油氣田開(kāi)采中壓裂液對(duì)水環(huán)境的污染與控制

張 磊，李 朋，曾偉凌

（成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059）

油氣田開(kāi)采中壓裂液對(duì)水環(huán)境的污染與控制

張 磊，李 朋，曾偉凌

（成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059）

水力壓裂技術(shù)在油氣田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中被廣泛使用，在壓裂過(guò)程中若注入地層中的壓裂液發(fā)生泄露，或者對(duì)返排壓裂液處理不當(dāng)，將會(huì)給地下水、地表水等水環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染和破壞。處理返排壓裂液的六種方法，每一種方法都有各自的特色及局限性。從環(huán)境保護(hù)和節(jié)約成本等方面考慮，重視對(duì)返排液處理后循環(huán)使用的研究具有意義深遠(yuǎn)。

壓裂液；水環(huán)境；返排液；環(huán)境保護(hù)

我國(guó)石油天然氣資源豐富，為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展的需要，我國(guó)也在不斷加快研制新工藝、新方法的步伐，以便對(duì)資源進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)也能兼顧環(huán)境保護(hù)。由于目前對(duì)開(kāi)采技術(shù)掌握得不夠成熟以及對(duì)返排液的處理不加以重視，并沒(méi)有達(dá)到理想的效果，壓裂生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境造成了難以恢復(fù)的污染和影響，嚴(yán)重地破壞了水資源的動(dòng)態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境[1]，特別是我國(guó)油氣資源儲(chǔ)量相對(duì)富足且水資源比較匱乏的地區(qū)，其影響更為顯著。水資源是人類生存極為重要的基礎(chǔ)性資源，將水資源保護(hù)起來(lái)并加以重視及合理利用，對(duì)步入與環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展道路具有積極作用，因此研究壓裂液對(duì)水資源的影響意義深遠(yuǎn)。

1 壓裂液的類型及作用

在油氣資源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，壓裂液是在壓裂生產(chǎn)施工中所用到的工作液，其成分復(fù)雜，含多種化學(xué)添加劑且按一定的比例配置而成。目前國(guó)內(nèi)外使用的壓裂液主要分為五類：水基壓裂液、泡沫壓裂液、油基壓裂液、乳化壓裂液和清潔膠束壓裂液。

壓裂液對(duì)提高油氣產(chǎn)量發(fā)揮著重要作用，其基本作用主要概括為以下幾個(gè)方面：（1）攜帶支撐劑到地層。壓裂液在注入的過(guò)程中，能將支撐劑帶入到壓裂層段的裂隙中，并對(duì)壓裂的層段起支撐作用，使油氣能有效地導(dǎo)入到油氣井中，最終達(dá)到提高油氣產(chǎn)量的目的；（2）壓開(kāi)裂縫。在強(qiáng)大的水力作用下，能形成一條尺寸較為理想的、有足夠?qū)Я髂芰Φ牧芽p，壓裂液的使用在減少對(duì)儲(chǔ)層傷害的同時(shí)，也能最大程度提高增產(chǎn)效果；（3）降低地層溫度。在鉆井、壓裂等施工過(guò)程中，地層溫度會(huì)急劇上升，壓裂液的注入對(duì)緩解地層溫度的升高具有顯著的作用，同時(shí)也能減輕鉆頭等器械的磨損，延長(zhǎng)其工作壽命。

表1 國(guó)內(nèi)外壓裂液類型[2]

2 壓裂液對(duì)水環(huán)境的影響

油氣開(kāi)采過(guò)程中注入的壓裂液和壓裂作業(yè)完成后返排到地面的廢壓裂液中，有重金屬、甲醛、苯類以及其他多種有害化學(xué)物質(zhì)，如果壓裂液返排不充分或返排至地面不經(jīng)過(guò)任何處理而隨意排放，將會(huì)對(duì)施工區(qū)塊附近的環(huán)境，尤其是對(duì)水資源造成嚴(yán)重的污染。

2.1 壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的破壞

壓裂液在足夠高的壓力下被泵入地層，由于儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及存在氣液等多種相態(tài)，外來(lái)壓裂液的侵入可能給儲(chǔ)層帶來(lái)多種破壞，其破壞主要有以下幾個(gè)方面：

（1）如果壓裂液與儲(chǔ)層之間存在不配伍性，一旦壓裂液進(jìn)入地層，將可能與儲(chǔ)層中的流體以及粘土礦物發(fā)生物理或者化學(xué)反應(yīng)。一方面粘土礦物可能發(fā)生膨脹使孔隙度降低；另一方面孔隙表面的顆粒脫落下來(lái)，隨著儲(chǔ)層中流體在孔隙中運(yùn)移，顆粒在流動(dòng)過(guò)程中可將部分孔隙堵塞，使孔隙喉道變小，孔滲性變差。

（2）壓裂液破膠水化后，沒(méi)有隨廢壓裂液返排而遺留在儲(chǔ)層當(dāng)中的殘?jiān)?，將?huì)對(duì)儲(chǔ)層中的孔隙喉道以及支撐裂縫造成封堵，對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力造成嚴(yán)重的破壞。

（3）在濾失作用下，壓裂液將在裂縫表面形成致密的濾餅，一旦濾液進(jìn)入裂縫內(nèi)部，將形成濃縮壓裂液，破膠難度加大，裂縫導(dǎo)流能力也將大大降低[2，3]。

2.2 對(duì)地下水的污染

壓裂液主要由稠化劑、交聯(lián)劑、高溫穩(wěn)定劑等一些助劑組成，含有多種對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于導(dǎo)管質(zhì)量問(wèn)題以及壓裂過(guò)程中可能存在的多種人為因素等，壓裂液會(huì)沿著導(dǎo)管破裂處直接流向儲(chǔ)層，在一定條件下，逐漸滲流到地下水系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)地下水資源造成嚴(yán)重的污染。多項(xiàng)調(diào)查研究報(bào)告表明[4-7]，在美國(guó)，多個(gè)采用水力壓裂技術(shù)開(kāi)采的生產(chǎn)區(qū)塊，其地下水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)?shù)氐叵滤Y源已受到不同程度的污染。

2.3 廢壓裂液污染地表水

壓裂作業(yè)停止后，廢壓裂液就會(huì)沿著油氣井管道返排至地面。返排的壓裂液中不僅含有原始?jí)毫岩褐薪^大部分的有毒成分，而且還攜帶油儲(chǔ)層中的重金屬、高礦化度鹽類以及放射性物質(zhì)等，如果處理不當(dāng)，危害極大。目前我國(guó)處理廢液儀器自身存在缺陷性，不能對(duì)廢液中的有害物質(zhì)全部進(jìn)行識(shí)別，故對(duì)廢液中的有害物質(zhì)處理并不徹底；此外，相關(guān)工作人員環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)，可能致使大量的廢液泄露到地表等，這些因素都將會(huì)在一定程度上引發(fā)廢液對(duì)地表水資源的污染[4-9]。在大自然水循環(huán)過(guò)程中，有害物質(zhì)也始終處于一種流動(dòng)狀態(tài)，一旦進(jìn)入人體，將會(huì)對(duì)人們的健康帶來(lái)極大的危害。

3 返排壓裂液污染控制淺析

返排的壓裂液中有害物質(zhì)種類繁多[8-12]，成分復(fù)雜，處理這部分廢液對(duì)保護(hù)水資源具有重要意義，廢壓裂液的處理方法主要有以下幾種：

3.1 固化法

在生石灰、硅酸鹽水泥等固化材料的基礎(chǔ)上，將普通水泥、生石灰、助凝劑以及吸水劑等按一定的比例配置成固化劑?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，配置出的固化劑能很大程度地降低壓裂液中重金屬和COD的含量，處理后的廢壓裂液能達(dá)到理想的對(duì)環(huán)境無(wú)污染、無(wú)危害的要求。

3.2 混凝法

該方法的主要作用在于能大幅度降低返排液中COD、懸浮物、重金屬等污染物的百分含量，達(dá)到有效去除返排液中固體懸浮物及多種可溶性物質(zhì)的目的。但在堿性、中性及酸性環(huán)境條件下其處理效果會(huì)有一定的變化，易受環(huán)境的影響。

3.3 催化氧化法

通過(guò)激發(fā)出處理液中具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基（·OH），并經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使含碳鏈等有機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解，最終生成對(duì)環(huán)境無(wú)污染的CO2和H2O。

3.4 生物法

微生物廣泛存在于植被、土壤和液體等自然環(huán)境中。當(dāng)微生物群體與廢液充分接觸時(shí)，一方面微生物的分解代謝作用可降解廢液中呈溶解和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物，使廢液達(dá)到凈化的效果；另一方面廢液中部分有機(jī)物在一定條件下，可被合成微生物的細(xì)胞質(zhì)。微生物的細(xì)胞質(zhì)與廢液中的有機(jī)物相比，體積較大，更容易凝聚，與廢液中其他一些物質(zhì)在物理凝聚的作用下，一起上浮或者沉淀，從而與廢液分離。

3.5 注入到廢棄油氣井中

返排廢壓裂液的處理成本往往較高，為充分利用油氣田中廢棄的油氣井及簡(jiǎn)化返排液處理過(guò)程，有時(shí)將返排液直接注入到廢棄油氣井中。該方法雖然操作簡(jiǎn)單，但會(huì)對(duì)地層以及地下水環(huán)境造成極大的破壞和污染。

3.6 處理后循環(huán)使用

為節(jié)約成本和減少對(duì)水環(huán)境的污染及地層的破壞，往往將處理達(dá)標(biāo)后的返排液循環(huán)使用。該方法既節(jié)約成本，也能有效保護(hù)人們賴以生存的水環(huán)境。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)返排壓裂液處理的方法主要有六種，每一種處理方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此在選擇返排液的處理方法時(shí)，要在將各種處理方法區(qū)別開(kāi)來(lái)的基礎(chǔ)之上，同時(shí)根據(jù)油氣田工作區(qū)域的地質(zhì)特征及周圍環(huán)境等實(shí)際情況，選擇正確的返排液處理方法。通過(guò)將常用的廢液處理方法對(duì)比分析可知，無(wú)論是從環(huán)境保護(hù)還是從節(jié)約成本的角度考慮，壓裂過(guò)程中壓裂液的循環(huán)利用將是壓裂技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

壓裂液中不僅含有大量有毒性的化學(xué)添加劑，而且在返排過(guò)程中還將儲(chǔ)層中的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物、重金屬、細(xì)菌以及放射性元素?cái)y帶出來(lái)，與其他污染源相比，具有污染物種類繁多、成分復(fù)雜、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。如果對(duì)其可能帶來(lái)的諸多不利不加以重視，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的水環(huán)境污染和生態(tài)破壞等一系列不良后果。對(duì)目前常用的處理返排液的六種方法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，每種返排液的處理方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)對(duì)處理技術(shù)的掌握程度及油氣田工作區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行合理篩選，優(yōu)選出最佳的處理方法。綜合環(huán)保和成本節(jié)約兩大方面考慮，加大研究返排液處理后循環(huán)使用的力度，對(duì)水環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

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（編輯：程 俊）

The Pollution and Control Analysis of Fracturing Fluid to Water Environment in Oil and Gas Fields

Zhang Lei,Li Peng,Zeng Weiling
（College of Resources,Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610059,China）

Hydraulic fracturing technology was widely used in the process of oil and gas fields development.Much fracturing fluid was used in the fracturing process,if the leakage occured when it was injected into the stratum,or improper handling with the back fracturing fluid,will bring serious pollution and damage to water environment such as groundwater,surface water ect.By analyzing the six processing methods of the back fracturing fluid,concluded that each method had its own characteristics and limitations.Considering the environmental protection and cost saving, paying attention to the research of circular use of the back fracturing fluid has great significance.

fracturing fluid,water environment,return liquid,environmental protection

X820.3

A

1008-813X（2015）05-0075-03

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.05.20

2015-06-30

張磊（1989-），男，山東威海人，成都理工大學(xué)能源學(xué)院石油與天然氣工程專業(yè)碩士在讀，主要研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)層綜合評(píng)價(jià)與油氣藏描述。