页岩气入井流体环境影响评价指标体系探讨

2019-01-19康远波陈朝刚张健强

绿色科技 2018年24期

张义，康远波，陈朝刚，张健强

(1.页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心，国土资源部页岩气资源勘查重点实验室，重庆市页岩气资源与勘察工程技术研究中心，重庆地质矿产研究院，重庆 400000；2.重庆页岩气勘探开发有限责任公司，重庆 401120)

1 引言

页岩气开发引发全球能源革命，美国及加拿大率先实现商业开发，中国相继在涪陵区块及长宁威远区块取得勘探开发重大突破，并实现商业开采。在页岩气开发带来的巨大油气资源前景和经济效益的同时，也带来了一系列的环境问题，尤其是水力压裂技术的广泛应用，不仅带来了水资源挑战，还引发了环境污染问题。根据以往资料及案例分析，认为页岩气开采主要存在水资源大量消耗、水资源污染、甲烷泄漏及噪音污染4个方面的环境问题。针对页岩气开发的环境问题美国、加拿大从政府到州层制定了较为完备法规及标准，约束规范页岩开采。我国页岩气勘探开发也取得重大突破，成功实现页岩气开发与利用，同时环境问题也日渐凸显，而环境保护及相关标准层面，相对欠缺，主体仍在参照通用的环境保护法规及标准。

该研究针对页岩气开发入井流体对环境的影响问题，通过统计对比及专业特殊性，筛选出入井流体环境影响评价指标，指导页岩气开发环境保护。

2 页岩气开发环境影响分析

2.1 水资源大量消耗

已公开的页岩气水平井水力压裂参数数据显示，重庆市涪陵焦石坝地区26口页岩气井水力压裂共用水794534.3 m3，平均每口井用水30559万m3，焦页12-4HF井用水最多，达46140.7 m3；四川省自贡市荣县金页1HF井压裂用水约30000 m3；长宁—威远国家级页岩气示范区5口页岩气水平井压裂平均用水20931 m3，2015年8月威页1HF井压裂用水29000 m3，追求精细化分层，产能最大化形势下用液量还有增大趋势。按照国家能源局规划，2020年全国页岩气产量将达到300亿m3，按现行单井产能情况，需要实施开发井3000余口，加之开发区域相对集中，若取水考虑不当，势必对区域水资源供给产生较大影响。

2.2 水资源污染

页岩气开采中水源污染分为地下水污染和地表水污染。页岩气开发对地下水的污染威胁主要包括4种类型：钻井过程中的泄漏；压裂过程中的地下水污染；返排水和产出水污染；完井失败造成的地下水污染。

2.2.1 钻井过程中的泄漏

钻井过程中钻遇异常低压地层或裂缝，会造成钻井液漏失，引发地下水污染。页岩气钻井过程中，若发生严重的井漏，会使钻井液通过裂缝、孔隙或溶洞进入地层并通过流体的迁移作用污染浅层地下水。如焦石镇江东街道稻庄村陈家新屋侧溶洞水源,在钻孔之前,常年水量稳定,供附近10户36人日常用水,钻孔之后即刻导致原溶洞水出露点干涸，而在低于原出露点13 m的位置出露，但是水质较原来浑浊。

2.2.2 压裂过程中的地下水污染

在断裂发育区，压裂液可能直接通过断裂、裂缝系统自地下深处缓慢向上迁移至地表或浅层，并通过污染物在环境中的迁移转化造成浅层水资源的污染。美国环境保护署于2011年12月公布的俄明州Pavillion页岩气田地下水污染初步调查报告中指出：水力压裂法与地下水源污染有关。2015年11月，位于新场往连界方向发生一起压裂引发的环境污染事件，压裂液直接从地下通过断层渗流出地表，造成当地地表的污染。

2.2.3 返排水和产出水污染

水力压裂完成之后，大部分压裂液回流到地面，其中不仅含压裂液自身的化学物质，如抑制细菌生长的盐酸、戊二醛等抗菌剂，含有较高的COD、金属元素和总溶解性固体(TDS)，还有压裂目标层内已存在地下数百万年的束缚水中通常含有高浓度的盐类、苯、砷和汞等污染物，以及伴生放射性物质；这些有毒污水先储存在现场，然后再转移到污水处理厂或回收再利用，过程中可能渗入地下或随雨季到来外溢，进而污染地下水和地表水。

钻井废水是钻井泥浆的高倍稀释物和油类的混合物，包含了无机物、有机聚合物、油类物质、粘土和加重材料等，具有成分复杂、水质多变、COD浓度高、色度高及可生化性差等特点。这些物质进入地表水体后不仅会污染水体，还可能间接对人类和动植物造成危害。美国麻省理工学院( MIT)在2011年发表的天然气年度报告中指出:2001—2010年的10年间完钻的页岩气井发生了43起广泛报道的水污染事故，其中48%涉及钻井液和压裂液污染地下水资源，33%涉及现场污水泄漏，10%涉及返排水和空气质量，9%涉及现场污水外排。

2.2.4 完井失败造成的地下水污染

完井过程中，水泥如未完全密封环空，天然气、压裂液和含有高浓度溶解固体的地层水就可能沿井筒直接进入可饮用水含水层。泄漏的甲烷进入到饮用水层，可造成饮用水混浊，当甲烷浓度达到 10mg/L 的极端情况时会发生爆炸。据统计，在2008—2013年间，宾夕法尼亚州6466口非常规气井施工过程中出现219次故障，故障率达到了3.4%，其中套管和水泥胶结的故障率为1%～2%。国内的涪陵页岩气田截至2015年3月有99 口井投产，53口井一级套管头带压，57口井二级套管头带压，33口井一二级套管头同时带压，76口井出现不同程度的环空带压现象。

2.3 甲烷泄漏

在页岩气勘探开发过程中，甲烷气体向浅层地下水迁移，引起地下水甲烷含量超标。有研究者发现，距页岩气生产井直径1km范围内浅水井中具有高浓度的甲醛。宾夕法尼亚州和纽约州68个私有水井中的甲烷含量超标，有些地区自来水中冒出的气体还可以被点燃，研究证实，甲烷污染饮用水的现象与水力压裂法开采页岩气有密切关系。

2.4 噪音污染

与常规油气藏的水力压裂相比，页岩气藏水力压裂作业规模大、排量高，一般在12～14 m3/min之间，压裂车施工时产生的噪音巨大，对压裂现场附近居民的生活会造成一定影响。

3 页岩气开发环境监管现状及关键标准要求

美国一直注重用立法来规范行业和各类环境管理计划，以此改善行业环境绩效。在页岩气开发初期，美国所有与常规油气资源开发相关的环境监管体系同样适用于页岩气，如关于水污染监管的《清洁水法》和《安全饮用水法》、关于空气污染监管的《清洁空气法》和《危险性空气排放标准》等，这些法规相对有效地保护了美国人最基本的生存环境。针对页岩气开出现的新问题，美国联邦政府和州政府制定的环境监管措施涉及页岩气勘探、选址、钻井、水力压裂、地表水及地下水污染防控、空气污染防控等方面，为美国页岩气产业的持续发展提供了重要保障。如实行严格的环境影响评价制度；以州政府为主实行水环境监管，许多州出台了页岩气压裂液和返排液处理要求的具体规定；出台防范页岩气开发空气污染的专门法规；支持页岩气企业研发环境友好技术。

加拿大则由石油生产商协会(CAPP)2011年发布了《岩气开发水力压裂技术指导条例》，明确要求加强水资源管理，加强水和液体使用信息的披露。该条例具体内容包括：通过合理的钻井施工管理，对地表和地下水资源的质量和数量进行保护；对施工用水进行循环回收利用，尽量使用清洁水的替代物；测量和公布水资源利用情况，减少对环境影响；支持环保型压裂液添加剂的开发，向公众公布压裂液添加剂的成分等。

而在我国，首先，从法律法规层面，涉及页岩气开发的国家层面环境保护法规主要有《环境保护法》、《水污染防治法》等，涉及标准主要是《地表水环境质量标准》、《地下水质量标准》、《污水综合排放标准》，地方层面法规主要有山东、黑龙江、辽宁等7个省( 自治区、直辖市) 出台的石油天然气勘探开发环境保护条例，四川发布的《四川省页岩气开采业污染防治技术政策》；其次，从技术规范层面，目前仅有《环境影响评价技术导则-陆地石油天然气开发建设项目》，尚没有废水地下灌注环境管理方面的相关法律法规和技术规范，涪陵地区明文规定禁止油田污水回注地下，而页岩气废水灌注可能带来的环境影响和环境可行性论证已成为环境管理工作的难点之一；再次，从环境监管角度，由于我国还未制定页岩气开发过程污染物控制标准体系，导致其日常环境监管难以有效执行；最后，从监管模式角度，当前我国页岩气开发的环境监管参照的是常规油气管控体系和模式，未能全面考虑页岩气作为一类新矿种开发带来的特殊环境问题，也没有具有针对性的特殊规定。

4 页岩气入井流体环境影响评价指标体系构建

4.1 指标筛选方法

目前用于页岩气开发环境影响评价相关指标筛选的方法主要包括频数统计、专家评分、层次分析法、理论分析、变异系数法、主成分分析法和人工神经网络等。针对宏观性影响评价频数统计法应用最为普遍。本项目通过文献计量学、理论分析法和频数统计法，对当前有关地下水环境评价的行业指标进行汇总甄选，确定页岩气开发过程中的通用评价指标，同时对国内外页岩气开发相关入井流体及返排液排放标准，以及现场评价与检测结果对比分析，确定入井流体环境影响评价个体指标。

4.2 页岩气入井流体环境影响具体作用方式

页岩气开发入井流体主要为钻井液及压裂液，实际对地下浅层水影响的物质有二方面：①入井的钻井液及压裂液中添加的各种化学添加剂；②入井压裂液与地层作用后返排时从深层地下带出的高浓度矿物质及可能的辐射元素。入井流体对环境影响体现具体方式主要有三方面：①钻井液(水基、油基)、完井液在高于地层压力下通过渗或漏失进入地下浅水层，压裂液(新配制和废水处理后重复利用)通过地下断层穿透进入地下浅水层；②钻井废液和压裂返排液地表非正常原因下发生渗漏污染地表土壤，甚至严重下渗进入地下水层或在雨水运移下进入地表水系；③压后返排和生产期间，入井液伴随地层水的混合液通过套管窜漏进入地下浅水层。

4.3 入井材料成分分析

钻井液的主要成分有：水，如淡水、盐水、咸水或饱和盐水等；膨润土，如钠膨润土、钙膨润土、有机土或抗盐土等；化学处理剂有无机类、有机类、表面活性剂类、高聚合物类或生物聚合物类等；油类，如柴油等。环保性能测试显示常用钻井液除作为有机降粘剂的铁铬盐高毒外，其余基本为无毒和微毒。生物降解性评价显示普遍较难降解。钻井废水主要污染物负荷为化学需氧量(COD)、总有机碳(TOC)、悬浮物(SS)、总溶解性固体(TDS)、氨氮、氯化物及少量石油类等(表1)。

表1 钻井废水离子分析结果-涪陵

压裂液主要采用滑溜水，是由清水及多种有毒有害添加剂组成，其中的添加剂就包括了：减阻剂、防垢剂、杀菌剂、黏土稳定剂和表面活性剂等化学物质，常见压裂液配方见表2。除添加剂外液体中还存在一定量的烃类物质、重金属、微生物及总溶解固体(TDS)等(表3)。

表2 常用压裂液体系

表3 压裂液成分对照

表4 各页岩气勘探开发区返排水水质分析结果对比

4.4 指标体系构建

综上，本研究以页岩气开发入井流体为主导，以地下水污染风险评价为目标，综合采用文献计量学和频数统计法，筛选出9个地层特性指标(地层倾角、地下水层埋深、地表土壤介质、含水层岩性、含水层导水系数(孔隙度、渗透率)、浅层溶洞裂缝发育情况、深层断裂情况、褶皱发育情况、水层下隔层条件)，2个理化指标(常规污染负荷指标(氨氮、总硬度、硫酸盐、亚硝酸盐、CODCr、BOD5、pH、高锰酸盐指数、石油类、Cl-、矿化度和溶解性总固体)和特征污染源指标(苯系物、放射性物质和甲烷含量及其碳同位素形态等))以及6个个例特性指标(压裂液返排率、钻井废水产生量、压裂废水产生量、钻井泥浆循环率和设备泄漏概率)。

4.4.1 指标分类

将以上各指标性质再次整合后，划分成3类指标表征。

(1)第1类为理化指标，包含2个指标，即常规污染负荷指标(氨氮、总硬度、硫酸盐、亚硝酸盐、CODCr、BOD5、pH、高锰酸盐指数、石油类、Cl-、矿化度和溶解性总固体)和特征污染源指标(苯系物、放射性物质和甲烷含量及其碳同位素形态等)；

(2)第2类为地层特性指标，包含9个指标，即地层倾角、地下水层埋深、地表土壤介质、含水层岩性、含水层导水系数(孔隙度、渗透率)、浅层溶洞裂缝发育情况、深层断裂情况、褶皱发育情况、水层下隔层条件)；

(3)第3类为个例特性指标，包含6个指标，即压裂液返排率、钻井废水产生量、压裂废水产生量、钻井泥浆循环率、完井质量和设备泄漏概率。

4.4.2 指标分级

针对所选的评价指标，在充分考虑其影响程度及可控性下进行重要性分级，根据重要性大小依次分为一级、二级、三级。

(1)入井材料的理化指标直接影响地下水水质安全，对地下水安全影响程度大，且技术瓶颈及客观实际下，人为控制难度大，设定为一级指标。

(2)地层特性指标直接反应污染物质传播至地下水的途径及条件，其中含水层岩性、含水层导水系数、浅层溶洞裂缝发育情况、深层断裂情况、褶皱发育情况对污染源传播影响大，且人为控制难度大，划为一级指标，其余地层倾角、地下水层埋深、地表土壤介质、水层下隔层条件对污染源传播影响稍小，且不受人为控制，划为二级指标。

(3)个例特性指标影响程度稍小，且人为控制相对容易，整体划为三级指标，页岩气开发对地下水污染风险评价指标体系见表5。