水力压裂正在污染我们的饮用水吗？这场辩论变得激烈，科学家们正在发声。
康奈尔大学工程学教授、有争议的天然气钻探技术专家安东尼·英格拉菲亚对此有很多话要说，尤其是在他参加了美国环境保护署3月份在弗吉尼亚州阿灵顿市主办的一次会议之后。在那里，他会见了来自顶级天然气和钻井公司的科学家：德文能源、切萨皮克、哈里伯顿。所有人齐聚一堂，帮助该机构确定水力压裂是否像指控的那样，将有毒化学物质和气体注入各州的饮用水供应中，是否罪有应得。答案是纽约州、宾夕法尼亚州、得克萨斯州和科罗拉多州，以及澳大利亚、法国和加拿大不断升级的争议的中心。
“水力压裂”的基本技术自 20 世纪 40 年代后期以来已在传统风格的井中使用。当垂直井筒到达页岩层时，经过化学处理的水和沙子在高压下向下喷射，以裂开岩石并释放天然气。然而，直到最近，该技术才与一种称为定向或水平钻井的新技术相结合——即将向下钻探的钻头转动高达 90 度并在地层内继续钻探的能力，与地表平行，额外延伸数千英尺。结果是一场名副其实的淘气热。富含甲烷的页岩层突然变得可以开采。据估计，美国拥有 827 万亿立方英尺的这种“非常规”页岩气，足足可以使用数十年——尽管《纽约时报》6 月份发布的行业电子邮件表明，与公司声称的相比，该资源的开采可能更困难且成本更高。
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主要的障碍是，与垂直井的水力压裂不同，水平水力压裂需要大量的水和化学物质。还需要巨大的池塘或水箱来储存化学物质含量高的“回流水”，这些回流水在井压裂后会返回井孔。
当英格拉菲亚坐在房间里时，他看到行业科学家驳斥了水力压裂导致水井污染和厨房水龙头可燃的想法。毕竟，逻辑是这样的，页岩层可能深达一英里或更深，与浅层含水层之间隔着数千英尺的岩石——这正是它们直到现在才如此难以开采的原因。水力压裂可能很强大，但它没有那么强大——不足以在那么多的岩石中炸开新的裂缝，将水平井眼（称为“支管”）连接到地表附近的地下水。
“我看到了美丽的 PowerPoint 幻灯片，描绘了他们认为实际发生的事情，”英格拉菲亚说，他之前曾在全球天然气供应公司斯伦贝谢工作，但现在已成为天然气热潮的主要科学批评家。“在每一张幻灯片中，演示者都得出结论，这极不可能。”然而，英格拉菲亚解释说，这些分析仅考虑了单次“压裂”——一次注水，在一个支管中，一次。然而，为了最大限度地开采天然气，公司可能会在单个场地密集钻探十几个或更多垂直井。他们可能会在多个段中，甚至多次压裂每口井的支管。
“你必须考虑三个空间维度和时间，”英格拉菲亚说。他怀疑单次支管压裂可以将页岩层连接到地表。不过，他补充说，“如果你像我刚才描述的那样看待这个问题，我认为概率会增加。增加多少？我不知道。”
定义上的罪过
现在试图回答这个复杂问题的科学家和监管机构来得有点晚了。我们本可以在水力压裂成为重大争议之前使用他们的研究。这项技术是纽约州政治冲突的原因，纽约州环境保护部最近公布了一项计划，允许钻探公司开采该州马塞勒斯和尤蒂卡页岩地层 85% 的区域。纽约市或锡拉丘兹流域不允许进行水力压裂，因为这些供水在水源和市民之间没有经过过滤。
该部门的批准是基于对各项研究的审查，并表示计划严格监管任何钻探工作。这些行动实际上取代了之前在全州范围内禁止水力压裂的规定，尽管环保署一项重大的安全研究仍在进行中，初步结果将于 2012 年底公布。该部门不愿等待环保署的科学研究结果，计划在 10 月份发布最终法规，公开征求意见至 12 月初。
在环保署的结果准备就绪之前，纽约州推动钻探迫使专家们试图确定哪些针对水力压裂的指控具有一定的分量，哪些需要新的研究来解决。这个极其混乱的问题的答案最终取决于对“水力压裂”的不同定义。
如果将水力压裂理解为从开始到结束的非常规天然气钻探的整个过程，那么它已经犯下了一些严重的违规行为。这项庞大的工业事业需要惊人的 200 万到 400 万加仑的水用于单根支管，以及 15,000 到 60,000 加仑的化学物质；将这些数量乘以一个场地钻探的井数。液体的运输涉及大量的油罐车和大型储罐。
然后必须管理回流水；高达 75% 的注入水会返回地面。它不仅含有多种化学物质——用于帮助压裂液流动、保护管道和杀死细菌以及许多其他用途——而且通常还含有来自地下层的放射性物质和盐类。这种有毒的水必须在现场储存，然后运到处理厂或重复使用。大多数公司使用在地面上挖出的露天坑。许多州要求坑底衬有合成材料以防止泄漏。有些州还要求坑塘与地表水保持足够的距离。问题是，即使采取了适当的预防措施，坑塘衬里也可能撕裂，而且在暴雨中，坑塘可能会溢出。根据纽约州拟议的规则，只有水密罐才能用于储存回流水，并且必须采取径流预防措施。
所有这些过程都可能导致事故。“这不是一个没有风险的行业，”宾夕法尼亚州立大学的水力压裂专家特里·恩格尔德解释说，他通常是该过程的支持者，但偶尔也会批评相关公司。事实上，《纽约时报》的一系列揭露文章记录了由于对回流水处理不当，可能导致宾夕法尼亚州主要的河流流域（如萨斯奎哈纳河和特拉华河）受到污染。在宾夕法尼亚州，家用水龙头变得肮脏或着火，公司也因此受到传讯和罚款。最近，该州环境保护部因切萨皮克公司不当钻井作业导致 16 个家庭的水井被甲烷污染，对其处以近 100 万美元的罚款。
如果“水力压裂”一词指的是整个工业过程，那么这些类型的影响可以归咎于水力压裂，但不一定是指钻井完成后炸裂岩石的地下注水。即使是最深入了解问题的人也可能在这个基本问题上存在分歧。“在这些地方储存如此大量的化学物质确实存在漏洞，但这更多的是一种工业威胁，而不是水力压裂本身的威胁，”纽约州环境保护部前副专员瓦尔·华盛顿辩称。但康奈尔大学的英格拉菲亚却有不同的看法：“我只是希望行业能够停止玩‘水力压裂不会导致污染’的游戏。你必须钻井才能进行压裂。这只是他们躲在背后的语义和定义问题。”
为了表明行业定义的水力压裂是问题所在，你必须检查据称的威胁，这种威胁既是最广为人知的，又是最不确定的——即地下深处的注水会直接污染饮用水，通过为气体或液体在深层页岩和浅层地下水之间流动创造意外的通道。
具体的罪魁祸首
要了解这个问题有多复杂，请考虑环保署在 2010 年对 Range Resources 采取的执法行动，Range Resources 是一家总部位于沃思堡的天然气公司，在得克萨斯州著名的巴奈特页岩地层开采天然气。环保署声称，该公司两口天然气井附近的两个住宅饮用水井被深层“热成因”来源的甲烷污染。这种气体起源于页岩层，不同于“生物成因”甲烷，后者是由靠近地表（通常是含水层所在的位置）的微生物产生的。环保署还声称，其中一口井含有时用于水力压裂的化学物质（如苯），并且输送的是易燃的水。
环保署命令该公司向受害者提供清洁用水，确定附近是否有其他水井受到污染，并采取其他措施。Range Resources 强烈反击——在法庭上对它负有任何责任的说法提出异议，并指出所涉及的“长水平和垂直距离”。截至 9 月中旬，这场法律战正在美国上诉法院进行。然而，至关重要的是，即使环保署认为 Range Resources 有过错是正确的，但这并不意味着地下深处的水力压裂是造成问题的原因。该机构要求该公司确定涉及哪些“气体流动路径”——并且有许多可能性。气体可能通过一些未知的路径从压裂的页岩一直向上迁移。或者，井的垂直部分（更靠近地表）的水泥作业出现故障也可能导致问题。
水泥作业故障是可能污染源的主要嫌疑，按照行业的定义，它不属于水力压裂的一部分。在向下钻探的过程中，任何井都必须穿过含有地下水的近地表层，并且也可能穿过未知的气穴。钻井人员用混凝土填充天然气管道和孔壁之间的空隙，这样浮力气体就不会沿着管道外侧上升，并可能渗入地下水。套管故障也可能导致化学回流水在页岩破裂时释放的压力的推动下泄漏出来。
水文地质学家、天然气公司顾问安东尼·戈罗迪一直是水力压裂的捍卫者，他认为水泥作业是明显的“薄弱环节”。其他科学家也断然同意。“如果你在安装井套管时做得不好，你可能会打开一条通道，让物质流出，”杜克大学尼古拉斯环境学院的生态学家和水资源专家罗伯特·B·杰克逊解释说。尽管有许多法规管理井水泥作业，并且行业一直在努力改进其做法，但这个问题可能无法完全解决。“很大一部分水泥作业会失败，”英格拉菲亚说。“它将永远是这样。这只是与该领域相关。”
不良水泥作业造成的污染一直是传统垂直井中的一个长期存在的问题，这些垂直井有时也会进行水力压裂。据前环境保护部副专员华盛顿称，“我们在纽约州西部有很多井已经生产石油和天然气数十年了。而水力压裂是从这些非常坚硬的页岩中开采天然气的方法；这种情况可能已经持续了 20 年。”她说，现在水平钻井的不同之处在于，“由于天然气的深度以及水力压裂和定向钻井的结合，每次水力压裂作业不再是 80,000 加仑的水，而是数百万加仑的水”，以及随之而来的大量化学物质。
在任何深度都不安全？
不良水泥作业解释了非常规天然气钻探造成的许多地下水污染案例——包括切萨皮克公司 100 万美元的违规行为。“甲烷迁移在某些地区是一个问题。这绝对正确，”恩格尔德说。问题是是否存在任何其他原因。如果地下水问题真的取决于水泥作业，你可能会认为行业定义的水力压裂可以过关，并且需要更严格的法规来审查公司在钻井时的行为——这正是纽约州现在提出的建议。
杰克逊及其同事在《美国国家科学院院刊》最近发表的一篇论文中描述了关于可能的天然气迁移的最有趣的研究。它对环保主义者和工业家都有所帮助。正如杰克逊开玩笑说，当这篇备受争议的论文发表时，人们的反应从“你救了我的命”到“好好生活”不等。
杰克逊的团队分析了来自宾夕法尼亚州东北部马塞勒斯页岩地层和纽约州北部尤蒂卡页岩地层上方的 60 多口私人饮用水井的样本。51 口井中存在甲烷，但靠近钻井点的井中甲烷含量明显更高。化学分析确定，大部分甲烷是深层热成因甲烷，而不是靠近地表的微生物生物成因甲烷。
然而，所有样本均未检测到压裂液或与深层页岩层一致的含盐盐水。因此，杰克逊认为污染最可能的原因是井的水泥作业和套管存在缺陷。他指出另一种可能性：水力压裂可能至少产生一些向上延伸到水平页岩层本身之外的岩石裂缝。如果是这样，这些裂缝可能会与其他预先存在的裂缝或开口连接起来，使气体向上远距离传播。杰克逊观察到，宾夕法尼亚州东北部和纽约州北部“到处都是废弃的老井”。“几十年前，人们没有对井进行套管，也没有在完工后堵塞井。想象一下这个遍布数千英尺深处的井眼的瑞士奶酪——我们不知道它们在哪里。”
然而，如果甲烷由于非常规天然气钻探而进入饮用水，为什么没有压裂化学物质呢？在这方面，杰克逊和恩格尔德只能假设。当甲烷首次从岩石中释放出来时，存在足够的初始压力将水和化学物质推回井孔。然而，这种流动很快就会消退。此后，尽管气体有足够的浮力垂直移动，但水却没有。
尽管如此，如果水力裂缝可能与预先存在的裂缝或旧井连接，那么化学物质可能会对地下水构成风险。“区域外”压裂可能会发生。为哈里伯顿服务公司 Pinnacle Technologies 工作的工程师凯文·费舍尔使用微震监测设备测量了巴奈特和马塞勒斯页岩地层水平井中的数千条裂缝的范围。费舍尔发现，马塞勒斯页岩中最极端的裂缝垂直长度接近 2,000 英尺。根据费舍尔的说法，这仍然留下了一个缓冲，“水力裂缝顶部和含水层之间非常好的物理隔离”。
其他工程师对同类证据的解读有所不同。在加拿大不列颠哥伦比亚省，监管机构记录了 19 起单独的“裂缝连通”事件——新井最终以意想不到的方式与其他井连通。在一个案例中，连通发生在距离超过 2,000 英尺的井之间。正如不列颠哥伦比亚省石油和天然气委员会警告运营商的那样，“通过大规模水力压裂作业进行的裂缝扩展已被证明难以预测。”该机构补充说，由于上覆岩层的薄弱，裂缝长度可能会超出预期。
这些都不能证明水平页岩层的水力压裂直接污染了含水层。环保署署长丽莎·杰克逊最近表示，尚未记录到此类案例，尽管她补充说“调查仍在进行中”。然而，缺乏证据并不能证明没有证据；每个地点都不同。《纽约时报》和环境工作组最近披露了一起 1984 年的疑似污染案例，该案例表明西弗吉尼亚州的一口压裂井可能与附近一口废弃的老井相交，导致饮用水污染。行业对该案例的有效性提出异议。
更多科学，为时已晚？
无论如何定义，要证明水力压裂有罪或无罪，都需要更多数据。 这就是环保署研究的用武之地。该机构正在检查钻探可能污染供水的各种方式——从未衬砌和泄漏的储坑，到有缺陷的井水泥作业，再到深层裂缝可能与地表连通。环保署将检查五起疑似地下水污染案例，以确定原因，其中包括宾夕法尼亚州的两个案例。该机构还将从头到尾监测另外两个地点的未来钻井活动。它还将使用计算机建模来模拟地下深处正在发生的事情，而没有人可以观察到。
英格拉菲亚的建议是开发一个强大的模型，可以迭代模拟多口井、多次压裂以及岩石一立方英里范围内气体和液体的运动——在数周的钻探过程中。“你需要真正的大型超级计算机，”他说，以确定污染的可能性。“你给我展示那个模型，我就会告诉你我在‘机会渺茫’和‘每天都在发生’之间站在哪一边。”英格拉菲亚说，至少，这样的模型将揭示“气体迁移比其他情况更可能、更合理的情况”。
这种模型可能很难找到。学术界用于模拟地下油藏的当前标准——也是环保署计划使用的标准——被称为 Tough 2，但英格拉菲亚说它不是“商业级”的。大公司使用自己的模型，在他看来，“在人员、软件、仪器仪表和数据方面，最好和最聪明的人都在运营商和服务公司手中。”英格拉菲亚担心 Tough 2“很难处理所有断层、裂缝和裂缝扩展”，其细节不足以确定是否会出现不需要的流动的离散新通道。
与此同时，戈罗迪和杰克逊一致认为，环保署应在新场地开始钻探之前和之后监测饮用水井中的化学成分。仅在钻探开始后才发现的化学物质将大大削弱行业常见的论点，即水在钻探到达之前自然受到污染，但居民只是没有注意到。
怀俄明大学增强石油采收率研究所的石油地质学家杰弗里·泰恩对解决水力压裂难题提出了另一个建议：让公司在其专有的压裂液混合物中加入一种易于识别的化学示踪剂。如果它出现在不应该出现的地方，那将是确凿的证据。泰恩说，引入示踪剂将“相对容易”，尽管他补充说“总的来说，行业并不赞成这个建议”。环保署表示，它正在“考虑”使用示踪剂。该机构还表示，它收到的大部分关于水力压裂中使用的化学物质的信息已被相关公司声称为“商业机密信息”，因此环保署尚未向公众公开。立法可能会改变这种情况。
环保署和其他机构的研究可能会为复杂、相互矛盾的说法带来清晰性。但新的见解可能为时已晚。“水力压裂从未得到彻底调查，”自然资源保护委员会的高级政策分析师艾米·马尔说。“这是一项大型实验，没有任何实际的固体科学参数指导实验。”然而，纽约州似乎确信严格的监管足以保护其公民。
反对在纽约州、宾夕法尼亚州和其他州进行水力压裂的居民展示了一种常见的草坪标志：黑色背景上的白色字母“FRACK”，单词上有一个红色圆圈和线条。具有讽刺意味的是，尽管天然气公司很可能在钻井和处理废物方面存在疏忽，但水力压裂技术本身可能会被证明是无罪的。院子里的标志可能是错误的，但恐惧却是正确的。