張 磊，李 朋，曾偉凌

（成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059）

油氣田開采中壓裂液對水環(huán)境的污染與控制

張 磊，李 朋，曾偉凌

（成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059）

水力壓裂技術在油氣田生產(chǎn)開發(fā)中被廣泛使用，在壓裂過程中若注入地層中的壓裂液發(fā)生泄露，或者對返排壓裂液處理不當，將會給地下水、地表水等水環(huán)境帶來嚴重的污染和破壞。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)境保護和節(jié)約成本等方面考慮，重視對返排液處理后循環(huán)使用的研究具有意義深遠。

壓裂液；水環(huán)境；返排液；環(huán)境保護

我國石油天然氣資源豐富，為滿足國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展的需要，我國也在不斷加快研制新工藝、新方法的步伐，以便對資源進行大規(guī)模開發(fā)利用的同時也能兼顧環(huán)境保護。由于目前對開采技術掌握得不夠成熟以及對返排液的處理不加以重視，并沒有達到理想的效果，壓裂生產(chǎn)對水環(huán)境造成了難以恢復的污染和影響，嚴重地破壞了水資源的動態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境[1]，特別是我國油氣資源儲量相對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性資源，將水資源保護起來并加以重視及合理利用，對步入與環(huán)境協(xié)調可持續(xù)發(fā)展道路具有積極作用，因此研究壓裂液對水資源的影響意義深遠。

1 壓裂液的類型及作用

在油氣資源的開發(fā)過程中，壓裂液是在壓裂生產(chǎn)施工中所用到的工作液，其成分復雜，含多種化學添加劑且按一定的比例配置而成。目前國內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方面：（1）攜帶支撐劑到地層。壓裂液在注入的過程中，能將支撐劑帶入到壓裂層段的裂隙中，并對壓裂的層段起支撐作用，使油氣能有效地導入到油氣井中，最終達到提高油氣產(chǎn)量的目的；（2）壓開裂縫。在強大的水力作用下，能形成一條尺寸較為理想的、有足夠導流能力的裂縫，壓裂液的使用在減少對儲層傷害的同時，也能最大程度提高增產(chǎn)效果；（3）降低地層溫度。在鉆井、壓裂等施工過程中，地層溫度會急劇上升，壓裂液的注入對緩解地層溫度的升高具有顯著的作用，同時也能減輕鉆頭等器械的磨損，延長其工作壽命。

表1 國內外壓裂液類型[2]

2 壓裂液對水環(huán)境的影響

油氣開采過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物質，如果壓裂液返排不充分或返排至地面不經(jīng)過任何處理而隨意排放，將會對施工區(qū)塊附近的環(huán)境，尤其是對水資源造成嚴重的污染。

2.1 壓裂液對儲層的破壞

壓裂液在足夠高的壓力下被泵入地層，由于儲層內部結構復雜以及存在氣液等多種相態(tài)，外來壓裂液的侵入可能給儲層帶來多種破壞，其破壞主要有以下幾個方面：

（1）如果壓裂液與儲層之間存在不配伍性，一旦壓裂液進入地層，將可能與儲層中的流體以及粘土礦物發(fā)生物理或者化學反應。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，隨著儲層中流體在孔隙中運移，顆粒在流動過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，沒有隨廢壓裂液返排而遺留在儲層當中的殘渣，將會對儲層中的孔隙喉道以及支撐裂縫造成封堵，對裂縫的導流能力造成嚴重的破壞。

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

2.2 對地下水的污染

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，含有多種對環(huán)境有害的化學物質。在實際操作過程中，由于導管質量問題以及壓裂過程中可能存在的多種人為因素等，壓裂液會沿著導管破裂處直接流向儲層，在一定條件下，逐漸滲流到地下水系統(tǒng)當中，對地下水資源造成嚴重的污染。多項調查研究報告表明[4-7]，在美國，多個采用水力壓裂技術開采的生產(chǎn)區(qū)塊，其地下水實測數(shù)據(jù)顯示當?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壓裂液中絕大部分的有毒成分，而且還攜帶油儲層中的重金屬、高礦化度鹽類以及放射性物質等，如果處理不當，危害極大。目前我國處理廢液儀器自身存在缺陷性，不能對廢液中的有害物質全部進行識別，故對廢液中的有害物質處理并不徹底；此外，相關工作人員環(huán)保意識不強，可能致使大量的廢液泄露到地表等，這些因素都將會在一定程度上引發(fā)廢液對地表水資源的污染[4-9]。在大自然水循環(huán)過程中，有害物質也始終處于一種流動狀態(tài)，一旦進入人體，將會對人們的健康帶來極大的危害。

3 返排壓裂液污染控制淺析

返排的壓裂液中有害物質種類繁多[8-12]，成分復雜，處理這部分廢液對保護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)場實踐表明，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到理想的對環(huán)境無污染、無危害的要求。

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，達到有效去除返排液中固體懸浮物及多種可溶性物質的目的。但在堿性、中性及酸性環(huán)境條件下其處理效果會有一定的變化，易受環(huán)境的影響。

3.3 催化氧化法

通過激發(fā)出處理液中具有強氧化能力的羥基自由基（·OH），并經(jīng)過一系列的物理化學反應，使含碳鏈等有機結構發(fā)生裂解，最終生成對環(huán)境無污染的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。當微生物群體與廢液充分接觸時，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)的有機污染物，使廢液達到凈化的效果；另一方面廢液中部分有機物在一定條件下，可被合成微生物的細胞質。微生物的細胞質與廢液中的有機物相比，體積較大，更容易凝聚，與廢液中其他一些物質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化返排液處理過程，有時將返排液直接注入到廢棄油氣井中。該方法雖然操作簡單，但會對地層以及地下水環(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)約成本和減少對水環(huán)境的污染及地層的破壞，往往將處理達標后的返排液循環(huán)使用。該方法既節(jié)約成本，也能有效保護人們賴以生存的水環(huán)境。

目前，國內對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)點和缺點，因此在選擇返排液的處理方法時，要在將各種處理方法區(qū)別開來的基礎之上，同時根據(jù)油氣田工作區(qū)域的地質特征及周圍環(huán)境等實際情況，選擇正確的返排液處理方法。通過將常用的廢液處理方法對比分析可知，無論是從環(huán)境保護還是從節(jié)約成本的角度考慮，壓裂過程中壓裂液的循環(huán)利用將是壓裂技術未來發(fā)展的趨勢。

4 結論

壓裂液中不僅含有大量有毒性的化學添加劑，而且在返排過程中還將儲層中的有機和無機化合物、重金屬、細菌以及放射性元素攜帶出來，與其他污染源相比，具有污染物種類繁多、成分復雜、穩(wěn)定性高等特點。如果對其可能帶來的諸多不利不加以重視，將會帶來嚴重的水環(huán)境污染和生態(tài)破壞等一系列不良后果。對目前常用的處理返排液的六種方法進行對比分析，結果表明，每種返排液的處理方法各有優(yōu)缺點，需根據(jù)對處理技術的掌握程度及油氣田工作區(qū)域的實際情況進行合理篩選，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，對水環(huán)境的保護具有重要意義。

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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，成都理工大學能源學院石油與天然氣工程專業(yè)碩士在讀，主要研究方向為油氣儲層綜合評價與油氣藏描述。