輸商正在日益探索使用替代水源,如咸水地下水(不能用于飲用或農業的鹽水蓄水层)或經处理的城市废水。使用這些水源可以減少淡水供應的壓力。有效的管理必須清楚界定不同用途的水质标准,并为這些新的供應源提供许可的通道。

水分不高和水分不高的科技

某些地方正在开发和部署使用水量大少或完全沒有水的碎裂技术。 例子包括使用丙烷凝胶、二氧化碳泡沫或氮作为碎裂液。 這些技术完全避免了水源和废水的挑戰,但有其自身的经济和业务限制。 管制的确定性可以鼓勵這些新科技的投資。

人与环境卫生方面

水的利用不僅是技術問題,

地方和公共健康

高密度油氣發展附近的族群常會報導對水质、空气質量和噪音的担忧。 研究發現裂痕活動和氣喘、呼吸道問題和不良的生育結果等健康問題有關聯。 環境公義的關注是一个重要的方面,因为边缘化和低收入族群往往不成比例地位于油氣田附近。 有效的管理必须考虑到多口井片對族群的累积影响。

生态系统壓力和流水耗竭

水生生物和其他水生生物都依靠源源源源源源不斷的流水來生產、喂食和迁移。 環境流评估是重要但常被忽略的调控工具。 相似的,地下水的抽取可以降低水位,影響水泉、湿地和干燥期維持生态系统的基流。

未來之路:建立21世紀的管制制度

治理石油和天然气开采用水的複雜挑戰需要向更全面、更適合性、更透明的治理转变。 任何单一的政策都不足以解决问题,但各种方法的结合可以起重大的作用。 水的利用需要改善,而水的利用需要改善。

生命周期水管理规划

規劃者應要求操作者在批准鑽井許可前提交全面的水管理計畫,這些計畫應涵盖水的整个生命周期:水源(数量和來源型)、使用(化工添加剂)、管理(回收计划)和处置(注入井容量或處理方案)。這超越了零碎的許可,而要全面评估用水的影響。

适应性管理和持续监测

規定必須能適應新的科學資訊與新冒險。 引發地震的經驗是適應性管理的一个經驗。 随着監控科技的完善(例如:实时化學感應器、衛星監控潛水池及儲藏池), 規定應進化以融入這些新工具。 需要基线水质測試和在钻探地附近進行監控至关重要。

提高透明度和公開存取資料

國家應投入資訊收集系統的现代化, 以确保用水量、废水處理量、化學披露以标准化、機讀格式上報, 并可以近時在網路上提供。

能源与水政策一体化

水与能源的關係需要更综合的方法。這意味能源發展計畫要明确兼顾水的提供和可持续性。反之,水管理計畫要兼顾未來的能源發展方案。 超越分道揚镳的治理至关重要。

管理水的利用是一種複雜而演化的挑戰。 它需要平衡能源安全、經濟發展和環境管理与清洁、充裕的水的基本需求。 尽管仍然存在重大障碍,但建立健全、科學和透明的管理体系既有必要,也有可能。