頁巖氣開發(fā)中的水環(huán)境保護(hù)問題①

李 勁 孫 剛 李范書

(1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦凈化廠)

頁巖氣資源主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)地區(qū)。其中，美國為28.3×1012m3，加拿大為6.9×1012m3，我國國土資源部公布的我國頁巖氣資源量為25×1012m3[1-2]。美國是世界上最早發(fā)現(xiàn)、研究、勘探和開發(fā)頁巖氣的國家，也是當(dāng)前全球唯一實現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)頁巖氣的國家，故其經(jīng)驗與教訓(xùn)均值得重視。據(jù)報道，2011年美國頁巖氣產(chǎn)量已達(dá)到1 720×108m3，不僅滿足了國內(nèi)的需求，且正在考慮向國外出口天然氣。目前，水平井、分支井、叢式井等先進(jìn)的(適用頁巖氣開發(fā))鉆井技術(shù)迅速發(fā)展，成為美國頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式[3-5]。

經(jīng)過多年努力，美國開發(fā)頁巖氣雖然取得了很大成就，積累了豐富的經(jīng)驗，但在頁巖氣開發(fā)過程中，對環(huán)境保護(hù)，尤其是水資源的利用和保護(hù)也留下了若干教訓(xùn)。

1 環(huán)境管理法規(guī)的缺失

根據(jù)美國一級能源發(fā)展規(guī)劃，至2035年，天然氣在其一級能源消費構(gòu)成中的比例將從目前的約22%提高至49%，其增加的部分主要依靠頁巖氣生產(chǎn)。但迄今為止，還沒有發(fā)布過一項專門為開發(fā)頁巖氣而制定的聯(lián)邦環(huán)保法規(guī)。

在石油與天然氣開發(fā)的環(huán)保方面，美國歷年來發(fā)布了一系列聯(lián)邦法規(guī)，而且還有很多州內(nèi)部制定的法規(guī)(見表1)。但是鑒于頁巖氣開發(fā)的特殊性，上述法規(guī)并不完全適用。另一方面，2005年通過聯(lián)邦“能源政策法案”后，頁巖氣的商業(yè)性生產(chǎn)發(fā)展迅猛，法規(guī)制定跟不上生產(chǎn)發(fā)展，造成在環(huán)保領(lǐng)域法規(guī)缺失的現(xiàn)象。同時，聯(lián)邦政府根據(jù)美國環(huán)保署(EPA)的報告，并按“能源政策法案”規(guī)定，將水基壓裂液作為特例從聯(lián)邦“飲用水安全法案”中免除，全部污水回注均為合法，從而產(chǎn)生了一系列水環(huán)境污染問題[6-8]。

表1 頁巖氣生產(chǎn)壽命周期與有關(guān)聯(lián)邦環(huán)保法規(guī)

2011年美國麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)表的天然氣年度報告指出: 在2001～2010年的10年中完鉆的約20 000口頁巖氣井幾乎都進(jìn)行了水力壓裂，發(fā)生了43起廣泛報導(dǎo)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)場污水泄漏，10%涉及返排水和空氣質(zhì)量，9%涉及現(xiàn)場污水外排(見圖1)。

美國賓夕法尼亞州進(jìn)行的一項研究顯示，頁巖氣開采可能導(dǎo)致氣井周圍半徑1 km范圍內(nèi)的飲用水被甲烷、乙烷和丙烷污染。杜克大學(xué)研究人員在美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上報告說，分析了該州東北部Marcellus產(chǎn)氣區(qū)的141口飲用水井，發(fā)現(xiàn)約82%水井的水樣中含有甲烷。氣井周圍半徑1 km范圍內(nèi)飲用水中甲烷平均濃度是正常水平的6倍，乙烷平均濃度是正常水平的23倍。此外，在10份水樣中還發(fā)現(xiàn)了丙烷。這些分析數(shù)據(jù)和上述3種氣體的同位素特征表明，頁巖氣開采影響了附近居民的飲用水質(zhì)。Marcellus產(chǎn)氣區(qū)并無乙烷和丙烷的生物來源，故在飲用水中發(fā)現(xiàn)較高濃度的乙烷和丙烷是頁巖氣開采影響水環(huán)境的重要證據(jù)。此項研究表明，開采頁巖氣時必須考慮其對地下水質(zhì)的影響。

美國國家能源顧問委員會秘書處(SEAB)于2011年完成的頁巖氣報告中提出，當(dāng)前在環(huán)保領(lǐng)域中主要存在以下4個方面的問題[8]:

(1) 飲用水可能被甲烷和/或壓裂液中的化學(xué)品所污染。

(2) 空氣被污染。

(3) 社會公眾在頁巖氣開采問題上存在的意見對立。

(4) 強(qiáng)化頁巖氣生產(chǎn)積累的負(fù)面影響可能對社會及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生消極影響。

針對上述問題，SEAB提出20條推薦做法，其內(nèi)容可大致歸納為以下7個方面[8]：

(1) 重點關(guān)注地下水資源保護(hù)與污水排放以保持飲用水質(zhì)量。

(2) 通過降低用水強(qiáng)度、獲取較可靠的背景數(shù)據(jù)和關(guān)注頁巖氣整個壽命周期中水資源利用等途徑，加強(qiáng)供水管理。

(3) 公布標(biāo)準(zhǔn)化的壓裂液配方以提高透明度，比保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)更重要。

(4) 降低作為壓裂液組分和燃料的柴油用量。

(5) 開發(fā)一種累計性、整體性的方法來管理環(huán)境質(zhì)量對社會和生態(tài)的影響。

(6) 通過改進(jìn)監(jiān)管，分享有效實踐經(jīng)驗以促進(jìn)上述推薦做法的實施。

(7) 通過數(shù)據(jù)收集、對整個壽命周期的分析和關(guān)注無組織排放等措施以改善大氣質(zhì)量。

鑒于此，聯(lián)邦政府支持進(jìn)行頁巖氣開發(fā)的各州政府，按當(dāng)?shù)鼐唧w條件制定詳細(xì)的、與開采頁巖氣產(chǎn)生的環(huán)境污染有關(guān)的法規(guī)；同時要求保證此類立法是透明的、且有數(shù)據(jù)支持，并需和以往的環(huán)保法規(guī)相一致。

(1) 安全鉆井、完井設(shè)計及安全生產(chǎn)操作。

(2) 地下水資源保護(hù)和減少用水量。

(3) 廢氣(無組織)排放和緊急放空的控制。

(4) 減少對地表的影響。

(5) 增加透明度和公眾參與程度。

2 水環(huán)境管理的特點

與常規(guī)天然氣開發(fā)不同，在頁巖氣開發(fā)的不同壽命周期，水資源利用起關(guān)鍵性的作用，其水資源利用與管理的特點主要反映在以下3個方面：

(1) 在水平鉆井和水力壓裂階段，需要大量使用水資源。

還有，機(jī)制和機(jī)制的設(shè)計。在單一業(yè)務(wù)的時候，機(jī)制有可能是有效的，隨著業(yè)務(wù)的不斷復(fù)雜，機(jī)制如何去改變，去調(diào)整；在同一個機(jī)制下，對人、業(yè)務(wù)、組織的要求，這些要素怎么與機(jī)制相匹配；企業(yè)做合伙人機(jī)制，對合伙人本身是有要求的，如何在這個過程中運用好淘汰機(jī)制，促進(jìn)人達(dá)到這個要求，這些都是需要管理的。

(2) 產(chǎn)生大量(含特殊化學(xué)品的)工藝污水，必須綜合治理。

(3) 用水量及其強(qiáng)度在不同壽命周期有很大變化，必須合理安排供水物流。

2.1 頁巖氣開發(fā)的用水量及其強(qiáng)度

頁巖氣開發(fā)過程中用水量很大，尤其在水平鉆井/水力壓裂階段用水強(qiáng)度達(dá)到最高(見表2)，而且隨著水平鉆井段的深度、長度和被壓裂水平段數(shù)目，以及產(chǎn)層地質(zhì)特點的不同，用水量可能會有很大變化?？傮w平均值約為每口氣井需要19 000 m3水，如果用水罐車運輸則約需1 000車次。

表2 美國4個頁巖氣主要產(chǎn)區(qū)的平均單井用水量

美國目前通過從江河湖泊取水(地表水)、抽取地下水、市政部門供水和污水回用等渠道得到這些水資源，然后以管道或車輛運輸至現(xiàn)場，并儲存在蓄水池或貯罐中。此用水量在水資源較豐富的地區(qū)，如賓夕法尼亞州的年度總用水量達(dá)1 657×108m3，開發(fā)頁巖氣消耗的水量僅占其總用水量的0.19%。但在干旱、缺水或河流存在季節(jié)性缺水的地區(qū)，頁巖氣開發(fā)就會造成嚴(yán)重的供水問題。

2．2 頁巖氣井的產(chǎn)出水量與水質(zhì)

頁巖氣井進(jìn)行水力壓裂后，壓裂液將會逐漸返排至地面，此類液體稱為返排液(水)，返排液中還混合有一定量(含有地層礦物質(zhì)的)地層水，兩者統(tǒng)稱為產(chǎn)出水，但頁巖氣井的產(chǎn)出水與常規(guī)天然氣井的有很大不同(見表3)。雖然,目前尚無公認(rèn)的定義，但通常均將產(chǎn)出水視為工藝污水，必須加以綜合治理[8]。

表3 常規(guī)油氣井與頁巖氣井產(chǎn)出水的比較

不同產(chǎn)氣地區(qū)的產(chǎn)出水量及其鹽含量也有很大不同(見表4)。根據(jù)產(chǎn)出水量的不同，頁巖氣可以分為“干氣”和“濕氣”兩大類型：前者指僅有15%～25%注入到氣井中的水將返排至地面，后者則指75%注入水將被回收。

表4 美國4個頁巖氣主要產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)出水量及其鹽含量

表5 水基壓裂液的化學(xué)添加劑及其作用

頁巖氣井產(chǎn)出水不僅量很大，而且其中所含化學(xué)組分也頗復(fù)雜，且產(chǎn)出水的化學(xué)品污染主要來源于壓裂液。多年來，壓裂液的組成不斷變化，從1990年開始,主要采用低黏度水基壓裂液。如圖2所示，壓裂液中水和砂子占99.511%，其余的10多種化學(xué)添加劑分別用來改善壓裂液的各種操作性能(見表5)。當(dāng)前,水基壓裂液的發(fā)展趨勢是：減少化學(xué)添加劑品種，并要求采用“清潔”添加劑，包括使用可以進(jìn)行生物降解的，且不會產(chǎn)生非生物降解積累效應(yīng)的胍膠和淀粉基化學(xué)品。美國Chesapeake公司宣稱將通過其“綠色壓裂液計劃”，取消應(yīng)用于頁巖氣井水基壓裂液化學(xué)添加劑品種的25%。

2.4 物流管理

在頁巖氣生產(chǎn)的壽命周期中，不同階段有不同的物流管理要求(見表6),尤其是水的運輸量與強(qiáng)度均很高，作業(yè)公司將面臨下列重大挑戰(zhàn)。

(1) 美國有些州已經(jīng)以法規(guī)形式要求作業(yè)公司申報水的來源、用量和排放途徑；要求作業(yè)公司證實其具有經(jīng)濟(jì)有效地執(zhí)行上述法規(guī)的能力。

(2) 水及其他物資的運輸模式應(yīng)說明其安全與健康存在的風(fēng)險，并需進(jìn)一步證實其風(fēng)險水平符合(全球)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(3) 頁巖氣開發(fā)地區(qū)的政府部門已經(jīng)采取措施減輕(頁巖氣開發(fā)過程中)巨大物流量對當(dāng)?shù)厣鐣l(fā)生的影響。措施包括: 限制作業(yè)車輛進(jìn)入居民區(qū)，在某些公路上限制作業(yè)車輛的載重量，以及對重型車輛收取道路維護(hù)費等。

(4) 當(dāng)前水力壓裂作業(yè)技術(shù)尚在發(fā)展之中，故物流供應(yīng)狀況可能經(jīng)常發(fā)生變化。例如，用水量可能與原先設(shè)計量相差達(dá)60%。

(5) 某些地區(qū)的水力壓裂作業(yè)中，水運輸費用已達(dá)到壓裂成本的40%，或達(dá)到總鉆井成本的20%。此費用還將隨頁巖氣生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大及運輸距離的增加而上升，故運輸成本管理已成為當(dāng)前亟待解決的問題。

(6) 在一個邊遠(yuǎn)產(chǎn)氣區(qū)內(nèi)由多個公司同時進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)作業(yè)時，將會涉及物流運輸與勞力資源的合理組織問題。

表6 頁巖氣開發(fā)的物流需求

3 產(chǎn)出水(污水)處理

目前，美國主要有3種方法處理頁巖氣開發(fā)過程中的產(chǎn)出水，即：通過回注井回注地下、簡單處理后回用(配制壓裂液)和處理成為淡水。具體采用哪種處理方案，主要由以下各方面的影響因素綜合分析而定:①處理成本是首要的影響因素；②產(chǎn)出水的特點(如鹽含量、懸浮物含量等)；③壽命周期內(nèi)不同階段的產(chǎn)出水量(開發(fā)前或開發(fā)后)；④當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施條件；⑤當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保法規(guī)架構(gòu)；⑥當(dāng)?shù)氐墓┧畻l件；⑦當(dāng)?shù)厮Y源存在的風(fēng)險(例如，地下水污染、地震等)。

3．1 利用廢棄井回注

對于返排液或產(chǎn)出水，利用廢棄井回注是最廉價且方便易行的處理方式。美國在常規(guī)油氣開發(fā)中已經(jīng)成功地大規(guī)模應(yīng)用污水回注技術(shù)，此類回注作業(yè)是根據(jù)EPA制定的地下回注控制計劃(UIC)，由州環(huán)保署頒發(fā)許可證后，油氣公司或?qū)I(yè)的污水處理公司將產(chǎn)出水用管道或水罐車運至所謂的“Ⅱ類井”，回注到深度約1 000 m的地層。

產(chǎn)出水回注技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于Barnett、Fayettville和Haynesville等主要頁巖氣生產(chǎn)地區(qū)，但在賓夕法尼亞州的Marcellus頁巖氣產(chǎn)區(qū)則因當(dāng)?shù)厝狈线m的回注井，需將產(chǎn)出水運至俄亥俄州回注，從而增加了處理成本。同時，污水回注也有可能引發(fā)局部地震(例如在俄亥俄州)。因此，目前Marcellus產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)出污水正在向回用的方向發(fā)展。

3．2 產(chǎn)出水的回用

產(chǎn)出水回用是指將開發(fā)頁巖氣井所有的返排液和產(chǎn)出水均收集在一個閉式循環(huán)系統(tǒng)中，稍加處理后循環(huán)使用。當(dāng)采用此處理方案時，應(yīng)考慮兩個方面的影響因素，即:回收率與回用水質(zhì)量?；厥章适翘幚砗蟮玫降幕赜盟c原先注入井中水量之比，此指標(biāo)直接影響鉆井及壓裂階段需要補充的淡水量。表4數(shù)據(jù)說明，不同地區(qū)頁巖氣井的產(chǎn)出水量相差甚大，這是由于某些地區(qū)的地層“吸水性”強(qiáng)，產(chǎn)出水量很少。此外，氣井在不同壽命周期中產(chǎn)水量也相差懸殊，進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段后，每天的產(chǎn)水量很少，沒有回用價值。因此，采用回用方案時，在開發(fā)過程中應(yīng)做好各井間回用水的合理安排，從而減少物流量與淡水補充量。

在水質(zhì)方面應(yīng)考慮以下4個主要質(zhì)量指標(biāo): ①回用水中鹽含量過高會導(dǎo)致鉆井液發(fā)生沉淀與減阻劑失效，且大多數(shù)情況下產(chǎn)出水中鹽含量都要高于直接回用的要求，必須加以處理；②回用水中總固體懸浮物含量應(yīng)處理至不會造成設(shè)備結(jié)垢及地層孔隙發(fā)生堵塞；③成垢化學(xué)品(包括Ba、Ca和Mn的鹽類)含量必須控制；④微生物含量必須控制。

當(dāng)前，很多作業(yè)公司選擇簡單的稀釋和/或過濾處理，開始可以滿足配制壓裂液的要求，但多次回用后，大量金屬離子和其他化學(xué)品積累其中，必須用大量淡水稀釋后才能回用。表4數(shù)據(jù)說明，F(xiàn)ayettville產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)出水鹽含量遠(yuǎn)低于其他3個產(chǎn)區(qū)，很適合采用簡單處理后即回用的方案。

3．3 處理成淡水循環(huán)使用

此類處理工藝大致包括以下4種處理工藝:

(1) 機(jī)械過濾。以筒式過濾器除去污水中粒徑在0.04～3 μm范圍內(nèi)的固體懸浮物，但此工藝不能除去鹽類，處理后的水必須以淡水稀釋后才能配制壓裂液。

(2) 化學(xué)沉淀。主要功能是除去污水中包括鹽類在內(nèi)的成垢組分以供回用。

(3) 加熱處理。以加熱處理為基礎(chǔ)的處理方案主要包括: 蒸餾、蒸發(fā)和結(jié)晶(出鹽類)。此類工藝需大量熱能，處理成本非常昂貴，但可以獲得清潔的淡水、濃縮的鹵水和結(jié)晶出的鹽類。獲得的淡水中TDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)將降至500×10-6以下，可以作為淡水循環(huán)使用或進(jìn)一步蒸發(fā)掉，從而達(dá)到污水“零排放”。制得的濃鹵水體積僅為原始污水量的25%，從而大大降低了運輸成本。

(4) 膜式過濾。反滲透工藝不適用于TDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過35 000×10-6的鹵水，故在產(chǎn)出水處理中應(yīng)用不多。其他各種膜式過濾工藝皆因污水中粒徑變化范圍甚寬的固體懸浮物容易堵塞薄膜的小孔，目前尚未開發(fā)出成熟的處理工藝。

3．4 無水壓裂技術(shù)的開發(fā)

由于污水回注地層已經(jīng)產(chǎn)生了愈來愈多的環(huán)保問題，而加熱處理則涉及昂貴的成本問題，故無水壓裂技術(shù)的開發(fā)也已受到普遍重視(見表7)。

表7 無水壓裂技術(shù)

4 結(jié) 語

頁巖氣開采是一項技術(shù)、資金高度密集型產(chǎn)業(yè)，具有相當(dāng)高的開發(fā)難度，其水資源的合理利用與保護(hù)是成敗的關(guān)鍵，必須充分重視，但迄今尚未開發(fā)出經(jīng)濟(jì)有效的污水處理技術(shù)。鑒此，無水壓裂技術(shù)的開發(fā)將是今后的發(fā)展方向。

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