随着中国规划其能源未来，该国正将目光投向天然气。中国政府的目标是到2015年将天然气在其能源结构中的份额翻一番，其中包括页岩气和煤层气等非常规资源。中国的页岩气开发仍处于初级勘探阶段，但据估计，中国的页岩油储量是世界上最大的。
上周，一篇关于天然气开发产生的甲烷排放的新论文[1]登上了多家知名媒体的头条，再次提出了美国页岩气开发产生甲烷排放量非常高的论点。总统候选人杰伊·英斯利甚至引用了这项研究来支持他呼吁在全国范围内禁止“水力压裂”。这篇有问题的论文是由康奈尔大学的罗伯特·豪沃斯教授撰写的，他之前在甲烷排放方面的工作[2]受到了包括我在内的许多独立研究人员的批评。[3-5]，在深入研究这种物质之前，豪沃斯教授对该领域的贡献。他2011年的论文[2]引发了公众对美国石油和天然气开发中甲烷排放的担忧。尽管对甲烷排放的关注正在独立上升，但这项工作有助于将甲烷问题推到监管议程的首位，这有助于促使美国多个州和联邦政府采取行动减少这种强大的温室气体。为此，Howarth教授值得赞扬和感谢。，现在来谈谈手头的话题。，大气甲烷正在上升：为什么？，天然气主要由甲烷组成，甲烷是一种强大的温室气体。在过去200年的大部分时间里，大气中的甲烷含量及其对全球变暖的贡献一直在稳步增加。这种增长被1999年至2006年的平稳期打断，随后从2007年到今天又恢复了增长。[6] 近年来发表了许多论文，试图解释这种停滞和随后的增长，结果有时相互矛盾。Howarth的新论文认为，自2007年以来，大约三分之一的增长是由于美国的页岩气开发，大约三之一来自所有其他化石燃料（煤炭、石油和“传统”天然气），大约三倍来自农业和湿地等生物源。，这里的新内容是对页岩气作用的明确估计，而之前的工作侧重于更广泛的类别，包括天然气（页岩和“常规”天然气）、石油和煤炭。现有的研究结果喜忧参半，一些研究人员认为，最近浓度的增长主要是由生物来源（如农业）驱动的[6，7]，而另一些研究人员则估计，石油、天然气和煤炭开发可能发挥更大的作用。[8，9]，在美国，一项研究发现，从2000年到2012年，甲烷排放量大致持平，[10]而另一项研究估计，从2002年到2014年，排放量增加了30%以上。[11] （值得注意的是，从2002年到2014年，美国天然气产量增长了38%，这表明在2005年左右页岩气开发开始期间，甲烷排放率很可能有所下降）。，在全球范围内，最近的研究估计，2000年至2011年间，天然气系统的甲烷排放量实际上有所下降，这是一个值得注意的结果，因为在此期间，全球天然气消费量增长了35%以上。[12] 同一作者的一项后续研究强化了这一发现，估计1985年至2013年间，全球甲烷“泄漏”（每生产一单位天然气排放到大气中的甲烷）从7.6%下降到2.2%。[13] ，但排放并不是这里的全部。我们还必须考虑甲烷汇的全球作用。也就是说，通过大气中的化学反应降解或被土壤吸收的甲烷，减少了大气中残留的甲烷量。如果甲烷汇减弱，即使排放量不变，大气中的甲烷浓度也可能继续上升。事实上，最近的几篇论文讨论了甲烷汇减弱在最近大气浓度上升中可能发挥的潜在作用。[14，15]，简而言之，这是一个复杂的问题，关于化石燃料开发、生物源和汇在全球甲烷浓度上升中的相对贡献，证据不一。化石燃料显然是一个重要的来源，但对几个月前发表的文献的回顾令人信服地表明，现有数据并没有提供明确的答案。[16] Howarth教授的新论文《再一次突破，进入这片不确定的地带》。该分析包括许多重要的假设，包括一个关于页岩气井甲烷同位素组成的关键问题，我在这里不会深入讨论（大气科学家更适合讨论这个问题，我上面提到的综述论文[16]认为，仅考虑同位素比率并不能得出关于不同来源相对作用的明确结论）。相反，我想重点谈谈Howarth用来估计不同来源的相对贡献的几个有问题的会计假设。，首先，也是最重要的一点，该分析假设页岩气开发占天然气系统甲烷排放增长的63%，而“传统”来源占37%。这一假设是基于Howarth的说法，即2005年至2015年间，页岩气占天然气产量增长的63%。这一假设是论文研究结果的核心，既不是基于观测数据，也不是基于任何详细的建模。相反，它只是假设天然气产量的任何增加都不可避免地会导致甲烷排放量的相应增加。，这种假设的问题在于，新的甲烷排放可能与新的石油和天然气开发相吻合，也可能不吻合。新的甲烷来源可能来自新钻井、20年老井、废弃井、旧管道、新管道和许多其他潜在来源。事实上，美国的研究发现，页岩气井的泄漏量通常远低于传统气井。[17] 更仔细的分析将使用真实世界的数据和详细的估计，例如国际能源署的“甲烷跟踪器”[18]，该跟踪器提供了各种来源的甲烷排放的全球估计。，其次，同样重要的是，对煤矿开采和石油开发产生的甲烷排放量的可疑估计。虽然Howarth非常注意区分页岩气和传统天然气的排放，但他并不关心其他化石燃料开发的甲烷排放。相反，他假设每吨煤炭生产870克甲烷的恒定排放率，他引用自己2011年的论文[2]称其为“公认的”，该论文又引用了2008年和2009年的估计值。该数字假设煤炭的所有新甲烷排放都是通过露天开采产生的，而不是地下矿山的任何新排放。Howarth在文章中指出，在相关时期，全球煤炭产量的“几乎所有”增长都发生在中国的露天矿，但文章[19,20]中提供的引文没有提供这样的证据。国际能源署[21]2018年的数据显示，从2005年到2016年，中国约占全球煤炭产量净增长的75%（除中国外，经合组织国家的产量下降，非经合组织国家增长）。Howarth提供的引文和2018年的报告都没有提供地表或地下煤矿开采的煤炭份额或水平的数据。，对于与石油相关的甲烷排放，该分析再次基于2008年的估计，假设排放率不变。在过去几年中，多项分析对世界各地石油生产的甲烷（和其他“上游”）排放量进行了详细估计。[22，23]Howarth的分析中没有引用或使用这些更新、更全面的估计。，最后，分析忽略了甲烷汇的潜在作用。如上所述，汇甲烷吸收速率的变化可能对大气中甲烷浓度的变化产生重大影响。，最重要的是，自大约2007年以来，大气科学家一直在争论最近甲烷浓度上升的原因，在此之前，他们一直在争论早些时候暂停的原因。几十位作者的各种详细分析对化石燃料开发、生物源、自然汇等的相对贡献得出了不同的结论。，Howarth教授的这一最新研究在许多方面都有所不足。在我看来，页岩气是全球甲烷浓度增长的关键驱动力这一结论没有得到论文中提供的证据的支持，论文中的证据依赖于过于简单化的假设，在某些情况下，这些假设没有得到支持。相反，我认为这是一个假设，可以也应该用更详细的数据来检验。，几乎没有分歧的一个领域是，需要减少整个能源系统的甲烷排放，无论是美国的页岩气开发、俄罗斯的长距离天然气输送、中东的石油生产还是其他地方。有各种具有成本效益的减排机会[18]，立法者可以通过明智的政策激励运营商利用这些机会。反过来，制定明智的政策取决于证据的可用性，并以最佳可用数据为依据。，参考文献
在我们的新研究《矿坑与储罐：页岩气和致密油开发废水现场储存的风险和缓解方案》中，我们与RFF的合著者斯凯勒·罗肖特、内森·理查森、，Jan Mares研究了与页岩气和致密油作业废水储存相关的环境风险，并评估了可能有助于降低这些风险的法规和技术。基于这项工作，我们向监管机构提出了六项建议，这些监管机构正致力于降低页岩气和致密油废水储存坑和储罐对人类和生态健康的风险：我们对国家泄漏数据库的分析表明，衬管故障是导致石油和天然气废水排放到环境中的最常见原因。数据中的这种模式表明，针对这三类事件的法规和行业实践将有效降低泄漏频率，从而降低人类和生态系统暴露于回流和采出水中有毒物质的风险。，尽管坦克似乎比坑提供了更多的环境保护，但在某些情况下，坑更优越。例如，面对故意破坏和雷击，凹坑不太容易发生泄漏，而且凹坑通常涉及较少的管道和阀门，这些管道和阀门可能会因人为失误而发生故障或打开。从严格的经济角度来看，坦克并不总是比坑更贵，因此它们越来越受欢迎。，我们的分析表明，与凹坑相比，储罐发生的泄漏更小、频率更低（见我们的信息图）。然而，储罐并不是灵丹妙药，由于缺乏关于坑和储罐总数的信息，无法确定储罐是否会导致越来越少的泄漏，因为它们实际上更安全，或者因为目前使用的储罐数量较少。，我们对现场页岩气和致密油废水储存的州法规进行的调查显示，各州在受监管元素的数量和严格性方面存在显著的异质性。这种异质性不一定是负面的；例如，一个州和另一个州之间法规的差异可以通过潜在地质的差异来证明。然而，异质性确实为各国提供了学习彼此经验的机会；各州可以通过采用在另一个州行之有效的法规或取消在其他地方无效的法规而受益。，一个易于搜索和排序的泄漏状态数据库是一个宝贵的工具，可以提高我们对石油和天然气生产中使用的坑和罐相关风险的理解。搜索特定事件并根据其参数进行分类的能力也可以帮助石油和天然气行业的监管机构和决策者采取针对最频繁和最严重泄漏类型的政策、做法和技术。新墨西哥州石油保护司的数据库可以作为这类有用资源的模型，尽管该系统的实用性可以通过纳入现有矿井和储罐的库存来显著提高，从而可以正确看待报告的泄漏数量。理想情况下，各州应采用统一的报告标准，以便比较不同风险缓解方法的结果。，我们发现了一些知识空白，这些空白使我们无法全面了解矿井和储罐中储存的页岩气和致密油废水对人类和生态健康构成的风险。具体而言，未来的研究理想情况下将寻求有关以下方面的新证据：（a）通过地表泄漏和渗入地下水而暴露于页岩气和致密油废水中物质的程度；（b） 当现有衬管技术专门应用于储存水力压裂返排和采出水的矿坑时，其适用性；以及（c）储存在矿井和储罐中的页岩气和致密油废水对生态系统构成的风险。
在过去的十年里，页岩气的繁荣已经成为美国能源领域最大的新闻。2000年，从页岩地层中提取的天然气仅占美国天然气总产量的1.6%，到2013年，这一比例激增至40%以上。它对美国能源行业的变革性影响促使许多学者和政策制定者探索页岩最初发展和爆炸性增长的因素。页岩气扩张背后的市场结构通常被引用，目前正试图开发本国页岩气资源的国家对此特别感兴趣。，行业和媒体观察人士经常重复但未经证实的市场说法是，美国页岩行业是由数千家中小型公司创建的，钻井由夫妻公司主导。这种观点已经影响了中国等国的政策制定，在中国，页岩开发已经向以前几乎没有或根本没有钻探经验的新成立的小公司开放。在一篇新的RFF讨论论文中，我们对美国页岩气钻探市场的结构进行了首次实证研究，并证明了该行业的这些常见观点既不准确又具有误导性。，利用DrillingInfo关于六个主要现代页岩气区块（占产量的92%）以及泥盆纪页岩的数据，我们分析了哪些公司在每个区块钻井，以及他们选择钻多少井。从1981年至2000年间六个最大区块的钻井数量来看，只有少数公司对绝大多数油井负责。在同一时间段内，出现了一长串罕见的钻探者，这些钻探者仅占这些区块油井的2%；在这些地区运营的所有公司中，约有34%只钻了一口井。，在页岩气繁荣开始之前，米切尔能源公司实际上是美国唯一的钻探公司。在这一实验阶段，Mitchell Energy钻探了该行业页岩气井总数的绝大多数——截至1999年为482口，而其15家竞争对手共钻探了102口。与这段时间的大多数小公司不同，米切尔愿意将大量的财政和技术资源投资于一个回报高度不确定的行业。在后期扩张阶段，钻井变得不那么集中，因为盈利能力降低了小公司的进入门槛；泥盆纪页岩的进入障碍特别低，导致不经常钻探的钻探者的尾部更长。尽管这些市场变化帮助更多的小公司参与了该行业的竞争，但我们的数据表明，在勘探和扩张阶段，钻井市场一直由数量有限的大型独立石油和天然气生产商主导，夫妻公司的贡献微乎其微。
中国迫切需要减少煤炭消费，这对蕴藏在其大量页岩储量中的天然气产生了强劲的需求。中国政府已经试行了一系列旨在促进页岩气开发的政策，但要建立一个能够成功利用这些储量的行业将很困难。尽管国土资源部估计中国拥有约25.1万亿立方米的可采天然气，但如果地质和基础设施不好，钻井、开采和运输将比美国更具挑战性。，尽管存在这些差异，但分析美国页岩气的经验可以为中国如何克服开采难以开采的页岩储量所固有的问题提供有用的见解。在一篇新的RFF讨论论文中，我们与北京能源研究所的合著者雷天和刘晓丽这样做了。与美国的经验非常相似，中国需要首先通过对钻井和其他创新的投资来降低成本，以获得足够的利润，鼓励进一步的资本投资。一旦最初的创新阶段产生了具有成本效益的技术，第二个扩大规模阶段就可以增加产量以提高盈利能力并探索新的游戏。，在美国，联邦政府通过一系列旨在开发新天然气资源以应对严重短缺的政策，推动了页岩创新。这些政策采取了研发支持以及财政和激励定价计划的形式；再加上米切尔能源公司（Mitchell Energy）的大型私营企业，他们启动了页岩气热潮。与美国私营运营商和服务公司不同，中国的石油和天然气行业主要由三家垂直整合的国家石油公司主导，这三家公司形成了寡头垄断。该国许多人认为这是非常规天然气开发的障碍；在他们看来，向新的和较小的公司开放市场将鼓励更多公司的竞争和投资，为创新提供更优化的环境。，但是，尽管一家独立的天然气公司（即Mitchell Energy）的存在在刺激美国早期页岩创新方面发挥了关键作用，但认为向非国家石油公司开放中国页岩开发将解决该国的创新问题是错误的。新进入者可能有助于以后扩大产量，但他们之前没有任何石油和天然气钻探经验，也没有米切尔能源公司开始钻探页岩气井时所享有的任何优势，包括技术专长和财政资源。，相反，中国国家奥委会的规模和经验赋予了它们相对于新进入者的巨大优势；中国石油天然气集团公司（CNPC）和中石化（Sinopec）这两家公司尤其如此，它们通过多年的致密气钻探和压裂经验，已经获得了一些先进技术。NOC获得产量分成协议和地质有利区块也为其提供了页岩开发的优势。最终，中国国家石油公司的技术和财务能力对于开发能够克服中国页岩盆地地质复杂性的技术至关重要。尽管通过引入新的参与者来实施市场化改革在很多方面都是合理的，但中国的国家石油公司仍然最有能力应对发展中国页岩气行业的挑战。
美国页岩气繁荣的核心是对其经济利益的渴望和对其环境成本的担忧之间的紧张关系。监管措施和行业最佳实践可以进行调整，以缓解这种紧张局势，但将创新工具纳入新措施的潜力研究相对不足。监管和诉讼都已经是缓解页岩气风险的重要组成部分，但要了解如何改进这两个系统，需要分析它们目前是如何协同工作的。，虽然在关于页岩气风险缓解的公开讨论中，国家监管最受关注，但责任可能是运营商降低风险行为的更重要驱动因素。经济学家Steven Shawell认为，使用监管和责任来解释环境风险的决定应该基于信息不对称的存在、过错方的支付能力、过错方避免被起诉的能力以及所选择的行动的成本。Shawell指出，在现实世界中，责任和监管的结合经常被使用，社会通常会做出正确的监管责任决定。，我们认为，在页岩气方面也是如此。虽然消息灵通的运营商指向责任制度，但受害者可能无法获得私人信息，这需要更多基于监管的策略。计算哪一种更具成本效益是困难的，因为责任对于小规模事件可能具有成本效益，但对于需要复杂集体诉讼的分散伤害则不太有用。最终，责任使用和监管之间存在松散“分工”的想法似乎适用于页岩气开发，尽管这并不是说在某些现有情况下，在这些政策之间切换不会有好处。，因此，我们没有争论是否需要监管，而是（在一份新的RFF讨论文件中）研究如何使监管和责任之间的现有平衡更加高效和有效。运营商和政策制定者在评估页岩开发项目或地区的监管需求时，应考虑规范性方法的市场替代方案，并在可能的情况下将其纳入其中。替代方案可能侧重于将外部性的社会成本纳入遣散税，或调整现有的环境市场，如可交易的污染许可计划，以适应页岩气开发。一些人也可能选择实施类似于美国毒物释放清单计划的披露政策，尽管需要改进数据可用性，以确保运营商对其环境影响承担全部责任。，最终，政策制定者应该考虑减轻页岩气风险的广泛选择，因为不同的策略在不同的情况下效果最好。在需要或偏好监管的地方，基于市场的政策有可能大幅降低成本。在其他情况下，可以避免对现有责任制度进行监管，以利于对现有责任体系进行小的修改，从而降低总体费用。展望未来，对替代页岩气风险缓解解决方案的研究应探索当前开发的效率和成本效益的经验证据。
德克萨斯州北部的巴内特页岩在页岩气开发史上占有特殊的地位。正是在这里，在沃斯堡及其周边地区，米切尔能源公司（Mitchell Energy）等公司“破解了代码”，从页岩中经济地生产天然气。这一发现导致了美国各地天然气和石油产量的空前增长，这反过来又对能源价格、地方环境保护辩论、能源相关温室气体排放、地缘政治和我们工作的主题：地方政府财政产生了重要影响。，尽管天气寒冷，路况险恶，我还是设法会见了该地区天然气产量最高的塔兰特县和约翰逊县的市县官员。，德克萨斯州部分县的年度天然气产量。，在约翰逊县和塔兰特县，2007年至2009年的大量钻探活动增加了维护和修复县道的成本。然而，房地产税收入的增加——部分归因于钻探和生产——抵消了这些成本。鉴于同期整个国家正经历严重的经济衰退，收入的增长令人震惊。，事实上，约翰逊县从2007年到2008年降低了房产税税率，尽管此后税率已恢复到2007年的水平。尽管减少该县最重要的收入来源可能会在“繁荣”时期造成资金短缺，但根据德克萨斯州法律，这一削减实际上是必要的。如果地方政府的财产税收入每年增长超过8%，当地选民可能会请愿“降低”税率，这样总收入就不会增长那么快。因此，地方官员调整了费率，以免触发回滚条款。，约翰逊县2007-2012年收入和支出。在塔兰特县和约翰逊县各自的所在地沃斯堡和克莱伯恩，由于房地产和销售税收入的增加，以及一种新型的收入来源：县所有土地上天然气生产的租赁和特许权使用费，收入大幅增加。在沃斯堡，天然气房地产的房地产税收入从2009年的150万美元（该市开始跟踪这些数字的第一年）增加到2013年的800多万美元。该市还从城市土地的租赁和特许权使用费中获得了超过2亿美元的收入，其中大部分投资于资本改善和未来支出的“信托基金”。，德克萨斯州克莱伯恩的壁画在克莱伯恩，一个比沃斯堡小得多的城市，租赁和特许权使用费收入也很可观：2011年超过200万美元，2012年大约150万美元。与沃斯堡一样，该市计划将这些资金的大部分投资于资本项目。，多位官员表示的一个担忧是，该地区的大规模钻探可能会使未来的开发成本更高。例如，约翰逊县的人口正在迅速扩张，随着通往达拉斯/沃斯堡大都市的新收费公路预计于2014年完工，官员们预计住房开发将大幅增加。但现在，该县有数千口气井，还有数百英里长的天然气输送管道。如果开发商和/或地方政府被迫改变现有管道的路线，为新住宅、企业或其他开发项目让路，他们将面临额外的成本。，这项研究是在阿尔弗雷德·P·斯隆基金会的支持下由杜克大学能源倡议组织进行的。
trucks-300x219.png，涉及重型卡车的事故率。，自2004年以来，宾夕法尼亚州已经开发了5000多口7000口水力压裂页岩气井。水力压裂过程本身需要水和其他液体才能发挥作用，更不用说钻机、其他设备和劳动力了，才能充分开发油井。水力压裂所用的水主要通过油罐车从井里运来运去，有时每口井需要1000多次，其中大部分是沿着乡村道路或穿过小城镇。，到目前为止，还没有统计估计这些油罐车对事故的因果影响，以及此类事故对人类发病率和死亡率以及财产损失的后果。这种影响将构成页岩气开发的外部损害——公司（和监管机构）在决定开发资源时可能没有考虑到这些损害。，现在，我们能够对宾夕法尼亚州县级的油井开发活动与交通事故之间的数据进行初步分析。一方面，我们希望找到这样的联系，因为交通量的任何增加都会导致事故的增加，其他情况相同。这是经济发展和财富增长的社会代价。然而，这些与页岩气开发的联系是可以建立的——至少是暂时的——因为页岩气井开发的空间和时间变化很大，并且知道事故中是否涉及重型卡车。，我们使用了宾夕法尼亚州交通部维护的碰撞报告系统（CRS）提供的事故数据。这些数据提供了1997年至2011年间宾夕法尼亚州所有机动车碰撞的详细信息，如涉及的车辆类型、事故的确切地点和时间以及事故的严重程度（包括重伤和死亡人数）。在CRS数据集中，有200多万起车祸，其中20392起导致一人或多人死亡。页岩气井的数据来自宾夕法尼亚州环境保护部和自然资源保护部。，在我们对CRS数据的初步分析中，我们发现，与开发程度较低（或未开发）的县相比，页岩气开发程度相对较大的县的重型卡车总事故和事故数量显著增加。图1比较了拥有20口或20口以上页岩气井的县的重型卡车事故的平均数量，拥有20口以下页岩气井的州的相同信息，以及全州同一时间段内钻探的页岩气井数量。，事故率每年都有很大的变化，在2009-2010年页岩气开发开始后，这两组县的线路一起移动并相交。在这一点上，两种事故率存在差异，拥有20口以上油井的县的事故率要高得多。，根据宾夕法尼亚州事故报告系统的数据，2012年之前，20口或20口以上油井的县与20口以下油井的县发生重型卡车事故的比率[/caption]，我们发现，每月多钻一口井，重型卡车发生事故的频率就会增加2%以上（平均每个县每月发生9起此类事故）。这些结果控制了县人口、县特征和州一级事故率随时间的变化趋势。我们还发现，一个县再钻一口井，涉及死亡的事故数量就会增加0.6%（平均每个县每月有1.8人死亡）。，这只是我们在这方面研究的开始。我们还开始与宾夕法尼亚州的医疗保健提供商盖辛格医疗保健系统合作，以获得急诊室创伤病例、随访医生就诊和护理费用的详细记录。，评估页岩气开发对交通的影响对决策者来说很重要。美国疾病控制与预防中心的一份报告发现，从2003年到2006年，美国石油和天然气开采工人27%的死亡是由高速公路机动车碰撞造成的。人们可能会认为，在开发页岩气资源的地区，事故数量会增加，这仅仅是因为路上有更多的人，而不一定是因为事故发生的可能性增加。然而，页岩气卡车交通量的增加可能会增加事故发生的可能性，这是有原因的；20世纪60年代制定的高速公路安全规则允许石油和天然气行业的卡车司机比其他行业的司机工作更长的时间，但油田方面对此有豁免。此外，研究表明，车队中轻型卡车数量的增加会增加每年的交通死亡人数。更好地了解与页岩气开发活动相关的极端成本（如事故和死亡），可以促进人们对未来预防此类事故的关注和资源。
