頁巖氣開采區(qū)地下水脆弱性評價模型

辜海林，岳曉晶，陳鴻漢，畢二平

(中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083)

在頁巖氣開發(fā)過程中，大規(guī)模的水力壓裂對地下水環(huán)境的影響逐漸引起了人們的關注[1-3]。已有資料表明，水力壓裂液、壓裂返排水、處理排放水的泄露或不合理排放都會造成地下水的污染[1-2,4]，而我國關于頁巖氣開采活動對地下水環(huán)境的影響研究相對較少。通過對頁巖氣開采區(qū)地下水進行脆弱性評價，可以為頁巖氣的勘探開發(fā)選址、廢液廢渣排放標準的制定和產(chǎn)能區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境的保護提供理論支撐。

本文根據(jù)頁巖氣的開采特點，將淺部含水層和深部含水層概化為一個評價整體，以頁巖氣開采區(qū)內(nèi)的開采井區(qū)和回注井區(qū)兩個最容易發(fā)生地下水污染事故的區(qū)域作為目標評價區(qū)，在DRASTIC模型[5]的基礎上，通過分析開采井區(qū)和回注井區(qū)污染物的潛在運移途徑來篩選評價因子，提出了頁巖氣開采井區(qū)地下水脆弱性評價模型DIRTEV和回注井區(qū)地下水脆弱性評價模型DIRWOCT。

1 評價模型的建立

1.1 目標含水層的確定

通常地下水脆弱性評價只是考慮淺部含水層，而頁巖氣開采井或廢水回注井都會貫穿目標層以上的整個地層，其中可能包括淺部含水層在內(nèi)的多個含水層(TDS小于1 g/L的含水層為淡水含水層[6])。在大規(guī)模的頁巖氣開發(fā)活動中，壓裂液等污染物可能通過固井質(zhì)量較差或封堵性能較差的開采井和回注井從深部向上運移，從而污染深部含水層和淺部含水層。此外，當目標區(qū)內(nèi)深部含水層在他處出露地表時，淺部含水層受到污染的風險將大大增加。因此，在進行頁巖氣開采區(qū)地下水脆弱性評價時，將淺部含水層和深部含水層分開評價或者只是評價淺部含水層會影響評價結果的準確度。基于此，本文將淺部含水層和深部含水層(垂向上距離開采層或回注層最近的淡水含水層)概化為一個含水系統(tǒng)，無論是淺部污染物還是深部污染物，只要一進入該含水系統(tǒng)，都視為造成地下水污染。

1.2 潛在的污染方式

整個頁巖氣開采過程中，污染物產(chǎn)生(處理)量最大的是開采井的水力壓裂過程(回注井的廢水回注過程)。水力壓裂的單井注水量(壓裂液)在0.8萬～10萬m3不等[1]，在壓裂結束后，注入水量的5%～50%會返排至地表(返排液)[7-8]，在產(chǎn)氣過程中還會產(chǎn)生一部分高TDS的采出水。施工過程中污染物的意外泄露會對地下水產(chǎn)生影響，而鉆井、水力壓裂和產(chǎn)氣過程中產(chǎn)生的廢水量大，且處理難度高，目前最常用的處理方式是深井回注，使得回注區(qū)地下水也有受到污染的風險。從污染物的運移途徑上分析，開采井區(qū)和回注井區(qū)既有相同之處也有不同之處，所以將頁巖氣開采區(qū)地下水脆弱性評價分為開采井區(qū)和回注井區(qū)兩部分(開采和回注屬于整個頁巖氣開采過程中的兩個環(huán)節(jié))。

開采井區(qū)和回注井區(qū)相同點為：①都有地表滲漏污染淺部含水層的風險。水力壓裂液的制備運輸、返排液(采出水)的運輸、地表儲存設備和管線的泄露、不合理的排放等都會引起污染物的泄露，造成淺部含水層的污染。②污染物都有垂向上運移污染深部含水層的風險。頁巖氣開采過程中人為產(chǎn)生的裂隙(包括水力壓裂、鉆井施工等產(chǎn)生的裂隙)、原生的斷層裂隙等都有可能成為目標層(開采層和回注層)內(nèi)污染物向上運移的通道。

開采井區(qū)和回注井區(qū)的不同點是目標層內(nèi)污染物泄露的影響因素存在差異。開采井區(qū)井密度大，開采目的層埋深較大，主要考慮水力壓裂、頻繁鉆井施工等對儲層封閉性的影響；回注井區(qū)井密度小，回注層埋深相對較小，主要考慮回注層的埋藏、蓋層封隔性等對回注層封閉性的影響。

除地表滲漏和深部運移污染含水系統(tǒng)外，頁巖氣開采過程中的井管破裂、鉆井液漏失等都可能導致污染物直接進入含水系統(tǒng)，但這都是施工過程中的偶發(fā)性事故，具有極大的不確定性，不容易被量化，所以本文所建模型不考慮這種污染方式。

1.3 模型因子篩選原則

國內(nèi)地下水脆弱性評價普遍采用DRASTIC模型[5]，該模型具有普適性，在較大尺度上使用時較為方便，但是當對某一特殊區(qū)域或特殊情況下的地下水進行脆弱性評價時，其評價精度就顯得不足。為了彌補DRASTIC模型存在的缺陷，一些學者根據(jù)評價區(qū)的特點對DRASTIC模型進行了一定程度的改進，如張川等[9]在充分考慮呼倫貝爾高平原地區(qū)水文地質(zhì)條件的情況下提出了DRASTIC模型的改進模型——DRASL模型。

本文以DRASTIC模型為基礎，結合頁巖氣開采特點和我國頁巖氣藏區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)特征來進行評價模型的改進。確定模型因子篩選原則為：①選擇對地下水污染影響最明顯的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件作為評價因子[10]；②篩選容易被量化的因子，并且所涉及的資料容易獲?。虎劢Y合頁巖氣開采過程中污染物的潛在運移途徑來選擇，不考慮污染物在含水層中的運移情況；④各因子之間的依賴性要盡可能小，減少因子之間的重疊(例如DRASTIC模型中含水層介質(zhì)和含水層的水力傳導系數(shù)兩個因子就密切相關)；⑤不考慮施工過程中的不確定性因素，如井管破裂、井噴等偶發(fā)性施工事故，主要考慮頁巖氣開采施工前能獲取的參數(shù)。

1.4 模型因子的確定

按照前述確定評價因子的篩選原則對頁巖氣開采井區(qū)和回注井區(qū)地下水脆弱性評價因子進行篩選，最終確定開采井區(qū)地下水脆弱性評價模型的評價因子為地下水埋深D、包氣帶介質(zhì)I、凈補給量R、構造發(fā)育程度T、開采井數(shù)量E和儲層距含水系統(tǒng)的垂向距離V，回注井區(qū)地下水脆弱性評價模型的評價因子為地下水埋深D、包氣帶介質(zhì)I、凈補給量R、日均回注水量W、回注層露頭范圍O、蓋層厚度C和構造發(fā)育程度T，分別記為DIRTEV模型和DIRWOCT模型。

a. 地下水埋深D、包氣帶介質(zhì)I和凈補給量R為污染物經(jīng)地表入滲進入含水系統(tǒng)這一過程中對污染物遷移有顯著影響的3個因素，各因子的具體含義與鐘佐燊[10]的一致。其中凈補給量指降雨入滲補給地下水的量。

b. 構造發(fā)育程度T。①與北美頁巖氣儲集條件相比，我國頁巖盆地構造斷裂更發(fā)育[11]。國外學者的研究認為，天然存在的斷層裂隙可能是深部流體向上遷移的潛在途徑[12-13]。在構造發(fā)育的區(qū)域內(nèi)進行水力壓裂作業(yè)，壓裂液的注入可能激活原有的斷層或封閉裂隙[14]，使其形成相互連通的導水通道，污染物通過這些通道進入含水系統(tǒng)污染地下水。②回注層巖石滲透率低，儲層中的廢水主要在發(fā)育的裂隙、巖溶或構造內(nèi)運移。當區(qū)內(nèi)構造發(fā)育時，儲層中的廢水很可能通過潛在的導水通道發(fā)生外泄[15]。

c. 開采井數(shù)量E。隨著鉆井數(shù)量的增加，區(qū)域內(nèi)水力壓裂的總次數(shù)增多，污染物的數(shù)量增加，發(fā)生污染事故的概率也會增加[1]。Garfield地區(qū)的研究表明，地下水中較高的Cl-濃度(當?shù)氐叵滤械腃l-主要來源于返排水)與氣井的數(shù)量有關[13]。此外，大量的鉆井作業(yè)更有可能增加深部和淺部含水層的水力聯(lián)系，固井和完井較差的鉆井也有可能成為污染物潛在的運移途徑。因此，隨著鉆井數(shù)量的增加，污染物泄露的風險增大，地下水更容易被污染。

d. 儲層距含水系統(tǒng)的垂向距離V。儲層距含水系統(tǒng)的垂向距離是指儲氣層頂板距含水系統(tǒng)底邊界的垂向距離。Fisher等[14]對美國大量水力壓裂造縫高度統(tǒng)計表明，水平井的水力壓裂作業(yè)通?？梢栽诖瓜蛏袭a(chǎn)生幾十至幾百米高的微裂隙，并且由于封閉斷層裂隙的存在，常規(guī)方法測量的裂隙增長高度要小于水力壓裂模型測量的高度。水力壓裂過程產(chǎn)生的微地震可能激活原有封閉的斷層裂隙[14]，成為潛在的導水通道。因此，儲層距含水系統(tǒng)的垂向距離越小，污染物進入含水系統(tǒng)的概率越大。

e. 日均回注水量W。目前頁巖氣開采廢水主要的處理方式是深井回注，廢水回注前會在地表設施中進行處理以達到回注要求。而回注過程中由于管線破損和地表儲存設施中廢水泄露造成的地下水污染事故時有發(fā)生[16]。井場回注規(guī)模越大，處理的廢水量越多，污染物泄露的風險越大。因此，DIRWOCT模型用日均回注水量來表示回注場地發(fā)生污染物泄露的風險。

f. 回注層露頭范圍O。美國環(huán)境保護署(EPA)規(guī)定，回注井一定范圍內(nèi)一般不允許存在回注層的人工或天然露頭[17]。人工露頭主要是指未封閉的或者未經(jīng)廢棄處理的灌注井和開采井、維護較差的開采井等，這些井通常深度較大，貫穿多個地層。天然露頭主要是指由構造活動生成的褶皺、斷層等造成的地層出露。無論是人工露頭還是天然露頭，都增加了回注層與外界聯(lián)系的可能性，加大了回注水泄露的風險。

g. 蓋層厚度C?；刈由w層的特性直接影響回注空間的安全性。蓋層的巖性、裂隙發(fā)育特征、厚度、滲透性、連續(xù)性等諸多因素共同決定了蓋層對深部流體的封隔能力。DIRWOCT模型選用蓋層厚度代表蓋層封隔能力的原因如下：①在實際的生產(chǎn)過程中，要想獲得詳細的蓋層資料難度較大，而且成本較高；②封隔能力較差的蓋層在厚度較大時也能對污染物的運移產(chǎn)生阻滯作用[18]；③蓋層通常為多種巖性或不同滲透性地層的互層，較厚的蓋層能夠彌補某一地層的不連續(xù)性分布帶來的影響；④大厚度的蓋層不易被小斷裂錯開，遇大斷裂也容易形成側向封堵[19]；⑤蓋層厚度一定程度上能夠表示距離含水層的垂向距離?？傊w層厚度越大，污染物越不容易泄露，地下水受到污染的風險越小。

由于DIRTEV模型中因子E和DIRWOCT模型中的因子W、O需要根據(jù)實際的場地資料或者擬建場地的設計資料來獲取，因此開采井區(qū)和回注井區(qū)地下水脆弱性評價模型不能同DRASTIC模型一樣進行大區(qū)域尺度上的地下水脆弱性評價，只適合不同井場之間的脆弱性評價，評價目標更具體，評價精度更高。

1.5 模型中因子等級劃分及評分

模型中可定量化的因子按照Aller等[5]的劃分原則來劃分等級，不可定量的因子根據(jù)其對地下水的影響程度劃分。因子評分范圍為1～10，分值越大，表示對地下水的影響越大，具體等級劃分及評分見表1～3，對于評分為區(qū)間的評價因子，具體評分值需根據(jù)實際條件來確定，具體可參見文獻[10]。

表1 因子R、T、E等級劃分及評分

表3 因子I、V、D等級劃分及評分

注：對于因子I當無法獲取其詳細資料時，可以取典型評分值。

a. 地下水埋深D、包氣帶介質(zhì)I和凈補給量R。等級劃分及評分參照文獻[10]確定。

b. 開采井數(shù)量E。通過對四川國家級頁巖氣示范性開發(fā)區(qū)的調(diào)查得知，一般鉆井平臺的鉆井數(shù)量在3～8口。

c. 構造發(fā)育程度T。等級劃分及評分參照Wang等[20]的研究確定。

d. 儲層距含水系統(tǒng)的垂向距離V。為了盡可能降低頁巖氣開采對地下水的影響，紐約州規(guī)定：①水力壓裂作業(yè)在井管任何位置產(chǎn)生的裂隙高度不得超過600 m；②水力壓裂在井管任何位置產(chǎn)生的裂縫頂部距離已知飲用水層不小于300 m[21]。Fisher等[14]對美國多個盆地內(nèi)的水力壓裂造縫高度研究表明，一般的水力壓裂造縫高度在幾十至幾百米，最高達到460 m?？紤]到中國頁巖氣盆地地質(zhì)結構復雜、構造發(fā)育的特點，設置儲層距含水系統(tǒng)的垂向距離安全值為900 m。

e. 日均回注水量W。不同的地質(zhì)結構和不同的回注層特性使得不同回注井回注能力存在一定的差異。四川、鄂爾多斯等地氣田廢水回注數(shù)據(jù)[22-24]表明，目前回注井的日均回注水量在30～600 m3/d，因此日均回注水量的上限設定為600 m3/d。

f. 回注層露頭范圍O。美國根據(jù)回注液的類型將回注井分為5類(油氣開采使用的回注井為第Ⅱ類)，并且規(guī)定I類危險回注井的地質(zhì)核查范圍不低于3.2 km，Ⅱ類回注井的地質(zhì)核查范圍不低于0.8 km(視情況而定)[25]。周瑞立[22]探討了四川某地區(qū)回注井的影響范圍，結果表明回注井的控制范圍大多在3 km內(nèi)。據(jù)此，回注層露頭范圍的上限設定為3.2 km。

g. 蓋層厚度C。美國規(guī)定水力壓裂裂縫頂部距離含水層的安全距離為300 m[21]，李博[25]在關于氣田水回注系統(tǒng)風險評價中定義厚度超過300 m的蓋層封閉能力為好，付廣等[26]對我國松遼盆地、塔里木盆地等主要油氣盆地蓋層厚度研究表明，蓋層厚度大多處于300 m左右，因此蓋層厚度選擇的安全值為300 m。

2 脆弱性評價與敏感性分析

2.1 脆弱性評價

為定量評價頁巖氣開采區(qū)地下水脆弱性，需對DIRTEV模型和DIRWOCT模型進行數(shù)值計算，主要包括因子權重劃分和脆弱性等級劃分兩個部分。根據(jù)各因子對地下水的影響程度，采用模糊綜合矩陣法[27]來確定其權重，然后運用迭置指數(shù)法進行脆弱性指數(shù)計算：

PDIRTEV= 0.28rD+0.22rI+0.08rR+

0.13rT+0.17rE+0.10rV

(1)

PDIRWOCT= 0.25rD+0.20rI+0.08rR+0.07rW+

0.16rO+0.10rC+0.13rT

(2)

式中：P為地下水脆弱性指數(shù)，其值越低，地下水越不易被污染；ri為各因子等級評分。地下水脆弱性等級劃分標準為：1≤P<2，低；2≤P<4，較低；4≤P<6，中等；6≤P<8，較高；8≤P≤10，高。

2.2 敏感性分析

相同的地下水脆弱性等級在地質(zhì)和水文地質(zhì)條件不同的區(qū)域反映的情況是不一樣的，需要對評價結果進行敏感性分析來確定影響評價區(qū)地下水脆弱性的主要因素。本文采用單參數(shù)敏感性分析法來分析模型中各因子對地下水脆弱性的影響程度，計算公式為

(3)

式中：Wi為各因子的有效權重，有效權重越大，對地下水脆弱性影響越大；wi為各因子的權重。

3 實例驗證

選取四川省瀘州市某頁巖氣開采井區(qū)A來對DIRTEV模型進行驗證。該井區(qū)總占地約9 822 m2，設計鉆井數(shù)為6口，設計日產(chǎn)氣量約30萬m3。場地周邊地層主要為第四系中更新統(tǒng)(Q2)砂卵石層、三疊系須家河組(T3xj)砂巖、雷口坡組(T2l)灰?guī)r；區(qū)內(nèi)地下水以大氣降水補給為主，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水；該區(qū)域處于帚狀構造帶末端，構造作用相對較弱，構造形態(tài)相對簡單。

井區(qū)各參數(shù)取值及評分見表4，由式(1)計算得PDIRTEV=5.96，開采井區(qū)地下水脆弱性等級為中等。對評價結果的敏感性分析結果(表4)表明，影響該區(qū)域地下水脆弱性大小的主要因素為地下水埋深(37.78%)，其中構造發(fā)育程度(19.49%)和包氣帶介質(zhì)(19.79%)對地下水脆弱性的影響程度幾乎相同，儲層距含水層的垂向距離對地下水脆弱性影響最小(4.50%)。

表4 DIRTEV模型各因子取值、評分及有效權重

選取位于四川省宜賓市南部的回注井區(qū)B(A井場壓裂廢水回注點)對DIRWOCT模型進行了驗證。回注層位為棲霞組(P1q)、茅口組(P1m)灰?guī)r，該地層在下游數(shù)千米處出露，且出露處有地下水排泄點。井區(qū)水文地質(zhì)區(qū)劃屬“盆周山地”地下水區(qū)，細分屬含純灰?guī)r巖溶地下水亞區(qū)、碳酸巖裂縫地下水亞區(qū)、風化帶空隙裂隙地下水亞區(qū)，地下水以降雨入滲補給為主?；刈⒕h離邊界大斷層，距離近1.5 km處發(fā)育了兩條小型斷層，目前處于閉合狀態(tài)。

井區(qū)各參數(shù)取值及評分見表5，由式(2)計算得PDIRWOCT=6.43，回注井區(qū)地下水脆弱性等級為較高。敏感性分析結果(表5)表明，地下水埋深(34.99%)是影響該區(qū)域地下水脆弱性的主要因素，其中蓋層厚度(15.55%)和包氣帶介質(zhì)(18.66%)對地下水脆弱性影響相似，而凈補給量(7.47%)和回注層露頭范圍(7.47%)對地下水脆弱性影響程度相同，構造發(fā)育程度(6.07%)對評價結果影響最小。

表5 DIRWOCT模型各因子取值、評分及有效權重

從以上分析可知，A井區(qū)、B井區(qū)地下水脆弱性等級分別為中等和較高，其中影響A井區(qū)地下水脆弱性的主要因素為地下水埋深，次要因素為構造發(fā)育程度和包氣帶介質(zhì)；影響B(tài)井區(qū)地下水脆弱性等級的主要因素為地下水埋深，次要因素為蓋層厚度和包氣帶介質(zhì)。脆弱性評價和敏感性分析結果與場地實際情況相符，表明所建模型不僅可以確定出目標評價區(qū)地下水脆弱性等級，還能識別出可能導致評價區(qū)地下水污染的主要因素和次要因素，能夠較好地運用于頁巖氣開采區(qū)地下水脆弱性評價。

4 結 語

根據(jù)頁巖氣開采特點，將淺部含水層和深部含水層概化為一個整體作為評價目標，確定了頁巖氣開采過程中污染物主要通過地表入滲和深部垂向上運移進入含水系統(tǒng)?；谒毫押蛷U水回注的特點，分別構建了開采井區(qū)地下水脆弱性評價模型DIRTEV和回注井區(qū)地下水脆弱性評價模型DIRWOCT。對實際場地的評價結果表明，所建模型可以較好地應用于頁巖氣開采區(qū)地下水脆弱性評價，并能識別出影響評價區(qū)地下水脆弱性的主要因素。