水力壓裂正在汙染我們的飲用水嗎？這場辯論變得激烈，科學家們正在發聲。
康奈爾大學工程學教授、有爭議的天然氣鑽探技術專家安東尼·英格拉菲亞對此有很多話要說，尤其是在他參加了美國環境保護署3月份在弗吉尼亞州阿靈頓市主辦的一次會議之後。在那裡，他會見了來自頂級天然氣和鑽井公司的科學家：德文能源、切薩皮克、哈里伯頓。所有人齊聚一堂，幫助該機構確定水力壓裂是否像指控的那樣，將有毒化學物質和氣體注入各州的飲用水供應中，是否罪有應得。答案是紐約州、賓夕法尼亞州、得克薩斯州和科羅拉多州，以及澳大利亞、法國和加拿大不斷升級的爭議的中心。
“水力壓裂”的基本技術自 20 世紀 40 年代後期以來已在傳統風格的井中使用。當垂直井筒到達頁岩層時，經過化學處理的水和沙子在高壓下向下噴射，以裂開岩石並釋放天然氣。然而，直到最近，該技術才與一種稱為定向或水平鑽井的新技術相結合——即將向下鑽探的鑽頭轉動高達 90 度並在地層內繼續鑽探的能力，與地表平行，額外延伸數千英尺。結果是一場名副其實的淘氣熱。富含甲烷的頁岩層突然變得可以開採。據估計，美國擁有 827 萬億立方英尺的這種“非常規”頁岩氣，足足可以使用數十年——儘管《紐約時報》6 月份釋出的行業電子郵件表明，與公司聲稱的相比，該資源的開採可能更困難且成本更高。
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主要的障礙是，與垂直井的水力壓裂不同，水平水力壓裂需要大量的水和化學物質。還需要巨大的池塘或水箱來儲存化學物質含量高的“迴流水”，這些迴流水在井壓裂後會返回井孔。
當英格拉菲亞坐在房間裡時，他看到行業科學家駁斥了水力壓裂導致水井汙染和廚房水龍頭可燃的想法。畢竟，邏輯是這樣的，頁岩層可能深達一英里或更深，與淺層含水層之間隔著數千英尺的岩石——這正是它們直到現在才如此難以開採的原因。水力壓裂可能很強大，但它沒有那麼強大——不足以在那麼多的岩石中炸開新的裂縫，將水平井眼（稱為“支管”）連線到地表附近的地下水。
“我看到了美麗的 PowerPoint 幻燈片，描繪了他們認為實際發生的事情，”英格拉菲亞說，他之前曾在全球天然氣供應公司斯倫貝謝工作，但現在已成為天然氣熱潮的主要科學批評家。“在每一張幻燈片中，演示者都得出結論，這極不可能。”然而，英格拉菲亞解釋說，這些分析僅考慮了單次“壓裂”——一次注水，在一個支管中，一次。然而，為了最大限度地開採天然氣，公司可能會在單個場地密集鑽探十幾個或更多垂直井。他們可能會在多個段中，甚至多次壓裂每口井的支管。
“你必須考慮三個空間維度和時間，”英格拉菲亞說。他懷疑單次支管壓裂可以將頁岩層連線到地表。不過，他補充說，“如果你像我剛才描述的那樣看待這個問題，我認為機率會增加。增加多少？我不知道。”
定義上的罪過
現在試圖回答這個複雜問題的科學家和監管機構來得有點晚了。我們本可以在水力壓裂成為重大爭議之前使用他們的研究。這項技術是紐約州政治衝突的原因，紐約州環境保護部最近公佈了一項計劃，允許鑽探公司開採該州馬塞勒斯和尤蒂卡頁岩地層 85% 的區域。紐約市或錫拉丘茲流域不允許進行水力壓裂，因為這些供水在水源和市民之間沒有經過過濾。
該部門的批准是基於對各項研究的審查，並表示計劃嚴格監管任何鑽探工作。這些行動實際上取代了之前在全州範圍內禁止水力壓裂的規定，儘管環保署一項重大的安全研究仍在進行中，初步結果將於 2012 年底公佈。該部門不願等待環保署的科學研究結果，計劃在 10 月份釋出最終法規，公開徵求意見至 12 月初。
在環保署的結果準備就緒之前，紐約州推動鑽探迫使專家們試圖確定哪些針對水力壓裂的指控具有一定的分量，哪些需要新的研究來解決。這個極其混亂的問題的答案最終取決於對“水力壓裂”的不同定義。
如果將水力壓裂理解為從開始到結束的非常規天然氣鑽探的整個過程，那麼它已經犯下了一些嚴重的違規行為。這項龐大的工業事業需要驚人的 200 萬到 400 萬加侖的水用於單根支管，以及 15,000 到 60,000 加侖的化學物質；將這些數量乘以一個場地鑽探的井數。液體的運輸涉及大量的油罐車和大型儲罐。
然後必須管理迴流水；高達 75% 的注入水會返回地面。它不僅含有多種化學物質——用於幫助壓裂液流動、保護管道和殺死細菌以及許多其他用途——而且通常還含有來自地下層的放射性物質和鹽類。這種有毒的水必須在現場儲存，然後運到處理廠或重複使用。大多數公司使用在地面上挖出的露天坑。許多州要求坑底襯有合成材料以防止洩漏。有些州還要求坑塘與地表水保持足夠的距離。問題是，即使採取了適當的預防措施，坑塘襯裡也可能撕裂，而且在暴雨中，坑塘可能會溢位。根據紐約州擬議的規則，只有水密罐才能用於儲存迴流水，並且必須採取徑流預防措施。
所有這些過程都可能導致事故。“這不是一個沒有風險的行業，”賓夕法尼亞州立大學的水力壓裂專家特里·恩格爾德解釋說，他通常是該過程的支持者，但偶爾也會批評相關公司。事實上，《紐約時報》的一系列揭露文章記錄了由於對迴流水處理不當，可能導致賓夕法尼亞州主要的河流流域（如薩斯奎哈納河和特拉華河）受到汙染。在賓夕法尼亞州，家用水龍頭變得骯髒或著火，公司也因此受到傳訊和罰款。最近，該州環境保護部因切薩皮克公司不當鑽井作業導致 16 個家庭的水井被甲烷汙染，對其處以近 100 萬美元的罰款。
如果“水力壓裂”一詞指的是整個工業過程，那麼這些型別的影響可以歸咎於水力壓裂，但不一定是指鑽井完成後炸裂岩石的地下注水。即使是最深入瞭解問題的人也可能在這個基本問題上存在分歧。“在這些地方儲存如此大量的化學物質確實存在漏洞，但這更多的是一種工業威脅，而不是水力壓裂本身的威脅，”紐約州環境保護部前副專員瓦爾·華盛頓辯稱。但康奈爾大學的英格拉菲亞卻有不同的看法：“我只是希望行業能夠停止玩‘水力壓裂不會導致汙染’的遊戲。你必須鑽井才能進行壓裂。這只是他們躲在背後的語義和定義問題。”
為了表明行業定義的水力壓裂是問題所在，你必須檢查據稱的威脅，這種威脅既是最廣為人知的，又是最不確定的——即地下深處的注水會直接汙染飲用水，透過為氣體或液體在深層頁岩和淺層地下水之間流動創造意外的通道。
具體的罪魁禍首
要了解這個問題有多複雜，請考慮環保署在 2010 年對 Range Resources 採取的執法行動，Range Resources 是一家總部位於沃思堡的天然氣公司，在得克薩斯州著名的巴奈特頁岩地層開採天然氣。環保署聲稱，該公司兩口天然氣井附近的兩個住宅飲用水井被深層“熱成因”來源的甲烷汙染。這種氣體起源於頁岩層，不同於“生物成因”甲烷，後者是由靠近地表（通常是含水層所在的位置）的微生物產生的。環保署還聲稱，其中一口井含有時用於水力壓裂的化學物質（如苯），並且輸送的是易燃的水。
環保署命令該公司向受害者提供清潔用水，確定附近是否有其他水井受到汙染，並採取其他措施。Range Resources 強烈反擊——在法庭上對它負有任何責任的說法提出異議，並指出所涉及的“長水平和垂直距離”。截至 9 月中旬，這場法律戰正在美國上訴法院進行。然而，至關重要的是，即使環保署認為 Range Resources 有過錯是正確的，但這並不意味著地下深處的水力壓裂是造成問題的原因。該機構要求該公司確定涉及哪些“氣體流動路徑”——並且有許多可能性。氣體可能透過一些未知的路徑從壓裂的頁岩一直向上遷移。或者，井的垂直部分（更靠近地表）的水泥作業出現故障也可能導致問題。
水泥作業故障是可能汙染源的主要嫌疑，按照行業的定義，它不屬於水力壓裂的一部分。在向下鑽探的過程中，任何井都必須穿過含有地下水的近地表層，並且也可能穿過未知的氣穴。鑽井人員用混凝土填充天然氣管道和孔壁之間的空隙，這樣浮力氣體就不會沿著管道外側上升，並可能滲入地下水。套管故障也可能導致化學回流水在頁岩破裂時釋放的壓力的推動下洩漏出來。
水文地質學家、天然氣公司顧問安東尼·戈羅迪一直是水力壓裂的捍衛者，他認為水泥作業是明顯的“薄弱環節”。其他科學家也斷然同意。“如果你在安裝井套管時做得不好，你可能會開啟一條通道，讓物質流出，”杜克大學尼古拉斯環境學院的生態學家和水資源專家羅伯特·B·傑克遜解釋說。儘管有許多法規管理井水泥作業，並且行業一直在努力改進其做法，但這個問題可能無法完全解決。“很大一部分水泥作業會失敗，”英格拉菲亞說。“它將永遠是這樣。這只是與該領域相關。”
不良水泥作業造成的汙染一直是傳統垂直井中的一個長期存在的問題，這些垂直井有時也會進行水力壓裂。據前環境保護部副專員華盛頓稱，“我們在紐約州西部有很多井已經生產石油和天然氣數十年了。而水力壓裂是從這些非常堅硬的頁岩中開採天然氣的方法；這種情況可能已經持續了 20 年。”她說，現在水平鑽井的不同之處在於，“由於天然氣的深度以及水力壓裂和定向鑽井的結合，每次水力壓裂作業不再是 80,000 加侖的水，而是數百萬加侖的水”，以及隨之而來的大量化學物質。
在任何深度都不安全？
不良水泥作業解釋了非常規天然氣鑽探造成的許多地下水汙染案例——包括切薩皮克公司 100 萬美元的違規行為。“甲烷遷移在某些地區是一個問題。這絕對正確，”恩格爾德說。問題是是否存在任何其他原因。如果地下水問題真的取決於水泥作業，你可能會認為行業定義的水力壓裂可以過關，並且需要更嚴格的法規來審查公司在鑽井時的行為——這正是紐約州現在提出的建議。
傑克遜及其同事在《美國國家科學院院刊》最近發表的一篇論文中描述了關於可能的天然氣遷移的最有趣的研究。它對環保主義者和工業家都有所幫助。正如傑克遜開玩笑說，當這篇備受爭議的論文發表時，人們的反應從“你救了我的命”到“好好生活”不等。
傑克遜的團隊分析了來自賓夕法尼亞州東北部馬塞勒斯頁岩地層和紐約州北部尤蒂卡頁岩地層上方的 60 多口私人飲用水井的樣本。51 口井中存在甲烷，但靠近鑽井點的井中甲烷含量明顯更高。化學分析確定，大部分甲烷是深層熱成因甲烷，而不是靠近地表的微生物生物成因甲烷。
然而，所有樣本均未檢測到壓裂液或與深層頁岩層一致的含鹽鹽水。因此，傑克遜認為汙染最可能的原因是井的水泥作業和套管存在缺陷。他指出另一種可能性：水力壓裂可能至少產生一些向上延伸到水平頁岩層本身之外的岩石裂縫。如果是這樣，這些裂縫可能會與其他預先存在的裂縫或開口連線起來，使氣體向上遠距離傳播。傑克遜觀察到，賓夕法尼亞州東北部和紐約州北部“到處都是廢棄的老井”。“幾十年前，人們沒有對井進行套管，也沒有在完工後堵塞井。想象一下這個遍佈數千英尺深處的井眼的瑞士乳酪——我們不知道它們在哪裡。”
然而，如果甲烷由於非常規天然氣鑽探而進入飲用水，為什麼沒有壓裂化學物質呢？在這方面，傑克遜和恩格爾德只能假設。當甲烷首次從岩石中釋放出來時，存在足夠的初始壓力將水和化學物質推回井孔。然而，這種流動很快就會消退。此後，儘管氣體有足夠的浮力垂直移動，但水卻沒有。
儘管如此，如果水力裂縫可能與預先存在的裂縫或舊井連線，那麼化學物質可能會對地下水構成風險。“區域外”壓裂可能會發生。為哈里伯頓服務公司 Pinnacle Technologies 工作的工程師凱文·費舍爾使用微震監測裝置測量了巴奈特和馬塞勒斯頁岩地層水平井中的數千條裂縫的範圍。費舍爾發現，馬塞勒斯頁岩中最極端的裂縫垂直長度接近 2,000 英尺。根據費舍爾的說法，這仍然留下了一個緩衝，“水力裂縫頂部和含水層之間非常好的物理隔離”。
其他工程師對同類證據的解讀有所不同。在加拿大不列顛哥倫比亞省，監管機構記錄了 19 起單獨的“裂縫連通”事件——新井最終以意想不到的方式與其他井連通。在一個案例中，連通發生在距離超過 2,000 英尺的井之間。正如不列顛哥倫比亞省石油和天然氣委員會警告運營商的那樣，“透過大規模水力壓裂作業進行的裂縫擴充套件已被證明難以預測。”該機構補充說，由於上覆岩層的薄弱，裂縫長度可能會超出預期。
這些都不能證明水平頁岩層的水力壓裂直接汙染了含水層。環保署署長麗莎·傑克遜最近表示，尚未記錄到此類案例，儘管她補充說“調查仍在進行中”。然而，缺乏證據並不能證明沒有證據；每個地點都不同。《紐約時報》和環境工作組最近披露了一起 1984 年的疑似汙染案例，該案例表明西弗吉尼亞州的一口壓裂井可能與附近一口廢棄的老井相交，導致飲用水汙染。行業對該案例的有效性提出異議。
更多科學，為時已晚？
無論如何定義，要證明水力壓裂有罪或無罪，都需要更多資料。 這就是環保署研究的用武之地。該機構正在檢查鑽探可能汙染供水的各種方式——從未襯砌和洩漏的儲坑，到有缺陷的井水泥作業，再到深層裂縫可能與地表連通。環保署將檢查五起疑似地下水汙染案例，以確定原因，其中包括賓夕法尼亞州的兩個案例。該機構還將從頭到尾監測另外兩個地點的未來鑽井活動。它還將使用計算機建模來模擬地下深處正在發生的事情，而沒有人可以觀察到。
英格拉菲亞的建議是開發一個強大的模型，可以迭代模擬多口井、多次壓裂以及岩石一立方英里範圍內氣體和液體的運動——在數週的鑽探過程中。“你需要真正的大型超級計算機，”他說，以確定汙染的可能性。“你給我展示那個模型，我就會告訴你我在‘機會渺茫’和‘每天都在發生’之間站在哪一邊。”英格拉菲亞說，至少，這樣的模型將揭示“氣體遷移比其他情況更可能、更合理的情況”。
這種模型可能很難找到。學術界用於模擬地下油藏的當前標準——也是環保署計劃使用的標準——被稱為 Tough 2，但英格拉菲亞說它不是“商業級”的。大公司使用自己的模型，在他看來，“在人員、軟體、儀器儀表和資料方面，最好和最聰明的人都在運營商和服務公司手中。”英格拉菲亞擔心 Tough 2“很難處理所有斷層、裂縫和裂縫擴充套件”，其細節不足以確定是否會出現不需要的流動的離散新通道。
與此同時，戈羅迪和傑克遜一致認為，環保署應在新場地開始鑽探之前和之後監測飲用水井中的化學成分。僅在鑽探開始後才發現的化學物質將大大削弱行業常見的論點，即水在鑽探到達之前自然受到汙染，但居民只是沒有注意到。
懷俄明大學增強石油採收率研究所的石油地質學家傑弗裡·泰恩對解決水力壓裂難題提出了另一個建議：讓公司在其專有的壓裂液混合物中加入一種易於識別的化學示蹤劑。如果它出現在不應該出現的地方，那將是確鑿的證據。泰恩說，引入示蹤劑將“相對容易”，儘管他補充說“總的來說，行業並不贊成這個建議”。環保署表示，它正在“考慮”使用示蹤劑。該機構還表示，它收到的大部分關於水力壓裂中使用的化學物質的資訊已被相關公司聲稱為“商業機密資訊”，因此環保署尚未向公眾公開。立法可能會改變這種情況。
環保署和其他機構的研究可能會為複雜、相互矛盾的說法帶來清晰性。但新的見解可能為時已晚。“水力壓裂從未得到徹底調查，”自然資源保護委員會的高階政策分析師艾米·馬爾說。“這是一項大型實驗，沒有任何實際的固體科學引數指導實驗。”然而，紐約州似乎確信嚴格的監管足以保護其公民。
反對在紐約州、賓夕法尼亞州和其他州進行水力壓裂的居民展示了一種常見的草坪標誌：黑色背景上的白色字母“FRACK”，單詞上有一個紅色圓圈和線條。具有諷刺意味的是，儘管天然氣公司很可能在鑽井和處理廢物方面存在疏忽，但水力壓裂技術本身可能會被證明是無罪的。院子裡的標誌可能是錯誤的，但恐懼卻是正確的。