頁巖氣開發(fā)水管理對策分析

朱景義* 李冰 謝衛(wèi)紅 楊帆

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發(fā)公司）

朱景義等. 頁巖氣開發(fā)水管理對策分析. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2014，25（4）：10～12，26

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，其賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式。近年來，隨著水平井技術(shù)的突破，以及與水力壓裂的結(jié)合應(yīng)用，頁巖氣開發(fā)在北美獲得了巨大的成功。2011年，美國頁巖氣產(chǎn)量為 2406×108m3，約占美國天然氣產(chǎn)量的30%，使美國從天然氣凈進(jìn)口國變?yōu)槌隹趪?。研究表明，我國同樣存在頁巖氣大量發(fā)育的地質(zhì)條件，頁巖氣資源十分豐富，初步計(jì)算頁巖氣資源量約為 30×1012m3，開發(fā)潛力巨大。

1 頁巖氣開發(fā)水管理特點(diǎn)

目前，頁巖氣開發(fā)主要依賴水力壓裂來擴(kuò)大采收面積及提高采收率。水力壓裂作業(yè)需在較短時間內(nèi)（一般為 3～5d）消耗大量的水來配置壓裂液。以美國Barnett（巴尼特）頁巖氣田為例，每口水平井所需壓裂液約為7000～18000m3，其中99%為清水及支撐劑，其余為減阻劑、殺菌劑、除氧劑、碳化物穩(wěn)定劑、稀酸液等化學(xué)添加劑。水力壓裂耗水量大是頁巖氣開發(fā)的一個顯著特點(diǎn)。

當(dāng)水力壓裂結(jié)束后，氣井進(jìn)入“排水產(chǎn)氣”周期。排水初期，壓裂液通過套管返排至地面，返排液量為壓裂液量的 10%～60%，返排速度隨時間遞減，初期能達(dá)到1000m3/d，一般2周后氣井排水趨于穩(wěn)定，平均水量為1～10m3/d，此時出水以地層水為主。返排液和排出地層水統(tǒng)稱為采出水。采出水是壓裂液和地層水的混合液，既有壓裂液中的各種化學(xué)添加劑，也有地層中的天然放射性元素、重金屬、細(xì)菌和鹽類。其中，總?cè)芙夤腆w（TDS）含量極高，海相巖層采出水中TDS含量可達(dá)300000 mg/L，接近海水的10倍。采出水短時水量大、成分復(fù)雜、污染物多，處置不當(dāng)會污染水環(huán)境，引發(fā)社會問題，這是頁巖氣開發(fā)水管理的另一個特點(diǎn)。

2 頁巖氣開發(fā)水管理對策

針對頁巖氣開發(fā)水管理的特點(diǎn)，頁巖氣開發(fā)水管理的任務(wù)是供給水力壓裂用水及合理處置采出水，并且盡可能地減少對地表和地下水環(huán)境的影響。

2.1 美國頁巖氣開發(fā)水管理經(jīng)驗(yàn)

美國地廣人稀、水資源豐富，頁巖氣開發(fā)具有天然優(yōu)勢。經(jīng)過十幾年的快速開發(fā)，美國積累了豐富的頁巖氣開發(fā)水管理經(jīng)驗(yàn)。但是，隨著開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，美國頁巖氣開發(fā)水管理也遇到了一些難題。

2.1.1 水力壓裂對淡水資源的消耗

最初，美國頁巖氣開發(fā)水力壓裂作業(yè)主要使用地表或地下清水，會消耗大量的淡水資源。雖然與可采水資源總量相比，頁巖氣開發(fā)使用的水資源量相對較少，如，Marcellus（馬塞勒斯）頁巖氣田的比值為0.52%～0.92%。但是，水力壓裂周期短、用水量大，對于干旱地區(qū)和季節(jié)性河流來說，若不能合理安排取水點(diǎn)、取水頻率和水量，會干擾農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活，破壞水環(huán)境。德克薩斯州近年嚴(yán)重干旱被指與Barnett氣田大量用水有關(guān)，而在賓夕法尼亞州，Marcellus氣田由于河流水量減少，薩斯奎漢納河流域委員會（SRBC）于 2012年7月暫停了取水許可。這說明即使水資源豐富，水力壓裂作業(yè)若全部采用淡水，其對水環(huán)境的影響也是不容忽視的。

2.1.2 采出水對水環(huán)境的影響

頁巖氣采出水不僅含有壓裂液中的各種化學(xué)添加劑，還含有地層中的天然放射性元素、重金屬、細(xì)菌和鹽類，TDS數(shù)值非常高。如，Marcellus氣田采出水中，TDS含量為38500～238000mg/L，平均值為 160000mg/L。Marcellus氣田頁巖氣采出水主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 美國Marcellus氣田采出水水質(zhì)指標(biāo)*

由于TDS組分中含有鈣、鎂、鈉、鋇、氯化物及天然放射性物質(zhì)，采出水若直接排放會污染環(huán)境，美國曾發(fā)生多起因洪水沖毀存液池或運(yùn)輸不當(dāng)造成泄漏而污染水體的環(huán)境事件。

在美國，采出水的處置方式通常采用地下灌注或運(yùn)往污水處理廠處理后排放。按照美國《地下灌注控制計(jì)劃》（UIC），地下灌注井分 5大類，用于灌注與石油天然氣生產(chǎn)相關(guān)液體的為Ⅱ類灌注井。截至2010年，美國II類灌注井有150851口，其中80%用于注水、注蒸汽等，其余大部分井用于灌注石油天然氣工業(yè)高鹽污水，少部分井用于為地下儲氣庫注氣。在Barnett氣田，有12000口Ⅱ類井用于灌注頁巖氣采出水。Ⅱ類井有嚴(yán)格的管理規(guī)程，其灌注深度必須低于最深地下飲用水含水層，并且井的建造、運(yùn)行及監(jiān)測等也受到全面監(jiān)管。

為保護(hù)地下飲用水，并非所有頁巖氣田都能采用灌注方式處置采出水，某些地區(qū)由于地層條件達(dá)不到要求，地下灌注是被禁止的。2011年，Marcellus氣田采出水量為1682000m3，而賓夕法尼亞州境內(nèi)僅有8口Ⅱ類井，地下灌注能力明顯不足。因此，Marcellus氣田絕大部分采出水需運(yùn)往市政污水處理廠處理后外排，但是，市政污水處理廠的處理工藝通常不具備去除TDS和放射性物質(zhì)的能力。隨著頁巖氣開發(fā)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，采出水量也在不斷增加，致使賓夕法尼亞州Monongahela（莫農(nóng)加希拉）等河流的TDS含量高達(dá)900mg/L，接近污水排放標(biāo)準(zhǔn)的2倍，影響了水體環(huán)境。

由于地下灌注和市政污水處理處置頁巖氣采出水的局限性，近年來，Marcellus氣田采出水處置被迫轉(zhuǎn)向回用。利用專業(yè)污水處理廠或移動式處理裝置對采出水進(jìn)行簡單處理，達(dá)到配置壓裂液要求后，將采出水輸至附近的井場用于壓裂。2011年，Marcellus氣田僅有56%的采出水被回用于壓裂，而2012年已增長至90%。

2.2 我國頁巖氣開發(fā)水管理面臨的問題及對策

目前，我國頁巖氣還處于理論研究與試驗(yàn)開發(fā)階段。隨著《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》和《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》（國家能源局公告 2013年第 5號）的發(fā)布，我國將加速頁巖氣的開發(fā)。頁巖氣開發(fā)水管理難點(diǎn)多、社會影響大，特別是在我國人口密度大、水資源短缺、水環(huán)境脆弱的背景下，更應(yīng)高度重視頁巖氣開發(fā)水管理及水環(huán)境保護(hù)。

2.2.1 水資源

我國水資源嚴(yán)重短缺，華北平原、四川盆地、遼寧、山西、河西走廊等都是重點(diǎn)缺水地區(qū)，而我國頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)也基本上處于或鄰近這些地區(qū)。據(jù)估算，在四川盆地，每開發(fā)1000口頁巖氣井的用水量相當(dāng)于四川省居民年用水量的 10.5%或工業(yè)年用水量的2.7%。顯然，頁巖氣大規(guī)模開發(fā)初期，將會對水資源造成區(qū)域性、季節(jié)性的沖擊。同時，在地下水逐漸被禁采的北方地區(qū)，可能會出現(xiàn)無水可用的情況，這將嚴(yán)重制約頁巖氣的開發(fā)。

頁巖氣開發(fā)應(yīng)多渠道解決水源短缺的問題。首先，可利用采出水回用，已投產(chǎn)井采出水經(jīng)處理后用于附近新井的水力壓裂，實(shí)現(xiàn)滾動開發(fā)；其次，在臨近城鎮(zhèn)地區(qū)可使用城鎮(zhèn)污水處理廠的出水；另外，在氣田內(nèi)可選擇合適地點(diǎn)建設(shè)臨時性雨洪截留設(shè)施，存儲雨季自然降水用于旱季氣田開發(fā)。各類水源水質(zhì)都應(yīng)滿足頁巖氣水力壓裂要求，不能滿足時應(yīng)設(shè)水處理裝置。根據(jù)頁巖氣的開發(fā)特點(diǎn)，水處理裝置宜采用移動式。

2.2.2 采出水處置方式

根據(jù)國內(nèi)外開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，頁巖氣采出水主要有地下灌注、處理后外排和回用于水力壓裂3種處置方式。地下灌注在國際上已是成熟、安全和經(jīng)濟(jì)的廢水處置技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)品生產(chǎn)、石油開發(fā)和市政污水處理，而我國關(guān)于地下灌注技術(shù)的研究和應(yīng)用則剛剛起步。2005年，國家環(huán)保總局組織開展了《工業(yè)廢液地下灌注技術(shù)示范和環(huán)境監(jiān)督管理的應(yīng)用和研究》重點(diǎn)項(xiàng)目的研究工作，重慶索特、杜邦（中國）、大慶油田等企業(yè)也開始探索利用地下灌注技術(shù)用于污水處理。但是，截至目前，關(guān)于地下灌注技術(shù)，我國尚無相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)出臺，其法律法規(guī)、理論體系、技術(shù)方法等有待進(jìn)一步研究。

頁巖氣采出水的一個顯著特點(diǎn)是TDS含量高。我國CJ 343—2010《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》對進(jìn)入市政污水處理廠的水質(zhì)做了明確要求，其中，TDS指標(biāo)不大于2000mg/L。因此，在我國，頁巖氣采出水不能直接輸至市政污水處理廠進(jìn)行處理。另外，雖然GB 8978—1996（1999年局部修訂）《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》未對排水的TDS指標(biāo)做出要求，但是，我國一些省市地區(qū)的地方標(biāo)準(zhǔn)對此有嚴(yán)格的要求，如，北京和上海均要求排水中TDS含量不得超過2000mg/L，而遼寧和河北均對排水中氯化物的濃度做出了規(guī)定。顯然，隨著我國水環(huán)境污染的加劇，對排水中TDS指標(biāo)或TDS的重要組成部分氯化物等進(jìn)行限制是大勢所趨。因此，在我國，頁巖氣采出水若采用處理后外排的方式進(jìn)行處置，則去除 TDS是必不可少的過程。

頁巖氣采出水回用于水力壓裂，既可以減少氣田開發(fā)對外部水資源的攫取，又可避免采出水外排帶來的高額處理費(fèi)用及環(huán)境問題，因此，采出水回用這種處置方式近年來在國外逐漸被推廣。在我國，延長油田已開展陸相頁巖氣采出水處理后用于水力壓裂的研究，并開發(fā)出了試驗(yàn)用小型處理工藝設(shè)備。

根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，回用于水力壓裂的采出水，其水質(zhì)應(yīng)與地層巖性相適應(yīng)，因此，通常需要去除懸浮物、油類、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+等易結(jié)垢離子及原壓裂液中的減阻劑等聚合物添加劑，并進(jìn)行殺菌處理后方可回用。目前，我國頁巖氣尚未大規(guī)模開發(fā)，采出水水質(zhì)及水力壓裂對水質(zhì)基本要求的數(shù)據(jù)積累較少，采出水回用于水力壓裂的水處理工藝技術(shù)研究也僅僅處于起步階段，試驗(yàn)用的設(shè)備主要借鑒了常規(guī)油氣采出水處理設(shè)備。因此，頁巖氣采出水回用于水力壓裂的水處理理論、工藝、技術(shù)及設(shè)備的研究和開發(fā)是當(dāng)前亟待解決的問題。

2.2.3 高鹽廢水處理技術(shù)

在頁巖氣開發(fā)的末期，隨著生產(chǎn)井的增加和新打井的減少，采出水總量將多于水力壓裂用水量，此時，多余的采出水若不能灌注地下，將不可避免地需要外排。因此，如何對高鹽采出水進(jìn)行處理使之達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn)是頁巖氣開發(fā)水管理面臨的又一個難題。高鹽水處理的難點(diǎn)在于脫鹽的技術(shù)難度和高昂的運(yùn)行費(fèi)用。頁巖氣采出水中 TDS含量高達(dá)300000mg/L，現(xiàn)有的脫鹽淡化技術(shù)已經(jīng)不適應(yīng)頁巖氣采出水的處理，如，在反滲透（RO）技術(shù)中，高鹽水的滲透壓已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有膜組件的壓力應(yīng)用范圍，使得淡水回收率大大降低；而常規(guī)的多級閃蒸（MSF）和多效蒸餾（MED）技術(shù)則需要消耗更多的能量和更高級別的防腐材料。

對于頁巖氣采出水這類特殊的高鹽污水，其脫鹽技術(shù)是當(dāng)前國際研究熱點(diǎn)，先后提出了機(jī)械壓縮蒸餾（MVC）、膜蒸餾（MD）及正滲透（FO）等新技術(shù)用于高鹽水脫鹽。目前，機(jī)械壓縮蒸餾技術(shù)已有較多的應(yīng)用實(shí)例，但是，其能耗相對較高；正滲透技術(shù)發(fā)展較快，前景較好。美國已開始對Marcellus氣田采出水進(jìn)行正滲透處理中試試驗(yàn)，處理效果良好，與機(jī)械壓縮蒸餾相比，其能耗降低了42%，為21kW·h/m3。在我國，這些新型高鹽水脫鹽技術(shù)尚處于理論研究階段，無論是工藝技術(shù)突破還是裝置設(shè)備國產(chǎn)化均任重道遠(yuǎn)。

3 結(jié)語

我國頁巖氣資源豐富、開發(fā)潛力巨大，大規(guī)模頁巖氣開發(fā)及水力壓裂，將給水管理帶來一系列問題。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，頁巖氣開發(fā)應(yīng)減少直接取用地表或地下水源，可通過采出水回用、使用市政污水處理廠出水和存儲自然降水等多渠道解決水力壓裂用水。對于采出水處置，在我國地下回灌技術(shù)不成熟、法規(guī)不完善、外排要求嚴(yán)格、處理費(fèi)用高的形勢下，采出水回用于水力壓裂是首選的處置方式。目前，我國頁巖氣開發(fā)水管理的首要任務(wù)是開展采出水回用水處理理論研究和工藝技術(shù)設(shè)備開發(fā)，并跟蹤高鹽水脫鹽新技術(shù)和新工藝的發(fā)展動向。

[1]United States Energy Information Administration.Annual Energy Outlook[R].Washington DC: United States Department of Energy,2012.

[2]張金川,徐波,聶海寬,等.中國頁巖氣資源勘探潛力[J].天然氣工業(yè),2008,28(6): 136-140.

[3]RD Vidic,SL Brantley,JM Vandenbossche,et al.Impact of Shale Gas Development on Regional Water Quality[J].Science,2013(340).

[4]DL Shaffer,LH Arias Chavez,Moshe Ben-Sasson,et al.Desalination and Reuse of High-Salinity Shale Gas Produced Water: Drivers, Technologies, and Future Directions[J].Environ. Sci. Technol,2013,47: 9569-9583.

[5]BD Lutz,AN Lewis,MW Doyle.Generation,Transport,and Disposal of Wastewater Associated with Marcellus Shale Gas Development[J].Water Resources Research,2013,49(2): 647-656.

[6]夏玉強(qiáng).Marcellus頁巖氣開采的水資源挑戰(zhàn)與環(huán)境影響[J].科技導(dǎo)報(bào),2010,28(18): 103-110.

[7]陳志恒.美國“頁巖氣革命”的水環(huán)境影響及其監(jiān)管[J].環(huán)境保護(hù),2013(13): 69-71.

[8]鐘偉,高振記,臧雅瓊.工業(yè)有害廢液地下灌注國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2013,3(3):208-214.

[9]張乾,時強(qiáng),阮國嶺,等.正滲透水處理關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2012,32(5): 5-9.