页岩气开发综合环境影响评价方法

孙仁金 汪振杰

中国石油大学（北京）工商管理学院

开发页岩气需要多阶段大型水力压裂技术、水平井技术等常规天然气开发过程中不常使用的复杂技术［1］。在高端复杂技术使用的过程中，资源投入、能源耗费也更大，进而带来的环境影响也更为严重。

环境监管部门应针对页岩气开发环境影响特点制定更合适的环境影响评价方法，为页岩气开发可行性研究和相关部门页岩气开发环境监管提供方法性指导。

1 页岩气开发环境影响分析

我国可以通过借鉴美国页岩气开发环境影响方面的经验，总结其教训并从中得到启示，从而为即将到来的页岩气大规模开发提供参考和借鉴。

1.1 页岩气开发流程及对自然生态环境的影响

1.1.1 页岩气开发流程

页岩气开发流程大致分为：启动和钻井阶段、水力压裂阶段、生产和处理阶段、气井堵塞和废弃。启动和钻井阶段主要包括井场建设和钻井阶段；水力压裂的关键在于泵送流体（高压空气或者淡水泥浆）和支撑剂，在地面设备产生的高压下压裂生产层页岩，使含烃岩产生扩张的裂缝，流出烃类物质；钻井和水力压裂作业完成后，建设生产井口，并通过管道来收集和传输气体，从而进行后续加工，在某些井场，可能会出现生产和钻探同时进行的情况；当气井气数已尽或者开发失败以后，气井便会被堵塞和废弃。

1.1.2 页岩气开发对自然生态环境的影响

1.1.2.1 对水的影响

1）对地下水的影响。与页岩气井产生接触的地下水可能受到污染的主要途径有：①压裂液或者返排液主要通过井筒外层、水力压裂创建或发展的裂缝经地下途径迁移到地下水源造成的污染。水力压裂的目的是在目标地层创建或发展裂缝，然而一旦裂缝垂直扩展超出目的地层到达之前相互独立的地层，污染物就可能发生迁移，进而污染地下水［2］。②操作失误或灾难性的开发故障导致的地下水污染。一般页岩气井筒要穿透数层含水层，井筒在生产层和其他地层给页岩气井提供了支撑。井筒通过安装套管来隔离气井和周围地层，其他地层如淡水含水层、盐碱含水层等。气井套管的损坏或初始布置完整性的缺乏都有可能导致潜在地层包括含水层的污染；在井筒出现故障的情况下，压裂液、返排液就可能透过套管产生污染。

2）对地表水的影响。地表水是地面上的小溪、河流、湖泊以及池塘水的总称。独立的井场进行作业过程中对地表水的危害主要有：废弃液体或气体由于储存容量有限、操作失误、雨水或洪水进入、工程质量差等原因发生泄漏或溢出；压裂液在运输或者最后混合操作中由于管道故障、操作失误等原因造成的泄露；返排液在传输或者运送到存储空间时由于管道故障、存储空间压裂失败、存储能力不足或者操作失误等造成溢出；返排液由于储存罐破裂、存储容量不足、暴雨或洪水进入等原因导致返排液失去控制；返排液在运输到污水处理厂中途或在厂区发生溢出。

1.1.2.2 对土地的占用和生态影响

应用丛式井网技术，6～8口水平井仅需1个钻井平台［2］。水平钻井的丛式井网是当前美国应用最普遍的开发方法。如果依靠一个井场完成多个分支水平井，那么该井场的占地面积可能要比单个直井的稍大些，扩大大约2 000m2。因此在钻井和压裂的初级阶段，一个平均规模的井场占地15 000～20 000m2。

2008年，美国内政部针对阿肯色州的费耶特维尔页岩进行调查发现，每一口垂直浅层井将会建大约8 000m2的井场，160m长的施工通道和880m长的设备通道。平均每一口井影响20 000m2的地面干扰。调查还发现，阿肯色州一口水平井加上施工通道和设备通道共占用14 000m2的井场，造成28 000m2的地面干扰。如果采用水平井网技术，一个井场完成4口分支水平井，虽然井场会扩大2 000m2，但会造成30 000m2的地面干扰。相对而言，多分支水平井单井造成的地面干扰要比直井单井造成的地面干扰小得多，这是多分支水平井技术的一项优势。

1.1.2.3 对大气的影响

1）大气污染。页岩气的勘探和生产过程可能产生大气污染的污染源，在不同的施工阶段有所不同：在施工初期阶段，大气排放物可能来自于化石燃料的钻机，或者来自压裂过程的柴油动力泵；完井过程中泄露的页岩气的燃烧、放喷以及运输车辆的尾气排放。页岩气勘探开发过程中空气排放物的组成包括：提供机器动力时化石燃料燃烧产生的氮氧化合物；页岩气开发出地面之后脱水过程中，产生的有机化合物（VOCs）的挥发；苯、甲苯、乙苯等物质在天然气中的含量很低，不过也算是页岩气的一种环境污染物来源。

2）温室气体排放。为了便于各比较，页岩气的温室气体排放量都换算成CO2当量。根据资料显示，NO2的温室效应值（100y）是310，CH4的温室效应值GWP（100y）是25。据本文参考文献［3－5］，按照开发流程，将页岩气开发划分为现场准备阶段、钻井阶段、水力压裂阶段、完井阶段、废水处理阶段、生产处理阶段、气井的堵塞和废弃阶段，并分阶段对页岩气开发温室气体排放量进行估计，结果如表1所示。

表1 页岩气开发过程中每口井温室气体排放量估计表

1.1.2.4 其他环境影响

1）噪声和视觉／美学的影响。井场生产前期的主要作业都有噪声产生。以一个井场（6口井为例）为单位要施工800～2 500d，过程中产生很严重的噪声。据美国纽约州环境保护局［9］估计，每个水平井都要花4～5周24h全天候的施工。所有这些作业中，钻井过程是产生噪声最严重的环节。

2）景观影响。开发施工阶段，井场会有大量的钻井设备、油罐、存储坑、卡车等设施。这些设施的安装，会对环境视觉上的美观产生影响。如果是在城区或者旅游景点的话，也是对市容和旅游景点的破坏。如果以每年90×108m3／a的速度开发页岩气，对于一个6口井的井场而言，共需要约300个平均水平的井场进行生产，对于整个国家环境视觉上的影响是可以想象的。不过，这个方面的影响还没有直观的解决措施。

3）交通影响。除了现场带来的影响之外，井场在施工中会有大量的运输设施的往来，从而造成对交通的影响。数据显示，每个井场（6口井为例）作业现场卡车流量的总数在4 315～6 590台次之间（其中大约90%的卡车流量与水力压裂操作有关）。那么在人口稠密的中国，如此大的卡车流量，将会对地方交通造成严重影响，同时对道路产生破坏。

4）地震。在诸多文献中，都提到过页岩气开发是诱发地震的原因之一。水力压裂可能诱发地震的原因是，高压水力导致岩层能量的释放。这种能量的释放大部分是微小规模的，只有敏感的地震监测设备才能检测到。到目前为止，没有任何资料显示页岩气开发跟地震发生的相关度。英国地质协会（BGS）发布的报告显示，高压水注入深度地层并导致岩层断裂的都有可能诱发地震。由此可知，不仅是页岩气开发，地热工程、原油开采等深度地层活动都有可能诱发地震。

5）辐射。随着返排液带到地表的天然放射性物质留存在岩屑中或者溶解在返排水中，或者在某些条件下，沉淀在废渣或者淤渣里。这些天然性放射物质的辐射一般较弱，无法穿透钢管等致密材料。那么油气产业对天然放射性物质的主要关注是，这些天然放射性物质长年累月的沉淀在生产设备中，形成一定量（1 h超过5mrem或者连续5d超过100mrem）的辐射，需要为工人提供防护装备。

1.2 页岩气开发对宏观环境的影响

对页岩气开发需要辩证地去分析：如果项目在土地补偿、资源节约、拆迁安置、社会公益、就业保障等方面做得好，获得了当地居民的认可，那么该项目开发就有利于促进当地社会稳定发展；反之，该项目则可能产生很多社会问题，激发社会矛盾，降低社会稳定性，恶化法制环境。以下从社会环境、政策法律环境和经济环境3个角度来分析页岩气开发的影响。

1.2.1 页岩气开发对社会环境影响

页岩气开发的社会环境影响是从区域发展的角度来说的，页岩气开发对区域社会发展有巨大的推动作用。这种推动作用主要表现在：通过页岩气开发项目建设改善当地道路、电力、通讯等基础设施建设，促进当地城市化和工业化的发展进程，提高了社会生活质量，增加了社会福利，提升了社会文明程度。社会环境影响评价因子包括社会发展影响、社会文化适应、社会稳定影响和社会公益效益［6－8］。

1.2.2 页岩气开发对政策法律环境影响

页岩气开发项目作为社会经济发展的载体和实现形式，不能与国家、地方法律法规相冲突，必须服从国家政策导向和地方区域发展规划。基于页岩气开发项目是否符合国家政策导向和法律规定来评价其对政策法律的影响，并且将合法性作为评价指数［6－8］。

政策法律环境影响因子分为国家法律法规、区域战略规划和产业政策导向这3个层次。项目与国家法律之间的符合度主要考察页岩气开发项目在立项论证、中期考察和后期运营中有无违反国家法律程序和原则的内容或行为；开发项目与区域发展规划的符合度主要考察页岩气开发是否属于地方区域发展规划内的项目，项目选址、融资等条件是否符合区域环境功能区划；开发项目与国家产业政策的符合度主要是考察页岩气开发的立项是否符合国家相关产业政策导向。

1.2.3 页岩气开发对经济环境影响

从区域经济发展角度看，页岩气开发在带动区域经济发展中能够起到重要作用，对后者的影响主要是：

开发项目的产值对地方GDP的贡献巨大，最主要原因是，一旦页岩气开发成功，创造的产值将会以数十亿甚至百亿计，尤其是在中西部等经济较不发达的地区，页岩气可能会成为该地区GDP的重要组成部分；页岩气开发过程中向地方和国家缴纳各种税费，例如安置补偿费、土地征用补偿费、排污费、生态补偿费和资源税等；页岩气开发会带动地方配套产业和商业发展。由于页岩气开发过程会有巨大的物资输入，此项需求将会带动地方经济发展，另外，页岩气开发出来以后，一些地方的天然气发电、天然气化工、建材等产业也将会受到较大的激励；页岩气开发将会直接或间接带动地方就业，拉进外部投资，对当地经济发展有不可估量的促进作用。

选取区域GDP贡献、配套产业拉动、区域财税收入和居民收入贡献这四个经济环境因子来对其进行评价。这4个经济环境因子的评价指标都是以比率的形式出现，这些数据大都在当地统计局可以得到［6－8］。

2 评价体系及评价方法

2.1 评价体系

按照系统评价模型的设计思路，把页岩气开发综合环境影响评价的最终结果称为环境影响评价总指数。与此相对应，综合环境影响下面的分环境影响评价结果称为环境影响评价分指数［9］，关系如图1所示。

图1 页岩气开发综合环境影响评价体系图

每个分指数下设环境因子以及对环境因子的评价指标，将评价指标分为自然生态环境和宏观环境两类。宏观环境影响分指数包括社会环境影响评价分指数、政策法律环境影响评价分指数、经济环境影响评价分指数，下设指标都是正指标。正指标是指评价指标的数值越大，对环境因子越有利，反之有害［9］。

2.2 自然生态环境影响评价

经过比较和筛选，采用环境综合评价方法中的相关矩阵法对自然生态环境影响评价分指数进行评价。通过相关矩阵法，编制页岩气开发过程对自然生态环境影响矩阵（表2）。

假设Wj表示环境因素j在环境中的重要程度，即权重（用分数表示，∑Wj＝1），Mij表示开发行为i对环境要素j的影响大小（1＜Mij＜10）。其中，权重的设计是根据某环境要素在区块所在地的重要程度决定的，如干旱地区水的权重比在水量丰沛的地区大。Mij的数值大小由专家结合以往开发案例的实际数值并根据区块实际打分得到。

所有开发行为对环境要素j总的影响模型为：

开发行为i对整个环境总的影响模型为：

其中所有参数和变量如表2所示。

表2 页岩气开发过程对自然生态环境影响矩阵表

由于最终要与宏观环境影响评价结果组成评价模型，需要通过阈值法对T值进行无量纲化。阈值是衡量事物发展的一种特殊指标值，如满意值、不允许值、极大值、极小值等。阈值法是用指标实际值与阈值相比以得到指标评价值的无量纲化方法［10］。Tmax是T的最大值，Tmax＝10×8×6×1＝480。

其中T0为T值无量纲化数值，所有参数和变量同上。

2.3 宏观环境影响评价

2.3.1 宏观环境指标定量化分析

结合宏观环境影响指标体系（表3），建立宏观环境影响评价方法，针对这3种环境分别有一系列的评价指标来衡量页岩气开发的影响。

由于3个分指数的评价指标都为正指标，设每一个指标达标程度得分记0～1之间［11］。社会环境影响评价分指数和经济环境影响评价分指数的评价指标一般为比率；政策法律环境评价影响分指数的评价指标为指标的得分都是由环境影响分析部门组织专家根据区块特点，通过调查、分析得到［12］。

将社会环境影响评价、政策法律环境评价影响、经济环境影响评价等分指数分别赋予权重为α、β、γ（令α＋β＋γ＝1）。3个权重在不同区域的不同宏观环境下取值不同，具体数据由德尔菲法打分得到。

2.3.2 宏观环境影响评价方法

最优值距离法评价环境影响，是以实际值效果与最优值效果的距离值来表示该活动或项目产生的影响的方法［13］。最优值距离法得到的数值结果表达的是开发活动产生的环境影响与效果最优值的差距，以此来配合页岩气开发对自然生态的负面影响，形成负面影响的加和值。

最优值距离法的基本思想是以最优值为对比标准，将各单位的实际值与最优值的相对差距作为单项评价值，通常将单项评价值的计算公式写为：

评价值＝（1－实际值／最优值）×100

将此方法改进得到：

评价值＝［（最优值－实际值）2］1／2

在此，每个指标的实际值和最优值都定义在［0，1］范围内。

3个分指数的每一个评价指标都依此计算，将3个分指数建立三维坐标，在坐标中计算综合距离。

计算过程为：分别以3个分指数为ABC轴，建立三维坐标系。3个轴分别代表社会环境影响评价分指数（A轴）、政策法律环境评价影响分指数（B轴）、经济环境影响评价分指数（C轴），3个轴的单位长度都为1。A轴所代表的社会环境影响分指数有9个评价指标，B轴所代表的政策法律环境影响分指数有3个评价指标，C轴所代表的经济环境影响分指数有8个评价指标。

评价标准：3个分指数的分数值作为项目的3个坐标值来确定该点在坐标系中的位置，由于（9，3，8）这个点是最优值点，因此越靠近点（9，3，8）环境正影响效果越大；反之越小。不同区块、不同项目的社会环境影响评价、政策法律环境影响评价、经济环境影响评价评价的环境影响效果可以通过该点到点（9，3，8）的距离d来比较。此方法为最优值距离法的三维表达。

加入权重后得到计算模型：

式中d为距离最优值的距离；α、β、γ为权重；其他参数和变量同上。

d越大对环境正影响越小，d越小对环境正影响越大。由于最终要与自然生态环境影响评价结果组成评价模型，需要通过阈值法对d值进行无量纲化。dimax是d的最大值，是在确定了3个环境因子的权重之后确定的最优值。

式中d0为d无量纲化后的数值结果；其他所有参数和变量同上。

表3 宏观环境影响指标体系表

2.4 综合环境影响评价方法建模

将自然生态环境影响评价结果和综合环境影响评价结果用阈值法无量纲化后相加，得到最终评价结果。

式中G为总影响，其他所有参数和变量同上。

由于模型中赋权和打分的通用性，根据G值，对不同地域和不同宏观环境下的项目进行评价。G值结果越大，页岩气开发对环境影响越大，即对自然生态环境破坏越大，或者对社会环境、政策法律环境和经济环境的正影响越小；总影响数值G结果越小，页岩气开发对环境影响越小，即对自然生态环境破坏越小，或者对社会环境、政策法律环境和经济环境的正影响越大。对于页岩气开发运营商来说，G值越小越好。此结果可以用于页岩气开发项目环境影响有无比较和前后比较，也可以用于不同项目之间的横向比较。

3 方法模型应用价值

1）从政策制定和监管角度。国家页岩气“十二五”发展规划中，对于页岩气产业发展有宏观层面的支持政策，但是没有详细的促进细则。这对于地方政府来说，拥有了较大的自主权。地方政府的支持政策对于页岩气在当地的开发具有很大的促进作用。本文所建模型可以通过更改权重和参数，针对当地的特点进行评价，从而对于政府做出决策有很大的帮助。

2）从区域社会、经济发展角度。页岩气开发对于任何地方的宏观环境尤其是经济、社会发展，有很大的推动作用，只是这种推动作用会因为当地的经济、社会发展程度的不同而有所差异。地方政府不能只看到页岩气开发对当地GDP或者文化发展带来的好处，而应该加入自然生态环境因素进行全面衡量。本文所建模型可以用来做全面综合评价。

3）从保护自然生态环境角度。页岩气开发对于水的需求和污染是页岩气开发对自然生态环境污染的最显著的特点，地表水和地下水污染会导致农作物灌溉水和居民用水的污染，给人民的生活和健康带来极大威胁；开发过程释放大量温室气体助推了全球气候变化；开发过程对地表植被等产生的影响等等。本文所建模型可以发现严重的污染源和敏感的环境因子，从而有针对性地减少对自然生态的破坏。

4）从权衡经济发展与环境保护的角度。对于有潜在环境影响的项目，由于当地群众担心环境受到破坏而极力阻挠，有些地方接连发生流血冲突事件。这些事件主要是由于相关知识的不普及和沟通的不通畅导致的。本文所建模型不但包含了经济、社会发展的影响，而且包含了对广大群众关注的自然生态环境影响。经过第三方或者相关专家分析打分之后，利用模型便可得到环境影响评价结果。这在一定程度上缓解了自然环境与经济、社会、政策发展的矛盾。

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