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水力压裂对水的质量和数量的影响 （Yusuke Kuwayama Sheila Olmstead Alan Krupnick） 摘要 涉及到水力压裂施工（水力压裂法）中潜在水量和质量问题的测量与表征方面，学术文献已经落后于工业和公众舆论。然而，关于水力压裂的水的影响的学说在2010年经历了它的繁荣。在本文中，我们解决了这一关键的新兴的环境和能源问题，用一种特定的重点学术期刊上的文章提供当前知识状态的概述。这些文章在过去的五年里已经出版。这些研究都发现，虽然能源开发问题的具体地点和时间不同，平均而言，页岩气和致密油开发时的水资源量的影响，没有信号显示不如传统的同行。另一方面，最近的研究结果还表明，对水的质量控制与水力压裂问题的担忧可能比水量问题更严重。 关键词 页岩气、非常规气、致密油、非常规油、水力压裂、地表水、地下水、水质、水资源短缺 简介 非常规油气藏生产原油及天然气在近几年急剧扩大，尤其是在美国。特别是从深层页岩地层生产天然气预计将继续加速到2040，供应美国和国外市场。美国国内的页岩油产量预计将增长到2020，然后持平[ 1 ]。 开发这些资源被几种技术进步推动，包括水力压裂、定向钻井、地震成像。第一种技术，水力压裂（水力压裂法），提出了对水资源的潜在影响的关注，压裂井被认为需要更多的水，与传统的井相比需要更多的水，而这些在地下高压下条件下添加到水里的化学物质会对环境造成破坏。虽然随着时间的推移地下水和地表水污染的公众关注日益增长，但测量和表征潜在的水的数量和质量问题的相关方法方面学术文献已经落后了。 然而在过去的四年中，水力压裂法的影响已经得到了巨大的发展。这为解决这个关键的新兴环境和能源问题提供了一个概述目前的知识状态，其中迄今为止大部分研究地点在美国，在那里能源产业及相关制造业已经由水力压裂转化而来，并且由此产生了大量的可开采的原油和天然气。我们专注于水资源对非常规油气生产的影响，并没有讨论他们的消费的影响（例如，在发电、交通等方面），因为这些来自传统的或非常规的来源的生产影响是类似的。 描述页岩气、致密油和水力压裂 页岩气是甲烷和相关的气体，产生在低渗透页岩地层的个别矿物颗粒之间的裂缝和孔隙空间，或吸附在矿物或有机页岩内的有机物上。致密油，几次被称为“页岩油”（不要与油页岩混淆），同样发现在页岩中，但也可以来自其他沉积岩粉砂岩和砂岩等。在这些化石燃料资源的低渗透地层中存在的石油和天然气开采要求水平钻井和水力压裂，以使他们的开发环境得到经济分析。虽然技术发展有一个比较长的历史，是用于商业开采的石油和天然气工业的尝试早在1950，和水平井的共同点是20世纪70年代末[ 2 ] 的这些技术创新推动了最近的繁荣。 为开采页岩气和致密油最先钻的是垂直井，然后跟随油或含气的形成钻水平井，以显著增加井筒表面面积的形成。多分支水平井通常从一个给定的井场开始钻。水力压裂需要将水、沙、化学添加剂（如阻垢剂、减摩剂、杀菌剂）在非常高的压力注入井筒以在形成小裂缝为压力撤出时烃的流出打通通道。 从2006年导2012年美国页岩气产量增长约1兆立方英尺（TCF）到9.7 英尺（TCF） ，到2040年预计将增长约19.8英尺（TCF） [ 1 ]。美国的石油产量为2012年为每天230万桶，预计导2021年增加到每天480万桶。美国最成功的致密油开采是在北达科他州和蒙大纳州的巴肯以及在德克萨斯的鹰福特（见图1）。到2020年美国将成为致密油的主要生产国，而达到全球产量的10%将来自其他国家[ 3 ]。最高的美国页岩气生产是2014年的马塞勒斯（几乎是美国的40%页岩气生产）、海恩斯维尔和鹰福特[ 4 ]。美国和加拿大是世界上唯一的商业上可行的页岩气的主要生产国，但正在进行的实验最将导致中国和阿根廷以及其它的一些地方成为主要生产国[ 5 ]。 图1是页岩气和致密油较低的48个国家的地图（来源：美国能源信息管理局，/oil_gas/rpd） 水力压裂中使用的水的量取决于很多因素，包括地质、地层、可恢复石油和/或天然气的数量，以及断裂的“阶段”。在北方，在美国东部的马塞勒斯没打一口页岩井需要2到400万加仑[ 6 ]。在德克萨斯和奥克拉荷马的巴内特页岩，运营商每口井使用约500万加仑的水[ 7 ]。2013年，在科罗拉多州东北部的丹佛-朱尔斯堡盆地页岩气每口井估计使用了约290万加仑[ 8 ]。而部分注入地层的压裂液，约1 0到40%可以回到返排地面[ 9 ]，也有传闻证据表明，这个数字可能高达80%。伴流或回流是由水形成的（“生产水”），这可能需要数百万年历史，而且含有盐、挥发性有机化合物、天然放射活性物质和重金属如汞、砷等[ 10 ]。一些返排（一