陳旭東 韓天潮 張青權

摘 ?要：基于我國頁巖氣開發(fā)的大背景以及水資源短缺和水環(huán)境污染的嚴峻形勢，建立頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響的評價模型，有針對性地進行預防與治理是頗有必要的。該文從區(qū)塊原始水文條件、鉆完井期、水力壓裂期、生態(tài)恢復期四大方面進行綜合評價，選取每個階段中易于評估、有代表性的水環(huán)境影響因素作為評價指標。結合相關行業(yè)標準及國內外行業(yè)經驗，制定了各個指標對水環(huán)境影響的評價標準。引入層次分析法對評價指標進行層次劃分，同時在專家打分形成的判斷矩陣的基礎上，計算出了各個評價指標的權重，建立了包含4個一級評價指標、15個二級評價指標的頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響評價模型。將建立的評價模型應用于實際案例當中，得到的結果與實際情況具有很好的擬合性。研究成果的意義在于，為頁巖氣開發(fā)部門制定清潔環(huán)保的開發(fā)方案、尋找主要污染源，以最大程度地保護水資源并為其提供合理化建議;為政府環(huán)保部門、水利部門出臺相關的水環(huán)境保護政策提供專業(yè)技術上的依據。

關鍵詞：頁巖氣開發(fā) ?水環(huán)境影響 ?層次分析法 ?評價標準 ?評價模型

中圖分類號：TE37;X82 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（c）-0076-08

Abstract： Based on the background of China's shale gas development and the severe situation of water resource shortage and water environment pollution， it is quite necessary to establish the index system of shale gas development's impact on water environment and carry out targeted prevention and treatment. In this paper， the original hydrological conditions of the block， drilling and completion period， hydraulic fracturing period and ecological recovery period are comprehensively evaluated， and the representative water environment influencing factors that are easy to be evaluated in each stage are selected as evaluation indexes. Combined with relevant industry standards and industry experience at home and abroad， the evaluation standards of the impact of various indicators on the water environment were formulated. Introduction of analytic hierarchy process （ahp） to the shale gas development to the different layers of water environmental influence evaluation index， and on the basis of expert scoring form of the judgment matrix， calculated the shale gas development and impact on water environment evaluation index weight， contains four level of evaluation index is established， 15 secondary indexes of shale gas development environmental impact assessment model. The evaluation model is applied to the actual case， and the result has good fitting with the actual situation. The significance of the research results is to develop clean and environmentally friendly development plans for the shale gas development department， identify major pollution sources， and provide reasonable Suggestions for the maximum protection of water resources. It provides professional and technical basis for relevant water environmental protection policies issued by government environmental protection departments and water conservancy departments.

Key Words： Shale gas development; Water environment impact; Analytic hierarchy process; Evaluation criteria; Evaluation system

國務院辦公廳《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》明確提出，到2020年天然氣占我國一次能源消費比重將達到10%以上，而常規(guī)油氣資源產量及儲量逐年降低，為頁巖氣大規(guī)模開發(fā)提供了寶貴的戰(zhàn)略機遇[1]。2020年力爭實現頁巖氣產量300億m3，2030年實現頁巖氣產量800～1000億m3[2]。

水平井及其壓裂技術是目前開發(fā)頁巖氣的主要手段[3]，其巨大的用水量必將給生態(tài)環(huán)境的保護以及治理造成嚴峻的壓力，頁巖氣水平井單井用水量是常規(guī)水力壓裂井耗水量的50～100倍[4]。2011年美國麻省理工學院對天然氣回顧研究報告指出由于天然氣或鉆井液引起的地下水污染事件共約占48%[3]。

因此，該文著重研究頁巖氣開發(fā)對水資源消耗和水環(huán)境污染的影響;建立頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響的評價標準，客觀、全面地評價頁巖氣開發(fā)對于某地區(qū)水環(huán)境的影響;找出頁巖氣開發(fā)過程中，對當地水環(huán)境影響的主要因素和次要因素，從而有針對性、有側重地進行預防和治理。

1 ?頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響因素分析

頁巖氣開發(fā)最具普遍性、代表性的技術為水平井鉆井技術和水力壓裂技術，以上兩個過程對于水資源的影響也最為突出，因此該文主要從鉆完井階段和水力壓裂階段兩方面來分析。

1.1 鉆井階段對水環(huán)境的影響因素分析

該階段主要污染源為沖洗鉆具和設備的污水、鉆井泥漿。其中鉆井泥漿中主要的有害成分包括化學添加、鹽類、油類、高分子有機化合物在生物降解作用下形成的低分子有機化合物和堿類物質，還有如鉛、鉻、銅、汞等多種重金屬，其中石油類物質會對水體和土壤造成污染，有機烴類物質進人水體后在水循環(huán)作用下對人類和水生動物造成危害，其中的多環(huán)芳烴具有致畸性、致癌性和毒性，是環(huán)境污染的重要因子[5]。

主要的污染形式包括以下幾個方面：（1）鉆井廢水被排放到井場廢液池中以待處理或等待下一口鉆井回用，自然蒸發(fā)和意外泄露將會對地表水造成污染。（2）鉆井過程在發(fā)生的嚴重的井漏、井噴事故。（3）鉆井液注壓力一般稍大于裸露地層的壓力，鉆井液與井壁的長時間接觸導致鉆井液以滲漏方式進入地層，并通過巖石顆粒的吸附—解吸作用傳輸到含水層進而影響地下水[6]。（4）由于地質構造因素，當鉆遇溶洞、裂縫時，鉆井液會大量漏失污染地下水。

除了污染之外，水平井鉆井技術也比常規(guī)直井需要更多的水，其對于當地水資源的影響不可忽視。據統(tǒng)計，鉆單口水平井的豎直段和水平段需消耗水總量約為400～4000m3，用以維持井底靜液壓、冷卻鉆頭和攜帶巖屑等。

1.2 水力壓裂階段對水環(huán)境的影響因素分析

水力壓裂技術對水環(huán)境的影響程度也是整個開發(fā)周期中最大的，包括需要消耗大量的水資源、壓裂液及返排液中的有害物質污染地下水和地表水。

壓裂液中含有99%的水和砂，以及將近1%的化學添加劑，據不完全統(tǒng)計，壓裂液中可能含有500多種化學添加劑[7]，例如PH調節(jié)劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑、減阻劑、破乳劑、降濾失劑等，其中包含了29種有毒物質[8]，不同的壓裂液體系中的污染物質含量不盡相同。壓裂液進入地層，通過溶洞、裂縫系統(tǒng)以及不完善的井筒與地下水層接觸[9]，部分壓裂液無法反排滯留地層，對地下水造成永久性污染。因此，壓裂液反排率也是重要的影響因素之一。

壓裂期用水量遠高于鉆完井期，其對于當地水資源的影響更不能忽略。據統(tǒng)計，水力壓裂過程需要7000～18000 m3水，但具體用水量取決于具體的盆地結構和地質構造[10]，目前我國優(yōu)先開采地區(qū)中有7個省面臨水資源短缺的問題，云南和貴州兩省每年都經受長達半年的干旱災害期。因此，頁巖氣的開采對淡水資源的依賴會使上述地區(qū)水資源短缺問題更嚴重，影響當地的生活和生產用水[8]。

2 ?基于層次分析法的頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響評價模型

本著科學性、簡潔性的原則，結合頁巖氣開發(fā)整個過程中水平井技術與水力壓裂技術可能帶來的水污染問題，將整個評價指標體系分為區(qū)塊原始水文條件、鉆完井期、水力壓裂期、生態(tài)恢復期四大方面的一級評價指標，其中又下設15個二級評價指標，如表5所示。

2.1 一級評價指標

基于上述頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響因素分析，將鉆完井期、壓裂期作為整個評價指標體系的一級評價指標，但由于不同地區(qū)的原始水文條件、水資源承載能力、生態(tài)系統(tǒng)恢復能力不盡相同，不同的施工團隊對于環(huán)保工作的重視程度、對于施工結束之后的“善后”工作也存在差異，因此考慮到評價模型的普遍適用性與準確性，因此將“區(qū)塊原始水文條件”“生態(tài)恢復期”也一并作為指標體系的一級評價指標。

2.2 二級評級指標

2.2.1 區(qū)塊原始水文條件

區(qū)塊原始的水文條件包括“人均水資源總量”“水質指標”“森林覆蓋率”3個二級指標，具體數據均可以通過查詢當地年鑒和水資源公報來獲得。

“人均水資源總量”為生產區(qū)塊所在的縣（區(qū)）級行政分區(qū)的人均水資源總量，根據國際公認的缺水標準分為4個等級（見表1）。根據該標準，將生產區(qū)塊人均水資源總量2000m3、1000m3作為評價等級劃分界限。

“水質指標”的評價等級按I、II、III、IV、V類水質所占比例來劃分。

“森林覆蓋率”與當地的水資源條件密切相關，森林能涵養(yǎng)水源，保持水土，同時很大程度程度上反映了當地的水資源狀況，我國《森林法》規(guī)定：全國森林覆蓋率要達到30%，其中山區(qū)縣一般要達到70%以上，丘陵區(qū)縣要達到40%以上，平原區(qū)縣要達到10%以上。因此山區(qū)縣以70%、50%為標準劃分評價等級;丘陵區(qū)縣以40%、20%為標準劃分;平原區(qū)縣以10%、5%為標準劃分。

2.2.2 鉆井期

鉆井期包括“鉆完井期用水總量”“鉆井液漏失率”“鉆井液體系類型”“有毒添加劑種類”“地區(qū)井噴事故情況”“固井質量”6個二級指標。

“鉆完井期用水總量”根據國內行業(yè)經驗一般鉆單口頁巖氣水平井耗水120m3，評價等級以120m3、500m3為界限劃分。

“鉆井液漏失率”由于受巖層巖性、滲透率的影響比較大，不同地區(qū)的差異很大，較理想的情況下低于5%，因此5%及以下為優(yōu)，高于10%為差。

“鉆井液體系類型”主要指目前常用的、低毒油包水乳化鉆井液、常規(guī)油基鉆井液3種體系類型。實踐表明，水基鉆井液對環(huán)境影響最小，因此評價等級為優(yōu)，常規(guī)油基鉆井液對環(huán)境影響最為嚴重，因此評價等級為差。

“有毒添加劑種類”是指鉆井過程中使用過的有毒添加劑種類數。張曉飛[11]等人針對不同鉆井液添加劑的生物毒性進行了深入研究，最終篩選出了可能造成廢棄鉆井液含有毒物質的添加劑，見表2，污染重金屬含量較高的鉆井液添加劑見表3。這13種污染物較強的鉆井液添加劑中，使用的種類低于4種為優(yōu)，4～8種為中等，大于8種為差。

“井下事故情況”根據整個區(qū)塊發(fā)生井下施工事故（井噴、井漏、井塌等）的實際情況定性描述，按“極少”“較少”“經?！眲澐衷u價等級。

2.2.3 壓裂期

壓裂期包括“壓裂期用水總量”“壓裂液反排率”“壓裂返排液處理效果”共3個二級指標。

“壓裂期用水總量”根據國內行業(yè)經驗一般鉆單口頁巖氣水平井壓裂耗水量15000m3，最高可達18000m3以上，因此以15000m3及18000m3為標準劃分等級。

“壓裂液反排率”根據郭小哲[12]等人的數值模擬研究得出壓裂液返排率為50%～80%可達到較好的頁巖氣開發(fā)效果，因此“壓裂液反排率”以50%和80%為標準劃分等級。

目前有水壓裂的“壓裂返排液體系類型”主要有凍膠壓裂液、泡沫壓裂液和滑溜水壓裂液[11]，以上3種壓裂液體系都有各自的特點，因此對用水量以及環(huán)境污染程度也不盡相同。周忠鳴等[11]總結了3種壓裂液體系各自的適應性及優(yōu)缺點，見表4。

由表4可知，3種常見的壓裂液體系各有各自的適用條件，使用哪種壓裂液要綜合考慮具體的地質條件、施工條件等，但是單從水資源保護的角度來講，滑溜冰水壓裂液具有易返排、易回收、污染小的特點，因此評價等級為優(yōu)，泡沫壓裂液為中等，盡管凍膠壓裂液適用范圍廣，但由于它高耗水、高殘留、難處理，所以評價等級為差。

2.2.4 生態(tài)恢復期

生態(tài)恢復期包括“水資源消耗影響”“當地居民滿意程度”“水質指標”“水生動物繁衍情況”共4個二級指標。指標因不易進行定量分析，因此采用定性描述來進行評價等級劃分。

“水資源消耗影響”可以通過實地考察的方式了解，將影響程度分為“無影響”“較小”“很大”3個評價等級。

當地居民滿意程度可以通過走訪調查、問卷調查、網絡公式、海報、座談會等形式進行調研，將其分為“滿意”“一般”“不滿意”3個等級。

“水質指標”通過查詢當地水資源公報進行查詢，評價標準同“區(qū)塊原始水文條件”中的評價方法。

“水生動物繁衍情況”可通過實地考察進行定性描述。將其分為“數量穩(wěn)定”“略有減少”“數量銳減”3個評價等級（見表5）。

2.3 層次分析法指標權重的計算

引用數字1～9及其倒數作為標度來定義判斷矩陣[13]，其標度的確定是根據上述各個影響因素的對于目標層或準則層的重要程度進行確定，結合具體情況由經驗豐富的工程師或專家學者來確定，標度的具體含義見表6。

2.3.1 目標層權重的計算

該文采用特征向量法計算權重[13-15]，根據專家打分法得到一級指標構造的目標層判斷矩陣，見表7。

由層次分析法公式計算得到一致性指標CI=0.0295，一致性比率CR=0.0331，因為CR<0.1，所以通過一致性檢驗，各向量權重向量Q分別為：0.0754、0.3172、0.5005、0.1069。

2.3.2 二級指標權重的計算

（1）根據專家打分法得到“區(qū)域原始水文條件”的判斷矩陣，見表8。

由層次分析法公式計算得到一致性指標CI=0.0091，一致性比率CR=0.0176，因為CR<0.1，所以通過一致性檢驗，各向量權重向量Q分別為：0.6250、0.2385、0.1365。

（2）根據專家打分法得到“鉆井期”的判斷矩陣，見表9。

由層次分析法公式計算得到一致性指標CI=0.0599，一致性比率CR=0.0535，因為CR<0.1，所以通過一致性檢驗，各向量權重向量Q分別為：0.3847、0.2815、0.1639、0.1032、0.0667。

（3）根據專家打分得到“壓裂期”的判斷矩陣，見表10。

由層次分析法公式計算得到一致性指標CI=0.0091，一致性比率CR=0.0176，因為CR<0.1，所以通過一致性檢驗，各向量權重向量Q分別為：0.6250、0.2385、0.1365。

（4）根據專家打分得到“生態(tài)恢復期”的判斷矩陣，見表11。

由層次分析法公式計算得到一致性指標CI=0.0532，一致性比率CR=0.0598，因為CR<0.1，所以通過一致性檢驗，各向量權重向量Q分別為：0.5023、0.0942、0.2254、0.1781。

2.3.3 頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響評價模型

根據以上應用層次分析法對各個一級指標和二級指標的權重計算以及一致性檢驗，得到了頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響模型，見表12。

3 ?案例分析

3.1 工區(qū)實際情況

某工區(qū)位于重慶市涪陵區(qū)礁石壩鎮(zhèn)，開發(fā)時間為：2012—2017年。

涪陵區(qū)地處四川盆地和盆邊山地過渡地帶，境內地勢以低山丘陵為主，截至2012年底，涪陵區(qū)森林覆蓋率42.5%，全區(qū)人口116.66萬人，水資資源總量13.04億m3，人均水資源占有量1117.77m3，該區(qū)內長江、烏江水質基本穩(wěn)定在Ⅱ類水域水質標準[16]。

涪陵區(qū)礁石壩鎮(zhèn)某工區(qū)內單口井鉆井用水1500～3800m3，漏失76～786m3，漏失率2%～5%。焦頁32-4HF井等13口以完鉆井為例，直井段采用空氣（泡沫）或常規(guī)水基鉆井液，二開造斜段采用KCl聚合物鉆井液，三開大斜度井段和水平段PMC油基鉆井液[17];并未使用上文所述13種毒性添加劑，該工區(qū)內較少井下事故情況。

壓裂用水10000～15000m3，壓裂液反排率30%～70%。采用減阻水+線性膠的混合壓裂液體系[18]，其性能特點類似于上文所述滑溜水壓裂液體系。

截至2017底，森林覆蓋率46.2%，全區(qū)人口115.83萬人，水資源總量13.39億m3，人均水資源占有量1156m3，該區(qū)內長江、烏江水質基本穩(wěn)定在Ⅱ類水域水質標準[19]。水生動物繁衍情況基本穩(wěn)定，施工過程并未影響到當地居民正常的生產生活。

3.2 綜合指標計算

針對上述實際情況，利用專家打分法，依據表5，對各個二級指標進行打分，再對打分結果取平均值，項目得分85～100為“優(yōu)”，70～84為“中等”，低于70為“差”。各個二級指標得分情況，見表13。

根據表13計算各個一級指標得分情況，計算過程如下：

區(qū)塊原始水文條件S1=0.6250×82.45+0.2385×92.56+0.1365+93.28=86.29325

鉆井期S2=0.3847×64.59+0.2815×90.27+0.1639× ? 82.37+0.1032×95.67+0.0667×84.76=79.28586

壓裂期S3=0.6250×90.83+0.2385×81.62+0.1365× 94.64=89.15348

生態(tài)恢復期S4=0.5023×95.68+0.0942×93.34+0.2254×95.66+0.1781×92.37=94.86555

一級指標得分情況如表14。

水環(huán)境影響總分數S=0.0754×86.29325+0.3172× ? ? ? 79.28586+0.5005×89.15348+0.1069×94.86555=86.41，評價結果為“優(yōu)”，由此說明，近5年來針對于頁巖氣的鉆探開發(fā)對該地區(qū)的水環(huán)境影響較小。

3.3 結果分析

經計算，重慶市涪陵區(qū)礁石壩鎮(zhèn)某工區(qū)2012—2017年中頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響總分數為86.41843分，評價等級為優(yōu)。

實際情況為涪陵區(qū)橫跨長江南北、縱貫烏江東西，水資源豐富，植被豐茂，開發(fā)5年來生態(tài)環(huán)境保護較好;由于復雜地地質條件，平均單口頁巖氣井用水量較多，水平段鉆井使用了污染較為嚴重的油基鉆井液，因此鉆井期得分較低，成為影響該地區(qū)水環(huán)境的最主要因素，有關部門應該著重關注不采取相應措施。水力壓裂過程中使用了優(yōu)質環(huán)保的壓裂液，并且返排率較高。

因此，評價結果與實際情況基本符合，具有很好的實踐意義。

4 ?結語

該文基于近年來我國頁巖氣開發(fā)的大背景以及水資源短缺、水環(huán)境污染的嚴峻形勢，結合頁巖氣開發(fā)過程中的關鍵技術，全面地分析了頁巖氣開發(fā)周期中的水環(huán)境影響因素，得到的結論如下。

（1）采用層次分析法，將定性分析與定量分析方法相結合，同時在專家打分形成的判斷矩陣的基礎上，計算出了頁巖氣開發(fā)水環(huán)境影響評價指標的權重，并得到了頁巖氣開發(fā)對水環(huán)境影響評價模型。

（2）將建立評價模型應用于重慶市涪陵區(qū)礁石壩鎮(zhèn)某工區(qū)，得到的結果與實際情況基本符合，說明該模型具有較好的實用性。從而幫助頁巖氣開發(fā)技術人員分析水環(huán)境影響因素，有針對性地設計或調整開發(fā)方案，或者改進具體的工程設備;幫助有關部門出臺相關政策、法律法規(guī)，建立有針對性的、高效的監(jiān)管機制，實現可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 門曉溪，韓志輝，王磊，等.頁巖氣資源勘探開發(fā)歷史及現狀[J].新疆石油地質，2018，39（3）：373-374.

[2] 國家能源局.國家能源局關于印發(fā)頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）的通知[EB/OL].（2016-09-14）.http：//zfxxgk.nea.gov.cn/auto86/201609/t20160930_2306.htm##s12.

[3] 劉德華，肖佳林，關富佳.頁巖氣開發(fā)技術現狀及研究方向[J].石油天然氣學報，2011，33（1）：119-123，169.

[4] 張東曉，楊婷云.美國頁巖氣水力壓裂開發(fā)對環(huán)境的影響[J].石油勘探與開發(fā)，2015，42（6）：801-806.

[5] 賀小忠，陳少奇，梁萬興，等.油基鉆井液的無害化處理方法分析[J].中國石油和化工標準與質量，2014，34（11）：236.

6] 李紹康，袁穎，李翔，等.頁巖氣開發(fā)地下水污染風險評價指標體系構建[J].環(huán)境科學研究，2018（5）：915-918.

[7] Kenneth Range，程敏輝.化學添加劑在油田上的應用[J].火炸藥，1986（1）：62-63.

[8] 林奇，王丹，楊興華，等.頁巖氣開采對水環(huán)境的影響及其治理技術研究[J].環(huán)境科學與管理，2017（1）：55-57.

[9] 張虹，張代鈞，盧培利.重慶市頁巖氣開采的淺層地下水污染風險評價[J].環(huán)境工程學報，2017，11（4）：2017-2019.

[10] 吳青蕓，鄭猛，胡云霞.頁巖氣開采的水污染問題及其綜合治理技術[J].科技導報，2014，32（13）：74-83.

[11] 周忠鳴，錢程遠.開發(fā)頁巖氣用壓裂液發(fā)展綜述[J].化學工程與裝備，2015（10）：201-203.

[12] 郭小哲，李景，張欣.頁巖氣藏壓裂水平井物質平衡模型的建立[J].西南石油大學學報：自然科學版，2017（2）：132-138.

[13] 汪應洛.系統(tǒng)工程[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2003：130-140.

[14] 鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，42（7）：93-100.

[15] 董君.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].科技資訊，2015，29（218）：218-220.

[16] 重慶市涪陵區(qū)統(tǒng)計局.重慶市涪陵區(qū)2012年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].http：//www.tjcn.org/tjgb/22cq/26492.html.

[17] 周賢海.涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井完井技術[J].石油鉆探技術，2013，41（5）：29-30.

[18] 王志剛.涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井壓裂改造實踐與認識[J].石油與天然氣地質，2014，35（3）：427-429.

[19] 重慶市涪陵區(qū)統(tǒng)計局.重慶市涪陵區(qū)2017年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].http：//www.fl.gov.cn/Cn/Common/news_view.asp？lmdm=012001&id=6137904.