陈旭东 韩天潮 张青权
摘 要：基于我國页岩气开发的大背景以及水资源短缺和水环境污染的严峻形势，建立页岩气开发对水环境影响的评价模型，有针对性地进行预防与治理是颇有必要的。该文从区块原始水文条件、钻完井期、水力压裂期、生态恢复期四大方面进行综合评价，选取每个阶段中易于评估、有代表性的水环境影响因素作为评价指标。结合相关行业标准及国内外行业经验，制定了各个指标对水环境影响的评价标准。引入层次分析法对评价指标进行层次划分，同时在专家打分形成的判断矩阵的基础上，计算出了各个评价指标的权重，建立了包含4个一级评价指标、15个二级评价指标的页岩气开发环境影响评价模型。将建立的评价模型应用于实际案例当中，得到的结果与实际情况具有很好的拟合性。研究成果的意义在于，为页岩气开发部门制定清洁环保的开发方案、寻找主要污染源，以最大程度地保护水资源并为其提供合理化建议;为政府环保部门、水利部门出台相关的水环境保护政策提供专业技术上的依据。
关键词：页岩气开发 水环境影响 层次分析法 评价标准 评价模型
中图分类号：TE37;X82 文献标识码：A 文章编号：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
国务院办公厅《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》明确提出，到2020年天然气占我国一次能源消费比重将达到10%以上，而常规油气资源产量及储量逐年降低，为页岩气大规模开发提供了宝贵的战略机遇[1]。2020年力爭实现页岩气产量300亿m3，2030年实现页岩气产量800～1000亿m3[2]。
水平井及其压裂技术是目前开发页岩气的主要手段[3]，其巨大的用水量必将给生态环境的保护以及治理造成严峻的压力，页岩气水平井单井用水量是常规水力压裂井耗水量的50～100倍[4]。2011年美国麻省理工学院对天然气回顾研究报告指出由于天然气或钻井液引起的地下水污染事件共约占48%[3]。
因此，该文着重研究页岩气开发对水资源消耗和水环境污染的影响;建立页岩气开发对水环境影响的评价标准，客观、全面地评价页岩气开发对于某地区水环境的影响;找出页岩气开发过程中，对当地水环境影响的主要因素和次要因素，从而有针对性、有侧重地进行预防和治理。
1 页岩气开发对水环境影响因素分析
页岩气开发最具普遍性、代表性的技术为水平井钻井技术和水力压裂技术，以上两个过程对于水资源的影响也最为突出，因此该文主要从钻完井阶段和水力压裂阶段两方面来分析。
1.1 钻井阶段对水环境的影响因素分析
该阶段主要污染源为冲洗钻具和设备的污水、钻井泥浆。其中钻井泥浆中主要的有害成分包括化学添加、盐类、油类、高分子有机化合物在生物降解作用下形成的低分子有机化合物和碱类物质，还有如铅、铬、铜、汞等多种重金属，其中石油类物质会对水体和土壤造成污染，有机烃类物质进人水体后在水循环作用下对人类和水生动物造成危害，其中的多环芳烃具有致畸性、致癌性和毒性，是环境污染的重要因子[5]。
主要的污染形式包括以下几个方面：（1）钻井废水被排放到井场废液池中以待处理或等待下一口钻井回用，自然蒸发和意外泄露将会对地表水造成污染。（2）钻井过程在发生的严重的井漏、井喷事故。（3）钻井液注压力一般稍大于裸露地层的压力，钻井液与井壁的长时间接触导致钻井液以渗漏方式进入地层，并通过岩石颗粒的吸附—解吸作用传输到含水层进而影响地下水[6]。（4）由于地质构造因素，当钻遇溶洞、裂缝时，钻井液会大量漏失污染地下水。
除了污染之外，水平井钻井技术也比常规直井需要更多的水，其对于当地水资源的影响不可忽视。据统计，钻单口水平井的竖直段和水平段需消耗水总量约为400～4000m3，用以维持井底静液压、冷却钻头和携带岩屑等。
1.2 水力压裂阶段对水环境的影响因素分析
水力压裂技术对水环境的影响程度也是整个开发周期中最大的，包括需要消耗大量的水资源、压裂液及返排液中的有害物质污染地下水和地表水。
压裂液中含有99%的水和砂，以及将近1%的化学添加剂，据不完全统计，压裂液中可能含有500多种化学添加剂[7]，例如PH调节剂、杀菌剂、黏土稳定剂、减阻剂、破乳剂、降滤失剂等，其中包含了29种有毒物质[8]，不同的压裂液体系中的污染物质含量不尽相同。压裂液进入地层，通过溶洞、裂缝系统以及不完善的井筒与地下水层接触[9]，部分压裂液无法反排滞留地层，对地下水造成永久性污染。因此，压裂液反排率也是重要的影响因素之一。
压裂期用水量远高于钻完井期，其对于当地水资源的影响更不能忽略。据统计，水力压裂过程需要7000～18000 m3水，但具体用水量取决于具体的盆地结构和地质构造[10]，目前我国优先开采地区中有7个省面临水资源短缺的问题，云南和贵州两省每年都经受长达半年的干旱灾害期。因此，页岩气的开采对淡水资源的依赖会使上述地区水资源短缺问题更严重，影响当地的生活和生产用水[8]。
2 基于层次分析法的页岩气开发对水环境影响评价模型
本着科学性、简洁性的原则，结合页岩气开发整个过程中水平井技术与水力压裂技术可能带来的水污染问题，将整个评价指标体系分为区块原始水文条件、钻完井期、水力压裂期、生态恢复期四大方面的一级评价指标，其中又下设15个二级评价指标，如表5所示。
2.1 一级评价指标
基于上述页岩气开发对水环境影响因素分析，将钻完井期、压裂期作为整个评价指标体系的一级评价指标，但由于不同地区的原始水文条件、水资源承载能力、生态系统恢复能力不尽相同，不同的施工团队对于环保工作的重视程度、对于施工结束之后的“善后”工作也存在差异，因此考虑到评价模型的普遍适用性与准确性，因此将“区块原始水文条件”“生态恢复期”也一并作为指标体系的一级评价指标。
2.2 二级评级指标
2.2.1 区块原始水文条件
区块原始的水文条件包括“人均水资源总量”“水质指标”“森林覆盖率”3个二级指标，具体数据均可以通过查询当地年鉴和水资源公报来获得。
“人均水资源总量”为生产区块所在的县（区）级行政分区的人均水资源总量，根据国际公认的缺水标准分为4个等级（见表1）。根据该标准，将生产区块人均水资源总量2000m3、1000m3作为评价等级划分界限。
“水质指标”的评价等级按I、II、III、IV、V类水质所占比例来划分。
“森林覆盖率”与当地的水资源条件密切相关，森林能涵养水源，保持水土，同时很大程度程度上反映了当地的水资源状况，我国《森林法》规定：全国森林覆盖率要达到30%，其中山区县一般要达到70%以上，丘陵区县要达到40%以上，平原区县要达到10%以上。因此山区县以70%、50%为标准划分评价等级;丘陵区县以40%、20%为标准划分;平原区县以10%、5%为标准划分。
2.2.2 钻井期
钻井期包括“钻完井期用水总量”“钻井液漏失率”“钻井液体系类型”“有毒添加剂种类”“地区井喷事故情况”“固井质量”6个二级指标。
“钻完井期用水总量”根据国内行业经验一般钻单口頁岩气水平井耗水120m3，评价等级以120m3、500m3为界限划分。
“钻井液漏失率”由于受岩层岩性、渗透率的影响比较大，不同地区的差异很大，较理想的情况下低于5%，因此5%及以下为优，高于10%为差。
“钻井液体系类型”主要指目前常用的、低毒油包水乳化钻井液、常规油基钻井液3种体系类型。实践表明，水基钻井液对环境影响最小，因此评价等级为优，常规油基钻井液对环境影响最为严重，因此评价等级为差。
“有毒添加剂种类”是指钻井过程中使用过的有毒添加剂种类数。张晓飞[11]等人针对不同钻井液添加剂的生物毒性进行了深入研究，最终筛选出了可能造成废弃钻井液含有毒物质的添加剂，见表2，污染重金属含量较高的钻井液添加剂见表3。这13种污染物较强的钻井液添加剂中，使用的种类低于4种为优，4～8种为中等，大于8种为差。
“井下事故情况”根据整个区块发生井下施工事故（井喷、井漏、井塌等）的实际情况定性描述，按“极少”“较少”“经常”划分评价等级。
2.2.3 压裂期
压裂期包括“压裂期用水总量”“压裂液反排率”“压裂返排液处理效果”共3个二级指标。
“压裂期用水总量”根据国内行业经验一般钻单口页岩气水平井压裂耗水量15000m3，最高可达18000m3以上，因此以15000m3及18000m3为标准划分等级。
“压裂液反排率”根据郭小哲[12]等人的数值模拟研究得出压裂液返排率为50%～80%可达到较好的页岩气开发效果，因此“压裂液反排率”以50%和80%为标准划分等级。
目前有水压裂的“压裂返排液体系类型”主要有冻胶压裂液、泡沫压裂液和滑溜水压裂液[11]，以上3种压裂液体系都有各自的特点，因此对用水量以及环境污染程度也不尽相同。周忠鸣等[11]总结了3种压裂液体系各自的适应性及优缺点，见表4。
由表4可知，3种常见的压裂液体系各有各自的适用条件，使用哪种压裂液要综合考虑具体的地质条件、施工条件等，但是单从水资源保护的角度来讲，滑溜冰水压裂液具有易返排、易回收、污染小的特点，因此评价等级为优，泡沫压裂液为中等，尽管冻胶压裂液适用范围广，但由于它高耗水、高残留、难处理，所以评价等级为差。
2.2.4 生态恢复期
生态恢复期包括“水资源消耗影响”“当地居民满意程度”“水质指标”“水生动物繁衍情况”共4个二级指标。指标因不易进行定量分析，因此采用定性描述来进行评价等级划分。
“水资源消耗影响”可以通过实地考察的方式了解，将影响程度分为“无影响”“较小”“很大”3个评价等级。
当地居民满意程度可以通过走访调查、问卷调查、网络公式、海报、座谈会等形式进行调研，将其分为“满意”“一般”“不满意”3个等级。
“水质指标”通过查询当地水资源公报进行查询，评价标准同“区块原始水文条件”中的评价方法。
“水生动物繁衍情况”可通过实地考察进行定性描述。将其分为“数量稳定”“略有减少”“数量锐减”3个评价等级（见表5）。
2.3 层次分析法指标权重的计算
引用数字1～9及其倒数作为标度来定义判断矩阵[13]，其标度的确定是根据上述各个影响因素的对于目标层或准则层的重要程度进行确定，结合具体情况由经验丰富的工程师或专家学者来确定，标度的具体含义见表6。
2.3.1 目标层权重的计算
该文采用特征向量法计算权重[13-15]，根据专家打分法得到一级指标构造的目标层判断矩阵，见表7。
由层次分析法公式计算得到一致性指标CI=0.0295，一致性比率CR=0.0331，因为CR<0.1，所以通过一致性检验，各向量权重向量Q分别为：0.0754、0.3172、0.5005、0.1069。
2.3.2 二级指标权重的计算
（1）根据专家打分法得到“区域原始水文条件”的判断矩阵，见表8。
由层次分析法公式计算得到一致性指标CI=0.0091，一致性比率CR=0.0176，因为CR<0.1，所以通过一致性检验，各向量权重向量Q分别为：0.6250、0.2385、0.1365。
（2）根据专家打分法得到“钻井期”的判断矩阵，见表9。
由层次分析法公式计算得到一致性指标CI=0.0599，一致性比率CR=0.0535，因为CR<0.1，所以通过一致性检验，各向量权重向量Q分别为：0.3847、0.2815、0.1639、0.1032、0.0667。
（3）根据专家打分得到“压裂期”的判断矩阵，见表10。
由层次分析法公式计算得到一致性指标CI=0.0091，一致性比率CR=0.0176，因为CR<0.1，所以通过一致性检验，各向量权重向量Q分别为：0.6250、0.2385、0.1365。
（4）根据专家打分得到“生态恢复期”的判断矩阵，见表11。
由层次分析法公式计算得到一致性指标CI=0.0532，一致性比率CR=0.0598，因为CR<0.1，所以通过一致性检验，各向量权重向量Q分别为：0.5023、0.0942、0.2254、0.1781。
2.3.3 页岩气开发对水环境影响评价模型
根据以上应用层次分析法对各个一级指标和二级指标的权重计算以及一致性检验，得到了页岩气开发对水环境影响模型，见表12。
3 案例分析
3.1 工区实际情况
某工区位于重庆市涪陵区礁石坝镇，开发时间为：2012—2017年。
涪陵区地处四川盆地和盆边山地过渡地带，境内地势以低山丘陵为主，截至2012年底，涪陵区森林覆盖率42.5%，全区人口116.66万人，水资资源总量13.04亿m3，人均水资源占有量1117.77m3，该区内长江、乌江水质基本稳定在Ⅱ类水域水质标准[16]。
涪陵区礁石坝镇某工区内单口井钻井用水1500～3800m3，漏失76～786m3，漏失率2%～5%。焦页32-4HF井等13口以完钻井为例，直井段采用空气（泡沫）或常规水基钻井液，二开造斜段采用KCl聚合物钻井液，三开大斜度井段和水平段PMC油基钻井液[17];并未使用上文所述13种毒性添加剂，该工区内较少井下事故情况。
压裂用水10000～15000m3，压裂液反排率30%～70%。采用减阻水+线性胶的混合压裂液体系[18]，其性能特点类似于上文所述滑溜水压裂液体系。
截至2017底，森林覆盖率46.2%，全区人口115.83万人，水资源总量13.39亿m3，人均水资源占有量1156m3，该区内长江、乌江水质基本稳定在Ⅱ类水域水质标准[19]。水生动物繁衍情况基本稳定，施工过程并未影响到当地居民正常的生产生活。
3.2 综合指标计算
针对上述实际情况，利用专家打分法，依据表5，对各个二级指标进行打分，再对打分结果取平均值，项目得分85～100为“优”，70～84为“中等”，低于70为“差”。各个二级指标得分情况，见表13。
根据表13计算各个一级指标得分情况，计算过程如下：
区块原始水文条件S1=0.6250×82.45+0.2385×92.56+0.1365+93.28=86.29325
钻井期S2=0.3847×64.59+0.2815×90.27+0.1639× 82.37+0.1032×95.67+0.0667×84.76=79.28586
压裂期S3=0.6250×90.83+0.2385×81.62+0.1365× 94.64=89.15348
生态恢复期S4=0.5023×95.68+0.0942×93.34+0.2254×95.66+0.1781×92.37=94.86555
一级指标得分情况如表14。
水环境影响总分数S=0.0754×86.29325+0.3172× 79.28586+0.5005×89.15348+0.1069×94.86555=86.41，评价结果为“优”，由此说明，近5年来针对于页岩气的钻探开发对该地区的水环境影响较小。
3.3 结果分析
经计算，重庆市涪陵区礁石坝镇某工区2012—2017年中页岩气开发对水环境影响总分数为86.41843分，评价等级为优。
实际情况为涪陵区横跨长江南北、纵贯乌江东西，水资源丰富，植被丰茂，开发5年来生态环境保护较好;由于复杂地地质条件，平均单口页岩气井用水量较多，水平段钻井使用了污染较为严重的油基钻井液，因此钻井期得分较低，成为影响该地区水环境的最主要因素，有关部门应该着重关注不采取相应措施。水力压裂过程中使用了优质环保的压裂液，并且返排率较高。
因此，评价结果与实际情况基本符合，具有很好的实践意义。
4 结语
该文基于近年来我国页岩气开发的大背景以及水资源短缺、水环境污染的严峻形势，结合页岩气开发过程中的关键技术，全面地分析了页岩气开发周期中的水环境影响因素，得到的结论如下。
（1）采用层次分析法，将定性分析与定量分析方法相结合，同时在专家打分形成的判断矩阵的基础上，计算出了页岩气开发水环境影响评价指标的权重，并得到了页岩气开发对水环境影响评价模型。
（2）将建立评价模型应用于重庆市涪陵区礁石坝镇某工区，得到的结果与实际情况基本符合，说明该模型具有较好的实用性。从而帮助页岩气开发技术人员分析水环境影响因素，有针对性地设计或调整开发方案，或者改进具体的工程设备;帮助有关部门出台相关政策、法律法规，建立有针对性的、高效的监管机制，实现可持续发展。
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