页岩气开发过程中的水资源水环境风险分析

秦 浩，陈 星，许 钦

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098； 2.南京水利科学研究院水文水资源研究所，江苏 南京 210029)

页岩气作为一种新兴的非常规天然气资源，已成为全球油气行业关注的焦点。资料显示，我国页岩气的技术可采资源量居世界第一位，具有巨大的发展潜力[1]。我国南方海相页岩地层是我国页岩气的主要富集地区，除此之外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件[2]。由于我国页岩气储层普遍较深且开采技术不够成熟，页岩气的勘探开发仍处于起步阶段。

页岩气开发过程中一个不可忽视的问题就是对当地水资源水环境带来的风险。页岩气开采过程需要使用并消耗大量的水资源，这可能会对开采地区造成一定程度的水资源分配压力；页岩气开采产生的废水含有大量化学试剂，排入地表水体会污染地表水；压裂过程中注入地下的压裂液如处理不当会对地下水水质产生威胁。

目前国内已有一些学者对页岩气开采的环境影响展开了研究，丁贞玉等[3]分析总结了美国页岩气开采在环境监管方面的经验和技术，提出了我国在页岩气行业发展初期的水环境监管思路及技术方向。董普等[4]分析了页岩气开采过程中存在的环境问题，建立了页岩气开发环境目标与评价指标体系，并提出了相关政策性建议。邢文婷等[5]针对页岩气的特殊开采方式，建立了页岩气开发对生态环境影响的PSR模型。沈泽锋[6]运用主成分分析法寻找页岩气开发地区水资源承载力影响主因及变化趋势，提出了研究区块页岩气开发的水资源保护对策。辜海林等[7]针对页岩气开采过程中水力压裂和废水回注对地下水的影响，采用DRASTIC模型分别建立了开采井区和回注井区的地下水脆弱性评价模型。张虹等[8]构建了页岩气开采地表水资源安全评价方法，以亚流域为单元，完成了2010—2020年重庆地区页岩气开采前后、不同开采强度下地表水资源安全的评价。

本文在分析页岩气开采的水资源水环境风险基础上，建立了页岩气开发过程中水资源水环境风险评价指标体系，并选取典型区进行了定量分析。

1 页岩气开采过程中水资源水环境风险种类

1.1 水资源量风险

由于页岩气埋藏深度较深、页岩岩性致密，页岩气井水力压裂的耗水量是常规油气井的50～100倍，单井压裂用水量高达数万立方米[9]。根据美国的生产经验显示，整个美国对页岩气储层进行水力压裂所需水量的中位数大约是1 500万L，而且其中25%～90%的用水是被消耗的[10]。

我国的页岩气埋藏深度较美国普遍更深，特别是四川长宁-威远地区页岩埋藏深度达2 600～3 000 m，储层厚度为20～800 m。因此我国在水力压裂过程中的用水量会更大。有关调查资料显示，中国平均每打一口页岩气井的耗水量为2.5万m3[11]。根据《岩气发展规划(2015—2020年)》中提出的到2030年页岩气产量达到800亿～1 000亿m3的目标，我国需要打2万口生产井，如果按单井用水量19 000 m3计算，预计将需要3.8亿m3的水，相当于一个1 266万人口的城市一年的用水量[12]，如此巨大的水资源需求势必会影响开采地区的水资源分配。

此外，页岩气开采用水一个明显的特点是特定时期内用水强度大。页岩气开发用水主要包括施工期用水(生产用水、生活用水)和运行期用水，其中超过90%的用水集中在关键的半个月至一个月的压裂阶段[13]，生活用水及运行期用水极少(见图1)。由此可见，在页岩气开采的关键阶段取水强度非常大，对取水水源地的水量稳定性有较高的要求，尤其是在季节性缺水的地区可能会造成短时间的供水紧张。

图1 页岩气开采用水环节用水比例示意图

1.2 地表水污染风险

页岩气开采的地表退水包括：①钻井阶段钻井液；②压裂阶段压裂返排液；③开采设备清洗水；④生活用水。其中以压裂返排液为主。在压裂过程结束后，有10%～70%的压裂液会在之后的几周至几个月内回流到地面形成压裂返排液。尽管在大多数情况下，压裂返排液可用于重新配置压裂液，但是仍有部分压裂返排液达不到配置压裂液的要求，需要对其进行处理。为了诱导储层裂缝和保护开采设备，压裂液中除了淡水，还包含了近750种化学试剂，包括减阻剂、杀菌剂、防垢剂、黏土稳定剂和表面活性剂等，其中除了咖啡色渣液、胡桃壳等无毒组分，还包含多种有毒物质(表1)。除了各种化学添加剂外，压裂返排液中还包含岩层中浸出的烃类化合物、重金属和大量的TDS等[14]，这些废水会对当地的地表水环境造成严重威胁。首先，废水会增加地表水中悬浮物和深沉污染物浓度，促进磷等营养物质的混入，导致地表水体富营养化[15]；其次，返排液中的重金属及细菌等有害微生物会威胁当地的饮用水源；最后，返排液中的TDS虽然不会危害人体，却限制了其农业灌溉和牲畜饮水的用途。

表1 压裂液添加剂部分组成及常见用途

1.3 地下水污染风险

通过高压注入气井的压裂液，除了一部分返排至地面，剩余的将会永久留在地下与地层水混合，包括压裂液中的各种化学物质。这些混合了化学污染物的地层水，可能会通过岩层原有的裂隙以及压裂产生的裂缝向上移动，逐渐渗入含水层，或通过破裂的气井套管和附近废弃的管井泄漏到含水层，污染地下水[16]。

页岩气开发对地下水产生污染风险主要包括钻井和采气两个阶段。钻井阶段对地下水产生污染主要有3种形式：①钻井液长期与井壁接触，通过井壁渗透进入地层；②钻井设备漏油；③钻井过程中遇到溶洞及较大裂缝时发生钻漏。其中第3种方式对地下水污染面积最大，污染程度最深，必须避免该类事故发生。采气阶段中的压裂过程对地下水水质的威胁是目前国内外争议最大的问题之一[17]，压裂过程对地下水产生的污染风险主要来自3个方面：①在高强度的水压下，页岩气储层中会产生大量微裂缝，这些微裂缝会逐渐与天然的大型断裂连通，压裂液和地层中天然存在的污染物会通过裂缝向上迁移进入上层含水层；②压裂液和返排液经由井筒外层的缝隙迁移到含水层造成污染；③水力压裂有可能将不同的含水层互相联通，破坏地下水的稳定和平衡，从而威胁地下水水质[18]。

2 页岩气开发水资源水环境风险评价指标体系

2.1 评价指标体系建立

采用层次分析法建立风险评价指标体系。首先确定一个研究目标，即页岩气开采过程中的水资源水环境风险，构成目标层；然后在目标层下建立准则层。

按照层次分析法的指标选取的原则[19]，对常用的指标进行遴选，通过对相关研究成果的梳理，选出使用频率较高、便于定量分析的12个指标构成页岩气开采过程中的水资源水环境风险评价指标体系，见表2。

表2 评价指标体系

注：其中水量均指单井。

2.2 评价指标权重判定

由于各指标对目标的影响程度不同，对评价目标影响越大的指标其权重也应越大，所以确定各指标在系统中的权重系数是进行风险综合评价的关键。采用层次分析法(AHP法)来确定各指标的权重。

首先根据专家打分法对同一层次的指标进行两两比较建立判断矩阵，然后求得各判断矩阵的特征向量W(与判断矩阵的最大特征值对应)，规范后的W=(W1,W2,…,Wn)T即为各指标在其类别中的权重。各指标在总目标中的权重为该指标在类别中权重与该类别在总目标中权重的乘积。最终得到各指标的权重，见表3。

表3 各指标权重

2.3 确定评价标准

根据国家对页岩气开发、能源产业的相关标准以及国内外相关页岩气开发项目的综合分析，制定各指标的评价标准，见表4。

表4 各指标评价标准

3 典型区评价分析

四川某页岩气开发产能建设项目为一新建项目，开发区区域面积154 km2，页岩气总资源量达582亿m3。该项目取水水源为地表河流水。根据项目建设规划，项目施工期内(2014—2024年)取水总量为293.13万m3，年平均用水量26.65万m3；最大年用水量67.18万m3，为2015年；最小年用水量15.43万m3，为2023年。除2014—2017年安排有极少取用水量在枯期11—次年4月外，其余各年计划取用水时间安排于汛期5—10月。该项目所有废水不外排，经收集处理后送至回注井回注地层。

采用模糊数学法进行单指标评价，首先计算每个指标的隶属度，C1的隶属度根据如下函数进行计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其他指标隶属度以此类推，计算得到单指标评判矩阵R，见表5。

表5 单指标评判矩阵

根据各指标权重分配W，则模糊层次综合评判结果为

B=WR=(b1，b2,…,bn)

(6)

综合评价结果即为b*=max(b1，b2，…bn)所对应的评价等级。

该页岩气开发项目水资源水环境风险评价结果见表6。结果显示，该页岩气开发项目水资源水环境风险评价的整体结果为较高风险，其中，水资源量风险评价等级为低风险，地表水污染风险评价等级为较低风险，地下水污染风险评价等级为较高风险。

在水资源量风险中，由于该项目区域页岩气埋藏深度较深，因此水力压裂所使用的水量较大，取水量这一指标显示为较高风险。但该项目所用水源为地表水，故地下水取水量这一指标为低风险，同时项目所在地区气候湿润，降雨量充沛，开采区年均降雨量这一指标为较低风险，因此水资源量风险的综合评价结果为低风险。

在地表水污染风险中，该项目所有生产废水包括钻井废水和洗井压裂废水经预处理回收利用，与采气集气生产废水集于废水收集设施后，全部送至回注井回注地层。工程施工期间生活污水集中收集后用于农田施肥，不外排，因此废水排放量指标为低风险。同时由于污水收集系统存在漏损现象，故污水收集处理率为较低风险。地表水污染风险综合评价等级为较低风险。

在地下水污染风险中，该项目压裂液使用量较大，返排至地表的废水在经过处理后大部分采用了回注地层的处置方式，因此滞留地下压裂液的量这一指标评价结果为较高风险。同时由于该地区地下水埋深较浅、净补给量大，这两个指标评价结果均为较高风险，容易造成污染物的泄漏和扩散，因此地下水污染风险较高。

4 结 语

本文建立了页岩气开采水资源水环境风险评价指标体系，综合考虑了水资源量风险、地表水污染风险以及地下水污染风险，有助于定量化研究页岩气开采对于水资源水环境的影响。运用该评价体系对四川某页岩气项目进行了风险评价，结果显示，该项目水资源水环境风险整体情况为较高风险，主要原因是该项目废水采取了全部回注地下的处理措施，对地下水污染威胁较大，同时该项目地区地下裂隙发育，地下水埋深浅，地下水净补给量大，容易形成污染物的迁移和扩散。