頁巖氣開發綜合環境影響評價方法

孫仁金 汪振杰

中國石油大學（北京）工商管理學院

開發頁巖氣需要多階段大型水力壓裂技術、水平井技術等常規天然氣開發過程中不常使用的復雜技術［1］。在高端復雜技術使用的過程中，資源投入、能源耗費也更大，進而帶來的環境影響也更為嚴重。

環境監管部門應針對頁巖氣開發環境影響特點制定更合適的環境影響評價方法，為頁巖氣開發可行性研究和相關部門頁巖氣開發環境監管提供方法性指導。

1 頁巖氣開發環境影響分析

我國可以通過借鑒美國頁巖氣開發環境影響方面的經驗，總結其教訓并從中得到啟示，從而為即將到來的頁巖氣大規模開發提供參考和借鑒。

1.1 頁巖氣開發流程及對自然生態環境的影響

1.1.1 頁巖氣開發流程

頁巖氣開發流程大致分為：啟動和鉆井階段、水力壓裂階段、生產和處理階段、氣井堵塞和廢棄。啟動和鉆井階段主要包括井場建設和鉆井階段；水力壓裂的關鍵在于泵送流體（高壓空氣或者淡水泥漿）和支撐劑，在地面設備產生的高壓下壓裂生產層頁巖，使含烴巖產生擴張的裂縫，流出烴類物質；鉆井和水力壓裂作業完成后，建設生產井口，并通過管道來收集和傳輸氣體，從而進行后續加工，在某些井場，可能會出現生產和鉆探同時進行的情況；當氣井氣數已盡或者開發失敗以后，氣井便會被堵塞和廢棄。

1.1.2 頁巖氣開發對自然生態環境的影響

1.1.2.1 對水的影響

1）對地下水的影響。與頁巖氣井產生接觸的地下水可能受到污染的主要途徑有：①壓裂液或者返排液主要通過井筒外層、水力壓裂創建或發展的裂縫經地下途徑遷移到地下水源造成的污染。水力壓裂的目的是在目標地層創建或發展裂縫，然而一旦裂縫垂直擴展超出目的地層到達之前相互獨立的地層，污染物就可能發生遷移，進而污染地下水［2］。②操作失誤或災難性的開發故障導致的地下水污染。一般頁巖氣井筒要穿透數層含水層，井筒在生產層和其他地層給頁巖氣井提供了支撐。井筒通過安裝套管來隔離氣井和周圍地層，其他地層如淡水含水層、鹽堿含水層等。氣井套管的損壞或初始布置完整性的缺乏都有可能導致潛在地層包括含水層的污染；在井筒出現故障的情況下，壓裂液、返排液就可能透過套管產生污染。

2）對地表水的影響。地表水是地面上的小溪、河流、湖泊以及池塘水的總稱。獨立的井場進行作業過程中對地表水的危害主要有：廢棄液體或氣體由于儲存容量有限、操作失誤、雨水或洪水進入、工程質量差等原因發生泄漏或溢出；壓裂液在運輸或者最后混合操作中由于管道故障、操作失誤等原因造成的泄露；返排液在傳輸或者運送到存儲空間時由于管道故障、存儲空間壓裂失敗、存儲能力不足或者操作失誤等造成溢出；返排液由于儲存罐破裂、存儲容量不足、暴雨或洪水進入等原因導致返排液失去控制；返排液在運輸到污水處理廠中途或在廠區發生溢出。

1.1.2.2 對土地的占用和生態影響

應用叢式井網技術，6～8口水平井僅需1個鉆井平臺［2］。水平鉆井的叢式井網是當前美國應用最普遍的開發方法。如果依靠一個井場完成多個分支水平井，那么該井場的占地面積可能要比單個直井的稍大些，擴大大約2 000m2。因此在鉆井和壓裂的初級階段，一個平均規模的井場占地15 000～20 000m2。

2008年，美國內政部針對阿肯色州的費耶特維爾頁巖進行調查發現，每一口垂直淺層井將會建大約8 000m2的井場，160m長的施工通道和880m長的設備通道。平均每一口井影響20 000m2的地面干擾。調查還發現，阿肯色州一口水平井加上施工通道和設備通道共占用14 000m2的井場，造成28 000m2的地面干擾。如果采用水平井網技術，一個井場完成4口分支水平井，雖然井場會擴大2 000m2，但會造成30 000m2的地面干擾。相對而言，多分支水平井單井造成的地面干擾要比直井單井造成的地面干擾小得多，這是多分支水平井技術的一項優勢。

1.1.2.3 對大氣的影響

1）大氣污染。頁巖氣的勘探和生產過程可能產生大氣污染的污染源，在不同的施工階段有所不同：在施工初期階段，大氣排放物可能來自于化石燃料的鉆機，或者來自壓裂過程的柴油動力泵；完井過程中泄露的頁巖氣的燃燒、放噴以及運輸車輛的尾氣排放。頁巖氣勘探開發過程中空氣排放物的組成包括：提供機器動力時化石燃料燃燒產生的氮氧化合物；頁巖氣開發出地面之后脫水過程中，產生的有機化合物（VOCs）的揮發；苯、甲苯、乙苯等物質在天然氣中的含量很低，不過也算是頁巖氣的一種環境污染物來源。

2）溫室氣體排放。為了便于各比較，頁巖氣的溫室氣體排放量都換算成CO2當量。根據資料顯示，NO2的溫室效應值（100y）是310，CH4的溫室效應值GWP（100y）是25。據本文參考文獻［3－5］，按照開發流程，將頁巖氣開發劃分為現場準備階段、鉆井階段、水力壓裂階段、完井階段、廢水處理階段、生產處理階段、氣井的堵塞和廢棄階段，并分階段對頁巖氣開發溫室氣體排放量進行估計，結果如表1所示。

表1 頁巖氣開發過程中每口井溫室氣體排放量估計表

1.1.2.4 其他環境影響

1）噪聲和視覺／美學的影響。井場生產前期的主要作業都有噪聲產生。以一個井場（6口井為例）為單位要施工800～2 500d，過程中產生很嚴重的噪聲。據美國紐約州環境保護局［9］估計，每個水平井都要花4～5周24h全天候的施工。所有這些作業中，鉆井過程是產生噪聲最嚴重的環節。

2）景觀影響。開發施工階段，井場會有大量的鉆井設備、油罐、存儲坑、卡車等設施。這些設施的安裝，會對環境視覺上的美觀產生影響。如果是在城區或者旅游景點的話，也是對市容和旅游景點的破壞。如果以每年90×108m3／a的速度開發頁巖氣，對于一個6口井的井場而言，共需要約300個平均水平的井場進行生產，對于整個國家環境視覺上的影響是可以想象的。不過，這個方面的影響還沒有直觀的解決措施。

3）交通影響。除了現場帶來的影響之外，井場在施工中會有大量的運輸設施的往來，從而造成對交通的影響。數據顯示，每個井場（6口井為例）作業現場卡車流量的總數在4 315～6 590臺次之間（其中大約90%的卡車流量與水力壓裂操作有關）。那么在人口稠密的中國，如此大的卡車流量，將會對地方交通造成嚴重影響，同時對道路產生破壞。

4）地震。在諸多文獻中，都提到過頁巖氣開發是誘發地震的原因之一。水力壓裂可能誘發地震的原因是，高壓水力導致巖層能量的釋放。這種能量的釋放大部分是微小規模的，只有敏感的地震監測設備才能檢測到。到目前為止，沒有任何資料顯示頁巖氣開發跟地震發生的相關度。英國地質協會（BGS）發布的報告顯示，高壓水注入深度地層并導致巖層斷裂的都有可能誘發地震。由此可知，不僅是頁巖氣開發，地熱工程、原油開采等深度地層活動都有可能誘發地震。

5）輻射。隨著返排液帶到地表的天然放射性物質留存在巖屑中或者溶解在返排水中，或者在某些條件下，沉淀在廢渣或者淤渣里。這些天然性放射物質的輻射一般較弱，無法穿透鋼管等致密材料。那么油氣產業對天然放射性物質的主要關注是，這些天然放射性物質長年累月的沉淀在生產設備中，形成一定量（1 h超過5mrem或者連續5d超過100mrem）的輻射，需要為工人提供防護裝備。

1.2 頁巖氣開發對宏觀環境的影響

對頁巖氣開發需要辯證地去分析：如果項目在土地補償、資源節約、拆遷安置、社會公益、就業保障等方面做得好，獲得了當地居民的認可，那么該項目開發就有利于促進當地社會穩定發展；反之，該項目則可能產生很多社會問題，激發社會矛盾，降低社會穩定性，惡化法制環境。以下從社會環境、政策法律環境和經濟環境3個角度來分析頁巖氣開發的影響。

1.2.1 頁巖氣開發對社會環境影響

頁巖氣開發的社會環境影響是從區域發展的角度來說的，頁巖氣開發對區域社會發展有巨大的推動作用。這種推動作用主要表現在：通過頁巖氣開發項目建設改善當地道路、電力、通訊等基礎設施建設，促進當地城市化和工業化的發展進程，提高了社會生活質量，增加了社會福利，提升了社會文明程度。社會環境影響評價因子包括社會發展影響、社會文化適應、社會穩定影響和社會公益效益［6－8］。

1.2.2 頁巖氣開發對政策法律環境影響

頁巖氣開發項目作為社會經濟發展的載體和實現形式，不能與國家、地方法律法規相沖突，必須服從國家政策導向和地方區域發展規劃?；陧搸r氣開發項目是否符合國家政策導向和法律規定來評價其對政策法律的影響，并且將合法性作為評價指數［6－8］。

政策法律環境影響因子分為國家法律法規、區域戰略規劃和產業政策導向這3個層次。項目與國家法律之間的符合度主要考察頁巖氣開發項目在立項論證、中期考察和后期運營中有無違反國家法律程序和原則的內容或行為；開發項目與區域發展規劃的符合度主要考察頁巖氣開發是否屬于地方區域發展規劃內的項目，項目選址、融資等條件是否符合區域環境功能區劃；開發項目與國家產業政策的符合度主要是考察頁巖氣開發的立項是否符合國家相關產業政策導向。

1.2.3 頁巖氣開發對經濟環境影響

從區域經濟發展角度看，頁巖氣開發在帶動區域經濟發展中能夠起到重要作用，對后者的影響主要是：

開發項目的產值對地方GDP的貢獻巨大，最主要原因是，一旦頁巖氣開發成功，創造的產值將會以數十億甚至百億計，尤其是在中西部等經濟較不發達的地區，頁巖氣可能會成為該地區GDP的重要組成部分；頁巖氣開發過程中向地方和國家繳納各種稅費，例如安置補償費、土地征用補償費、排污費、生態補償費和資源稅等；頁巖氣開發會帶動地方配套產業和商業發展。由于頁巖氣開發過程會有巨大的物資輸入，此項需求將會帶動地方經濟發展，另外，頁巖氣開發出來以后，一些地方的天然氣發電、天然氣化工、建材等產業也將會受到較大的激勵；頁巖氣開發將會直接或間接帶動地方就業，拉進外部投資，對當地經濟發展有不可估量的促進作用。

選取區域GDP貢獻、配套產業拉動、區域財稅收入和居民收入貢獻這四個經濟環境因子來對其進行評價。這4個經濟環境因子的評價指標都是以比率的形式出現，這些數據大都在當地統計局可以得到［6－8］。

2 評價體系及評價方法

2.1 評價體系

按照系統評價模型的設計思路，把頁巖氣開發綜合環境影響評價的最終結果稱為環境影響評價總指數。與此相對應，綜合環境影響下面的分環境影響評價結果稱為環境影響評價分指數［9］，關系如圖1所示。

圖1 頁巖氣開發綜合環境影響評價體系圖

每個分指數下設環境因子以及對環境因子的評價指標，將評價指標分為自然生態環境和宏觀環境兩類。宏觀環境影響分指數包括社會環境影響評價分指數、政策法律環境影響評價分指數、經濟環境影響評價分指數，下設指標都是正指標。正指標是指評價指標的數值越大，對環境因子越有利，反之有害［9］。

2.2 自然生態環境影響評價

經過比較和篩選，采用環境綜合評價方法中的相關矩陣法對自然生態環境影響評價分指數進行評價。通過相關矩陣法，編制頁巖氣開發過程對自然生態環境影響矩陣（表2）。

假設Wj表示環境因素j在環境中的重要程度，即權重（用分數表示，∑Wj＝1），Mij表示開發行為i對環境要素j的影響大?。?＜Mij＜10）。其中，權重的設計是根據某環境要素在區塊所在地的重要程度決定的，如干旱地區水的權重比在水量豐沛的地區大。Mij的數值大小由專家結合以往開發案例的實際數值并根據區塊實際打分得到。

所有開發行為對環境要素j總的影響模型為：

開發行為i對整個環境總的影響模型為：

其中所有參數和變量如表2所示。

表2 頁巖氣開發過程對自然生態環境影響矩陣表

由于最終要與宏觀環境影響評價結果組成評價模型，需要通過閾值法對T值進行無量綱化。閾值是衡量事物發展的一種特殊指標值，如滿意值、不允許值、極大值、極小值等。閾值法是用指標實際值與閾值相比以得到指標評價值的無量綱化方法［10］。Tmax是T的最大值，Tmax＝10×8×6×1＝480。

其中T0為T值無量綱化數值，所有參數和變量同上。

2.3 宏觀環境影響評價

2.3.1 宏觀環境指標定量化分析

結合宏觀環境影響指標體系（表3），建立宏觀環境影響評價方法，針對這3種環境分別有一系列的評價指標來衡量頁巖氣開發的影響。

由于3個分指數的評價指標都為正指標，設每一個指標達標程度得分記0～1之間［11］。社會環境影響評價分指數和經濟環境影響評價分指數的評價指標一般為比率；政策法律環境評價影響分指數的評價指標為指標的得分都是由環境影響分析部門組織專家根據區塊特點，通過調查、分析得到［12］。

將社會環境影響評價、政策法律環境評價影響、經濟環境影響評價等分指數分別賦予權重為α、β、γ（令α＋β＋γ＝1）。3個權重在不同區域的不同宏觀環境下取值不同，具體數據由德爾菲法打分得到。

2.3.2 宏觀環境影響評價方法

最優值距離法評價環境影響，是以實際值效果與最優值效果的距離值來表示該活動或項目產生的影響的方法［13］。最優值距離法得到的數值結果表達的是開發活動產生的環境影響與效果最優值的差距，以此來配合頁巖氣開發對自然生態的負面影響，形成負面影響的加和值。

最優值距離法的基本思想是以最優值為對比標準，將各單位的實際值與最優值的相對差距作為單項評價值，通常將單項評價值的計算公式寫為：

評價值＝（1－實際值／最優值）×100

將此方法改進得到：

評價值＝［（最優值－實際值）2］1／2

在此，每個指標的實際值和最優值都定義在［0，1］范圍內。

3個分指數的每一個評價指標都依此計算，將3個分指數建立三維坐標，在坐標中計算綜合距離。

計算過程為：分別以3個分指數為ABC軸，建立三維坐標系。3個軸分別代表社會環境影響評價分指數（A軸）、政策法律環境評價影響分指數（B軸）、經濟環境影響評價分指數（C軸），3個軸的單位長度都為1。A軸所代表的社會環境影響分指數有9個評價指標，B軸所代表的政策法律環境影響分指數有3個評價指標，C軸所代表的經濟環境影響分指數有8個評價指標。

評價標準：3個分指數的分數值作為項目的3個坐標值來確定該點在坐標系中的位置，由于（9，3，8）這個點是最優值點，因此越靠近點（9，3，8）環境正影響效果越大；反之越小。不同區塊、不同項目的社會環境影響評價、政策法律環境影響評價、經濟環境影響評價評價的環境影響效果可以通過該點到點（9，3，8）的距離d來比較。此方法為最優值距離法的三維表達。

加入權重后得到計算模型：

式中d為距離最優值的距離；α、β、γ為權重；其他參數和變量同上。

d越大對環境正影響越小，d越小對環境正影響越大。由于最終要與自然生態環境影響評價結果組成評價模型，需要通過閾值法對d值進行無量綱化。dimax是d的最大值，是在確定了3個環境因子的權重之后確定的最優值。

式中d0為d無量綱化后的數值結果；其他所有參數和變量同上。

表3 宏觀環境影響指標體系表

2.4 綜合環境影響評價方法建模

將自然生態環境影響評價結果和綜合環境影響評價結果用閾值法無量綱化后相加，得到最終評價結果。

式中G為總影響，其他所有參數和變量同上。

由于模型中賦權和打分的通用性，根據G值，對不同地域和不同宏觀環境下的項目進行評價。G值結果越大，頁巖氣開發對環境影響越大，即對自然生態環境破壞越大，或者對社會環境、政策法律環境和經濟環境的正影響越?。豢傆绊憯抵礕結果越小，頁巖氣開發對環境影響越小，即對自然生態環境破壞越小，或者對社會環境、政策法律環境和經濟環境的正影響越大。對于頁巖氣開發運營商來說，G值越小越好。此結果可以用于頁巖氣開發項目環境影響有無比較和前后比較，也可以用于不同項目之間的橫向比較。

3 方法模型應用價值

1）從政策制定和監管角度。國家頁巖氣“十二五”發展規劃中，對于頁巖氣產業發展有宏觀層面的支持政策，但是沒有詳細的促進細則。這對于地方政府來說，擁有了較大的自主權。地方政府的支持政策對于頁巖氣在當地的開發具有很大的促進作用。本文所建模型可以通過更改權重和參數，針對當地的特點進行評價，從而對于政府做出決策有很大的幫助。

2）從區域社會、經濟發展角度。頁巖氣開發對于任何地方的宏觀環境尤其是經濟、社會發展，有很大的推動作用，只是這種推動作用會因為當地的經濟、社會發展程度的不同而有所差異。地方政府不能只看到頁巖氣開發對當地GDP或者文化發展帶來的好處，而應該加入自然生態環境因素進行全面衡量。本文所建模型可以用來做全面綜合評價。

3）從保護自然生態環境角度。頁巖氣開發對于水的需求和污染是頁巖氣開發對自然生態環境污染的最顯著的特點，地表水和地下水污染會導致農作物灌溉水和居民用水的污染，給人民的生活和健康帶來極大威脅；開發過程釋放大量溫室氣體助推了全球氣候變化；開發過程對地表植被等產生的影響等等。本文所建模型可以發現嚴重的污染源和敏感的環境因子，從而有針對性地減少對自然生態的破壞。

4）從權衡經濟發展與環境保護的角度。對于有潛在環境影響的項目，由于當地群眾擔心環境受到破壞而極力阻撓，有些地方接連發生流血沖突事件。這些事件主要是由于相關知識的不普及和溝通的不通暢導致的。本文所建模型不但包含了經濟、社會發展的影響，而且包含了對廣大群眾關注的自然生態環境影響。經過第三方或者相關專家分析打分之后，利用模型便可得到環境影響評價結果。這在一定程度上緩解了自然環境與經濟、社會、政策發展的矛盾。

［1］胡進科，李皋，陳文可，等.國外頁巖氣勘探開發綜述［J］.重慶科技學院學報：自然科學版，2011，13（2）：72－75.HU Jinke，LI Gao，CHEN Wenke，et al.Review on overseas exploration and exploitation of shale gas［J］.Journal of Chongqing University of Science and Technology：Natural Science Edition，2011，13（2）：72－75.

［2］New York State Department of Environmental Conservation.Well permit issuance for horizontal drilling and highvolume hydraulic fracturing to develop the Marcellus Shale and other low－permeability gas reservoirs.Revised Draft［R／OL］.Supplemental Generic Environmental Impact Statement on the Oil，Gas and Solution Mining Regulatory Program.http：∥www.dec.ny.gov／docs／materials＿minerals＿pdf／rdsgeisexecsum0911.pdf

［3］JIANG Mohan，GRIFFIN W M，HENDRICKSON C A，et al.Life cycle greenhouse gas emissions of Marcellus shale gas［J／OL］.Environmental Research Letters，doi：10.1088／1748－9326／6／3／034014.

［4］VENKATESH A，JARAMILLO P，GRIFFIN W M，et al.Uncertainty in life cycle greenhouse gas emissions from United States natural gas end－uses and its effects on policy［J］.Environmental Science ＆ Technology，2011，45（19）：8182－8189.

［5］STEPHENSON T，VALLE J E，RIERA－PALOU X.Modeling the relative GHG emissions of conventional and shale gas production［J］.Environmental Science ＆ Technology，2011，45（24）：10757－10764.

［6］郭亞軍，姚遠，易平濤.一種動態綜合評價方法及應用［J］.系統工程理論與實踐，2007，27（10）：154－158.GUO Yajun，YAO Yuan，YI Pingtao.A method and application of dynamic comprehensive evaluation［J］.Systems Engineering－Theory ＆ Practice，2007，27（10）：154－158.

［7］崔思華，班凡生，袁光杰.頁巖氣鉆完井技術現狀及難點分析［J］.天然氣工業，2011，31（4）：72－75.CUI Sihua，BAN Fansheng，YUAN Guangjie.Status quo and challenges of global shale gas drilling and completion［J］.Natural Gas Industry，2011，31（4）：72－75.

［8］彭非，袁衛，惠爭勤.對綜合評價方法中指數功效函數的一種改進探討［J］.統計研究，2007，24（12）：29－34.PENG Fei，YUAN Wei，HUI Zhengqin.Research on exponential effective function for comprehensive evaluation［J］.Statistical Research，2007，24（12）：29－34.

［9］茍建林，張吉軍.天然氣勘探開發項目綜合環境影響評價指標體系研究［J］.資源開發與市場，2012，28（6）：523－528.GOU Jianlin，ZHANG Jijun.Research on index system of comprehensive environmental impact assessment for natural gas exploration and development project［J］.Resource Development ＆ Market，2012，28（6）：523－528.

［10］張衛華，趙銘軍.指標無量綱化方法對綜合評價結果可靠性的影響及其實證分析［J］.統計與信息論壇，2005，20（3）：33－36.ZHANG Weihua，ZHAO Mingjun.The influence of undimensionalization on the reliability of comprehensive evaluation results and an empirical analysis［J］.Statistics ＆Information Forum，2005，20（3）：33－36.

［11］馮連勇，邢彥姣，王建良，等.美國頁巖氣開發中的環境與監管問題及其啟示［J］.天然氣工業，2012，32（9）：102－105.FENG Lianyong，XING Yanjiao，WANG Jianliang，et al.Shale gas development in the terms of environmental and regulatory issues［J］.Natural Gas Industry，2012，32（9）：102－105.

［12］李欣，段勝楷，孫揚，等.美國頁巖氣勘探開發最新進展［J］.天然氣工業，2011，31（8）：124－126.LI Xin，DUAN Shengkai，SUN Yang，et al.Advances in the exploration and development of U.S.shale gas［J］.Natural Gas Industry，2011，31（8）：124－126.

［13］賈品，李曉斌，王金秀.幾種典型綜合評價方法的比較［J］.中國醫院統計，2008，15（4）：351－353.JIA Pin，LI Xiaobin，WANG Jinxiu.Comparison of several kinds of typical comprehensive evaluation methods［J］.Chinese Journal of Hospital Statistics，2008，15（4）：351－353.