川南頁巖氣區(qū)塊生命周期用水核算＊

桂玉茹 賈婉玲 曾 勇

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院；2.重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.北京市油氣污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

頁巖氣是儲(chǔ)藏于頁巖烴源巖地層中可供開發(fā)的典型非常規(guī)天然氣能源，主要成分為甲烷，是一種高效、環(huán)境友好型的化工原料和資源[1-3]。川南地區(qū)頁巖氣資源較為豐富，儲(chǔ)量達(dá)4.13～8.48萬億m3，主要包括威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧和昭通區(qū)塊[4]。前期調(diào)查結(jié)果表明，各區(qū)塊間的工藝、物耗、能耗和水耗相差不大。頁巖氣開采采用水力壓裂技術(shù)，而水力壓裂液的配制需要消耗大量水資源。川南地區(qū)人均水資源量為923 m3，屬于缺水地帶。因此，對(duì)川南頁巖氣區(qū)塊用水的核算，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)利用有重要意義。

目前的研究大多針對(duì)直接用水，Wang等研究發(fā)現(xiàn)四川頁巖氣區(qū)塊直接用水量達(dá)24 500 m3/井[5]，但未計(jì)算間接用水量；Yang等發(fā)現(xiàn)重慶涪陵頁巖氣區(qū)塊平均直接用水量為27 490 m3/井[6]；美國(guó)Marcellus頁巖氣區(qū)塊直接用水量平均為12 000 m3/井(2 600～21 000 m3/井)，而物料、能源消耗的間接用水量平均為7 900 m3/井(4 100～12 000 m3/井)[7]；North Dakota地區(qū)巴肯石油公司2012年油田生活用水是當(dāng)年水力壓裂用水量的一半[8]。以上資料表明，除直接用水外，頁巖氣生產(chǎn)的間接用水和生活耗水也不可忽視，需將生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法引入到頁巖氣開采過程的用水評(píng)價(jià)中，重視間接用水。

目前較少有研究系統(tǒng)地核算過川南區(qū)塊生命周期間接用水，也缺乏同國(guó)外典型區(qū)塊用水的比較。本文通過對(duì)川南區(qū)塊開采生命周期的直接和間接用水量核算，與Marcellus區(qū)塊的直接和間接用水量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外用水差異，分析原因，并提出改進(jìn)對(duì)策，以提高我國(guó)頁巖氣開采用水管理水平。

1 分析方法及數(shù)據(jù)來源

LCA是從系統(tǒng)的角度對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包括原材料的獲取、使用、制造、循環(huán)到最終處理等階段進(jìn)行詳盡的評(píng)估，進(jìn)而得到生命周期各階段和整體的狀態(tài)，為產(chǎn)品性能的分析提供更完整和有效的信息[9]。LCA可分為4個(gè)層次，即目標(biāo)和范圍界定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)論分析[10]。LCA在環(huán)境影響分析中的應(yīng)用越來越廣泛，1969年美國(guó)可口可樂公司運(yùn)用LCA方法分析其飲料容器對(duì)環(huán)境的影響；20世紀(jì)80、90年代，北歐多國(guó)運(yùn)用LCA在全球變暖、臭氧層和光化學(xué)煙霧等環(huán)境熱點(diǎn)領(lǐng)域展開一系列研究。但隨著評(píng)價(jià)方法的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)單一的LCA方法存在一定的不確定性。因此，Zufia和Arana[11]對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了優(yōu)化，采用全過程的LCA對(duì)新西蘭的蘋果生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估，王玉[12]運(yùn)用基于過程生命周期評(píng)價(jià)分析建筑碳排放，郭金花[13]采用投入產(chǎn)出生命周期方法(EIO-LCA)對(duì)蔬菜種植系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估分析。綜上可知，LCA對(duì)量化各行業(yè)產(chǎn)品的環(huán)境影響有重要作用，能減少產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)損失，是改進(jìn)生產(chǎn)方案的重要手段[14]。

本文不僅關(guān)注頁巖氣開采過程中的直接和間接用水總量，同時(shí)計(jì)算研究了頁巖氣開采生命周期各階段的用水特點(diǎn)。LCA方法是一種有效的環(huán)境影響管理工具[15]，能探討頁巖氣開發(fā)全過程的用水規(guī)律，有助于全面理解頁巖氣開發(fā)對(duì)水資源的影響。本文采用基于過程清單的過程生命周期評(píng)估(PLCA)方法核算直接用水量，根據(jù)工藝過程物料、能源的使用情況和投入產(chǎn)出表，采用EIO-LCA核算間接用水量。

1.1 分析方法

1.1.1 評(píng)價(jià)范圍

將頁巖氣開采生命周期劃分為井場(chǎng)準(zhǔn)備、鉆井、水力壓裂、產(chǎn)氣、集輸和閉井6個(gè)階段，不考慮頁巖氣的分配和最終使用。

1)井場(chǎng)準(zhǔn)備階段

井場(chǎng)準(zhǔn)備階段即為鉆前工程階段。直接用水主要包括道路建設(shè)、平整井場(chǎng)和輔助設(shè)施建設(shè)。其中道路建設(shè)和平整井場(chǎng)無明顯用水，僅計(jì)算輔助設(shè)施建設(shè)的用水，如污水池、淡水蓄水池、固化填埋池、放噴池建設(shè)配制水泥的用水。間接用水是指各階段投入的供應(yīng)鏈產(chǎn)品用水，包括投入的物料、能源、人員等產(chǎn)品和服務(wù)用水，此階段為生產(chǎn)鋼筋、水泥、沙石產(chǎn)品所隱含的水資源。

2)鉆井階段

鉆井階段主要包括鉆井和固井。直接用水主要是鉆井液和水泥漿的配制所消耗的水資源；間接用水主要包括生產(chǎn)柴油、用電、套管用鋼、油基泥漿添加劑和水基泥漿添加劑所消耗的水資源。

3)水力壓裂階段

壓裂和完井階段通常包括洗井、射孔、壓裂和試生產(chǎn)過程。直接用水主要集中在壓裂液的配制；間接用水主要包括柴油、壓裂液添加劑所消耗的水資源。

4)產(chǎn)氣階段

產(chǎn)氣階段主要包括頁巖氣生產(chǎn)和生產(chǎn)水的回收、循環(huán)和處理。此階段沒有明顯的直接用水，主要是壓裂液和地層水的返排液；間接用水隱含在用電和機(jī)油的投入中。

5)集輸階段

集輸階段主要是對(duì)頁巖氣進(jìn)行氣液分離和計(jì)量，增壓后輸送至脫水站，再經(jīng)脫水處理后外輸。此階段無明顯的直接用水，主要是氣液分離后的生產(chǎn)水；間接用水體現(xiàn)在用電、用鋼和三層PE防腐管。

6)閉井階段

采氣完成后須用水泥封堵內(nèi)外井眼，并拆除井口設(shè)備，清理場(chǎng)地，恢復(fù)原有地貌。直接用水是水泥漿配制用水；間接用水主要是生產(chǎn)水泥的用水。

頁巖氣開采生命周期各階段直接用水均包含生活用水。

川南地區(qū)頁巖氣生命周期用水過程見圖1。

圖1 川南地區(qū)頁巖氣生命周期用水過程

1.1.2 直接用水計(jì)算方法與參數(shù)

采用PLCA方法，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查詢問，整理得出川南地區(qū)頁巖氣生命周期直接用水計(jì)算清單和參數(shù)，見表1。

表1 川南地區(qū)頁巖氣生命周期直接用水計(jì)算清單和參數(shù)

1.1.3 間接用水計(jì)算方法與參數(shù)

投入產(chǎn)出表是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)各部門之間生產(chǎn)中的投入和使用組成的實(shí)物或價(jià)值平衡表[16]，是投入產(chǎn)出模型分析的核心內(nèi)容和重要工具。根據(jù)投入產(chǎn)出表可計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

完全用水系數(shù)包括直接用水系數(shù)和間接用水系數(shù)，即一個(gè)部門生產(chǎn)單位產(chǎn)品帶來的整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系用水量的增加量。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中包含一定數(shù)量的各部門產(chǎn)品為中間投入，中間投入在生產(chǎn)過程中也需要用水。這部分用水雖然發(fā)生在其他部門，但卻是為了滿足該部門生產(chǎn)需求產(chǎn)生的，所以也應(yīng)計(jì)入該部門的總用水量，這中間投入的用水就是間接用水。完全用水系數(shù)是在直接用水系數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的，見公式(1)。

BW=[(I-A)-1-I]AW

(1)

式中：BW為完全用水系數(shù)列向量；AW為直接用水系數(shù)列向量；I為單位矩陣；A為投入產(chǎn)出表直接消耗系數(shù)矩陣。

根據(jù)各物料、能源用量和完全用水系數(shù)，計(jì)算各階段投入的物料和能源所在行業(yè)的間接用水量，見公式(2)。

(2)

式中：W′i為行業(yè)i的間接用水量，m3；pi,j為使用的i行業(yè)產(chǎn)品j的產(chǎn)值，萬元；j為產(chǎn)品1，2，…n；Bi是行業(yè)i的完全用水系數(shù)，m3/萬元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

計(jì)算頁巖氣開采生命周期間接用水需要各行業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)、投入產(chǎn)出表以及開采過程中使用的各物料、能源的產(chǎn)值，數(shù)據(jù)來源如下：①各行業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)來自2010年《四川省行業(yè)用水定額》；②產(chǎn)值和直接消耗系數(shù)來自2012年《四川省經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出表》；③各階段物料、能源用量來自實(shí)地調(diào)研和2015年《長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通三個(gè)區(qū)塊頁巖氣開發(fā)產(chǎn)能建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 取水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

投入的物料和能源劃分為5個(gè)行業(yè)，各行業(yè)的用水系數(shù)見表2。

表2 川南地區(qū)頁巖氣開采相關(guān)行業(yè)的用水系數(shù)

由表2可知，直接取水系數(shù)中化學(xué)行業(yè)系數(shù)最大，表明鉆井和壓裂過程的添加劑使用量對(duì)間接用水影響大；完全取水系數(shù)中化學(xué)、金屬冶煉和電力、熱力行業(yè)系數(shù)較大，說明鉆井和壓裂過程中的添加劑使用量、套管使用量和用電消耗是導(dǎo)致間接用水增加的主要因素。

2.2 物料、能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

川南區(qū)塊頁巖氣開采各階段所需要的物料和能源統(tǒng)計(jì)如表3所示。與Marcellus區(qū)塊的物料、能源使用量相比較[17-19]，在井場(chǎng)準(zhǔn)備和閉井階段，川南區(qū)塊的主要物料、能源使用量均小于Mrcellus區(qū)塊，這與兩個(gè)區(qū)塊的工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[20]有關(guān)。其他階段川南區(qū)塊的主要物料、能源使用量均大于Mrcellus區(qū)塊，說明川南區(qū)塊能源、物料使用效率均低于Marcellus區(qū)塊。尤其是鉆井和壓裂階段的化學(xué)產(chǎn)品和能源產(chǎn)品的使用效率遠(yuǎn)低于Marcellus區(qū)塊，將導(dǎo)致川南區(qū)塊頁巖氣開采間接用水量增大。

表3 頁巖氣開采各階段主要物料和能源消耗量比較

2.3 直接用水量核算與比較

計(jì)算得到川南地區(qū)頁巖氣生命周期各階段用水量，并與Marcellus區(qū)塊生命周期用水量[21]相比較，見表4。

表4 頁巖氣開采用水量比較 m3/井

川南區(qū)塊總直接用水量為22 928 m3/井，其中壓裂階段平均直接用水量高達(dá)21 468 m3/井，占總直接用水量的93.6%。Marcellus區(qū)塊總直接用水量為15 320 m3/井，其中壓裂階段用水量為15 000 m3/井，占總直接用水量的97.9%。鉆井和壓裂兩個(gè)階段川南區(qū)塊直接用水量均遠(yuǎn)大于Marcellus區(qū)塊。結(jié)合表5水資源管理指標(biāo)比較[22]，川南區(qū)塊頁巖氣開采過程中的鉆井液循環(huán)率和壓裂液返排率均高于Marcellus區(qū)塊，壓裂液回用率稍低于Marcellus區(qū)塊，表明兩者水資源管理水平相當(dāng)。綜上所述，川南區(qū)塊直接用水量大的原因是低滲透率、低孔隙度、黏土含量大的氣藏條件和較長(zhǎng)的水平段長(zhǎng)度所導(dǎo)致的壓裂作業(yè)量大、儲(chǔ)層可改造性差[23]，因而直接用水量更大。

表5 頁巖氣開采水資源管理指標(biāo)比較 %

如前所述，Wang等研究發(fā)現(xiàn)四川頁巖氣區(qū)塊直接用水量達(dá)24 500 m3/井左右[5]，《威遠(yuǎn)頁巖氣田年產(chǎn)50億立方米開發(fā)方案環(huán)境影響報(bào)告書》和《長(zhǎng)寧頁巖氣田年產(chǎn)50億立方米開發(fā)方案環(huán)境影響報(bào)告書》中統(tǒng)計(jì)威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧頁巖氣區(qū)塊直接用水量為22 263 m3/井。本文計(jì)算的總直接用水量為22 928 m3/井，處于兩者之間，計(jì)算結(jié)果基本一致，表明本文計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

2.4 間接用水量核算與比較

由表4可知，川南區(qū)塊頁巖氣開采總間接用水量達(dá)25 098 m3/井，超過了總直接用水量22 928 m3/井，不可忽視。其中鉆井階段間接用水最多，達(dá)16 193 m3/井，占總間接用水量的64.5%；其次是壓裂階段用水量大。這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)階段里，涉及鉆井液和壓裂液的配制，在配制過程中需加入大量的添加劑所隱含的用水，表明頁巖氣開采拉動(dòng)的其他行業(yè)的耗水增長(zhǎng)不可忽視，表2中各行業(yè)的完全用水系數(shù)也說明了這一點(diǎn)。

Marcellus區(qū)塊間接用水量最大的5個(gè)行業(yè)[20]與川南區(qū)塊相應(yīng)行業(yè)間接用水量比較結(jié)果見表6。

表6 頁巖氣開采過程各行業(yè)間接用水量比較 m3/井

由表6可知，川南區(qū)塊頁巖氣開采各行業(yè)用水約是Marcellus區(qū)塊的3倍。川南區(qū)塊頁巖氣開采用水最大的行業(yè)為化學(xué)產(chǎn)品、石油和天然氣開采產(chǎn)品，占總間接用水量的56%，而Marcellus區(qū)塊頁巖氣開采耗水最大的行業(yè)為化學(xué)產(chǎn)品和非金屬礦物制品。這一結(jié)果再次證明了川南區(qū)塊鉆井和壓裂過程使用的添加劑和柴油、機(jī)油、電力等能源消耗量大，使用效率低，未來應(yīng)節(jié)約使用能源和化學(xué)添加劑，減少間接用水量。

查閱2017年《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》《四川省水資源公報(bào)》，獲得川南地區(qū)行業(yè)用水情況，并與Marcellus區(qū)塊行業(yè)用水相比較，結(jié)果見表7。

表7 川南地區(qū)與Marcellus區(qū)塊行業(yè)用水效率比較

由表7可知，川南地區(qū)萬元工業(yè)增加值用水量為44.6 m3，約為Marcellus區(qū)塊的兩倍，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)與Marcellus區(qū)塊相差0.283，說明川南地區(qū)全行業(yè)用水效率的差異也是導(dǎo)致間接用水偏大的原因。為減少間接用水量，除了在鉆井和壓裂過程減少化學(xué)添加劑和全過程的能源使用量外，提高全行業(yè)用水效率也至關(guān)重要。

3 結(jié) 論

1)川南區(qū)塊生命周期總用水量為48 026 m3/井，約為Marcellus區(qū)塊的兩倍。其中壓裂階段用水量最大，為27 312 m3/井；其次是鉆井階段，為16 965 m3/井，這兩個(gè)階段用水量占總用水量的92.2%。

2)川南區(qū)塊總直接用水量為22 928 m3/井，約是Marcellus區(qū)塊的1.5倍，尤其是鉆井和壓裂階段直接用水量占總直接用水量的93.6%。由于川南區(qū)塊水資源管理指標(biāo)與Marcellus區(qū)塊相近，直接用水量的差異主要由兩個(gè)區(qū)塊的自然資源稟賦條件所決定，川南區(qū)塊由于壓裂作業(yè)量大、儲(chǔ)層條件復(fù)雜導(dǎo)致其直接用水量更大。

3)川南區(qū)塊總間接用水量為25 098 m3/井，超過總直接用水量，約是Marcellus區(qū)塊的3倍。從生命周期階段來看，鉆井階段的間接用水量最大為16 193 m3/井，占總間接用水量的64.5%；其次為壓裂階段。行業(yè)間接用水中，化學(xué)產(chǎn)品行業(yè)用水量最大，為7 003 m3/井，其次是石油和天然氣開采產(chǎn)品行業(yè)。間接用水的差異可解釋為鉆井和壓裂階段的添加劑消耗量、全過程能源消耗量的不同及全行業(yè)用水效率存在差異。

4)根據(jù)本文用水比較結(jié)果，減少川南頁巖氣開采用水量的途徑除自然稟賦外，需進(jìn)一步提高鉆井液和壓裂液回用率，改善鉆井和壓裂添加劑使用效率，提高柴油、電力等能源利用效率和全行業(yè)用水效率。