基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理框架及其模塊分析

陸爭光（中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102249）

基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理框架及其模塊分析

陸爭光
（中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

隨著全球頁巖氣勘探開發(fā)的快速推進(jìn)，頁巖氣開發(fā)的諸多環(huán)境問題也逐漸凸顯，缺乏相應(yīng)的環(huán)境評價和管理方法，尤其是在水務(wù)管理方面。提出了基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理框架；從鉆井、水力壓裂、采出水處理等3個階段系統(tǒng)闡述和分析了頁巖氣水務(wù)管理中存在的風(fēng)險源項(xiàng)，包括其污染通道和種類；結(jié)合環(huán)境風(fēng)險評價方法的優(yōu)缺點(diǎn)評估和應(yīng)用前景，推薦采用故障樹/事故樹分析、概率風(fēng)險評價法以及基于概率理論統(tǒng)計(jì)和模糊集的綜合法進(jìn)行頁巖氣水務(wù)管理風(fēng)險評價。

頁巖氣；水務(wù)管理；框架；源項(xiàng)分析；風(fēng)險評價

頁巖氣是繼煤層氣、致密砂巖氣之后重要的非常規(guī)天然氣資源，除俄羅斯、中亞、中東、東南亞以及中非等地區(qū)外的全球頁巖氣可開采量為187.6× 1012m3，其中我國頁巖氣可開采量為25.08×1012m3，屬于已有較高天然氣產(chǎn)量且頁巖氣資源亦很豐富的國家之一［1-2］。近年來，隨著水平井水力壓裂關(guān)鍵技術(shù)的成熟，美國的頁巖氣開發(fā)取得了較大的進(jìn)展，改變了美國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，掀起了全球頁巖氣開發(fā)的熱潮。但同時，頁巖氣開發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境問題也比較突出，包括大氣污染、水資源消耗、水污染以及地震風(fēng)險等［3-5］，其中頁巖氣水務(wù)相關(guān)對環(huán)境的影響層面最廣、程度更深，也最受研究學(xué)者們的關(guān)注［6］。目前，國內(nèi)外對頁巖氣水務(wù)管理的研究主要集中在事故發(fā)生后的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、政策法規(guī)改進(jìn)和管理建議等方面［3，7-8］，缺乏相應(yīng)的環(huán)境評價和管理方法。隨著頁巖氣開發(fā)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代環(huán)境保護(hù)的要求，為了從源頭上預(yù)防和減少對環(huán)境造成的不良影響，結(jié)合相關(guān)風(fēng)險分析和評價技術(shù)，對頁巖氣水務(wù)管理所產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行評價并提出可行的水務(wù)管理方法［6］勢在必行。為此，本文提出基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理方法，深入分析頁巖氣水務(wù)管理不同階段中所包含的環(huán)境風(fēng)險源項(xiàng)，系統(tǒng)討論并評估頁巖氣水務(wù)管理可利用的環(huán)境風(fēng)險評價方法。

1　基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理

1.1概念與原理

環(huán)境風(fēng)險評價（ERA）從20世紀(jì)70年代開始興起，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)科環(huán)境決策和環(huán)境風(fēng)險管理的重要依據(jù)，其內(nèi)涵往往因環(huán)境風(fēng)險源項(xiàng)、評價范圍和評價方法的不同產(chǎn)生較大的差異。根據(jù)美國環(huán)保署、歐盟環(huán)境署以及我國環(huán)保部現(xiàn)階段發(fā)布的定義［9］，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的看法［10］，環(huán)境風(fēng)險評價可以從廣義和狹義2個層面進(jìn)行解釋，前者是指評估人類的社會經(jīng)濟(jì)活動直接或間接可能對社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)和人體健康所造成的損失，并進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險管理和決策的過程；后者則一般指定量估計(jì)有毒有害物質(zhì)對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康可能產(chǎn)生的危害程度，并提出減小環(huán)境風(fēng)險的對策或方案。

本文中的環(huán)境風(fēng)險評價包括狹義層面的環(huán)境危害程度定量估計(jì)，還包括從環(huán)境風(fēng)險源項(xiàng)分析到風(fēng)險后果和風(fēng)險管理的整個系統(tǒng)的評價過程?；诃h(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理方法是環(huán)境風(fēng)險評價應(yīng)用于頁巖氣水務(wù)管理領(lǐng)域的產(chǎn)物，以頁巖氣水務(wù)全周期中潛在的風(fēng)險源項(xiàng)分析為依據(jù)，以規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目和管理安排的環(huán)境風(fēng)險評價為核心，以環(huán)境污染或破壞所造成的經(jīng)濟(jì)損失為評估指標(biāo)，為頁巖氣水務(wù)管理決策和預(yù)防措施的制定提供重要指導(dǎo)的綜合管理方法。

1.2管理框架

結(jié)合該管理方法的基礎(chǔ)原理和相關(guān)學(xué)科風(fēng)險評價的工程經(jīng)驗(yàn)［11］，提出基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理方法及其框架，如圖1所示。頁巖氣水務(wù)管理方法的框架可以大致分為以下4個模塊：

（1）風(fēng)險源項(xiàng)分析。針對現(xiàn)有頁巖氣水務(wù)規(guī)劃建設(shè)和管理安排，找出頁巖氣水務(wù)全周期中潛在的環(huán)境風(fēng)險源項(xiàng)，確定環(huán)境風(fēng)險源項(xiàng)可能引起的事故類型、原因以及發(fā)生的分布規(guī)律等，以選擇風(fēng)險評價的對象、范圍、時間和等級。

（2）風(fēng)險評價方法的選擇。現(xiàn)有的風(fēng)險評價方法可主要分為確定風(fēng)險和隨機(jī)風(fēng)險評價方法。前者可細(xì)分為定性評價法、定量評價法和半定量評價法。就評價成本而言，定性評價法最為經(jīng)濟(jì)，其次是半定量和定量評價法。但就評價結(jié)果的可靠性而言，定量評價法最高，而半定量評價法高于定性評價法。后者考慮了環(huán)境風(fēng)險評價中的不確定性，相對確定性風(fēng)險評價法可靠度高，其評價成本取決于環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜程度。因此，如何根據(jù)風(fēng)險評價的目的來選取最佳的風(fēng)險評價方法，也需要著重考慮。

（3）環(huán)境風(fēng)險評價。針對頁巖氣水務(wù)全周期中風(fēng)險源項(xiàng)的不確定性和突發(fā)性，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，利用經(jīng)濟(jì)合理的風(fēng)險評價方法確定事故對環(huán)境所造成的后果或損失，其評價表征或指標(biāo)主要包括以下3種［12-13］：①定性分級或以暴露和效應(yīng)為基礎(chǔ)的定量估計(jì)指標(biāo)；②暴露評價和毒性評價的綜合指標(biāo)；③事件發(fā)生概率與事故后果的綜合指標(biāo)。環(huán)境風(fēng)險評價的結(jié)果直接受頁巖氣水務(wù)管理的影響，而頁巖氣水務(wù)管理又需要環(huán)境風(fēng)險評價提供相關(guān)管理依據(jù)和指導(dǎo)意見，兩者形成良好的互動關(guān)系。因此，環(huán)境風(fēng)險評價的結(jié)果直接關(guān)系到頁巖氣水務(wù)管理的質(zhì)量，屬于管理框架中的研究重點(diǎn)。

圖1　基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理框架

（4）頁巖氣水務(wù)管理決策。當(dāng)環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果未達(dá)到環(huán)境可接受的風(fēng)險水平時，需要調(diào)整頁巖氣水務(wù)管理規(guī)劃建設(shè)和管理安排，并制定風(fēng)險防范和事故應(yīng)急預(yù)案。然后，再次進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險評價，直至環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果通過環(huán)評要求。

從以上頁巖氣水務(wù)管理框架分析可知，環(huán)境風(fēng)險評價需要結(jié)合頁巖氣田工程實(shí)例和大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評價，進(jìn)而指導(dǎo)頁巖氣水務(wù)管理決策。而頁巖氣水務(wù)管理的風(fēng)險源項(xiàng)分析、風(fēng)險評價方法選擇是管理框架的重要基礎(chǔ)，具有工程普適性，借鑒意義較大。

2　水務(wù)管理風(fēng)險源項(xiàng)分析及其評價技術(shù)

2.1風(fēng)險源項(xiàng)分析

與頁巖氣井開發(fā)的鉆井、水力壓裂以及產(chǎn)氣工程周期類似，頁巖氣水務(wù)的管理也貫穿始終。頁巖氣開采水資源流動路徑和污染通道示意如圖2所示。結(jié)合頁巖氣開采過程中的水資源流動路徑和污染通道［7，14-15］，從鉆井、水力壓裂、采出水處理3個階段對頁巖氣水務(wù)管理進(jìn)行風(fēng)險源項(xiàng)分析，其中鉆井和水力壓裂階段的水務(wù)風(fēng)險管理尚未被現(xiàn)有環(huán)評文件等納入，有待國家環(huán)保部和石油石化企業(yè)相關(guān)部門進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

2.1.1鉆井階段

鑒于泥頁巖儲層水敏嚴(yán)重、鉆井水平井段長等開發(fā)特點(diǎn)以及新型高性能水基鉆井液研發(fā)尚處于起步階段，國內(nèi)外頁巖氣鉆井主要采用油基鉆井液，以避免或減少井漏、縮徑以及攜巖等問題［16-17］。但是，與常規(guī)深層油氣鉆井相同，頁巖氣鉆井采用油基鉆井液，不僅成本較高，而且對周邊環(huán)境存在較高的污染風(fēng)險。

油基鉆井液以及其廢棄物的主要污染源是總鉻、油類以及COD。其中，包含Cr6+在內(nèi)的有害重金屬離子會在土壤中逐漸積累而可能造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染，隨著食物鏈的擴(kuò)大，其對人和動植物的危害也會逐漸放大，因此鉻一直被列為我國農(nóng)田土壤環(huán)評的重金屬控制指標(biāo)之一；油類對環(huán)境的污染一般體現(xiàn)在地表水污染、土壤結(jié)構(gòu)破壞以及植物的生長危害方面［18］；COD是水體的有機(jī)物污染評價參數(shù)，其數(shù)值越大，表明水體有機(jī)物污染的程度越嚴(yán)重，而長時間沉積的有機(jī)污染物會對水體中的生物造成較大的毒害作用，甚至摧毀水生態(tài)系統(tǒng)。此外，也有些研究提出部分油基鉆井液過高的pH值和可溶性鹽類對土壤或水體環(huán)境的影響也不容忽視［19］。

2.1.2水力壓裂階段

和常規(guī)天然氣儲層不同，頁巖氣儲層滲透率較低，一般為10-6～10-5μm2，需要對其進(jìn)行壓裂改造，通過構(gòu)造裂縫網(wǎng)絡(luò)來提高采收率。目前，水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開采的主要方式，采用該技術(shù)會對環(huán)境產(chǎn)生以下兩類風(fēng)險：水資源消耗和水資源污染。

圖2　頁巖氣開采水資源流動路徑和污染通道示意

（1）水資源消耗。頁巖氣開采單井用水量約是常規(guī)水力壓裂井的50～100倍、是常規(guī)天然氣開采單井的102～105倍，而用水量主要集中在水力壓裂階段，壓裂用水量主要受地質(zhì)儲層特征、壓裂液體系、井深、水平井段長以及壓裂段數(shù)等工程因素影響［20-21］。以美國Marcellus頁巖氣田為例，根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，Marcellus氣田單井用水量為1 500～45 000 m3，平均單井用水量約為15 000 m3，其中用于水力壓裂的水量占98%。

水力壓裂階段的水資源消耗會對頁巖氣開采供水地區(qū)造成一定的供水壓力，影響當(dāng)?shù)厮Y源供給和生態(tài)環(huán)境。綜合分析，水資源消耗對周邊環(huán)境可能產(chǎn)生的風(fēng)險源主要有以下幾個方面［12，14-15］：①水力壓裂具有用水量大和用水密度集中的特點(diǎn)；②根據(jù)我國水資源和水力資源研究中心的調(diào)查研究，我國頁巖氣優(yōu)先勘探開發(fā)的地區(qū)（如我國首個國家級頁巖氣示范區(qū)---重慶涪陵頁巖氣田）大多處于或鄰近缺水區(qū)域；③隨著頁巖儲層埋藏深度和儲層厚度的增大，單井用水量、壓裂用水量也會逐漸增大，且可能會成倍增大。我國目前勘探開發(fā)的頁巖氣田儲層厚度為20～800 m，埋藏深度為2 600～3 000 m［22］，相對美國和加拿大頁巖氣儲層而言均有所升高，因此，壓裂用水量也會有所增大。

（2）水資源污染。雖然目前美國多數(shù)頁巖氣井環(huán)境評估結(jié)果較為良好，但許多研究均表明頁巖氣開采可能會造成水資源污染，引起了公眾對水力壓裂開采頁巖氣的強(qiáng)烈抵制。法國和保加利亞等國家政府曾發(fā)布禁令，禁止利用水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣，美國的Marcellus頁巖氣田也曾因地下水污染而一度停止開發(fā)。因此，水力壓裂階段水務(wù)管理可能引起的水資源污染風(fēng)險應(yīng)當(dāng)給予重視，特別是后果較難控制的地下水污染風(fēng)險。

在水力壓裂階段，水資源污染風(fēng)險主要是地下水污染風(fēng)險。一方面，壓裂液或采出水可能從頁巖氣井套筒缺損處泄漏，直接流入地下水中。另一方面，當(dāng)頁巖氣儲層與地下水之間同時滿足連通性和向上運(yùn)移驅(qū)動力的要求時，注入頁巖氣儲層的壓裂液或頁巖氣儲層的高礦化度地層水可能會向上運(yùn)移［23-24］，進(jìn)入地下水造成污染。

2.1.3采出水處理階段

根據(jù)壓裂液組成、頁巖氣儲層性質(zhì)以及不同開采階段壓裂液的返回率不同等分析可知，頁巖氣采出水（返排液和產(chǎn)出水）具有組成復(fù)雜、高COD、高TSS、高TDS、水質(zhì)指標(biāo)波動范圍較大以及多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)大大超過國內(nèi)外污水回用標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)［14］，導(dǎo)致其污染風(fēng)險較高、處理難度較大。

目前，國內(nèi)外對頁巖氣采出水一般采用“一級預(yù)處理-二級軟化處理-三級脫鹽處理”的三級處理技術(shù)，深井回注、部分處理后內(nèi)部回用和處理達(dá)標(biāo)后外排3種處理方式。在采出水處理技術(shù)成熟的情況下，為了盡量減輕地表水污染，加之回注深井地質(zhì)條件的限制，部分處理后內(nèi)部回用的處理方式將會是未來的主流處理方式和研究趨勢［25］。截止2014年底，美國Barnett和Marcellus頁巖氣田成功應(yīng)用蒸餾處理技術(shù)回收利用比例高達(dá)80%，Pennsylvania頁巖氣田回收利用比例也大于69%［26］。

基于頁巖氣采出水特點(diǎn)和處理技術(shù)、處理方式現(xiàn)狀，綜合分析采出水處理階段可能出現(xiàn)的環(huán)境污染風(fēng)險包括［14，27-28］：①初步處理后/深井回注前/內(nèi)部回用前的采出水可能會在儲水池中發(fā)生泄漏或滲透，流入地表水或滲入淺層地下水；②注入井的井套筒缺損也會導(dǎo)致采出水直接流入淺層地下水中，而垂直距離注入井射孔600 m以內(nèi)的井筒斷裂缺損并不會對地下水造成威脅［29］；③采出水未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)后外排，流入附近的地表水中。

2.2風(fēng)險評價方法

完整的環(huán)境風(fēng)險評價需要大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，而一些風(fēng)險源項(xiàng)對環(huán)境產(chǎn)生的影響往往是模糊、不確定或定性的，尤其是新發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險源項(xiàng)（如高礦化度地層水向上運(yùn)移）產(chǎn)生的環(huán)境影響，這會給環(huán)境風(fēng)險評價的結(jié)果帶來很大的不確定性［30-31］。根據(jù)環(huán)境風(fēng)險評價中是否考慮不確定因素，環(huán)境風(fēng)險評價方法可分為確定風(fēng)險評價方法和隨機(jī)風(fēng)險評價方法，如圖3所示。

圖3　環(huán)境風(fēng)險評價方法

在頁巖氣水務(wù)管理環(huán)境風(fēng)險評價模塊中，推薦采用環(huán)境風(fēng)險評價領(lǐng)域最常用和有前景的3種評價方法：①故障樹/事故樹分析?？煞譃槎ㄐ?、定量分析2種，后者的應(yīng)用范圍和價值更大，其優(yōu)點(diǎn)在于簡單、直觀、分析步驟明了；缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在，對于底事件較多的復(fù)雜系統(tǒng)，其故障樹構(gòu)造過程的工作量較大，對構(gòu)造分析人員的要求也較高。因此，在頁巖氣水務(wù)管理中，在滿足已掌握風(fēng)險源項(xiàng)發(fā)生概率的情況下，定量故障樹分析法是一種較為簡單、實(shí)用性高，但評價結(jié)果可信度取決于構(gòu)造分析人員或?qū)＜乙庖姷脑u價方法。②概率風(fēng)險評價法。其優(yōu)點(diǎn)是可以將人為事件、設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行歷史、自然發(fā)展事故以及對生態(tài)環(huán)境的影響綜合在一起分析，能夠明確定量描述系統(tǒng)中的風(fēng)險狀態(tài)和風(fēng)險可能發(fā)生的過程，給出各種風(fēng)險源項(xiàng)導(dǎo)致事故發(fā)生的重要度；缺點(diǎn)主要是需要積累大量的歷史數(shù)據(jù)來計(jì)算事件發(fā)生概率［32-33］。③基于概率理論統(tǒng)計(jì)和模糊集的綜合法。該方法用概率理論統(tǒng)計(jì)解決數(shù)據(jù)完整的風(fēng)險源項(xiàng)不確定性問題，同時用模糊集理論來解決普遍存在的風(fēng)險源項(xiàng)信息模糊問題［34-35］，實(shí)現(xiàn)了兩者應(yīng)用互補(bǔ)。相對于前2種方法而言，綜合法具有更高的適用性和評價結(jié)果準(zhǔn)確度，應(yīng)用前景更廣，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了概率理論統(tǒng)計(jì)的豐富與嚴(yán)密性、模糊集理論的邏輯保守特性，結(jié)果更為可靠，且可以用于歷史數(shù)據(jù)較少或殘缺的系統(tǒng)評價；其缺點(diǎn)主要是評價結(jié)果信息量相對較少、不同類型變量之間的誤差處理較大。

3　結(jié)論

（1）采用基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理方法對頁巖氣水務(wù)進(jìn)行管理，可以定量地評價對環(huán)境造成的影響，并從源頭上預(yù)防和減輕對環(huán)境造成的不良影響。

（2）基于環(huán)境風(fēng)險評價的頁巖氣水務(wù)管理方法主要包括風(fēng)險源項(xiàng)分析、風(fēng)險評價方法、環(huán)境風(fēng)險評價以及水務(wù)管理4個模塊，其中風(fēng)險源項(xiàng)分析和風(fēng)險評價方法是管理框架的重要基礎(chǔ)。

（3）頁巖氣水務(wù)管理的風(fēng)險源項(xiàng)貫穿鉆井、水力壓裂、采出水處理3個階段，其污染通道和種類均比較多。

（4）根據(jù)目前環(huán)境風(fēng)險評價方法的應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)評估，推薦頁巖氣水務(wù)管理風(fēng)險評價主要采用故障樹/事故樹分析、概率風(fēng)險評價法以及基于概率理論統(tǒng)計(jì)和模糊集的綜合法。

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Framework and module analysis of shale gas water management based on environmental risk assessment

LU Zheng-guang
（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety，Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

With the rapid development of shale gas exploration in the world，many environmental problems caused by it are gradually highlighted for lake of appropriate environmental assessment and management method，especially in water management.The framework of shale gas water management based on environmental risk assessment was put forward；the risk sources of shale gas water management including pollution channels and contaminant species were systematically expounded and analyzed from the following three stages:drilling，hydraulic fracturing and produced water treatment.Based on the advantages，disadvantages and application prospect of different environmental risk assessment methods，the following methods were recommended in the risk assessment of shale gas water management:fault tree analysis and accident tree analysis，probabilistic risk assessment method and synthesis method based on probability theory statistics and fuzzy set.

shale gas；water management；framework；sources analysis；risk assessment

廢水處理及回用

X741

A

1009-2455（2016）04-0016-06

陸爭光（1991-），男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事油氣長距離管輸與油氣田集輸技術(shù)的研究工作，（電子信箱）shidafighter@163.com。

2016-03-07（修回稿）