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魚與熊掌─頁岩油氣探採的環保問題

隨著全球經濟的發展與人口的膨脹, 在既有能源逐漸耗竭的情況下, 迫使我們必須從地下找出頁岩油氣來補充短缺。 我們無法容忍能源短缺的不便, 但在頁岩油氣開採過程中難免帶來環境問題,形成魚與熊掌的兩難。
 
 

 

頁岩油氣鑽井及生產所可能產生的環境汙染(圖片來源:AmarKudre2016)
▲頁岩油氣鑽井及生產所可能產生的環境汙染(圖片來源:AmarKudre2016)

開發特性

 

傳統油氣藏儲存於可讓氣體、液體高度流動的多孔隙砂層或碳酸鹽岩層中,因此油氣可以很容易從地層中抽取使用。頁岩油氣則保存在很緻密,且氣體、液體都不易流通的泥質地層中,要把它開採出來,例如用水力壓裂法,就必須破壞地層。

 

所謂水力壓裂法是把內含固體顆粒的支撐劑和各種化學物質的大量淡水,以高壓壓擠注入地下水平井內,讓飽含油氣的頁岩層承受超過其自身所能承受的壓力,而朝垂直地層方向產生裂縫,且每隔一段距離施作一次,讓地層產生較多的裂縫。在這些裂縫因支撐劑的存在而維持不閉合的開放狀態下,油氣就可以流動釋出地層而開採出來。

 

在頁岩油氣的開發過程中難免出現許多環境的挑戰,常見對環境的衝擊有耗用水資源、回流水汙染、汙染地下水源、排放溫室氣體、汙染土地和破壞棲息地、劣化空氣品質、誘發地震、對地表造成破壞、交通問題等。

 

耗用水資源

 

目前,頁岩氣開發普遍使用水力壓裂法。壓裂地層必須擠壓注入大量的壓裂液,而壓裂液中95%以上的成分都是淡水,每口井在每次水力壓裂過程中所需耗用的水量是以萬立方公尺為單位,耗水量是一般油氣井的50~100倍。頁岩氣的開發偏偏鑽井數量多且鑽井間距短,更不巧的是頁岩氣的開採區域通常位於大陸塊的內陸缺水地區。例如,在氣候乾燥的美國內華達州,頁岩油氣業者一年用水量會占全州用水的0.17~0.27%,因此容易造成局部地區水資源供應的窘迫。

 

雖然壓裂地層是開發低滲透油氣藏必須的手段,然而水力壓裂畢竟只是讓地層破裂並打開的方式之一,隨著技術的進展,無水壓裂技術如液化石油氣壓裂、二氧化碳壓裂等技術的開發,預期可減輕水資源消耗的問題。另外,再處理水的循環使用也可減輕水資源壓力。

 

回流水汙染

 

在高壓液裂完成,所施壓力降壓後,約1~2成壓裂液會回流至地表。這些回流水中除了壓裂前所添加的化學物質外,還可能溶入其經過頁岩氣地層所吸附的各種物質,因此可能含有海相沉積物中的鹵化物(如氯化物、溴化物、氟化物)、鍶、鋇和自然產生的放射性物質,還會含有碳氫化合物、重金屬和高溶解固體(鈣、鉀、鈉、氯化物和碳酸鹽)等。

 

而原先調配的壓裂液,本身除了水之外,尚有6~7%是添加的支撐劑,以及1~2%不同成分的化學添加劑。這些添加劑因為用途不一,可高達數百種,其中約有30種以上可能對人體健康造成威脅,有十餘種會致癌。而平均每生產1桶頁岩油,就會產生近10倍的廢水。改善方式包括在生產現場儘量減少廢水生成,另外把廢水循環回收和再利用。在生產現場外,則進行廢水處理、妥善處置或再利用,例如把這些挾帶地層深處汙染物的廢水再行注入地底深處的岩層裡。

 

汙染地下水源

 

阿根廷南部的內屋肯省有一片Vaca Muerta岩層,蘊藏著世界第3大頁岩氣油資源。2016年,一位飼養山羊的農民表示,她的農場裡有60隻新生小羊沒有毛髮,一周之後全部死亡了。她認為水力壓裂開採過程汙染了地下水,因為羊群在喝下水之後,生下了一群沒有毛髮的小羊,而這種事情以前從未發生過。另外,她的親人也指出曾肚痛及嘔吐,推測是水源遭受到汙染。這些指控雖未經過證實,但被作為一個可能的案例。

 

早在2013 年,美國密蘇里大學醫學院的研究團隊就在已有超過1萬口頁岩氣井,且曾發生過多次洩漏意外事故的密蘇里州加菲郡採集地表水與地下水,也到有許多頁岩氣井的布恩郡採樣,針對12種已知的環境荷爾蒙檢測其濃度。結果發現,礦區的環境荷爾蒙濃度是中等到相當高,科羅拉多河也有中等濃度,而在沒有採礦的地區,濃度則較低。環境荷爾蒙可能造成不孕、代謝異常、神經系統與其他疾病。2016年,美國環保局基於超過1,200份科學資料的評估,已承認水力壓裂活動在特定條件下會影響飲用水源。

 

頁岩氣開採因必須運用液裂法,通常主要對象是含有高比率易碎礦物的少數地層,一般的頁岩層並不符合這一條件。換言之,液裂法的施作其實並不易使壓裂液通過一般地層而滲漏造成汙染。但在水力壓裂的過程中,井下的甲烷、重金屬、放射性物質、壓裂液和其他汙染物仍會經由多種途徑,如大自然既存的斷層、節理或裂隙等,自地下深處緩慢向上移動至地表或淺層。

 

另外,尚有人為的途徑如劣質套管或不良的水泥灌漿和完井施工,都可能成為汙染物的外洩管道,造成化學物質洩漏到地下水層中汙染水資源。因此,美國建立了較為完善的環境監管體系並完成環境立法,這些措施涵蓋了從頁岩氣的探勘、鑽井、生產、廢水處理到氣井的遺棄與封存等全部過程。有了嚴密與細緻的法律規範,也讓美國頁岩氣得以順利發展,滿足國家能源需求的同時又可達到環境保護的目的,而非一味禁止發展。

 
頁岩氣開採可能成為汙染物的外洩管道,造成化學物質洩漏到地下水層中汙染水資源。(圖片來源:種子發)
▲頁岩氣開採可能成為汙染物的外洩管道,造成化學物質洩漏到地下水層中汙染水資源。(圖片來源:種子發)

排放溫室氣體

 

開採頁岩氣時,從氣井和輸送管道外洩的甲烷氣體通常會比傳統天然氣的開採多3成以上,甚至可能高至兩倍。偏偏甲烷是頁岩氣的主要成分,且其造成的溫室效應比二氧化碳高25倍。

 

在美國約有3成以上的甲烷排放來自於油氣行業,每年釋放量可達到千萬噸,而8成以上又屬於非必要性的排放,另外還會造成億噸以上的二氧化碳排放。未來採用綠色完井技術,改善氣井除液方式,應用脫水排放控制技術,壓縮機採取乾燥密封,改用低滲漏或無滲漏氣動閥,改善蒸氣回收裝置等,將可減少溫室氣體排放。

 

汙染土地和破壞棲息地

 

開採頁岩氣的過程也會對環境造成危害,如鑽井過程中使用的管道結構和機械設備,都是水力壓裂液中化學物質洩漏到環境中的潛在途徑。當鑽井廢棄物洩漏時,可能造成局部土壤高度的鹽化和酸化。而當土壤化學汙染物進一步被流水攜帶或徑流沖刷時,可能會擴散而造成周遭環境汙染。

 

有些頁岩氣在水平鑽進時可能需要使用油基泥漿,而油基泥漿裡的含油鑽屑等廢棄物屬於危險廢棄物。就數量而言,每口井產生的含油鑽屑等廢棄物會高達數千噸(含油量大約15~25%)左右。改用多邊鑽井技術,引用毒性更小且具生物降解特性的高石蠟油替代柴油,可以減少對環境的衝擊。

 

劣化空氣品質

 

頁岩氣開發過程的每個階段都可能產生大氣汙染物,包括襯墊、道路與管道的建設過程、鑽井和完井過程、回流水和天然氣的處理、儲存和運輸設備等。主要的汙染物包括甲烷、揮發性有機物、氧化氮、二氧化硫、顆粒物質、會致癌的苯等。建立安全合適的液體運輸管線系統可以減少上述風險。

 

誘發地震

 

美國的頁岩氣產地德州及奧克拉荷馬州自2008年以後地震發生頻率快速增加,加上英國在2011年進行水力壓裂測試時,也曾引發了兩場小規模地震,造成普遍對頁岩氣水力壓裂的疑慮。但現在已知壓裂技術本身很少會引發有感地震(地震規模>2.0),比較可能是因為把使用過的壓裂液大量打入地下深井裡,使得既存的斷層因應力改變而滑動導致微震。

 

以奧克拉荷馬州為例,隨著頁岩油氣產業的發展,注入地底的壓裂液自2009~2014年就大增8成,若以數量來說,每年注入的廢液超過10億桶。該州原本不屬於地震帶,在2008年以前,也就是當頁岩油氣產業進入這區域發展前,1年只有發生不到2次的3級以上地震。然而自頁岩油氣在這區域快速發展以後,2014年3級以上地震次數升高到五百多次,2015年更躍升了快兩倍,成了全美國地震最活躍的州。

 

對地表造成破壞

 

在頁岩氣的探勘、開發和生產的過程中,由於井場、道路和管道的基礎建設等需要整地,以及進行水力壓裂時所需的大量設備和必須挖掘壓裂液的蓄水池等,都會使其土地需要面積遠大於傳統油氣的探勘與開發。

 

若是在原始生態區,這會造成大量野生植被的破壞,進而影響野生動物如沙丘艾樹蜥蜴和較小的草原雞等的棲息環境,甚至有些地區會發生水土流失和土石流災害。在農業區,則因需動用大量的耕地資源,產生土地資源利用上的競逐。

 

交通問題

 

在德州的一些偏遠鄉村,自從頁岩油開採後,道路上原本載運穀物的卡車變成載著各種鑽井原料與零件的大卡車,這些道路也就在這樣的摧殘下柔腸寸斷。頁岩氣壓裂過程中使用的壓裂液動輒需上萬立方公尺,無法避免地得靠大批車輛運輸,會對周邊交通造成道路使用的壓力及對道路產生嚴重破壞,若在內陸荒地會製造大量灰塵。

 

另外,還有噪音問題。進行水平鑽井、水力壓裂、井場建設,以及生產後天然氣的輸送所需的壓縮機作動等,都會產生噪音汙染。

 

許多民眾擔心開採頁岩氣的汙染問題,因而出現強烈的反對聲浪。但這可從幾方面來改進,如政府可以鼓勵節能和採用環境壓力較小及成本較低的能源,建立更嚴格的法律規範來降低環境問題,另外可從技術層面著手。

 

法國及德國就因為汙染問題加上考量國內需求而未開採頁岩氣,法國甚至在2011年通過禁用水力壓裂技術的法案,成為第1個禁止開採頁岩氣的國家,因該國核能占7成以上並無能源不足壓力。德國卻僅在2014年宣布暫停開採7年。

 

至於美國,雖已發生多起汙染事件,但因其國內油氣耗竭,而核能與德國相似都占不到1成,需採取較積極的做法。因此,美國各級政府制定嚴格的環境保護法規,並進行嚴格而全面的監管,如清潔水法、安全飲用水法、清潔空氣法、綜合環境效應、資源保護回收法、國家環境政策法案等。隨著法規益趨嚴格及開發技術的改進,頁岩油氣開發對環境的衝擊會日益減小。

 

 

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