頁巖氣開發過程中的水資源水環境風險分析

秦 浩，陳 星，許 欽

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學研究院水文水資源研究所，江蘇 南京 210029)

頁巖氣作為一種新興的非常規天然氣資源，已成為全球油氣行業關注的焦點。資料顯示，我國頁巖氣的技術可采資源量居世界第一位，具有巨大的發展潛力[1]。我國南方海相頁巖地層是我國頁巖氣的主要富集地區，除此之外，松遼、鄂爾多斯、吐哈、準噶爾等陸相沉積盆地的頁巖地層也有頁巖氣富集的基礎和條件[2]。由于我國頁巖氣儲層普遍較深且開采技術不夠成熟，頁巖氣的勘探開發仍處于起步階段。

頁巖氣開發過程中一個不可忽視的問題就是對當地水資源水環境帶來的風險。頁巖氣開采過程需要使用并消耗大量的水資源，這可能會對開采地區造成一定程度的水資源分配壓力；頁巖氣開采產生的廢水含有大量化學試劑，排入地表水體會污染地表水；壓裂過程中注入地下的壓裂液如處理不當會對地下水水質產生威脅。

目前國內已有一些學者對頁巖氣開采的環境影響展開了研究，丁貞玉等[3]分析總結了美國頁巖氣開采在環境監管方面的經驗和技術，提出了我國在頁巖氣行業發展初期的水環境監管思路及技術方向。董普等[4]分析了頁巖氣開采過程中存在的環境問題，建立了頁巖氣開發環境目標與評價指標體系，并提出了相關政策性建議。邢文婷等[5]針對頁巖氣的特殊開采方式，建立了頁巖氣開發對生態環境影響的PSR模型。沈澤鋒[6]運用主成分分析法尋找頁巖氣開發地區水資源承載力影響主因及變化趨勢，提出了研究區塊頁巖氣開發的水資源保護對策。辜海林等[7]針對頁巖氣開采過程中水力壓裂和廢水回注對地下水的影響，采用DRASTIC模型分別建立了開采井區和回注井區的地下水脆弱性評價模型。張虹等[8]構建了頁巖氣開采地表水資源安全評價方法，以亞流域為單元，完成了2010—2020年重慶地區頁巖氣開采前后、不同開采強度下地表水資源安全的評價。

本文在分析頁巖氣開采的水資源水環境風險基礎上，建立了頁巖氣開發過程中水資源水環境風險評價指標體系，并選取典型區進行了定量分析。

1 頁巖氣開采過程中水資源水環境風險種類

1.1 水資源量風險

由于頁巖氣埋藏深度較深、頁巖巖性致密，頁巖氣井水力壓裂的耗水量是常規油氣井的50～100倍，單井壓裂用水量高達數萬立方米[9]。根據美國的生產經驗顯示，整個美國對頁巖氣儲層進行水力壓裂所需水量的中位數大約是1 500萬L，而且其中25%～90%的用水是被消耗的[10]。

我國的頁巖氣埋藏深度較美國普遍更深，特別是四川長寧-威遠地區頁巖埋藏深度達2 600～3 000 m，儲層厚度為20～800 m。因此我國在水力壓裂過程中的用水量會更大。有關調查資料顯示，中國平均每打一口頁巖氣井的耗水量為2.5萬m3[11]。根據《巖氣發展規劃(2015—2020年)》中提出的到2030年頁巖氣產量達到800億～1 000億m3的目標，我國需要打2萬口生產井，如果按單井用水量19 000 m3計算，預計將需要3.8億m3的水，相當于一個1 266萬人口的城市一年的用水量[12]，如此巨大的水資源需求勢必會影響開采地區的水資源分配。

此外，頁巖氣開采用水一個明顯的特點是特定時期內用水強度大。頁巖氣開發用水主要包括施工期用水(生產用水、生活用水)和運行期用水，其中超過90%的用水集中在關鍵的半個月至一個月的壓裂階段[13]，生活用水及運行期用水極少(見圖1)。由此可見，在頁巖氣開采的關鍵階段取水強度非常大，對取水水源地的水量穩定性有較高的要求，尤其是在季節性缺水的地區可能會造成短時間的供水緊張。

圖1 頁巖氣開采用水環節用水比例示意圖

1.2 地表水污染風險

頁巖氣開采的地表退水包括：①鉆井階段鉆井液；②壓裂階段壓裂返排液；③開采設備清洗水；④生活用水。其中以壓裂返排液為主。在壓裂過程結束后，有10%～70%的壓裂液會在之后的幾周至幾個月內回流到地面形成壓裂返排液。盡管在大多數情況下，壓裂返排液可用于重新配置壓裂液，但是仍有部分壓裂返排液達不到配置壓裂液的要求，需要對其進行處理。為了誘導儲層裂縫和保護開采設備，壓裂液中除了淡水，還包含了近750種化學試劑，包括減阻劑、殺菌劑、防垢劑、黏土穩定劑和表面活性劑等，其中除了咖啡色渣液、胡桃殼等無毒組分，還包含多種有毒物質(表1)。除了各種化學添加劑外，壓裂返排液中還包含巖層中浸出的烴類化合物、重金屬和大量的TDS等[14]，這些廢水會對當地的地表水環境造成嚴重威脅。首先，廢水會增加地表水中懸浮物和深沉污染物濃度，促進磷等營養物質的混入，導致地表水體富營養化[15]；其次，返排液中的重金屬及細菌等有害微生物會威脅當地的飲用水源；最后，返排液中的TDS雖然不會危害人體，卻限制了其農業灌溉和牲畜飲水的用途。

表1 壓裂液添加劑部分組成及常見用途

1.3 地下水污染風險

通過高壓注入氣井的壓裂液，除了一部分返排至地面，剩余的將會永久留在地下與地層水混合，包括壓裂液中的各種化學物質。這些混合了化學污染物的地層水，可能會通過巖層原有的裂隙以及壓裂產生的裂縫向上移動，逐漸滲入含水層，或通過破裂的氣井套管和附近廢棄的管井泄漏到含水層，污染地下水[16]。

頁巖氣開發對地下水產生污染風險主要包括鉆井和采氣兩個階段。鉆井階段對地下水產生污染主要有3種形式：①鉆井液長期與井壁接觸，通過井壁滲透進入地層；②鉆井設備漏油；③鉆井過程中遇到溶洞及較大裂縫時發生鉆漏。其中第3種方式對地下水污染面積最大，污染程度最深，必須避免該類事故發生。采氣階段中的壓裂過程對地下水水質的威脅是目前國內外爭議最大的問題之一[17]，壓裂過程對地下水產生的污染風險主要來自3個方面：①在高強度的水壓下，頁巖氣儲層中會產生大量微裂縫，這些微裂縫會逐漸與天然的大型斷裂連通，壓裂液和地層中天然存在的污染物會通過裂縫向上遷移進入上層含水層；②壓裂液和返排液經由井筒外層的縫隙遷移到含水層造成污染；③水力壓裂有可能將不同的含水層互相聯通，破壞地下水的穩定和平衡，從而威脅地下水水質[18]。

2 頁巖氣開發水資源水環境風險評價指標體系

2.1 評價指標體系建立

采用層次分析法建立風險評價指標體系。首先確定一個研究目標，即頁巖氣開采過程中的水資源水環境風險，構成目標層；然后在目標層下建立準則層。

按照層次分析法的指標選取的原則[19]，對常用的指標進行遴選，通過對相關研究成果的梳理，選出使用頻率較高、便于定量分析的12個指標構成頁巖氣開采過程中的水資源水環境風險評價指標體系，見表2。

表2 評價指標體系

注：其中水量均指單井。

2.2 評價指標權重判定

由于各指標對目標的影響程度不同，對評價目標影響越大的指標其權重也應越大，所以確定各指標在系統中的權重系數是進行風險綜合評價的關鍵。采用層次分析法(AHP法)來確定各指標的權重。

首先根據專家打分法對同一層次的指標進行兩兩比較建立判斷矩陣，然后求得各判斷矩陣的特征向量W(與判斷矩陣的最大特征值對應)，規范后的W=(W1,W2,…,Wn)T即為各指標在其類別中的權重。各指標在總目標中的權重為該指標在類別中權重與該類別在總目標中權重的乘積。最終得到各指標的權重，見表3。

表3 各指標權重

2.3 確定評價標準

根據國家對頁巖氣開發、能源產業的相關標準以及國內外相關頁巖氣開發項目的綜合分析，制定各指標的評價標準，見表4。

表4 各指標評價標準

3 典型區評價分析

四川某頁巖氣開發產能建設項目為一新建項目，開發區區域面積154 km2，頁巖氣總資源量達582億m3。該項目取水水源為地表河流水。根據項目建設規劃，項目施工期內(2014—2024年)取水總量為293.13萬m3，年平均用水量26.65萬m3；最大年用水量67.18萬m3，為2015年；最小年用水量15.43萬m3，為2023年。除2014—2017年安排有極少取用水量在枯期11—次年4月外，其余各年計劃取用水時間安排于汛期5—10月。該項目所有廢水不外排，經收集處理后送至回注井回注地層。

采用模糊數學法進行單指標評價，首先計算每個指標的隸屬度，C1的隸屬度根據如下函數進行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其他指標隸屬度以此類推，計算得到單指標評判矩陣R，見表5。

表5 單指標評判矩陣

根據各指標權重分配W，則模糊層次綜合評判結果為

B=WR=(b1，b2,…,bn)

(6)

綜合評價結果即為b*=max(b1，b2，…bn)所對應的評價等級。

該頁巖氣開發項目水資源水環境風險評價結果見表6。結果顯示，該頁巖氣開發項目水資源水環境風險評價的整體結果為較高風險，其中，水資源量風險評價等級為低風險，地表水污染風險評價等級為較低風險，地下水污染風險評價等級為較高風險。

在水資源量風險中，由于該項目區域頁巖氣埋藏深度較深，因此水力壓裂所使用的水量較大，取水量這一指標顯示為較高風險。但該項目所用水源為地表水，故地下水取水量這一指標為低風險，同時項目所在地區氣候濕潤，降雨量充沛，開采區年均降雨量這一指標為較低風險，因此水資源量風險的綜合評價結果為低風險。

在地表水污染風險中，該項目所有生產廢水包括鉆井廢水和洗井壓裂廢水經預處理回收利用，與采氣集氣生產廢水集于廢水收集設施后，全部送至回注井回注地層。工程施工期間生活污水集中收集后用于農田施肥，不外排，因此廢水排放量指標為低風險。同時由于污水收集系統存在漏損現象，故污水收集處理率為較低風險。地表水污染風險綜合評價等級為較低風險。

在地下水污染風險中，該項目壓裂液使用量較大，返排至地表的廢水在經過處理后大部分采用了回注地層的處置方式，因此滯留地下壓裂液的量這一指標評價結果為較高風險。同時由于該地區地下水埋深較淺、凈補給量大，這兩個指標評價結果均為較高風險，容易造成污染物的泄漏和擴散，因此地下水污染風險較高。

4 結 語

本文建立了頁巖氣開采水資源水環境風險評價指標體系，綜合考慮了水資源量風險、地表水污染風險以及地下水污染風險，有助于定量化研究頁巖氣開采對于水資源水環境的影響。運用該評價體系對四川某頁巖氣項目進行了風險評價，結果顯示，該項目水資源水環境風險整體情況為較高風險，主要原因是該項目廢水采取了全部回注地下的處理措施，對地下水污染威脅較大，同時該項目地區地下裂隙發育，地下水埋深淺，地下水凈補給量大，容易形成污染物的遷移和擴散。