页岩气开发环境影响量化评估与管理政策研究

The development of shale gas is critical important for improving the capacity of China’s natural gas supply and achieving national energy strategy of “Reducing Coal and Increasing Gas”, while the environmental issue of shale gas development is one of the key factors for affecting the future development of shale gas. This project makes the potential environmental issues in China’s shale gas development as its object, and designing corresponding environmental management policy as its final purpose. First, combined with the development process of shale gas and related technologies, the mechanism of environmental impacts in shale gas development is analyzed. Second, the environmental impacts under the technologies of horizontal drilling and hydraulic fracturing are evaluated by using a hybrid life-cycle-assessment (LCA) model, which is built by combining the economic input-output model with process-based LCA model. Then, to improve the reliability and guidance of evaluation results, data quality analysis and stochastic simulation model are used to analyze the uncertainties of parameters in evaluation process and their importance to final evaluation results. Finally, based on the previous evaluation results, this project will determine the policy objective and design the policy intensity by using a dynamic game model. Then the policy implementing effect will also be evaluated by considering the development practice of China’s shale gas, and corresponding policy suggestions will be provided to policy makers.

开发页岩气是增强中国天然气供应能力、实现“减煤増气”国家能源战略的重要途径，而页岩气开发过程中的环境问题是影响其规模持续开发的关键因素之一。本研究以中国页岩气开发实践中的潜在环境问题为研究对象，以设计相应的环境管理政策为最终目的。首先，结合页岩气开发流程及相应的开发技术，对页岩气开发的环境影响机理进行分析；在此基础上，利用基于过程和经济投入产出的混合生命周期评价方法，对水平钻井和水力压裂这一典型开发技术组合下的页岩气开发环境影响进行综合量化评估；其次，考虑量化评估中的参数不确定性，提高评估结果的可靠性和指导性，采用数量质量分析与随机模拟相结合的方法对页岩气开发环境影响评估中参数的不确定性及其对结果的重要性进行分析；最后，以上述综合量化评估结果为基础，确定环境管理政策目标，利用动态博弈模型对政策实施强度进行设计，并结合页岩气开发实践，评估政策实施效果，据此为相关政策的制定提供决策依据。

准确把握页岩气开发的环境影响是页岩气持续有效开发的前提。本课题基于中国本土页岩气开发实践，首先分析了页岩气开发对环境影响的作用机理；然后采用基于投入产出与过程的混合生命周期清单分析模型，量化评估了页岩气开发对水资源和温室气体排放的影响；同时，采用数据质量和蒙特卡罗模拟技术考虑了环境影响评估过程中的不确定性和敏感性；之后，为了合理评价页岩气规模开发的环境影响以及页岩气开发的真实贡献，分别构建了页岩气产出规模预测模型以及考虑环境治理投入的能源投入回报模型，分析了页岩气未来产出和净能源产出；最后根据研究结果，给出了页岩气开发及环境治理的应对策略。主要研究结果显示：1）中国页岩气水资源消耗量为24200m3/口（90%CI：14430-34095m3/口）；而考虑气井EUR后，估计的水资源消耗强度为1.93 m3/104m3 (90% CI: 0.99-3.19 m3/104m3)。耗水量最大的活动为压裂活动，最敏感的因素也是压裂耗水量及气井初始产量。这意味着发展新型的压裂技术、提高单井初始产量均能够有效降低水资源消耗量。2）中国页岩气井总的GHG排放为5346-13551tCO2e，最佳估计值为9505 tCO2e，其中76%的GHG排放为间接排放。进一步，压裂完井阶段的GHG排放并不是最高的，原因是由于在中国的页岩气开发实践中，该阶段泄露的甲烷都是燃烧后再排放。3）中国页岩气的单井水耗和GHG排放都略高于美国、加拿大等，主要原因是中国具有更深的储层埋深、更复杂的储层条件以及缺乏更为先进的开发技术。4）考虑页岩气规模产出后的页岩气耗水量与区域水资源可供应总量相比仍然非常小，但是需要注意的是，这种以区域水资源供应总量来代表区域水资源可用性并不完全合适，因为其忽略了现有部门的水消耗。5）环境治理技术应用不仅能够显著降低页岩气开发的环境影响，而且对页岩气井的能源投入回报影响甚微。这一结论意味着，从净能源产出的角度，国家完全可以鼓励或一定程度上要求企业采取相应的环境治理技术。