頁巖氣入井流體環(huán)境影響評價指標體系探討

張 義，康遠波，陳朝剛，張健強

(1.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室，重慶市頁巖氣資源與勘察工程技術(shù)研究中心，重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400000；2.重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，重慶 401120)

1 引言

頁巖氣開發(fā)引發(fā)全球能源革命，美國及加拿大率先實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，中國相繼在涪陵區(qū)塊及長寧威遠區(qū)塊取得勘探開發(fā)重大突破，并實現(xiàn)商業(yè)開采。在頁巖氣開發(fā)帶來的巨大油氣資源前景和經(jīng)濟效益的同時，也帶來了一系列的環(huán)境問題，尤其是水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅帶來了水資源挑戰(zhàn)，還引發(fā)了環(huán)境污染問題。根據(jù)以往資料及案例分析，認為頁巖氣開采主要存在水資源大量消耗、水資源污染、甲烷泄漏及噪音污染4個方面的環(huán)境問題。針對頁巖氣開發(fā)的環(huán)境問題美國、加拿大從政府到州層制定了較為完備法規(guī)及標準，約束規(guī)范頁巖開采。我國頁巖氣勘探開發(fā)也取得重大突破，成功實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)與利用，同時環(huán)境問題也日漸凸顯，而環(huán)境保護及相關(guān)標準層面，相對欠缺，主體仍在參照通用的環(huán)境保護法規(guī)及標準。

該研究針對頁巖氣開發(fā)入井流體對環(huán)境的影響問題，通過統(tǒng)計對比及專業(yè)特殊性，篩選出入井流體環(huán)境影響評價指標，指導(dǎo)頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護。

2 頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響分析

2.1 水資源大量消耗

已公開的頁巖氣水平井水力壓裂參數(shù)數(shù)據(jù)顯示，重慶市涪陵焦石壩地區(qū)26口頁巖氣井水力壓裂共用水794534.3 m3，平均每口井用水30559萬m3，焦頁12-4HF井用水最多，達46140.7 m3；四川省自貢市榮縣金頁1HF井壓裂用水約30000 m3；長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)5口頁巖氣水平井壓裂平均用水20931 m3，2015年8月威頁1HF井壓裂用水29000 m3，追求精細化分層，產(chǎn)能最大化形勢下用液量還有增大趨勢。按照國家能源局規(guī)劃，2020年全國頁巖氣產(chǎn)量將達到300億m3，按現(xiàn)行單井產(chǎn)能情況，需要實施開發(fā)井3000余口，加之開發(fā)區(qū)域相對集中，若取水考慮不當，勢必對區(qū)域水資源供給產(chǎn)生較大影響。

2.2 水資源污染

頁巖氣開采中水源污染分為地下水污染和地表水污染。頁巖氣開發(fā)對地下水的污染威脅主要包括4種類型：鉆井過程中的泄漏；壓裂過程中的地下水污染；返排水和產(chǎn)出水污染；完井失敗造成的地下水污染。

2.2.1 鉆井過程中的泄漏

鉆井過程中鉆遇異常低壓地層或裂縫，會造成鉆井液漏失，引發(fā)地下水污染。頁巖氣鉆井過程中，若發(fā)生嚴重的井漏，會使鉆井液通過裂縫、孔隙或溶洞進入地層并通過流體的遷移作用污染淺層地下水。如焦石鎮(zhèn)江東街道稻莊村陳家新屋側(cè)溶洞水源,在鉆孔之前,常年水量穩(wěn)定,供附近10戶36人日常用水,鉆孔之后即刻導(dǎo)致原溶洞水出露點干涸，而在低于原出露點13 m的位置出露，但是水質(zhì)較原來渾濁。

2.2.2 壓裂過程中的地下水污染

在斷裂發(fā)育區(qū)，壓裂液可能直接通過斷裂、裂縫系統(tǒng)自地下深處緩慢向上遷移至地表或淺層，并通過污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化造成淺層水資源的污染。美國環(huán)境保護署于2011年12月公布的俄明州Pavillion頁巖氣田地下水污染初步調(diào)查報告中指出：水力壓裂法與地下水源污染有關(guān)。2015年11月，位于新場往連界方向發(fā)生一起壓裂引發(fā)的環(huán)境污染事件，壓裂液直接從地下通過斷層滲流出地表，造成當?shù)氐乇淼奈廴尽?/p>

2.2.3 返排水和產(chǎn)出水污染

水力壓裂完成之后，大部分壓裂液回流到地面，其中不僅含壓裂液自身的化學物質(zhì)，如抑制細菌生長的鹽酸、戊二醛等抗菌劑，含有較高的COD、金屬元素和總?cè)芙庑怨腆w(TDS)，還有壓裂目標層內(nèi)已存在地下數(shù)百萬年的束縛水中通常含有高濃度的鹽類、苯、砷和汞等污染物，以及伴生放射性物質(zhì)；這些有毒污水先儲存在現(xiàn)場，然后再轉(zhuǎn)移到污水處理廠或回收再利用，過程中可能滲入地下或隨雨季到來外溢，進而污染地下水和地表水。

鉆井廢水是鉆井泥漿的高倍稀釋物和油類的混合物，包含了無機物、有機聚合物、油類物質(zhì)、粘土和加重材料等，具有成分復(fù)雜、水質(zhì)多變、COD濃度高、色度高及可生化性差等特點。這些物質(zhì)進入地表水體后不僅會污染水體，還可能間接對人類和動植物造成危害。美國麻省理工學院( MIT)在2011年發(fā)表的天然氣年度報告中指出:2001—2010年的10年間完鉆的頁巖氣井發(fā)生了43起廣泛報道的水污染事故，其中48%涉及鉆井液和壓裂液污染地下水資源，33%涉及現(xiàn)場污水泄漏，10%涉及返排水和空氣質(zhì)量，9%涉及現(xiàn)場污水外排。

2.2.4 完井失敗造成的地下水污染

完井過程中，水泥如未完全密封環(huán)空，天然氣、壓裂液和含有高濃度溶解固體的地層水就可能沿井筒直接進入可飲用水含水層。泄漏的甲烷進入到飲用水層，可造成飲用水混濁，當甲烷濃度達到 10mg/L 的極端情況時會發(fā)生爆炸。據(jù)統(tǒng)計，在2008—2013年間，賓夕法尼亞州6466口非常規(guī)氣井施工過程中出現(xiàn)219次故障，故障率達到了3.4%，其中套管和水泥膠結(jié)的故障率為1%～2%。國內(nèi)的涪陵頁巖氣田截至2015年3月有99 口井投產(chǎn)，53口井一級套管頭帶壓，57口井二級套管頭帶壓，33口井一二級套管頭同時帶壓，76口井出現(xiàn)不同程度的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

2.3 甲烷泄漏

在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，甲烷氣體向淺層地下水遷移，引起地下水甲烷含量超標。有研究者發(fā)現(xiàn)，距頁巖氣生產(chǎn)井直徑1km范圍內(nèi)淺水井中具有高濃度的甲醛。賓夕法尼亞州和紐約州68個私有水井中的甲烷含量超標，有些地區(qū)自來水中冒出的氣體還可以被點燃，研究證實，甲烷污染飲用水的現(xiàn)象與水力壓裂法開采頁巖氣有密切關(guān)系。

2.4 噪音污染

與常規(guī)油氣藏的水力壓裂相比，頁巖氣藏水力壓裂作業(yè)規(guī)模大、排量高，一般在12～14 m3/min之間，壓裂車施工時產(chǎn)生的噪音巨大，對壓裂現(xiàn)場附近居民的生活會造成一定影響。

3 頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管現(xiàn)狀及關(guān)鍵標準要求

美國一直注重用立法來規(guī)范行業(yè)和各類環(huán)境管理計劃，以此改善行業(yè)環(huán)境績效。在頁巖氣開發(fā)初期，美國所有與常規(guī)油氣資源開發(fā)相關(guān)的環(huán)境監(jiān)管體系同樣適用于頁巖氣，如關(guān)于水污染監(jiān)管的《清潔水法》和《安全飲用水法》、關(guān)于空氣污染監(jiān)管的《清潔空氣法》和《危險性空氣排放標準》等，這些法規(guī)相對有效地保護了美國人最基本的生存環(huán)境。針對頁巖氣開出現(xiàn)的新問題，美國聯(lián)邦政府和州政府制定的環(huán)境監(jiān)管措施涉及頁巖氣勘探、選址、鉆井、水力壓裂、地表水及地下水污染防控、空氣污染防控等方面，為美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。如實行嚴格的環(huán)境影響評價制度；以州政府為主實行水環(huán)境監(jiān)管，許多州出臺了頁巖氣壓裂液和返排液處理要求的具體規(guī)定；出臺防范頁巖氣開發(fā)空氣污染的專門法規(guī)；支持頁巖氣企業(yè)研發(fā)環(huán)境友好技術(shù)。

加拿大則由石油生產(chǎn)商協(xié)會(CAPP)2011年發(fā)布了《巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)指導(dǎo)條例》，明確要求加強水資源管理，加強水和液體使用信息的披露。該條例具體內(nèi)容包括：通過合理的鉆井施工管理，對地表和地下水資源的質(zhì)量和數(shù)量進行保護；對施工用水進行循環(huán)回收利用，盡量使用清潔水的替代物；測量和公布水資源利用情況，減少對環(huán)境影響；支持環(huán)保型壓裂液添加劑的開發(fā)，向公眾公布壓裂液添加劑的成分等。

而在我國，首先，從法律法規(guī)層面，涉及頁巖氣開發(fā)的國家層面環(huán)境保護法規(guī)主要有《環(huán)境保護法》、《水污染防治法》等，涉及標準主要是《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》、《地下水質(zhì)量標準》、《污水綜合排放標準》，地方層面法規(guī)主要有山東、黑龍江、遼寧等7個省( 自治區(qū)、直轄市) 出臺的石油天然氣勘探開發(fā)環(huán)境保護條例，四川發(fā)布的《四川省頁巖氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》；其次，從技術(shù)規(guī)范層面，目前僅有《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則-陸地石油天然氣開發(fā)建設(shè)項目》，尚沒有廢水地下灌注環(huán)境管理方面的相關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范，涪陵地區(qū)明文規(guī)定禁止油田污水回注地下，而頁巖氣廢水灌注可能帶來的環(huán)境影響和環(huán)境可行性論證已成為環(huán)境管理工作的難點之一；再次，從環(huán)境監(jiān)管角度，由于我國還未制定頁巖氣開發(fā)過程污染物控制標準體系，導(dǎo)致其日常環(huán)境監(jiān)管難以有效執(zhí)行；最后，從監(jiān)管模式角度，當前我國頁巖氣開發(fā)的環(huán)境監(jiān)管參照的是常規(guī)油氣管控體系和模式，未能全面考慮頁巖氣作為一類新礦種開發(fā)帶來的特殊環(huán)境問題，也沒有具有針對性的特殊規(guī)定。

4 頁巖氣入井流體環(huán)境影響評價指標體系構(gòu)建

4.1 指標篩選方法

目前用于頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響評價相關(guān)指標篩選的方法主要包括頻數(shù)統(tǒng)計、專家評分、層次分析法、理論分析、變異系數(shù)法、主成分分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。針對宏觀性影響評價頻數(shù)統(tǒng)計法應(yīng)用最為普遍。本項目通過文獻計量學、理論分析法和頻數(shù)統(tǒng)計法，對當前有關(guān)地下水環(huán)境評價的行業(yè)指標進行匯總甄選，確定頁巖氣開發(fā)過程中的通用評價指標，同時對國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)相關(guān)入井流體及返排液排放標準，以及現(xiàn)場評價與檢測結(jié)果對比分析，確定入井流體環(huán)境影響評價個體指標。

4.2 頁巖氣入井流體環(huán)境影響具體作用方式

頁巖氣開發(fā)入井流體主要為鉆井液及壓裂液，實際對地下淺層水影響的物質(zhì)有二方面：①入井的鉆井液及壓裂液中添加的各種化學添加劑；②入井壓裂液與地層作用后返排時從深層地下帶出的高濃度礦物質(zhì)及可能的輻射元素。入井流體對環(huán)境影響體現(xiàn)具體方式主要有三方面：①鉆井液(水基、油基)、完井液在高于地層壓力下通過滲或漏失進入地下淺水層，壓裂液(新配制和廢水處理后重復(fù)利用)通過地下斷層穿透進入地下淺水層；②鉆井廢液和壓裂返排液地表非正常原因下發(fā)生滲漏污染地表土壤，甚至嚴重下滲進入地下水層或在雨水運移下進入地表水系；③壓后返排和生產(chǎn)期間，入井液伴隨地層水的混合液通過套管竄漏進入地下淺水層。

4.3 入井材料成分分析

鉆井液的主要成分有：水，如淡水、鹽水、咸水或飽和鹽水等；膨潤土，如鈉膨潤土、鈣膨潤土、有機土或抗鹽土等；化學處理劑有無機類、有機類、表面活性劑類、高聚合物類或生物聚合物類等；油類，如柴油等。環(huán)保性能測試顯示常用鉆井液除作為有機降粘劑的鐵鉻鹽高毒外，其余基本為無毒和微毒。生物降解性評價顯示普遍較難降解。鉆井廢水主要污染物負荷為化學需氧量(COD)、總有機碳(TOC)、懸浮物(SS)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、氨氮、氯化物及少量石油類等(表1)。

表1 鉆井廢水離子分析結(jié)果-涪陵

壓裂液主要采用滑溜水，是由清水及多種有毒有害添加劑組成，其中的添加劑就包括了：減阻劑、防垢劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑等化學物質(zhì)，常見壓裂液配方見表2。除添加劑外液體中還存在一定量的烴類物質(zhì)、重金屬、微生物及總?cè)芙夤腆w(TDS)等(表3)。

表2 常用壓裂液體系

表3 壓裂液成分對照

表4 各頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)返排水水質(zhì)分析結(jié)果對比

4.4 指標體系構(gòu)建

綜上，本研究以頁巖氣開發(fā)入井流體為主導(dǎo)，以地下水污染風險評價為目標，綜合采用文獻計量學和頻數(shù)統(tǒng)計法，篩選出9個地層特性指標(地層傾角、地下水層埋深、地表土壤介質(zhì)、含水層巖性、含水層導(dǎo)水系數(shù)(孔隙度、滲透率)、淺層溶洞裂縫發(fā)育情況、深層斷裂情況、褶皺發(fā)育情況、水層下隔層條件)，2個理化指標(常規(guī)污染負荷指標(氨氮、總硬度、硫酸鹽、亞硝酸鹽、CODCr、BOD5、pH、高錳酸鹽指數(shù)、石油類、Cl-、礦化度和溶解性總固體)和特征污染源指標(苯系物、放射性物質(zhì)和甲烷含量及其碳同位素形態(tài)等))以及6個個例特性指標(壓裂液返排率、鉆井廢水產(chǎn)生量、壓裂廢水產(chǎn)生量、鉆井泥漿循環(huán)率和設(shè)備泄漏概率)。

4.4.1 指標分類

將以上各指標性質(zhì)再次整合后，劃分成3類指標表征。

(1)第1類為理化指標，包含2個指標，即常規(guī)污染負荷指標(氨氮、總硬度、硫酸鹽、亞硝酸鹽、CODCr、BOD5、pH、高錳酸鹽指數(shù)、石油類、Cl-、礦化度和溶解性總固體)和特征污染源指標(苯系物、放射性物質(zhì)和甲烷含量及其碳同位素形態(tài)等)；

(2)第2類為地層特性指標，包含9個指標，即地層傾角、地下水層埋深、地表土壤介質(zhì)、含水層巖性、含水層導(dǎo)水系數(shù)(孔隙度、滲透率)、淺層溶洞裂縫發(fā)育情況、深層斷裂情況、褶皺發(fā)育情況、水層下隔層條件)；

(3)第3類為個例特性指標，包含6個指標，即壓裂液返排率、鉆井廢水產(chǎn)生量、壓裂廢水產(chǎn)生量、鉆井泥漿循環(huán)率、完井質(zhì)量和設(shè)備泄漏概率。

4.4.2 指標分級

針對所選的評價指標，在充分考慮其影響程度及可控性下進行重要性分級，根據(jù)重要性大小依次分為一級、二級、三級。

(1)入井材料的理化指標直接影響地下水水質(zhì)安全，對地下水安全影響程度大，且技術(shù)瓶頸及客觀實際下，人為控制難度大，設(shè)定為一級指標。

(2)地層特性指標直接反應(yīng)污染物質(zhì)傳播至地下水的途徑及條件，其中含水層巖性、含水層導(dǎo)水系數(shù)、淺層溶洞裂縫發(fā)育情況、深層斷裂情況、褶皺發(fā)育情況對污染源傳播影響大，且人為控制難度大，劃為一級指標，其余地層傾角、地下水層埋深、地表土壤介質(zhì)、水層下隔層條件對污染源傳播影響稍小，且不受人為控制，劃為二級指標。

(3)個例特性指標影響程度稍小，且人為控制相對容易，整體劃為三級指標，頁巖氣開發(fā)對地下水污染風險評價指標體系見表5。

表5 頁巖氣入井流體環(huán)境影響評價指標體系

5 結(jié)論

(1)頁巖氣開發(fā)是一把雙刃利劍，在獲得清潔能源的同時，也給自然環(huán)境帶來眾多影響，目前開采對環(huán)境影響最大的主要是水資源污染問題，特別是在地下，存在滯后性，非短時間能體現(xiàn)。

(2)國內(nèi)頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護法規(guī)及標準還不夠健全，尚需要進一步細化。

(3)入井流體為頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對比研究優(yōu)選的2個理化指標、9個地層特性指標及6個個例特性指標，有效代表了入井流體對地下水影響的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以為入井流體環(huán)境保護提供依據(jù)。

(4)所優(yōu)選的評價指標為定性評價，地下環(huán)境尤其復(fù)雜，下步需要進一步運用毒理性實驗、分析軟件及大型物模實驗等方法進行系統(tǒng)全面評價，以實現(xiàn)定量化分析。