張 義,康遠(yuǎn)波,陳朝剛,張健強(qiáng)
(1.頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市頁(yè)巖氣資源與勘察工程技術(shù)研究中心,重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,重慶 400000;2.重慶頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,重慶 401120)
頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)引發(fā)全球能源革命,美國(guó)及加拿大率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā),中國(guó)相繼在涪陵區(qū)塊及長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)區(qū)塊取得勘探開(kāi)發(fā)重大突破,并實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)的巨大油氣資源前景和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題,尤其是水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用,不僅帶來(lái)了水資源挑戰(zhàn),還引發(fā)了環(huán)境污染問(wèn)題。根據(jù)以往資料及案例分析,認(rèn)為頁(yè)巖氣開(kāi)采主要存在水資源大量消耗、水資源污染、甲烷泄漏及噪音污染4個(gè)方面的環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的環(huán)境問(wèn)題美國(guó)、加拿大從政府到州層制定了較為完備法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn),約束規(guī)范頁(yè)巖開(kāi)采。我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)也取得重大突破,成功實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)與利用,同時(shí)環(huán)境問(wèn)題也日漸凸顯,而環(huán)境保護(hù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)層面,相對(duì)欠缺,主體仍在參照通用的環(huán)境保護(hù)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)。
該研究針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)入井流體對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題,通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比及專(zhuān)業(yè)特殊性,篩選出入井流體環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo),指導(dǎo)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)。
已公開(kāi)的頁(yè)巖氣水平井水力壓裂參數(shù)數(shù)據(jù)顯示,重慶市涪陵焦石壩地區(qū)26口頁(yè)巖氣井水力壓裂共用水794534.3 m3,平均每口井用水30559萬(wàn)m3,焦頁(yè)12-4HF井用水最多,達(dá)46140.7 m3;四川省自貢市榮縣金頁(yè)1HF井壓裂用水約30000 m3;長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)5口頁(yè)巖氣水平井壓裂平均用水20931 m3,2015年8月威頁(yè)1HF井壓裂用水29000 m3,追求精細(xì)化分層,產(chǎn)能最大化形勢(shì)下用液量還有增大趨勢(shì)。按照國(guó)家能源局規(guī)劃,2020年全國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將達(dá)到300億m3,按現(xiàn)行單井產(chǎn)能情況,需要實(shí)施開(kāi)發(fā)井3000余口,加之開(kāi)發(fā)區(qū)域相對(duì)集中,若取水考慮不當(dāng),勢(shì)必對(duì)區(qū)域水資源供給產(chǎn)生較大影響。
頁(yè)巖氣開(kāi)采中水源污染分為地下水污染和地表水污染。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)地下水的污染威脅主要包括4種類(lèi)型:鉆井過(guò)程中的泄漏;壓裂過(guò)程中的地下水污染;返排水和產(chǎn)出水污染;完井失敗造成的地下水污染。
2.2.1 鉆井過(guò)程中的泄漏
鉆井過(guò)程中鉆遇異常低壓地層或裂縫,會(huì)造成鉆井液漏失,引發(fā)地下水污染。頁(yè)巖氣鉆井過(guò)程中,若發(fā)生嚴(yán)重的井漏,會(huì)使鉆井液通過(guò)裂縫、孔隙或溶洞進(jìn)入地層并通過(guò)流體的遷移作用污染淺層地下水。如焦石鎮(zhèn)江東街道稻莊村陳家新屋側(cè)溶洞水源,在鉆孔之前,常年水量穩(wěn)定,供附近10戶(hù)36人日常用水,鉆孔之后即刻導(dǎo)致原溶洞水出露點(diǎn)干涸,而在低于原出露點(diǎn)13 m的位置出露,但是水質(zhì)較原來(lái)渾濁。
2.2.2 壓裂過(guò)程中的地下水污染
在斷裂發(fā)育區(qū),壓裂液可能直接通過(guò)斷裂、裂縫系統(tǒng)自地下深處緩慢向上遷移至地表或淺層,并通過(guò)污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化造成淺層水資源的污染。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署于2011年12月公布的俄明州Pavillion頁(yè)巖氣田地下水污染初步調(diào)查報(bào)告中指出:水力壓裂法與地下水源污染有關(guān)。2015年11月,位于新場(chǎng)往連界方向發(fā)生一起壓裂引發(fā)的環(huán)境污染事件,壓裂液直接從地下通過(guò)斷層滲流出地表,造成當(dāng)?shù)氐乇淼奈廴尽?/p>
2.2.3 返排水和產(chǎn)出水污染
水力壓裂完成之后,大部分壓裂液回流到地面,其中不僅含壓裂液自身的化學(xué)物質(zhì),如抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的鹽酸、戊二醛等抗菌劑,含有較高的COD、金屬元素和總?cè)芙庑怨腆w(TDS),還有壓裂目標(biāo)層內(nèi)已存在地下數(shù)百萬(wàn)年的束縛水中通常含有高濃度的鹽類(lèi)、苯、砷和汞等污染物,以及伴生放射性物質(zhì);這些有毒污水先儲(chǔ)存在現(xiàn)場(chǎng),然后再轉(zhuǎn)移到污水處理廠(chǎng)或回收再利用,過(guò)程中可能滲入地下或隨雨季到來(lái)外溢,進(jìn)而污染地下水和地表水。
鉆井廢水是鉆井泥漿的高倍稀釋物和油類(lèi)的混合物,包含了無(wú)機(jī)物、有機(jī)聚合物、油類(lèi)物質(zhì)、粘土和加重材料等,具有成分復(fù)雜、水質(zhì)多變、COD濃度高、色度高及可生化性差等特點(diǎn)。這些物質(zhì)進(jìn)入地表水體后不僅會(huì)污染水體,還可能間接對(duì)人類(lèi)和動(dòng)植物造成危害。美國(guó)麻省理工學(xué)院( MIT)在2011年發(fā)表的天然氣年度報(bào)告中指出:2001—2010年的10年間完鉆的頁(yè)巖氣井發(fā)生了43起廣泛報(bào)道的水污染事故,其中48%涉及鉆井液和壓裂液污染地下水資源,33%涉及現(xiàn)場(chǎng)污水泄漏,10%涉及返排水和空氣質(zhì)量,9%涉及現(xiàn)場(chǎng)污水外排。
2.2.4 完井失敗造成的地下水污染
完井過(guò)程中,水泥如未完全密封環(huán)空,天然氣、壓裂液和含有高濃度溶解固體的地層水就可能沿井筒直接進(jìn)入可飲用水含水層。泄漏的甲烷進(jìn)入到飲用水層,可造成飲用水混濁,當(dāng)甲烷濃度達(dá)到 10mg/L 的極端情況時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。據(jù)統(tǒng)計(jì),在2008—2013年間,賓夕法尼亞州6466口非常規(guī)氣井施工過(guò)程中出現(xiàn)219次故障,故障率達(dá)到了3.4%,其中套管和水泥膠結(jié)的故障率為1%~2%。國(guó)內(nèi)的涪陵頁(yè)巖氣田截至2015年3月有99 口井投產(chǎn),53口井一級(jí)套管頭帶壓,57口井二級(jí)套管頭帶壓,33口井一二級(jí)套管頭同時(shí)帶壓,76口井出現(xiàn)不同程度的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。
在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,甲烷氣體向淺層地下水遷移,引起地下水甲烷含量超標(biāo)。有研究者發(fā)現(xiàn),距頁(yè)巖氣生產(chǎn)井直徑1km范圍內(nèi)淺水井中具有高濃度的甲醛。賓夕法尼亞州和紐約州68個(gè)私有水井中的甲烷含量超標(biāo),有些地區(qū)自來(lái)水中冒出的氣體還可以被點(diǎn)燃,研究證實(shí),甲烷污染飲用水的現(xiàn)象與水力壓裂法開(kāi)采頁(yè)巖氣有密切關(guān)系。
與常規(guī)油氣藏的水力壓裂相比,頁(yè)巖氣藏水力壓裂作業(yè)規(guī)模大、排量高,一般在12~14 m3/min之間,壓裂車(chē)施工時(shí)產(chǎn)生的噪音巨大,對(duì)壓裂現(xiàn)場(chǎng)附近居民的生活會(huì)造成一定影響。
美國(guó)一直注重用立法來(lái)規(guī)范行業(yè)和各類(lèi)環(huán)境管理計(jì)劃,以此改善行業(yè)環(huán)境績(jī)效。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)初期,美國(guó)所有與常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)相關(guān)的環(huán)境監(jiān)管體系同樣適用于頁(yè)巖氣,如關(guān)于水污染監(jiān)管的《清潔水法》和《安全飲用水法》、關(guān)于空氣污染監(jiān)管的《清潔空氣法》和《危險(xiǎn)性空氣排放標(biāo)準(zhǔn)》等,這些法規(guī)相對(duì)有效地保護(hù)了美國(guó)人最基本的生存環(huán)境。針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)出現(xiàn)的新問(wèn)題,美國(guó)聯(lián)邦政府和州政府制定的環(huán)境監(jiān)管措施涉及頁(yè)巖氣勘探、選址、鉆井、水力壓裂、地表水及地下水污染防控、空氣污染防控等方面,為美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。如實(shí)行嚴(yán)格的環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度;以州政府為主實(shí)行水環(huán)境監(jiān)管,許多州出臺(tái)了頁(yè)巖氣壓裂液和返排液處理要求的具體規(guī)定;出臺(tái)防范頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)空氣污染的專(zhuān)門(mén)法規(guī);支持頁(yè)巖氣企業(yè)研發(fā)環(huán)境友好技術(shù)。
加拿大則由石油生產(chǎn)商協(xié)會(huì)(CAPP)2011年發(fā)布了《巖氣開(kāi)發(fā)水力壓裂技術(shù)指導(dǎo)條例》,明確要求加強(qiáng)水資源管理,加強(qiáng)水和液體使用信息的披露。該條例具體內(nèi)容包括:通過(guò)合理的鉆井施工管理,對(duì)地表和地下水資源的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行保護(hù);對(duì)施工用水進(jìn)行循環(huán)回收利用,盡量使用清潔水的替代物;測(cè)量和公布水資源利用情況,減少對(duì)環(huán)境影響;支持環(huán)保型壓裂液添加劑的開(kāi)發(fā),向公眾公布?jí)毫岩禾砑觿┑某煞值取?/p>
而在我國(guó),首先,從法律法規(guī)層面,涉及頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的國(guó)家層面環(huán)境保護(hù)法規(guī)主要有《環(huán)境保護(hù)法》、《水污染防治法》等,涉及標(biāo)準(zhǔn)主要是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》,地方層面法規(guī)主要有山東、黑龍江、遼寧等7個(gè)省( 自治區(qū)、直轄市) 出臺(tái)的石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)條例,四川發(fā)布的《四川省頁(yè)巖氣開(kāi)采業(yè)污染防治技術(shù)政策》;其次,從技術(shù)規(guī)范層面,目前僅有《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-陸地石油天然氣開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目》,尚沒(méi)有廢水地下灌注環(huán)境管理方面的相關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范,涪陵地區(qū)明文規(guī)定禁止油田污水回注地下,而頁(yè)巖氣廢水灌注可能帶來(lái)的環(huán)境影響和環(huán)境可行性論證已成為環(huán)境管理工作的難點(diǎn)之一;再次,從環(huán)境監(jiān)管角度,由于我國(guó)還未制定頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程污染物控制標(biāo)準(zhǔn)體系,導(dǎo)致其日常環(huán)境監(jiān)管難以有效執(zhí)行;最后,從監(jiān)管模式角度,當(dāng)前我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的環(huán)境監(jiān)管參照的是常規(guī)油氣管控體系和模式,未能全面考慮頁(yè)巖氣作為一類(lèi)新礦種開(kāi)發(fā)帶來(lái)的特殊環(huán)境問(wèn)題,也沒(méi)有具有針對(duì)性的特殊規(guī)定。
目前用于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)篩選的方法主要包括頻數(shù)統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)家評(píng)分、層次分析法、理論分析、變異系數(shù)法、主成分分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。針對(duì)宏觀性影響評(píng)價(jià)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法應(yīng)用最為普遍。本項(xiàng)目通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)、理論分析法和頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法,對(duì)當(dāng)前有關(guān)地下水環(huán)境評(píng)價(jià)的行業(yè)指標(biāo)進(jìn)行匯總甄選,確定頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的通用評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)相關(guān)入井流體及返排液排放標(biāo)準(zhǔn),以及現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,確定入井流體環(huán)境影響評(píng)價(jià)個(gè)體指標(biāo)。
頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)入井流體主要為鉆井液及壓裂液,實(shí)際對(duì)地下淺層水影響的物質(zhì)有二方面:①入井的鉆井液及壓裂液中添加的各種化學(xué)添加劑;②入井壓裂液與地層作用后返排時(shí)從深層地下帶出的高濃度礦物質(zhì)及可能的輻射元素。入井流體對(duì)環(huán)境影響體現(xiàn)具體方式主要有三方面:①鉆井液(水基、油基)、完井液在高于地層壓力下通過(guò)滲或漏失進(jìn)入地下淺水層,壓裂液(新配制和廢水處理后重復(fù)利用)通過(guò)地下斷層穿透進(jìn)入地下淺水層;②鉆井廢液和壓裂返排液地表非正常原因下發(fā)生滲漏污染地表土壤,甚至嚴(yán)重下滲進(jìn)入地下水層或在雨水運(yùn)移下進(jìn)入地表水系;③壓后返排和生產(chǎn)期間,入井液伴隨地層水的混合液通過(guò)套管竄漏進(jìn)入地下淺水層。
鉆井液的主要成分有:水,如淡水、鹽水、咸水或飽和鹽水等;膨潤(rùn)土,如鈉膨潤(rùn)土、鈣膨潤(rùn)土、有機(jī)土或抗鹽土等;化學(xué)處理劑有無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)、表面活性劑類(lèi)、高聚合物類(lèi)或生物聚合物類(lèi)等;油類(lèi),如柴油等。環(huán)保性能測(cè)試顯示常用鉆井液除作為有機(jī)降粘劑的鐵鉻鹽高毒外,其余基本為無(wú)毒和微毒。生物降解性評(píng)價(jià)顯示普遍較難降解。鉆井廢水主要污染物負(fù)荷為化學(xué)需氧量(COD)、總有機(jī)碳(TOC)、懸浮物(SS)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、氨氮、氯化物及少量石油類(lèi)等(表1)。
表1 鉆井廢水離子分析結(jié)果-涪陵
壓裂液主要采用滑溜水,是由清水及多種有毒有害添加劑組成,其中的添加劑就包括了:減阻劑、防垢劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑等化學(xué)物質(zhì),常見(jiàn)壓裂液配方見(jiàn)表2。除添加劑外液體中還存在一定量的烴類(lèi)物質(zhì)、重金屬、微生物及總?cè)芙夤腆w(TDS)等(表3)。
表2 常用壓裂液體系
表3 壓裂液成分對(duì)照
表4 各頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)返排水水質(zhì)分析結(jié)果對(duì)比
綜上,本研究以頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)入井流體為主導(dǎo),以地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為目標(biāo),綜合采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)和頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法,篩選出9個(gè)地層特性指標(biāo)(地層傾角、地下水層埋深、地表土壤介質(zhì)、含水層巖性、含水層導(dǎo)水系數(shù)(孔隙度、滲透率)、淺層溶洞裂縫發(fā)育情況、深層斷裂情況、褶皺發(fā)育情況、水層下隔層條件),2個(gè)理化指標(biāo)(常規(guī)污染負(fù)荷指標(biāo)(氨氮、總硬度、硫酸鹽、亞硝酸鹽、CODCr、BOD5、pH、高錳酸鹽指數(shù)、石油類(lèi)、Cl-、礦化度和溶解性總固體)和特征污染源指標(biāo)(苯系物、放射性物質(zhì)和甲烷含量及其碳同位素形態(tài)等))以及6個(gè)個(gè)例特性指標(biāo)(壓裂液返排率、鉆井廢水產(chǎn)生量、壓裂廢水產(chǎn)生量、鉆井泥漿循環(huán)率和設(shè)備泄漏概率)。
4.4.1 指標(biāo)分類(lèi)
將以上各指標(biāo)性質(zhì)再次整合后,劃分成3類(lèi)指標(biāo)表征。
(1)第1類(lèi)為理化指標(biāo),包含2個(gè)指標(biāo),即常規(guī)污染負(fù)荷指標(biāo)(氨氮、總硬度、硫酸鹽、亞硝酸鹽、CODCr、BOD5、pH、高錳酸鹽指數(shù)、石油類(lèi)、Cl-、礦化度和溶解性總固體)和特征污染源指標(biāo)(苯系物、放射性物質(zhì)和甲烷含量及其碳同位素形態(tài)等);
(2)第2類(lèi)為地層特性指標(biāo),包含9個(gè)指標(biāo),即地層傾角、地下水層埋深、地表土壤介質(zhì)、含水層巖性、含水層導(dǎo)水系數(shù)(孔隙度、滲透率)、淺層溶洞裂縫發(fā)育情況、深層斷裂情況、褶皺發(fā)育情況、水層下隔層條件);
(3)第3類(lèi)為個(gè)例特性指標(biāo),包含6個(gè)指標(biāo),即壓裂液返排率、鉆井廢水產(chǎn)生量、壓裂廢水產(chǎn)生量、鉆井泥漿循環(huán)率、完井質(zhì)量和設(shè)備泄漏概率。
4.4.2 指標(biāo)分級(jí)
針對(duì)所選的評(píng)價(jià)指標(biāo),在充分考慮其影響程度及可控性下進(jìn)行重要性分級(jí),根據(jù)重要性大小依次分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)。
(1)入井材料的理化指標(biāo)直接影響地下水水質(zhì)安全,對(duì)地下水安全影響程度大,且技術(shù)瓶頸及客觀實(shí)際下,人為控制難度大,設(shè)定為一級(jí)指標(biāo)。
(2)地層特性指標(biāo)直接反應(yīng)污染物質(zhì)傳播至地下水的途徑及條件,其中含水層巖性、含水層導(dǎo)水系數(shù)、淺層溶洞裂縫發(fā)育情況、深層斷裂情況、褶皺發(fā)育情況對(duì)污染源傳播影響大,且人為控制難度大,劃為一級(jí)指標(biāo),其余地層傾角、地下水層埋深、地表土壤介質(zhì)、水層下隔層條件對(duì)污染源傳播影響稍小,且不受人為控制,劃為二級(jí)指標(biāo)。
(3)個(gè)例特性指標(biāo)影響程度稍小,且人為控制相對(duì)容易,整體劃為三級(jí)指標(biāo),頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表5。
表5 頁(yè)巖氣入井流體環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
(1)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)是一把雙刃利劍,在獲得清潔能源的同時(shí),也給自然環(huán)境帶來(lái)眾多影響,目前開(kāi)采對(duì)環(huán)境影響最大的主要是水資源污染問(wèn)題,特別是在地下,存在滯后性,非短時(shí)間能體現(xiàn)。
(2)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)還不夠健全,尚需要進(jìn)一步細(xì)化。
(3)入井流體為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)比研究?jī)?yōu)選的2個(gè)理化指標(biāo)、9個(gè)地層特性指標(biāo)及6個(gè)個(gè)例特性指標(biāo),有效代表了入井流體對(duì)地下水影響的各關(guān)鍵環(huán)節(jié),可以為入井流體環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。
(4)所優(yōu)選的評(píng)價(jià)指標(biāo)為定性評(píng)價(jià),地下環(huán)境尤其復(fù)雜,下步需要進(jìn)一步運(yùn)用毒理性實(shí)驗(yàn)、分析軟件及大型物模實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行系統(tǒng)全面評(píng)價(jià),以實(shí)現(xiàn)定量化分析。