基于环境风险评价的页岩气水务管理框架及其模块分析

陆争光（中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京　102249）

基于环境风险评价的页岩气水务管理框架及其模块分析

陆争光
（中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京102249）

随着全球页岩气勘探开发的快速推进，页岩气开发的诸多环境问题也逐渐凸显，缺乏相应的环境评价和管理方法，尤其是在水务管理方面。提出了基于环境风险评价的页岩气水务管理框架；从钻井、水力压裂、采出水处理等3个阶段系统阐述和分析了页岩气水务管理中存在的风险源项，包括其污染通道和种类；结合环境风险评价方法的优缺点评估和应用前景，推荐采用故障树/事故树分析、概率风险评价法以及基于概率理论统计和模糊集的综合法进行页岩气水务管理风险评价。

页岩气；水务管理；框架；源项分析；风险评价

页岩气是继煤层气、致密砂岩气之后重要的非常规天然气资源，除俄罗斯、中亚、中东、东南亚以及中非等地区外的全球页岩气可开采量为187.6× 1012m3，其中我国页岩气可开采量为25.08×1012m3，属于已有较高天然气产量且页岩气资源亦很丰富的国家之一［1-2］。近年来，随着水平井水力压裂关键技术的成熟，美国的页岩气开发取得了较大的进展，改变了美国的能源消费结构，掀起了全球页岩气开发的热潮。但同时，页岩气开发所产生的环境问题也比较突出，包括大气污染、水资源消耗、水污染以及地震风险等［3-5］，其中页岩气水务相关对环境的影响层面最广、程度更深，也最受研究学者们的关注［6］。目前，国内外对页岩气水务管理的研究主要集中在事故发生后的经验总结、政策法规改进和管理建议等方面［3，7-8］，缺乏相应的环境评价和管理方法。随着页岩气开发的不断发展以及现代环境保护的要求，为了从源头上预防和减少对环境造成的不良影响，结合相关风险分析和评价技术，对页岩气水务管理所产生的环境影响进行评价并提出可行的水务管理方法［6］势在必行。为此，本文提出基于环境风险评价的页岩气水务管理方法，深入分析页岩气水务管理不同阶段中所包含的环境风险源项，系统讨论并评估页岩气水务管理可利用的环境风险评价方法。

1　基于环境风险评价的页岩气水务管理

1.1概念与原理

环境风险评价（ERA）从20世纪70年代开始兴起，已经成为相关学科环境决策和环境风险管理的重要依据，其内涵往往因环境风险源项、评价范围和评价方法的不同产生较大的差异。根据美国环保署、欧盟环境署以及我国环保部现阶段发布的定义［9］，结合国内外相关学者的看法［10］，环境风险评价可以从广义和狭义2个层面进行解释，前者是指评估人类的社会经济活动直接或间接可能对社会经济、生态系统和人体健康所造成的损失，并进行环境风险管理和决策的过程；后者则一般指定量估计有毒有害物质对生态系统和人体健康可能产生的危害程度，并提出减小环境风险的对策或方案。

本文中的环境风险评价包括狭义层面的环境危害程度定量估计，还包括从环境风险源项分析到风险后果和风险管理的整个系统的评价过程。基于环境风险评价的页岩气水务管理方法是环境风险评价应用于页岩气水务管理领域的产物，以页岩气水务全周期中潜在的风险源项分析为依据，以规划建设项目和管理安排的环境风险评价为核心，以环境污染或破坏所造成的经济损失为评估指标，为页岩气水务管理决策和预防措施的制定提供重要指导的综合管理方法。

1.2管理框架

结合该管理方法的基础原理和相关学科风险评价的工程经验［11］，提出基于环境风险评价的页岩气水务管理方法及其框架，如图1所示。页岩气水务管理方法的框架可以大致分为以下4个模块：

（1）风险源项分析。针对现有页岩气水务规划建设和管理安排，找出页岩气水务全周期中潜在的环境风险源项，确定环境风险源项可能引起的事故类型、原因以及发生的分布规律等，以选择风险评价的对象、范围、时间和等级。

（2）风险评价方法的选择。现有的风险评价方法可主要分为确定风险和随机风险评价方法。前者可细分为定性评价法、定量评价法和半定量评价法。就评价成本而言，定性评价法最为经济，其次是半定量和定量评价法。但就评价结果的可靠性而言，定量评价法最高，而半定量评价法高于定性评价法。后者考虑了环境风险评价中的不确定性，相对确定性风险评价法可靠度高，其评价成本取决于环境系统的复杂程度。因此，如何根据风险评价的目的来选取最佳的风险评价方法，也需要着重考虑。

（3）环境风险评价。针对页岩气水务全周期中风险源项的不确定性和突发性，结合历史数据统计资料，利用经济合理的风险评价方法确定事故对环境所造成的后果或损失，其评价表征或指标主要包括以下3种［12-13］：①定性分级或以暴露和效应为基础的定量估计指标；②暴露评价和毒性评价的综合指标；③事件发生概率与事故后果的综合指标。环境风险评价的结果直接受页岩气水务管理的影响，而页岩气水务管理又需要环境风险评价提供相关管理依据和指导意见，两者形成良好的互动关系。因此，环境风险评价的结果直接关系到页岩气水务管理的质量，属于管理框架中的研究重点。

图1　基于环境风险评价的页岩气水务管理框架

（4）页岩气水务管理决策。当环境风险评价结果未达到环境可接受的风险水平时，需要调整页岩气水务管理规划建设和管理安排，并制定风险防范和事故应急预案。然后，再次进行环境风险评价，直至环境风险评价结果通过环评要求。

从以上页岩气水务管理框架分析可知，环境风险评价需要结合页岩气田工程实例和大量的历史数据进行分析和评价，进而指导页岩气水务管理决策。而页岩气水务管理的风险源项分析、风险评价方法选择是管理框架的重要基础，具有工程普适性，借鉴意义较大。

2　水务管理风险源项分析及其评价技术

2.1风险源项分析

与页岩气井开发的钻井、水力压裂以及产气工程周期类似，页岩气水务的管理也贯穿始终。页岩气开采水资源流动路径和污染通道示意如图2所示。结合页岩气开采过程中的水资源流动路径和污染通道［7，14-15］，从钻井、水力压裂、采出水处理3个阶段对页岩气水务管理进行风险源项分析，其中钻井和水力压裂阶段的水务风险管理尚未被现有环评文件等纳入，有待国家环保部和石油石化企业相关部门进一步补充完善。

2.1.1钻井阶段

鉴于泥页岩储层水敏严重、钻井水平井段长等开发特点以及新型高性能水基钻井液研发尚处于起步阶段，国内外页岩气钻井主要采用油基钻井液，以避免或减少井漏、缩径以及携岩等问题［16-17］。但是，与常规深层油气钻井相同，页岩气钻井采用油基钻井液，不仅成本较高，而且对周边环境存在较高的污染风险。

油基钻井液以及其废弃物的主要污染源是总铬、油类以及COD。其中，包含Cr6+在内的有害重金属离子会在土壤中逐渐积累而可能造成严重的生态环境污染，随着食物链的扩大，其对人和动植物的危害也会逐渐放大，因此铬一直被列为我国农田土壤环评的重金属控制指标之一；油类对环境的污染一般体现在地表水污染、土壤结构破坏以及植物的生长危害方面［18］；COD是水体的有机物污染评价参数，其数值越大，表明水体有机物污染的程度越严重，而长时间沉积的有机污染物会对水体中的生物造成较大的毒害作用，甚至摧毁水生态系统。此外，也有些研究提出部分油基钻井液过高的pH值和可溶性盐类对土壤或水体环境的影响也不容忽视［19］。

2.1.2水力压裂阶段

和常规天然气储层不同，页岩气储层渗透率较低，一般为10-6～10-5μm2，需要对其进行压裂改造，通过构造裂缝网络来提高采收率。目前，水力压裂技术是页岩气开采的主要方式，采用该技术会对环境产生以下两类风险：水资源消耗和水资源污染。

图2　页岩气开采水资源流动路径和污染通道示意

（1）水资源消耗。页岩气开采单井用水量约是常规水力压裂井的50～100倍、是常规天然气开采单井的102～105倍，而用水量主要集中在水力压裂阶段，压裂用水量主要受地质储层特征、压裂液体系、井深、水平井段长以及压裂段数等工程因素影响［20-21］。以美国Marcellus页岩气田为例，根据美国能源部的数据统计，Marcellus气田单井用水量为1 500～45 000 m3，平均单井用水量约为15 000 m3，其中用于水力压裂的水量占98%。

水力压裂阶段的水资源消耗会对页岩气开采供水地区造成一定的供水压力，影响当地水资源供给和生态环境。综合分析，水资源消耗对周边环境可能产生的风险源主要有以下几个方面［12，14-15］：①水力压裂具有用水量大和用水密度集中的特点；②根据我国水资源和水力资源研究中心的调查研究，我国页岩气优先勘探开发的地区（如我国首个国家级页岩气示范区---重庆涪陵页岩气田）大多处于或邻近缺水区域；③随着页岩储层埋藏深度和储层厚度的增大，单井用水量、压裂用水量也会逐渐增大，且可能会成倍增大。我国目前勘探开发的页岩气田储层厚度为20～800 m，埋藏深度为2 600～3 000 m［22］，相对美国和加拿大页岩气储层而言均有所升高，因此，压裂用水量也会有所增大。

（2）水资源污染。虽然目前美国多数页岩气井环境评估结果较为良好，但许多研究均表明页岩气开采可能会造成水资源污染，引起了公众对水力压裂开采页岩气的强烈抵制。法国和保加利亚等国家政府曾发布禁令，禁止利用水力压裂技术开采页岩气，美国的Marcellus页岩气田也曾因地下水污染而一度停止开发。因此，水力压裂阶段水务管理可能引起的水资源污染风险应当给予重视，特别是后果较难控制的地下水污染风险。

在水力压裂阶段，水资源污染风险主要是地下水污染风险。一方面，压裂液或采出水可能从页岩气井套筒缺损处泄漏，直接流入地下水中。另一方面，当页岩气储层与地下水之间同时满足连通性和向上运移驱动力的要求时，注入页岩气储层的压裂液或页岩气储层的高矿化度地层水可能会向上运移［23-24］，进入地下水造成污染。

2.1.3采出水处理阶段

根据压裂液组成、页岩气储层性质以及不同开采阶段压裂液的返回率不同等分析可知，页岩气采出水（返排液和产出水）具有组成复杂、高COD、高TSS、高TDS、水质指标波动范围较大以及多数水质指标大大超过国内外污水回用标准的特点［14］，导致其污染风险较高、处理难度较大。

目前，国内外对页岩气采出水一般采用“一级预处理-二级软化处理-三级脱盐处理”的三级处理技术，深井回注、部分处理后内部回用和处理达标后外排3种处理方式。在采出水处理技术成熟的情况下，为了尽量减轻地表水污染，加之回注深井地质条件的限制，部分处理后内部回用的处理方式将会是未来的主流处理方式和研究趋势［25］。截止2014年底，美国Barnett和Marcellus页岩气田成功应用蒸馏处理技术回收利用比例高达80%，Pennsylvania页岩气田回收利用比例也大于69%［26］。

基于页岩气采出水特点和处理技术、处理方式现状，综合分析采出水处理阶段可能出现的环境污染风险包括［14，27-28］：①初步处理后/深井回注前/内部回用前的采出水可能会在储水池中发生泄漏或渗透，流入地表水或渗入浅层地下水；②注入井的井套筒缺损也会导致采出水直接流入浅层地下水中，而垂直距离注入井射孔600 m以内的井筒断裂缺损并不会对地下水造成威胁［29］；③采出水未经处理或处理不达标后外排，流入附近的地表水中。

2.2风险评价方法

完整的环境风险评价需要大量的相关数据，而一些风险源项对环境产生的影响往往是模糊、不确定或定性的，尤其是新发现的风险源项（如高矿化度地层水向上运移）产生的环境影响，这会给环境风险评价的结果带来很大的不确定性［30-31］。根据环境风险评价中是否考虑不确定因素，环境风险评价方法可分为确定风险评价方法和随机风险评价方法，如图3所示。

图3　环境风险评价方法

在页岩气水务管理环境风险评价模块中，推荐采用环境风险评价领域最常用和有前景的3种评价方法：①故障树/事故树分析。可分为定性、定量分析2种，后者的应用范围和价值更大，其优点在于简单、直观、分析步骤明了；缺点主要体现在，对于底事件较多的复杂系统，其故障树构造过程的工作量较大，对构造分析人员的要求也较高。因此，在页岩气水务管理中，在满足已掌握风险源项发生概率的情况下，定量故障树分析法是一种较为简单、实用性高，但评价结果可信度取决于构造分析人员或专家意见的评价方法。②概率风险评价法。其优点是可以将人为事件、设备设计和运行历史、自然发展事故以及对生态环境的影响综合在一起分析，能够明确定量描述系统中的风险状态和风险可能发生的过程，给出各种风险源项导致事故发生的重要度；缺点主要是需要积累大量的历史数据来计算事件发生概率［32-33］。③基于概率理论统计和模糊集的综合法。该方法用概率理论统计解决数据完整的风险源项不确定性问题，同时用模糊集理论来解决普遍存在的风险源项信息模糊问题［34-35］，实现了两者应用互补。相对于前2种方法而言，综合法具有更高的适用性和评价结果准确度，应用前景更广，其优点是结合了概率理论统计的丰富与严密性、模糊集理论的逻辑保守特性，结果更为可靠，且可以用于历史数据较少或残缺的系统评价；其缺点主要是评价结果信息量相对较少、不同类型变量之间的误差处理较大。

3　结论

（1）采用基于环境风险评价的页岩气水务管理方法对页岩气水务进行管理，可以定量地评价对环境造成的影响，并从源头上预防和减轻对环境造成的不良影响。

（2）基于环境风险评价的页岩气水务管理方法主要包括风险源项分析、风险评价方法、环境风险评价以及水务管理4个模块，其中风险源项分析和风险评价方法是管理框架的重要基础。

（3）页岩气水务管理的风险源项贯穿钻井、水力压裂、采出水处理3个阶段，其污染通道和种类均比较多。

（4）根据目前环境风险评价方法的应用和优缺点评估，推荐页岩气水务管理风险评价主要采用故障树/事故树分析、概率风险评价法以及基于概率理论统计和模糊集的综合法。

［1］WANG Q，CHEN X，JHA A N，et al.Natural gas from shale formation-the evolution，evidences and challenges of shale gas revolution in United States［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，30（2）：1-28.

［2］姜福杰，庞雄奇，欧阳学成，等.世界页岩气研究概况及中国页岩气资源潜力分析［J］.地学前缘，2012，19（2）：198-211.

［3］梁睿，童莉，向启贵，等.中国页岩气开发的环评管理及建议［J］.天然气工业，2014，34（6）：135-140.

［4］HARKNESS J S，DWYER G S，WARNER N R，et al.Iodide，bromide，and ammonium in hydraulic fracturing and oil and gas wastewaters：environmentalimplications［J］.Environmental Science&Technology，2015，49（3）：1955-1963.

［5］WARNER N R，CHRISTIE C A，JACKSON R B，et al.Impacts of shale gas wastewater disposal on water quality in western Pennsylvania［J］.Environmental Science&Technology，2013，47（20）：11849-11857.

［6］PRPICH G，COULON F，ANTHONY E J.Review of the scientific evidence to support environmental risk assessment of shale gasdevelopment in the UK［J］.Science of the Total Environment，2016，563-564：731-740.

［7］张东晓，杨婷云.美国页岩气水力压裂开发对环境的影响［J］.石油勘探与开发，2015，42（6）：801-807.

［8］RAHM B G，RIHA S J.Toward strategic management of shale gas development：Regional，collective impacts on water resources［J］. Environmental Science&Policy，2012，17（1）：12-23.

［9］WU K，ZHANG L.Progress in the development of environmental risk assessment as a tool for the decision-making process［J］.Journal of Service Science&Management，2014，7（2）：131-143.

［10］白志鹏.环境风险评价［M］.北京：高等教育出版社，2009：3-20.

［11］姚安林，黄亮亮，蒋宏业，等.输油气站场综合风险评价技术研究［J］.中国安全生产科学技术，2015，（1）：138-144.

［12］TORRES L，YADAV O P，KHAN E.A review on risk assessment techniques for hydraulic fracturing water and produced water management implemented in onshore unconventional oil and gas production［J］.Science of the Total Environment，2016，539（2）：478-493.

［13］BEYER J，PETERSEN K，YOU S，et al.Environmental risk assessmentofcombined effects in aquatic ecotoxicology：a discussion paper［J］.Marine Environmental Research，2014，96（2）：81-91.

［14］陆争光，高鹏，马晨波，等.页岩气采出水污染及处理技术进展［J］.天然气与石油，2015，33（6）：90-95.

［15］AVNER V，JACKSON R B，NATHANIEL W，et al.A critical review of the risks to water resources from unconventional shale gas development and hydraulic fracturing in the United States［J］. Environmental Science&Technology，2014，48（15）：8334-8348.

［16］李建成，杨鹏，关键，等.新型全油基钻井液体系［J］.石油勘探与开发，2014，41（4）：490-496.

［17］DEVILLE J P，FRITZ B，JARRETT M.Development of waterbased drilling fluids customized for shale reservoirs［J］.Spe Drilling &Completion，2011，26（4）：484-491.

［18］KINIGOMA B S.Effect of drilling fluid additives on the niger delta environment：a case study of the soku oil fields［J］.Journal of Applied Sciences&Environmental Management，2015，5（1）：57-61.

［19］JAMES R W，NAVESTAD P，SCHEI T，et al.Improving the workingenvironmentanddrillingeconomicsthroughbetter understanding of oil based drilling fluid chemistry［J］.Spe Drilling &Completion，2013，15（4）：254-260.

［20］CLARK C E，HORNER R M，HARTO C B.Life cycle water consumption for shale gas and conventional natural gas［J］.Environmental Science&Technology，2013，47（20）：11829-11836.

［21］NICOT J P，SCANLON B R.Water use for shale-gas production in Texas，US［J］.Environmental Science&Technology，2012，46（6）：3580-3586.

［22］朱炎铭，陈尚斌，方俊华，等.四川地区志留系页岩气成藏的地质背景［J］.煤炭学报，2010，35（7）：1160-1164.

［23］LLEWELLYN G T.Evidence and mechanisms for appalachian basin brine migration into shallow aquifers in NE Pennsylvania，USA［J］.Hydrogeology Journal，2014，22（5）：1-12.

［24］WARNER N R，JACKSON R B，DARRAH T H，et al.Geochemical evidence for possible natural migration of Marcellus formation brine to shallow aquifers in Pennsylvania［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2012，109（30）：11961-11966.

［25］陆争光，韩善鹏，王威，等.煤层气/页岩气地面集输技术及其对比分析［J］.当代化工，2015，44（8）：1924-1927.

［26］周志恩，方维凯，陈敏，等.页岩气开发环境影响评价探讨［J］.环境影响评价，2015，37（6）：62-67.

［27］KONDASH A J，WARNER N R，LAHAV O，et al.Radium and barium removal through blending hydraulic fracturing fluids with acid mine drainage［J］.Environmental Science&Technology，2013，48（2）：1334-1342.

［28］FERRAR K J，MICHANOWICZ D R，CHRISTEN C L，et al. Assessment of effluent contaminants from three facilities discharging Marcellus shale wastewater to surface waters in Pennsylvania［J］. Environmental Science&Technology，2013，47（7）：3472-3481.

［29］ENGELDER T，CATHLES L M，BRYNDZIA L T.The fate of residual treatment water in gas shale［J］.Journal of Unconventional Oil&Gas Resources，2014，7（9）：33-48.

［30］QIN X S.Assessing environmental risks through fuzzy parameterized probabilistic analysis［J］.Stochastic Environmental Research &Risk Assessment，2012，26（1）：43-58.

［31］MAHMOOD Y A，AHMADI A，VERMA A K，et al.Fuzzy fault tree analysis：a review of concept and application［J］.International Journal of System Assurance Engineering&Management，2013，4（1）：19-32.

［32］SCHROER S，MODARRES M.An event classification schema for evaluating site risk in a multi-unit nuclear power plant probabilistic risk assessment［J］.Reliability Engineering System Safety，2013，117（2）：40-51.

［33］MUMFORD K G，MUSTAFA N，GERHARD J I.Probabilistic risk assessment of contaminant transport in groundwater and vapour intrusion following remediation of a contaminantsource［J］. Stochastic Environmental Research&Risk Assessment，2016，30（3）：1-15.

［34］MOFARRAH A，HUSAIN T.Fuzzy based health risk assessment of heavy metals introduced into the marine environment［J］.Water Quality Exposure&Health，2011，3（1）：25-36.

［35］徐亚，朱雪梅，刘玉强，等.基于随机-模糊耦合的污染场地健康风险评价及案例［J］.中国环境科学，2014，34（10）：2692-2700.

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

废水处理及回用

X741

A

1009-2455（2016）04-0016-06

陆争光（1991-），男，安徽淮北人，硕士研究生，主要从事油气长距离管输与油气田集输技术的研究工作，（电子信箱）shidafighter@163.com。

2016-03-07（修回稿）