重慶頁巖氣勘探開發(fā)采出水污染防控研究

馮永超

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147)

0 引言

頁巖氣是世界上最具有發(fā)展前景的能源之一，發(fā)展?jié)摿薮?。重慶頁巖氣資源有利區(qū)域約7.6萬km2，儲藏量約12.75萬億m3，可采儲藏量約2.05萬億 m3，居全國第三位[1]。水力壓裂是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，壓裂需要大量水資源，且壓裂液配置需添加殺菌劑、減阻劑、防腐劑等化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)成分復(fù)雜，壓裂液進(jìn)入頁巖層后，8%～70%將會在采氣前和采氣期間返回地表成為返排水,我國川渝地區(qū)初期返排率為 5%～30%[3]。頁巖氣返排水屬高鹽度復(fù)雜廢水，其中涪陵頁巖氣田返排水氯離子平均含量可高達(dá)18000mg/L[4-5]。由于壓裂返排的廢水量大、高鹽且成分復(fù)雜，廢水排入環(huán)境對人類健康和環(huán)境具有潛在的風(fēng)險，返排廢水的排放被認(rèn)為是頁巖氣開采行業(yè)污染地表水的最大風(fēng)險[6-9]。因此，頁巖氣開發(fā)水資源消耗和返排水的環(huán)境影響受到廣泛關(guān)注，采氣過程中產(chǎn)生的采出水(含壓裂返排液)是需重點解決的環(huán)境問題之一。

1 頁巖氣采出水中氯化物排放相關(guān)管控要求

1.1 存在問題

涉及向地表水體排放污染物的陸地油氣開采項目，應(yīng)當(dāng)符合國家和地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，滿足重點污染物排放總量控制要求。由于頁巖氣開采屬新興產(chǎn)業(yè)，其污染物排放尚未制定和發(fā)布國家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，直接排放一般執(zhí)行《GB 8978-1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是壓裂返排液中含量最高的“特征物質(zhì)”——氯化物在《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中未做規(guī)定，壓裂返排液若是經(jīng)過處理后間接排放，其最終執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》也未對氯化物做出規(guī)定。綜上所述，對于可能需要排放到自然水體的頁巖氣壓裂返排液，尚未制定國家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 氯化物執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國 Marcellus 頁巖氣田所在地區(qū)部分地表水體曾短暫監(jiān)測出高鹽分或超出氯化物等無機(jī)鹽的背景值，因此美國頁巖氣已采用脫鹽、蒸發(fā)等技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣污水的深度處理，對氯化物進(jìn)行了管控。在我國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系中，對氯化物濃度限值做出了明確規(guī)定，對氯化物相關(guān)管控限值見表1。從表中可知，重慶、四川部分頁巖氣區(qū)塊處理站對氯化物的排放限值是350 mg/L。從國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系和面對持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的新目標(biāo)、新要求來看，應(yīng)對頁巖氣廢水中氯化物進(jìn)行控制。

表1 環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對氯化物的濃度限值

2 頁巖氣采出水中氯化物的排放對受納水體的環(huán)境影響預(yù)測分析

采出水(含壓裂返排液)中氯化物不論是直接排放還是間接排放，對地表水環(huán)境質(zhì)量和功能的影響，都與污染物的排放量、受納水體的環(huán)境容量有關(guān)。污染物的排放量由污水排放量和污水中的污染物濃度確定；環(huán)境容量則由河流流量、相應(yīng)污染物的環(huán)境本底濃度和根據(jù)地表水環(huán)境功能確定的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值等確定。以重慶某頁巖氣田廢水處理站的尾水排放至小安溪河(Ⅲ類水體) 為例，該頁巖氣田按最不利情況計算，2020年采氣分離水最大產(chǎn)生量約為196761m3，規(guī)劃污水處理站運營時間約330d，處理達(dá)標(biāo)后氯化物按350mg/L計。根據(jù)《HJ/T 2.3-93環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地面水環(huán)境》，考慮到氯離子不易降解，按河流均勻混合模型進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表2。從表2可知，若氯化物按350mg/L限值排放，混合后，河流氯化物濃度基本不變，對水環(huán)境質(zhì)量影響很??；若氯化物不處理直接排放，氯化物濃度則約是背景濃度的2.5倍，盡管仍未超過地表水中氯化物限值，但有可能導(dǎo)致地表水體短時期內(nèi)出現(xiàn)高鹽分累積問題，與水質(zhì)持續(xù)向好的環(huán)保管理要求不符。因大部分市政污水處理廠沒有脫鹽工藝，因此，各區(qū)塊應(yīng)優(yōu)先因地制宜選擇配套建設(shè)污水處理站對氯化物深度處理后排放。

表2 完全混合后氯化物預(yù)測結(jié)果

3 頁巖氣采出水全周期處理方案

3.1 回用

鉆井之后的壓裂作業(yè)階段，每口井需要用3～4萬m3的壓裂液。因此，建設(shè)前期，鉆井廢水、壓裂返排液、采氣水經(jīng)處理達(dá)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，按一定比例混合新鮮水配制壓裂液，在壓裂施工中重復(fù)利用，前期廢水回用率100%，實現(xiàn)廢水零排放。重慶、四川均要求壓裂液盡量回用。但是隨著頁巖氣勘探開發(fā)的結(jié)束，壓裂用水需求量減小，沒有合適的鉆井進(jìn)行回用。

3.2 處理達(dá)標(biāo)排放

氣田建設(shè)后期，壓裂的井減少，會導(dǎo)致氣田的壓裂返排液和投產(chǎn)井的采氣廢水不能進(jìn)入生產(chǎn)流程循環(huán)利用。鼓勵的方式就是處理達(dá)標(biāo)排放?？紤]到對氯離子進(jìn)行管控，目前國內(nèi)外比較成熟的脫鹽工藝主要包括膜法和蒸發(fā)法[10-11]。一是利用低成本濃縮預(yù)處理技術(shù)將污水進(jìn)行減量化，從而減少高成本蒸發(fā)處理量；二是機(jī)械蒸發(fā)和多效蒸發(fā)技術(shù)均成熟，能滿足該類污水蒸發(fā)需要。

以四川威遠(yuǎn)區(qū)塊“50萬m3/a頁巖氣氣田水處理技術(shù)改造項目”為例，新建1座頁巖氣采出水處理站，處理威遠(yuǎn)區(qū)塊的頁巖氣產(chǎn)出水。該頁巖氣產(chǎn)出水處理站處理規(guī)模為50萬m3/a(約 1500m3/d)，采用“預(yù)處理+膜處理系統(tǒng)+MVR蒸發(fā)結(jié)晶+MBR膜生物處理”工藝，根據(jù)環(huán)評報告書中相關(guān)數(shù)據(jù)，出水中特征物質(zhì)氯化物濃度可以滿足350mg/L的要求。

重慶涪陵頁巖氣田產(chǎn)出水收集及處理系統(tǒng)建設(shè)項目采用“預(yù)處理(水質(zhì)調(diào)節(jié)、混凝沉淀、兩級芬頓氧化、電解氧化、多介質(zhì)過濾等)+雙膜減量化(超濾、反滲透)+MVR蒸發(fā)結(jié)晶”處理工藝，根據(jù)環(huán)評報告書中相關(guān)數(shù)據(jù)，出水中主要污染物的濃度為氯化物約200～250mg/L，COD 35mg/L，氨氮2mg/L，能夠滿足外排水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的氯化物≤350mg/L，COD≤50mg/L，氨氮≤10mg/L的要求。

建議在開發(fā)后期可采用“膜處理系統(tǒng)+蒸發(fā)結(jié)晶”的方式，對壓裂返排液中氯化物進(jìn)行深度處理，最終達(dá)到《GB 8978-1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)、氯化物達(dá)350mg/L后排放。

3.3 回注

美國針對頁巖氣開發(fā)廢水回注，制定了專門的法規(guī)，按照《地下灌注控制計劃》(UIC)進(jìn)行嚴(yán)格管理。當(dāng)某地區(qū)由于地層條件達(dá)不到要求時，地下回注是被禁止的。在我國《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)石油天然氣行業(yè)環(huán)境影響評價管理的通知》(環(huán)辦環(huán)評函〔2019〕910號)等文件中提到，涉及廢水回注的，應(yīng)當(dāng)論證回注的環(huán)境可行性，采取切實可行的地下水污染防治和監(jiān)控措施，不得回注與油氣開采無關(guān)的廢水，嚴(yán)禁造成地下水污染。

根據(jù)美國經(jīng)驗和國內(nèi)常規(guī)油氣田做法來看，規(guī)范的油氣田廢水地下回注，其核心是指將油氣田廢水回注到封閉的地層(一般是回注到現(xiàn)役油氣藏或枯竭廢棄油氣藏)，廢水不得從回注井及封閉層向外擴(kuò)散，要與周邊地下水隔離，控制廢水地下回注對周邊地下水的污染，特別對回注井的選擇、回注要求及回注井的監(jiān)控等尤為關(guān)鍵。由于實際實施過程難以管控，環(huán)境風(fēng)險不確定，回注應(yīng)該嚴(yán)格管控。從工程實踐來看，只有少量勘探井返排廢水在周邊無達(dá)標(biāo)排放處理條件，回注條件允許的情況下采取回注方式，成規(guī)模開發(fā)的區(qū)塊建議應(yīng)審慎采用回注方式處理采出水(含壓裂返排液)。

4 結(jié)論

(1)在頁巖氣勘探開發(fā)前期，頁巖氣勘探開發(fā)采出水(含壓裂返排液)應(yīng)最大限度地循環(huán)利用、優(yōu)先回用。

(2)在頁巖氣勘探開發(fā)建設(shè)后期，循環(huán)利用不完的，應(yīng)處理后達(dá)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后排放。建議各區(qū)塊因地制宜選擇配套建設(shè)污水處理站自行處理達(dá)標(biāo)后排放，在國家頁巖氣開采污染控制標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布前，外排水水質(zhì)應(yīng)符合《GB 8978-1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，氯化物含量可按350mg/L進(jìn)行管控。

(3)應(yīng)審慎采用回注方式處理采出水(含壓裂返排液)，確需回注的，回注目的層應(yīng)為地質(zhì)構(gòu)造封閉地層，并對回注井井位的合理性、井筒的完整性，回注目的層的封閉性、隔離性及可注性進(jìn)行充分論證，同步采取包括回注井運行監(jiān)控、地下水跟蹤監(jiān)測等切實可行措施防治污染。具備滿足要求的回注井和回注層、運行監(jiān)控管理制度健全的情況下，方可實施回注。從源頭到末端全過程做到生態(tài)環(huán)境保護(hù)及環(huán)境風(fēng)險可控。