水力压裂对水的质量和数量的影响
（YusukeKuwayama&SheilaOlmstead&AlanKrupnick）
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，http://www.eia.gov/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（一个较小的程度上）产生的水可循环使用，但最终的废水注入地下深处被设计用来存储、处理和排放废水的井，或将固体废物运往堆填区。 水量不足对水力压裂的影响
在水量影响描述方法上，在可能的情况下，我们在取水和用水之间区分
[ 11 ]。区别在于解决水的回收而不是消费用途。在潮湿的马塞勒斯页岩淡水一般丰富，页岩气开发的取水量代表了总产出的一小部分[ 1 5 ]。即使在较为干旱的气候和高取水的美国德州大学和Oklaho -马，取水量小于全国的1% [ 16，17 ]。鉴于这些取水量与全国相比非常小，页岩气开发对区域的水资源短缺问题影响是有限的。然而，与取水相关的风险会在特定地点和特定时间内更大。例如，在一个“人烟稀少”的鹰福特页岩，产业化页岩气的水消费占到了各县总消耗的5%（相对小于全国1% ），在高峰生产预计增加89%的总使用量[ 17 ]。在一个流域，小的“低阶”流可能是相对更敏感的变化，水的可用性比大的河流段更好。在马塞勒斯页岩小河流，小溪，与流域面积小于100平方英里的溪流是约40%的地表水的来源[ 15 ]。同样，抽取地下水是地区快速损耗的一个更重要的问题（如北Dako 钽狐狸山含水层），在那些远离大的河流的狭窄的冰川峡谷和地下蓄水层对地下水位的影响可能更大[ 18 ]。风险也可能会随时间而变化，在低流期强度的水消耗在完井（相对井场的发展，钻井和生产）时对取水有潜在的更大的影响C[ 19 ]。
石油和天然气生产，我们定义水的强度为每产生单位的燃料能源淡水消耗量，是比较不同类型的影响的有效措施。图2所示，平均而言，页岩气和致密油比传统的天然气更为密集的水，但比常规石油的水密集程度低。具体而言，页岩气在文学的最小需水强度估计小于1加仑/百万英热单位（每百万英热单位加仑的能量），最大的估计是28加仑/毫米，估计平均在5加仑/ MMBtu [ 20–32 ] 。致密油的最小水强度估计为1.6加仑/百万英热单位，而最大的估计是21.7加仑/ MMBtu，平均估计超过8.2加仑/ MMBtu [ 20，21，30 ]。
因此，在一定程度上取代了常规性天然气页岩气的发展，总用水量将增加。然而，如果按计划发展，页岩油和页岩气生产取代传统的石油生产是可能的，那么在未来总用水总量可能小于页岩气开发的缺失。后来发现，如果使用提高采收率技术（EOR ）来开采常规油藏，尤其可能涉及到水的问题。水力压裂对水质的影响
几个实际的和潜在的水质对水力压裂的影响已在文献中被确定，虽然很多没
有人做过的过程，比如现场准备，废物处理，和其他进程。然而，如果没有水力
压裂使得能源发展的持续大量增加具有了可能性，这些影响会很少或根本没有得到关注。我们把这些影响分为2组，一些主要影响地表水，一些主要影响地下水。 地表水质量影响
通过什么途径开发页岩气和致密油可能会影响河流水质，这包括意外释放的压裂液、返排液、生产水，以及液体废物的储存、处理和处置。对新的井场和其他基础设施的土地的清理也可能产生影响。我们在下面的段落分别进行了考虑。 压裂液、返排液和生产水（或油水混合物）意外的释放到地面上已经引起了广泛的关注。在巴肯、马塞勒斯以及其他的一些页岩气活跃的地方流体的流入和流出很容易在下图找到。（例如，Warco,Kathie ，2010“脱轨的水力压裂车：内容物泄漏”，华盛顿PA 观察记者，10月21日；和Nowatzki ，迈克，2013；“海水溢出会造成永久性的伤害”Prairie ，11月18日）
然而，迄今为止，很少有同行评审的证据表明，与页岩气和致密油开发相关的意外释放显著影响地表水。在宾夕法尼亚的地表水质对页岩气开发的影响的研究中，即使是在重点时段精心完成，这些井下流的水质分析中也没有发现系统的证据[ 33 ]。然而，至少在一个案例中，一个文件出现泄漏已在同行评审文献分析出现。2007的意外释放的流至溪肯塔基的压裂液对鱼产生了毒性的影响，其中包括两个联邦保护的物种，并持续了几个月[ 34 ]。对于这样的泄漏，更多的关于这个主题的研究可以支持开发（应用）适当的风险管理策略和公共政策也可以解决公众担忧实际和潜在的泄漏风险。可能对页岩气和致密油的发展最显着的影响是地表水的质量，因此，目前还必须处理部分释放的处理过的流向河流和小溪废水。像从钻井到水力压裂的淡水输入和输出（主要是亲水返排废液加上钻井泥浆和流体）是高度可变的。在马塞勒斯页岩，9至53% 压裂液输入可能随着地层盐水返排[ 35 ]。控制在废水河流中的污染物是必须要处理的共同挑战。在马塞勒斯页岩平均总溶解固体（TDS ）的浓度超过每升100000毫克（毫克/升）[ 36，37 ]，典型的海洋水浓度为35000毫克/升，淡水为100 - 500毫克/升[ 38 ]。 在美国页岩气开采中产水浓度TDS 显著变化，在马塞勒斯盐度最低，费耶特维尔（在25000毫克/升）在海水中观察到的浓度略低[ 10 ]。处理TDS 是昂贵的和能源密集型的，如溶解固体不易通过化学或生物亲、去除。一个潜在的解决方案是开采天然气时处理污水，否则会爆发。最近的一项研究发现，德克萨斯的气量在2012会爆发，废水热能产量将足以满足9400导28000口井的需要[ 39 ]。 现在在马塞勒斯回收的压裂液会用于别的井，用剩余的废液返回工业废水处理公共设施或输送到深注水井[ 12 ]。在西方，页岩经营者对压裂液的回收远低于东方，废水经过污水处理设施在这些地区深部注射在一个几乎没有地震活动的情况下普遍使用，成本效益高和低风险处置的选择[ 41，40 ]。在许多页岩气生产地，新的废水与水力压裂法很流行，无论是用于废水处理设施或深部注射都代表着预压裂流量显著增加。例如，在马塞勒斯页岩，从页岩气开发的污水流量在石油和天然气2004 废水流量的基准上增加了570%[ 42 ]。在巴肯，状态数据显示，每生产一桶桶油，废水必须经过处理（麦花臣，杰姆斯2014。“管道泄漏卤水湖Sakakawea 支流。”BismarckTribune ，10月10日）。
马塞勒斯页岩回收的水和生产水从油气井到市政和工业污水处理厂，提出了监管和公共卫生的问题。2011年，宾夕法尼亚联邦禁止船舶等市政污水处理厂和工业化学废物处理（CWT ）设施继续在页岩气废水的处理和处置中发挥重要作用[ 43 ]。在宾夕法尼亚市污水处理厂前后的废液化学分析中，英联邦的货办发现，大多数样品中的钡，锶的浓度，溴化物、氯化物、TDS 、在苯禁令后减少，
这表明这些处理厂可能对页岩气废水没有提供足够的处理[ 44]。
下游地表水水质影响的研究不完整的污水处理已被证明为氯化溴化[ 33 ]和
[ 45 ]。在这些不解决的固体的增加可能会损害经济重要的物种，如小溪鳟鱼
[ 46 ]，并有助于观察在该地区使用饮用水的城市致癌副产物的增加（以溴增加的形式存在）[ 45 ]。再越来越多的水系沉积物中的放射性核素分析部分去除后从处理返排水到水的产出，提出了长期影响人类和生态系统健康的问题[ 43，47 ]。
部分被处理过的返排水和生产水释放进入河流和溪流是一个严重的问题，它是地区性的。绝大多数美国地区拥有大量的页岩气资源，也有丰富的深注水井的液体废物处理能力。因此，消除生产水、压裂液返排、钻井泥浆，和其他废物对水质影响可能严重依赖于可用的适当的处理和处置机制。
最后，在页岩气和致密油开发中的过去十年已导致粗放型增长的基础设施发展迅速增加。这些资源需要土地清理，井场，管道和道路建设，不透水表面安装，水的运输，废水，和烃的转运等等。所有这些活动可能会增加当地的河流和溪流雨水径流、侵蚀和沉积等。奥姆斯特德等人提供的证据证明宾夕法尼亚页岩气井场下流有悬浮固体（TSS ）[ 33 ]。鉴于美国流域非点源污染损害的重要性，土地扰动在规模与未来能源发展相关的水力压裂可能标志水生生态系统重要威胁
[ 48 ]。根据现场调查鉴定的专家，存储的生产水和坑水也给水资源带来了很大的风险[ 49 ]。在最近科罗拉多州、新墨西哥州以及俄克荷拉马州的官员的报告中记录了溢流、渗漏、原油、以及类似酸化的活动等等。
地下水水质影响
水力压裂污染地下水的的潜在可能已在大众媒体上倍受关注。许多公共关注的焦点集中在水力压裂过程中压裂页岩地层将创建新的管道，污染物可能会迁移到有针对性的页岩上覆的地下水，或者水力压裂会促使污染物通过现有的管道迁移。对卤水和压裂流体短期或长期内是否可能从深泥页岩地层上覆通过自然或人工裂缝存在着争论[ 10，50 ]。典型地，一个在页岩断裂带和浅层地下水之间大的垂直分离带，可能是当地可饮用水的来源。在美国除了安特里姆，新奥尔巴尼，费耶特维尔页岩，这些分离有几千英尺厚，[ 29，51 ]。
另一个众所周知的问题，在常规和非常规的钻井，是井筒的气、油、钻井液、压裂液的分离，生产水通过它传递。失败的完井措施（漏或不应用套管和固井）被专家认为是更紧迫的问题[ 49 ]。国家建议研究地下水污染事件发生与页岩气活动的案例。例如，在Pavilion. 怀俄明，有两个联邦机构的研究发现，页岩气污染地下水[ 52，53 ]。在阿尔伯塔，一个能源开发商无意中破碎的页岩气污染地下水的过程远高于预期的地下目标，[ 54 ]。
地下水污染的系统的权威性经验证据的出现比地表水污染的证据要慢。最近的一项研究在涉及100个私人饮用水含水层上覆巴内特页岩井中发现了高水平的砷、硒、锶、和钡，该井位于三公里以外[ 55 ]。然而，这项研究没有明确取样水平。在亚-丰富的甲烷和卤水表面常有高瓦斯和地下水含盐量的地区，很难检测能源发展地下水水质的影响。
一些证据表明，甲烷从页岩井到上覆含水层地下水可能在马塞勒斯[ 58 ]和巴内特页岩[ 56 ]发生，但由于这些研究缺乏证据，甲烷从破碎的地区产生已经引起了争议。一个在阿肯色州菲- etteville 页岩相关的研究没有检测到地下水ofstray 气体污染的证据，或污染的盐水[ 59 ]。从研究的结果看，与向上迁移从页岩地层通过货架本身（或通过自然管道）相比，在页岩气开发井附近井的
甲烷与油井套管和固井失败关系更加紧密[ 56 ]。事实上，当前的研究指出，错误的套管和固井（而不是水力压裂本身）是地下水污染可能的原因的建议需要额外的这方面的科学的政策的分析。
结论
当前和预期的未来增长的页岩气和致密油的开发利用已经提出了水力压裂对水的数量和质量的潜在影响。本文提供了当前对水资源的影响这些活动概述。 我们的概述产生了几个关键的研究结果。首先，我们发现，平均而言，页岩气生产对水的数量的影响不比他们传统钻井显著。然而，具体位置和水力压裂问题对本地化的负性影响是可能的。其次，有证据表明，致密油产量可能低于水密集型比传统的石油生产，尤其是二次恢复或提高采收率有关。这意味着，随着传统的石油生产偏移，在未来页岩气与页岩油生产，用水总量可能小于被开采出来的页岩气油。第三，在过去四年的学术研究表明，水的质量的关注与水力压裂可能比水量问题更严重。文学已经确定更清晰页岩气的发展之间的联系及其对地表水水质的影响，以及新兴的水力压裂与地下水水质的影响一致。产业快速扩张的步伐提出新的研究旨在量化水质量的影响，并表征自己的途径，并评估方案（工业和/或决策者）他们的减排将有更高的价值。
致谢
我们感谢艾萨克和斯凯勒roeshot Excel研究资助。本文由S. D. Bechtel支持基础工作。
遵守道德准则
利益冲突 Yusuke Kuwayama和希拉Olmstead 重新予以资助，S. D. Bechtel，Jr. 的基础。
艾伦Krupnick 宣称他没有利益冲突。
人权和动物权利组织同意这篇文章不包含任何与人类或动物受试者执行的任何研究。
参考书目
水力压裂对水的质量和数量的影响
（YusukeKuwayama&SheilaOlmstead&AlanKrupnick）
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，http://www.eia.gov/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（一个较小的程度上）产生的水可循环使用，但最终的废水注入地下深处被设计用来存储、处理和排放废水的井，或将固体废物运往堆填区。 水量不足对水力压裂的影响
在水量影响描述方法上，在可能的情况下，我们在取水和用水之间区分
[ 11 ]。区别在于解决水的回收而不是消费用途。在潮湿的马塞勒斯页岩淡水一般丰富，页岩气开发的取水量代表了总产出的一小部分[ 1 5 ]。即使在较为干旱的气候和高取水的美国德州大学和Oklaho -马，取水量小于全国的1% [ 16，17 ]。鉴于这些取水量与全国相比非常小，页岩气开发对区域的水资源短缺问题影响是有限的。然而，与取水相关的风险会在特定地点和特定时间内更大。例如，在一个“人烟稀少”的鹰福特页岩，产业化页岩气的水消费占到了各县总消耗的5%（相对小于全国1% ），在高峰生产预计增加89%的总使用量[ 17 ]。在一个流域，小的“低阶”流可能是相对更敏感的变化，水的可用性比大的河流段更好。在马塞勒斯页岩小河流，小溪，与流域面积小于100平方英里的溪流是约40%的地表水的来源[ 15 ]。同样，抽取地下水是地区快速损耗的一个更重要的问题（如北Dako 钽狐狸山含水层），在那些远离大的河流的狭窄的冰川峡谷和地下蓄水层对地下水位的影响可能更大[ 18 ]。风险也可能会随时间而变化，在低流期强度的水消耗在完井（相对井场的发展，钻井和生产）时对取水有潜在的更大的影响C[ 19 ]。
石油和天然气生产，我们定义水的强度为每产生单位的燃料能源淡水消耗量，是比较不同类型的影响的有效措施。图2所示，平均而言，页岩气和致密油比传统的天然气更为密集的水，但比常规石油的水密集程度低。具体而言，页岩气在文学的最小需水强度估计小于1加仑/百万英热单位（每百万英热单位加仑的能量），最大的估计是28加仑/毫米，估计平均在5加仑/ MMBtu [ 20–32 ] 。致密油的最小水强度估计为1.6加仑/百万英热单位，而最大的估计是21.7加仑/ MMBtu，平均估计超过8.2加仑/ MMBtu [ 20，21，30 ]。
因此，在一定程度上取代了常规性天然气页岩气的发展，总用水量将增加。然而，如果按计划发展，页岩油和页岩气生产取代传统的石油生产是可能的，那么在未来总用水总量可能小于页岩气开发的缺失。后来发现，如果使用提高采收率技术（EOR ）来开采常规油藏，尤其可能涉及到水的问题。水力压裂对水质的影响
几个实际的和潜在的水质对水力压裂的影响已在文献中被确定，虽然很多没
有人做过的过程，比如现场准备，废物处理，和其他进程。然而，如果没有水力
压裂使得能源发展的持续大量增加具有了可能性，这些影响会很少或根本没有得到关注。我们把这些影响分为2组，一些主要影响地表水，一些主要影响地下水。 地表水质量影响
通过什么途径开发页岩气和致密油可能会影响河流水质，这包括意外释放的压裂液、返排液、生产水，以及液体废物的储存、处理和处置。对新的井场和其他基础设施的土地的清理也可能产生影响。我们在下面的段落分别进行了考虑。 压裂液、返排液和生产水（或油水混合物）意外的释放到地面上已经引起了广泛的关注。在巴肯、马塞勒斯以及其他的一些页岩气活跃的地方流体的流入和流出很容易在下图找到。（例如，Warco,Kathie ，2010“脱轨的水力压裂车：内容物泄漏”，华盛顿PA 观察记者，10月21日；和Nowatzki ，迈克，2013；“海水溢出会造成永久性的伤害”Prairie ，11月18日）
然而，迄今为止，很少有同行评审的证据表明，与页岩气和致密油开发相关的意外释放显著影响地表水。在宾夕法尼亚的地表水质对页岩气开发的影响的研究中，即使是在重点时段精心完成，这些井下流的水质分析中也没有发现系统的证据[ 33 ]。然而，至少在一个案例中，一个文件出现泄漏已在同行评审文献分析出现。2007的意外释放的流至溪肯塔基的压裂液对鱼产生了毒性的影响，其中包括两个联邦保护的物种，并持续了几个月[ 34 ]。对于这样的泄漏，更多的关于这个主题的研究可以支持开发（应用）适当的风险管理策略和公共政策也可以解决公众担忧实际和潜在的泄漏风险。可能对页岩气和致密油的发展最显着的影响是地表水的质量，因此，目前还必须处理部分释放的处理过的流向河流和小溪废水。像从钻井到水力压裂的淡水输入和输出（主要是亲水返排废液加上钻井泥浆和流体）是高度可变的。在马塞勒斯页岩，9至53% 压裂液输入可能随着地层盐水返排[ 35 ]。控制在废水河流中的污染物是必须要处理的共同挑战。在马塞勒斯页岩平均总溶解固体（TDS ）的浓度超过每升100000毫克（毫克/升）[ 36，37 ]，典型的海洋水浓度为35000毫克/升，淡水为100 - 500毫克/升[ 38 ]。 在美国页岩气开采中产水浓度TDS 显著变化，在马塞勒斯盐度最低，费耶特维尔（在25000毫克/升）在海水中观察到的浓度略低[ 10 ]。处理TDS 是昂贵的和能源密集型的，如溶解固体不易通过化学或生物亲、去除。一个潜在的解决方案是开采天然气时处理污水，否则会爆发。最近的一项研究发现，德克萨斯的气量在2012会爆发，废水热能产量将足以满足9400导28000口井的需要[ 39 ]。 现在在马塞勒斯回收的压裂液会用于别的井，用剩余的废液返回工业废水处理公共设施或输送到深注水井[ 12 ]。在西方，页岩经营者对压裂液的回收远低于东方，废水经过污水处理设施在这些地区深部注射在一个几乎没有地震活动的情况下普遍使用，成本效益高和低风险处置的选择[ 41，40 ]。在许多页岩气生产地，新的废水与水力压裂法很流行，无论是用于废水处理设施或深部注射都代表着预压裂流量显著增加。例如，在马塞勒斯页岩，从页岩气开发的污水流量在石油和天然气2004 废水流量的基准上增加了570%[ 42 ]。在巴肯，状态数据显示，每生产一桶桶油，废水必须经过处理（麦花臣，杰姆斯2014。“管道泄漏卤水湖Sakakawea 支流。”BismarckTribune ，10月10日）。
马塞勒斯页岩回收的水和生产水从油气井到市政和工业污水处理厂，提出了监管和公共卫生的问题。2011年，宾夕法尼亚联邦禁止船舶等市政污水处理厂和工业化学废物处理（CWT ）设施继续在页岩气废水的处理和处置中发挥重要作用[ 43 ]。在宾夕法尼亚市污水处理厂前后的废液化学分析中，英联邦的货办发现，大多数样品中的钡，锶的浓度，溴化物、氯化物、TDS 、在苯禁令后减少，
这表明这些处理厂可能对页岩气废水没有提供足够的处理[ 44]。
下游地表水水质影响的研究不完整的污水处理已被证明为氯化溴化[ 33 ]和
[ 45 ]。在这些不解决的固体的增加可能会损害经济重要的物种，如小溪鳟鱼
[ 46 ]，并有助于观察在该地区使用饮用水的城市致癌副产物的增加（以溴增加的形式存在）[ 45 ]。再越来越多的水系沉积物中的放射性核素分析部分去除后从处理返排水到水的产出，提出了长期影响人类和生态系统健康的问题[ 43，47 ]。
部分被处理过的返排水和生产水释放进入河流和溪流是一个严重的问题，它是地区性的。绝大多数美国地区拥有大量的页岩气资源，也有丰富的深注水井的液体废物处理能力。因此，消除生产水、压裂液返排、钻井泥浆，和其他废物对水质影响可能严重依赖于可用的适当的处理和处置机制。
最后，在页岩气和致密油开发中的过去十年已导致粗放型增长的基础设施发展迅速增加。这些资源需要土地清理，井场，管道和道路建设，不透水表面安装，水的运输，废水，和烃的转运等等。所有这些活动可能会增加当地的河流和溪流雨水径流、侵蚀和沉积等。奥姆斯特德等人提供的证据证明宾夕法尼亚页岩气井场下流有悬浮固体（TSS ）[ 33 ]。鉴于美国流域非点源污染损害的重要性，土地扰动在规模与未来能源发展相关的水力压裂可能标志水生生态系统重要威胁
[ 48 ]。根据现场调查鉴定的专家，存储的生产水和坑水也给水资源带来了很大的风险[ 49 ]。在最近科罗拉多州、新墨西哥州以及俄克荷拉马州的官员的报告中记录了溢流、渗漏、原油、以及类似酸化的活动等等。
地下水水质影响
水力压裂污染地下水的的潜在可能已在大众媒体上倍受关注。许多公共关注的焦点集中在水力压裂过程中压裂页岩地层将创建新的管道，污染物可能会迁移到有针对性的页岩上覆的地下水，或者水力压裂会促使污染物通过现有的管道迁移。对卤水和压裂流体短期或长期内是否可能从深泥页岩地层上覆通过自然或人工裂缝存在着争论[ 10，50 ]。典型地，一个在页岩断裂带和浅层地下水之间大的垂直分离带，可能是当地可饮用水的来源。在美国除了安特里姆，新奥尔巴尼，费耶特维尔页岩，这些分离有几千英尺厚，[ 29，51 ]。
另一个众所周知的问题，在常规和非常规的钻井，是井筒的气、油、钻井液、压裂液的分离，生产水通过它传递。失败的完井措施（漏或不应用套管和固井）被专家认为是更紧迫的问题[ 49 ]。国家建议研究地下水污染事件发生与页岩气活动的案例。例如，在Pavilion. 怀俄明，有两个联邦机构的研究发现，页岩气污染地下水[ 52，53 ]。在阿尔伯塔，一个能源开发商无意中破碎的页岩气污染地下水的过程远高于预期的地下目标，[ 54 ]。
地下水污染的系统的权威性经验证据的出现比地表水污染的证据要慢。最近的一项研究在涉及100个私人饮用水含水层上覆巴内特页岩井中发现了高水平的砷、硒、锶、和钡，该井位于三公里以外[ 55 ]。然而，这项研究没有明确取样水平。在亚-丰富的甲烷和卤水表面常有高瓦斯和地下水含盐量的地区，很难检测能源发展地下水水质的影响。
一些证据表明，甲烷从页岩井到上覆含水层地下水可能在马塞勒斯[ 58 ]和巴内特页岩[ 56 ]发生，但由于这些研究缺乏证据，甲烷从破碎的地区产生已经引起了争议。一个在阿肯色州菲- etteville 页岩相关的研究没有检测到地下水ofstray 气体污染的证据，或污染的盐水[ 59 ]。从研究的结果看，与向上迁移从页岩地层通过货架本身（或通过自然管道）相比，在页岩气开发井附近井的
甲烷与油井套管和固井失败关系更加紧密[ 56 ]。事实上，当前的研究指出，错误的套管和固井（而不是水力压裂本身）是地下水污染可能的原因的建议需要额外的这方面的科学的政策的分析。
结论
当前和预期的未来增长的页岩气和致密油的开发利用已经提出了水力压裂对水的数量和质量的潜在影响。本文提供了当前对水资源的影响这些活动概述。 我们的概述产生了几个关键的研究结果。首先，我们发现，平均而言，页岩气生产对水的数量的影响不比他们传统钻井显著。然而，具体位置和水力压裂问题对本地化的负性影响是可能的。其次，有证据表明，致密油产量可能低于水密集型比传统的石油生产，尤其是二次恢复或提高采收率有关。这意味着，随着传统的石油生产偏移，在未来页岩气与页岩油生产，用水总量可能小于被开采出来的页岩气油。第三，在过去四年的学术研究表明，水的质量的关注与水力压裂可能比水量问题更严重。文学已经确定更清晰页岩气的发展之间的联系及其对地表水水质的影响，以及新兴的水力压裂与地下水水质的影响一致。产业快速扩张的步伐提出新的研究旨在量化水质量的影响，并表征自己的途径，并评估方案（工业和/或决策者）他们的减排将有更高的价值。
致谢
我们感谢艾萨克和斯凯勒roeshot Excel研究资助。本文由S. D. Bechtel支持基础工作。
遵守道德准则
利益冲突 Yusuke Kuwayama和希拉Olmstead 重新予以资助，S. D. Bechtel，Jr. 的基础。
艾伦Krupnick 宣称他没有利益冲突。
人权和动物权利组织同意这篇文章不包含任何与人类或动物受试者执行的任何研究。
参考书目