中美頁巖氣水力壓裂返排液環(huán)境影響與治理＊

竹 濤 薛澤宇 牛文鳳 侯益銘 葉澤甫 薛 明

(1.中國礦業(yè)大學(北京)大氣環(huán)境管理與污染控制研究所；2.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室；3.格盟國際能源有限公司)

0 引 言

根據(jù)美國環(huán)保署統(tǒng)計結果[1]，頁巖氣開采過程中，開采一口井的耗水量為8 700～14 000 m3，其中的20%～80%可以返排，其余水可短暫存在于地層中。美國各地區(qū)返排液現(xiàn)狀各不相同，Barnett地區(qū)和Marcellus地區(qū)產(chǎn)生的壓裂液分別為14 383，20 817 m3，返排率分別為324%和22%[2]。

四川盆地頁巖氣儲量豐富，開采過程中單井需水量20 000～30 000 m3。龍馬溪組的涪陵區(qū)塊完鉆層返排率只有3%，而長寧區(qū)塊完鉆層返排率為20%；在另一個地區(qū)，奧陶系下統(tǒng)馬家溝組的延長區(qū)塊完鉆層返排率為50%。由于上述區(qū)塊處在不同地區(qū)，每個區(qū)域地層含水率不同，地質條件不同，所以其返排率也不同[3]。

隨著水力壓裂技術的成熟，頁巖氣開發(fā)力度將逐漸增加。鑒于壓裂返排液產(chǎn)量大、成分復雜、處理困難，勢必成為頁巖氣規(guī)?；l(fā)展的瓶頸之一。因此，本文通過中美頁巖氣開采過程中壓裂返排液水質和治理現(xiàn)狀的對比分析，提出符合我國國情的監(jiān)管建議，希望能夠為壓裂返排液的管理提供參考。

1 壓裂返排液水質特點與治理現(xiàn)狀

壓裂返排液水質受很多因素的影響，壓裂返排液成分、地層特點及地區(qū)的不同都會對其造成影響。

為了保證開采設備正常運行，同時誘導儲層裂縫，在水力壓裂過程中會用到壓裂液。壓裂液中除含水外，還含有鹽、膠凝劑以及其他含量各異的黏土穩(wěn)定劑等，見表1[4]。僅在2005年之后的4年內(nèi)，就有多達750種的化學試劑被用于壓裂返排液。在這些化學試劑中，既含有無毒組分，也含有有毒物質，且有毒物質的種類多、范圍廣，共涵蓋29種[5]。

表1 典型壓裂液的成分及含量

1.1 美國頁巖氣壓裂返排液水質特點與治理現(xiàn)狀

1.1.1 水質特點

水力壓裂液由多種成分混合而成，通常包括水、支撐劑以及多達750種的化學添加劑。在不同礦區(qū)，壓裂液所包含的化學物質的量值、種類和濃度都有差異?；瘜W添加劑是否具有毒性，不同專家有不同的看法，目前還沒有定論。由公開數(shù)據(jù)可知[6]，美國在頁巖氣水力壓裂液中添加了81種化學添加劑，其中55種有機物中只有27種可降解。如果返排時間逐步增加，對應的累積壓裂返排液量會逐步上升，其中的氯根、總溶解固體(TDS)、金屬離子(總鈣、總鎂、總鋇、總鍶等)含量也會發(fā)生變化。當處于產(chǎn)出水過程時，因壓裂液和地層接觸的時間久，TDS>1.0×105mg/L，同時有機物與金屬離子含量較高。表2為美國Marcellus頁巖區(qū)和Barnett頁巖區(qū)壓裂返排液主要水質指標[7]，有機物所占的比例很高，金屬離子也占了很大比例。

表2 美國不同頁巖區(qū)壓裂返排液主要水質指標 mg/L，pH值除外

由表2可知，頁巖氣壓裂返排液具有成分復雜、TDS高、懸浮物多等特性。部分水質指標存在很大差異，這些差異可能是由于不同頁巖區(qū)地質條件不同造成的。例如：Marcellus頁巖區(qū)的壓裂返排液相比于Barnett頁巖區(qū)，總鍶、總鋇及TDS含量較高，硫酸鹽含量較低。同時根據(jù)水質指標的變化幅度可以看出，同一頁巖區(qū)不同氣井的壓裂返排液也存在一定差異。

表3為科羅拉多州丹佛-朱爾斯堡盆地(DJ)氣井壓裂返排液的化學成分[8]。

表3 DJ氣井壓裂返排液的化學成分

由表3可知，壓裂返排液成分復雜，排放量較大且間歇性排放。壓裂返排液中的懸浮物含量會變高，是由于破膠返排后的液體中含有殘雜物以及懸浮油顆粒，他們是導致高懸浮物的主要因素。同時廢液中的COD很高，一般在2 000～20 000 mg/L。這主要是由于破膠返排后的液體中含有很多水溶性聚合物，包括胍膠及其他有機添加劑(包括苯系衍生化合物和多環(huán)芳烴類化合物)。這些聚合物穩(wěn)定性強，很難被去除，且有很大的毒性，從而導致COD變高。在壓裂返排液中，還含有很大數(shù)量的浮油，濃度在100～500 mg/L。同時氯離子和一些重金屬離子含量也很高，其中重金屬離子以鐵離子為主。

綜上，美國壓裂返排液具有產(chǎn)生量大、難生物降解、成分復雜，以及COD、TSS、TDS高等特點。

1.1.2 處置方式

1)深井灌注

經(jīng)地下灌注控制計劃法規(guī)允許后，同石油和天然氣開發(fā)過程中產(chǎn)生的伴生水一樣，頁巖氣壓裂返排液也可以深井灌注的方式進行處置。根據(jù)美國環(huán)保署規(guī)定，能夠接納上述廢水的灌注井為第二類灌注井，相關法律對灌注井的選址、施工、運行及法律責任等有非常系統(tǒng)且明確的規(guī)定。根據(jù)Tosello等的研究[9]，有3種方法可以將水力壓裂返排液注入地下進行永久處置。

(1)廢水注入鹽洞。被選用的鹽洞需要滿足兩個關鍵因素，一是合適的鹽洞構造；二是考慮到運輸距離所耗費的成本，鹽洞需有足夠的體積處理大量的廢水，使得成本合理。

(2)在原井堵塞和棄井時注入。如德克薩斯州、俄克拉何馬州和懷俄明州等允許在棄井之前將鉆井廢料注入原井中。需要注意的是，注入壓力必須大于壓裂壓力。

(3)潛在裂縫注入。在特定的地質條件下，廢水可在低于地層斷裂壓力的壓力下注入地層。在一些情況下，廢物在真空下會被吸入地層。

Tosello等[9]統(tǒng)計，截至2008年底，得克薩斯州經(jīng)美國環(huán)保署批準的第二類灌注井的數(shù)量為11 000口，略多于產(chǎn)氣井的數(shù)量，有利于Barnett區(qū)塊頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的壓裂返排液的處置。相反，賓夕法尼亞州符合要求的灌注井數(shù)量只有7口，過剩的壓裂返排液需要送到其他州進行處置，提升了Marcellus頁巖區(qū)壓裂返排液的灌注成本，該州的油氣開發(fā)公司只能尋找其他的壓裂返排液處置方法。雖然深井灌注可能是一種處理壓裂返排液的方式，但也并非萬無一失。問題之一是溢出或泄漏可導致污染注入?yún)^(qū)域的水資源和土壤。此外，存在于壓裂返排液中的金屬、放射性物質和沉積物的累積在注入處理后可能引發(fā)長期問題。

2)市政污水處理廠處理后外排

根據(jù)美國《清潔水法案》中的國家污染物排放消除系統(tǒng)(NPDES)許可程序，壓裂返排液可以通過工業(yè)或城市廢水處理設施進行處理。具體到各氣田，還應符合各州壓裂返排液排放相關法規(guī)。據(jù)Lutz等[5]統(tǒng)計，2008年Marcellus頁巖區(qū)共有4.0×105m3氣田廢水經(jīng)市政污水處理廠外排，其中以壓裂返排液為主。在Monongahela流域的部分地表水體中曾短暫檢測出高鹽分，這是由于污水處理場的工藝流程對存在于水中的TDS幾乎沒有去除效果導致的，所以賓夕法尼亞州采取了比其他地區(qū)更加嚴格的污水排放標準以及管理要求。

3)現(xiàn)場或中心建廠處理后回用

壓裂返排液再利用是克服水供應有限和處置廢液存在問題時的良好替代方案。有時根據(jù)條件，壓裂返排液經(jīng)處理后在另一個壓裂過程中重復使用更加實用，而不是處理后將其排放到地表。根據(jù) Lutz 等[5]的統(tǒng)計，Marcellus頁巖區(qū)壓裂返排液的回用比例在2008—2011年從10%提升到了71%以上。這是由于開發(fā)規(guī)模不斷擴大以及環(huán)保要求更加嚴格而形成的。在該區(qū)域，Range Resource、Anadarko、Atlas Energy和Chesapeake Energy等油氣開發(fā)公司都將壓裂返排液全部回用作為目標。例如：Range Resource公司2009年所用的6.0×105m3壓裂液中28%作為回用，17%以上的頁巖氣井壓裂施工過程中進行了返排液回用。該公司共擁有25口高產(chǎn)井，有近一半的高產(chǎn)井參與回用，且并未出現(xiàn)影響產(chǎn)氣效果的情況[10]。

4)現(xiàn)場或中心建廠處理后外排

對于多次回用后水質不再適合繼續(xù)回用的壓裂返排液以及回用成本較高等現(xiàn)實問題，現(xiàn)有水處理服務技術能夠達到外排標準要求。目前已開展對“零排放”處理技術的研究，并且回收氯化鈉等副產(chǎn)品。分析美國頁巖氣壓裂氣返排液處置現(xiàn)狀可知，壓裂返排液處理技術路線的建立要對某些因素進行綜合評估和系統(tǒng)分析，這些因素包括政策法規(guī)、水質特點、開發(fā)現(xiàn)狀、地質條件和技術經(jīng)濟性等?？紤]到水力壓裂液成分的復雜性，返排液須在幾個不同的過程中進行組合處理。圖1為壓裂返排液處置的可能路線，可根據(jù)實際情況對①～⑥種路線進行適當選擇及設計，即返排液管理技術路線。

圖1 壓裂返排液處置的可能路線

1.2 中國頁巖氣壓裂返排液水質特點與治理現(xiàn)狀

1.2.1 水質特點

我國不同頁巖區(qū)具有不同的地質條件，由于地區(qū)差異等原因，可能對水質指標產(chǎn)生影響，造成一定差異，即使是同一頁巖區(qū)，不同氣井的壓裂返排液也會有差異。國內(nèi)使用的壓裂液兼有國外和國內(nèi)自主研發(fā)配方，但是各大生產(chǎn)商均對壓裂液成分保密，我國未對這部分進行強制披露。本文選取國內(nèi)典型頁巖氣田壓裂返排液污染特征進行分析。

1)涪陵地區(qū)頁巖氣井壓裂返排液主要污染指標

我國第一個千億方大型頁巖氣田是涪陵頁巖氣田焦石壩龍馬溪組頁巖氣田。頁巖氣大部分在上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組形成，埋深2 300～2 800 m。涪陵頁巖氣田區(qū)域巖性具有良好的穩(wěn)定性，總體孔隙密度約為4.61%，巖性基本分為3類，主要包括灰黑色泥巖、灰黑色碳質泥巖和灰黑色粉砂質泥巖，滲透率在2.363 3×10-4μm2左右。在開發(fā)目的層段，厚度能夠達到80～114 m。頁巖氣儲層的孔隙度和滲透率都較低，所以在后期使用套管生產(chǎn)，通過生產(chǎn)氣體的臨界攜液速度進行排水采氣。此方法能夠穩(wěn)定的產(chǎn)氣產(chǎn)水，從而穩(wěn)定生產(chǎn)頁巖氣。目前四川盆地涪陵焦石壩頁巖氣田采用的回收與循環(huán)利用方法有可能減少80%需要處理或處置的壓裂返排液。統(tǒng)計報告表明，37.85萬L水中大概含有20 t的化學物質(苯、甲醇等)，而且其中的鹽度會發(fā)生變化?；亓魉呛Ｋ氖叮块_采一口頁巖氣井就需要37.85萬～302.8萬L水。大量的回流水若不及時進行處理造成泄漏，對水質和生態(tài)環(huán)境造成的影響不可預估[11]。通過分析涪陵焦石壩區(qū)塊多個平臺的壓裂返排液，了解污水中懸浮物濃度、水型、礦化度、細菌濃度等情況，見表4。

由表4可知，壓裂返排液總礦化度較高，水體為棕褐色，水型為NaHCO3型，pH值大部分呈中性，3種細菌濃度較高，懸浮物含量較高，意味著減阻劑溶解性能較差，同時減阻水壓裂液性能不達標，出現(xiàn)沉淀或者絮狀物。因其存在COD、細菌類等污染物，為防止污染農(nóng)作物和地表水質，必須要將這些污染物進行處理后才能排放。在形成針對性政策時需要考慮到這些因素。

2)長寧-威遠地區(qū)頁巖氣井壓裂返排液主要污染指標

威遠氣田是以震旦系為主要產(chǎn)氣層的致密白云巖裂縫-孔洞型氣藏。震旦系氣藏含氣高度244 m，探明含氣面積約216 km2，原始地層壓力29.533 MPa，地層溫度120℃，硫化氫含量16～20 g/m3，氣藏探明天然氣地質儲量4×1010m3。長寧-威遠區(qū)塊單井用水量在25 000 m3以上，壓裂作業(yè)結束后，10%～70%的返排液到達地面。表5為長寧-威遠地區(qū)頁巖氣井壓裂返排液成分分析[12]。

表4 涪陵焦石壩區(qū)塊壓裂返排液分析結果

表5 威遠-長寧地區(qū)頁巖氣壓裂返排液成分分析

從表5可知，不同地區(qū)的頁巖氣井壓裂返排液成分含量區(qū)別很大，但是主要成分沒有質的區(qū)別，兩個區(qū)域的儲層礦物化學成分也基本沒有不同。所以該地區(qū)壓裂返排液回用技術可作為代表性技術在不同地區(qū)進行推廣。在后期處理時需要注意到其中含有COD、懸浮物等，不能讓這些物質直接排放到環(huán)境中，應制定相應對策。

1.2.2 治理現(xiàn)狀

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，我國加快了頁巖氣開發(fā)腳步，但同時也出現(xiàn)了環(huán)境問題，其中壓裂返排液的處理問題尤其顯著。美國頁巖氣壓裂返排液的處理方法主要是重復利用，例如：Marcellus頁巖礦壓裂返排液的20%是回收與循環(huán)利用的。我國頁巖氣壓裂返排液的主要處理方法是深井回注和重復利用。

國內(nèi)對壓裂返排液的處理主要是通過沉降、氣浮選、水力旋流等方法進行油水初級分離，然后進行自然風干和化學處理。

自然風干是將置于專門的返排液池中的壓裂返排液通過自然蒸發(fā)的方式干化后填埋。這種處理方法有很多缺點，時間需求長，填埋處理后部分醛、重金屬等依然會從污泥塊中滲出，造成二次污染。

化學處理是將壓裂返排液統(tǒng)一進行加藥絮凝及過濾等預處理，然后將其回注到地層。這種方法亦有工藝復雜、應用范圍小等不足。國內(nèi)頁巖氣開采地區(qū)大多為新開發(fā)區(qū)塊，附近沒有合適的回注井，需要將壓裂返排液輸送到較遠的井場進行處理，這一過程增加了處理成本。若對產(chǎn)生的污泥進行自然風干、化學處理或者焚燒，不僅耗費資源，而且重金屬、放射性物質等有害物質會對環(huán)境造成污染。目前國內(nèi)絕大部分壓裂返排液貯存過程中未實施防護，若處理不當，會使地面處理系統(tǒng)內(nèi)部結垢嚴重，井下套管遭到一定程度的腐蝕。必須采取相關措施對地面處理系統(tǒng)實施保護或者對回用壓裂返排液嚴格處理，使其達標。

以成分較為復雜的涪陵焦石壩區(qū)塊為例，其在產(chǎn)能建設期間產(chǎn)生大量壓裂返排液，每口井壓裂返排液量達到1 000～2 000 m3。這些壓裂返排液的處理一般是經(jīng)過pH值調節(jié)、脫穩(wěn)反應、氣浮、絮凝沉降、過濾等流程。因涪陵山地貌特殊，分三級處理才能夠達到較好的處理效果。首先調節(jié)pH值，之后進行殺菌處理，進一步絮凝沉降，最后將清水與污水混合，對外排放或重復利用[13]。

2 總結與建議

頁巖氣在美國大規(guī)模開發(fā)幫助了相關產(chǎn)業(yè)的復蘇，改寫了能源版圖，也帶來了長久的環(huán)境爭論。頁巖氣開發(fā)采用的主要儲層改造手段為水力壓裂技術。據(jù)美國環(huán)保署統(tǒng)計，每一口頁巖氣水平井消耗7 600～19 000 m3的水，每次壓裂作業(yè)完成后，約15%～80%的返排液排至地面。因壓裂返排液曾與地層接觸，若處置不慎，其中含有的有機質、氯根及含量較高的金屬離子等會帶來環(huán)境風險。所以，如何減少水資源消耗、合理處置頁巖氣開發(fā)過程中產(chǎn)生的大量返排液已成為目前頁巖氣規(guī)?；_發(fā)的瓶頸問題之一。

通過對比中美頁巖氣開采過程中水力壓裂返排液的水質特點和治理現(xiàn)狀，可以看出壓裂返排液的主要特征在于產(chǎn)生量大、成分復雜、難生物降解、高COD、高TSS、高TDS等，極有可能對地表水和土壤，甚至人類的健康造成影響。我國CJ 343—2010《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》中規(guī)定市政污水處理廠TDS≤2 000 mg/L，GB 8978—1996《污水綜合排放標準》雖未規(guī)定排水TDS指標，但北京和上海地方標準中提出排水TDS≤2 000 mg/L，未來一定會對壓裂返排液中TDS及相關指標進行限值。另外，頁巖氣開采的當?shù)氐貙訋r性必然與壓裂返排液水質特點正相關，壓裂返排液中懸浮物、油類、Ca2+、Fe2+等易結垢離子及原壓裂液中的黏土穩(wěn)定劑、殺菌劑、減阻劑、表面活性劑與阻垢劑等聚合物添加劑都需要進行相應處理后才可實現(xiàn)回用。當前，壓裂返排液處理最常用的方法為深井回注法、處理后排放法和處理后回用法。國內(nèi)頁巖氣水力壓裂返排液處理技術相對落后，并且處理簡單，一些地區(qū)仍沿用石油行業(yè)處理采出水的方法。部分頁巖氣田以借鑒國外壓裂返排液處理技術為主，結合自身返排液情況制定處理流程。

我國在壓裂返排液處理技術及應用上總體處于起步階段，考慮到成本和環(huán)保，壓裂返排液循環(huán)處理利用是頁巖氣開采技術的未來發(fā)展趨勢。因此，在頁巖氣開采過程中，必須把對水環(huán)境質量的影響降低到最低程度，以保護生態(tài)環(huán)境。政府要加強監(jiān)管，尤其是壓裂過程，同時要加強對壓裂返排液的處理，以降低影響程度。當前保護生態(tài)環(huán)境形勢日益嚴峻，同時為了降低氣田經(jīng)濟成本以及讓頁巖氣行業(yè)更好更快的發(fā)展，對壓裂返排液處理技術的研究勢在必行。