付茜彭其勇

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院；2.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院）

頁(yè)巖氣壓裂返排液對(duì)環(huán)境的影響及思考

付茜1彭其勇2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院；2.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院）

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)水資源的大量消耗和壓裂返排液處置困難引起了廣泛關(guān)注。文章分析了滑溜水壓裂液、混合壓裂液、纖維壓裂液、高速通道壓裂液、二氧化碳?jí)毫岩?、液化石油氣壓裂?種頁(yè)巖氣壓裂液的特點(diǎn)及對(duì)環(huán)境的影響。介紹了壓裂液返排技術(shù)，主要有深井灌注、現(xiàn)場(chǎng)或中心建廠處理后重新利用、返排液處理后外排，進(jìn)而結(jié)合我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的形勢(shì)提出壓裂返排液處理技術(shù)研究思路、研究方向和建議。

頁(yè)巖氣壓裂返排液；處理；環(huán)境影響

0 引 言

頁(yè)巖氣是一種新型、清潔的氣體能源，美國(guó)頁(yè)巖氣成功開(kāi)發(fā)對(duì)全球能源格局產(chǎn)生了重要影響。中國(guó)頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)處在探索試驗(yàn)階段，初步評(píng)價(jià)資源潛力較大，加快發(fā)展有基礎(chǔ)，通過(guò)努力有望成為能源的重要組成部分［1］。自2011年起中國(guó)石油對(duì)外依存度已超過(guò)國(guó)際石油安全警戒線［2］，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)許多機(jī)遇的同時(shí)，也產(chǎn)生了地表水地下水體污染、生態(tài)植被破壞和空氣污染等環(huán)境問(wèn)題［3］。國(guó)內(nèi)外逐漸形成了以水平井“井工廠”式的大規(guī)?；锼颉盎锼?線性膠”分段壓裂、同步壓裂為主，以實(shí)現(xiàn)“體積改造”為目的的頁(yè)巖氣壓裂主體技術(shù)［4-5］，約占注入壓裂液總量60%～80%［6］的液體返排至地面，不僅含有添加的化學(xué)物質(zhì)，而且還包括地層本身含有的放射性物質(zhì)和鹽類(lèi)［7］，無(wú)論是就地處理還是轉(zhuǎn)移至污水處理廠或回收利用都是巨大的挑戰(zhàn)，此過(guò)程可能滲入地下或隨雨水外溢，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源造成污染。因此，頁(yè)巖氣開(kāi)采對(duì)水資源的大量消耗和壓裂施工完成后返排液如何處置引起了廣泛關(guān)注［8］。且2015年1月1日起施行的《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》加大了對(duì)環(huán)境污染的懲治力度：“企業(yè)事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者違法排放污染物，受到罰款處罰，被責(zé)令改正，拒不改正的，依法作出處罰決定的行政機(jī)關(guān)可以自責(zé)令改正之日的次日起，按照原處罰數(shù)額按日連續(xù)處罰”［9］。與此同時(shí)，新環(huán)保法中增設(shè)“信息公開(kāi)與公眾參與”專(zhuān)章，其中，幾經(jīng)討論，“公益訴訟主體”范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至在設(shè)區(qū)的市級(jí)以上人民政府民政部門(mén)登記的社會(huì)組織，也被認(rèn)為是環(huán)保史上開(kāi)先河之舉。使頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)（包括其他非常規(guī)油氣開(kāi)采）面臨更嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。國(guó)外30多年的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，完備的HSE管理體系和詳實(shí)的案例可為我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的環(huán)保管理制度和污染物防治技術(shù)等方面提供借鑒［10］。文章通過(guò)分析頁(yè)巖氣壓裂液的種類(lèi)及壓裂返排液的處理工藝，以期為壓裂返排液的處理處置提供技術(shù)思路。

1 頁(yè)巖氣壓裂液現(xiàn)狀

頁(yè)巖氣壓裂返排液具有懸浮物多、總?cè)芙夤腆w含量高和成分復(fù)雜等特點(diǎn)，但因地質(zhì)條件不同，水質(zhì)指標(biāo)可能存在較大差別，返排液中總?cè)芙夤腆w（TDS）、氯離子、一些金屬離子（總鈣、總鎂、總鋇、總鍶）等含量不同，但總?cè)芙夤腆w含量往往超過(guò)10×104mg／L［2］。

頁(yè)巖氣藏能否得到商業(yè)利用的關(guān)鍵是先進(jìn)的壓裂技術(shù)，但目前廣泛采用的水基壓裂液，存在清水用量巨大，回收處理困難的問(wèn)題。我國(guó)“十二五”頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃要求開(kāi)展新型壓裂液、壓裂液處理和再利用等技術(shù)攻關(guān)，節(jié)約水資源。同樣，水源供應(yīng)難題也讓美國(guó)西部、加拿大和歐洲部分國(guó)家轉(zhuǎn)而研發(fā)新的環(huán)境友好型壓裂技術(shù)。

1.1 滑溜水壓裂液

滑溜水壓裂液是由總含量99%以上的清水和支撐劑、總含量在1%以下的減阻劑、表面活性劑、黏土穩(wěn)定劑、阻垢劑和殺菌劑組成的［11］。支撐劑能夠讓裂縫在壓裂液返排后仍保持開(kāi)啟狀態(tài)［12-13］；0.01%左右的高分子聚丙烯酰胺（減阻劑）能降低壓裂液流動(dòng)的磨擦系數(shù)；0.02%的表面活性劑（如乙氧基化醇）能增大返排能力；0.05%～0.1%的季銨類(lèi)黏土穩(wěn)定劑、0.007%左右的殺菌劑能減少壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害；0.05%左右的阻垢劑能防止結(jié)垢。2004年滑溜水壓裂液在美國(guó)的總使用量已超過(guò)30%，并取得了良好效果［14］。但返排液中含有胍膠、聚丙烯酰胺等有機(jī)物質(zhì)，且無(wú)機(jī)鹽含量也較高，因此，具有高COD、高含鹽量的特征，對(duì)環(huán)境危害極大［15］。

1.2 混合壓裂液

混合壓裂液是先泵入造縫能力強(qiáng)的滑溜水，再泵入減緩支撐劑沉降，使支撐劑分散均勻地交聯(lián)凝膠前置液?；旌蠅毫岩猴@著改善了滑溜水壓裂液濾失高、黏度低和攜砂能力差的缺陷，也可以泵入更大粒度的支撐劑，增加裂縫寬度，降低儲(chǔ)層傷害。在Barnett頁(yè)巖、Anadarko盆地、Haynesville頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中，小規(guī)?；锼畨毫训钠骄行Я芽p半長(zhǎng)為25m，而混合壓裂后有效裂縫半長(zhǎng)為75m［2，16］。壓裂返排液中的化學(xué)添加劑存在導(dǎo)致水環(huán)境污染的隱患。

1.3 纖維壓裂液

2006年美國(guó)《哈特勘探與開(kāi)發(fā)》雜志評(píng)選出石油工程技術(shù)創(chuàng)新特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)為海丁頓公司“纖維壓裂液流體技術(shù)”［17］，就是在壓裂液中加入改善石英砂等支撐劑的懸浮狀態(tài)、有利于形成有效的裂縫長(zhǎng)度的纖維，從而在提高導(dǎo)流能力時(shí)，避免了使用增加稠化劑黏度來(lái)改善支撐效果的方法，減少殘余物對(duì)地層的傷害。該技術(shù)在美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣、墨西哥國(guó)家石油公司Burgos和Wilcox4盆地應(yīng)用，纖維壓裂后產(chǎn)能是滑溜水壓裂作業(yè)的2～7倍［18］；同時(shí)，2002—2010年在國(guó)內(nèi)澀北氣田先后應(yīng)用47口井，單井日產(chǎn)氣量平均增加40%以上［19］；在扶余油田也進(jìn)行了3口井的試驗(yàn)，施工后產(chǎn)量大幅度提高［20］。壓裂返排液中除化學(xué)添加劑外，難以生物降解的纖維材料、石油烴類(lèi)等是影響環(huán)境的主要污染物。

1.4 高速通道壓裂液

2010年，Schlumberger除了在壓裂液中混入支撐劑外，還摻入特制纖維材料，通過(guò)混配設(shè)備和操控系統(tǒng)將支撐劑以較高速率脈沖式泵入井下，泵送完成后支撐劑收縮成柱，保持裂縫開(kāi)啟，高速滲流通道圍繞支撐劑單元貫通連接。2012年6月高速通道壓裂液在非常規(guī)氣藏的開(kāi)發(fā)中進(jìn)行了4000多次作業(yè)，初期產(chǎn)量提高53%［21］。其主要污染物同纖維壓裂返排液相似。

1.5 二氧化碳?jí)毫岩?/p>

二氧化碳?jí)毫岩菏谴罅繗怏w在少量液體中的一種液包氣乳狀液均勻分散體系，體系中包括：起泡劑、穩(wěn)泡劑、黏度穩(wěn)定劑、酸性交聯(lián)劑、破膠劑、助排劑。泡沫質(zhì)量fgtp＜52%的為增能體系，一般用作常規(guī)壓裂后的后置液幫助返排；52%＜fgtp＜96%是施工所用的泡沫壓裂液［22］。2000年起在Ohio，LewisShale進(jìn)行頁(yè)巖氣藏二氧化碳泡沫壓裂，獲得成功并取得重大突破。20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)分別在吉林、大慶、長(zhǎng)慶、遼河、江蘇等油田進(jìn)行試驗(yàn)，均取得了較好的效果，其中，陜28井初測(cè)日產(chǎn)氣2×104m3／d，壓后試氣22×104m3／d［23］。化學(xué)添加劑仍是主要的污染物，同時(shí)，返排的二氧化碳作為溫室氣體將造成大氣污染。

1.6 液化石油氣壓裂液

榮獲第一、二屆世界頁(yè)巖氣技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)的液化石油氣壓裂液是以丙烷、丁烷或二者混合的非清水基液。當(dāng)儲(chǔ)層溫度≤96℃時(shí)，選擇100%的丙烷作為壓裂液；而當(dāng)溫度＞96℃時(shí)，為保證施工過(guò)程中壓裂液處于液體狀態(tài)則需要加入一定比例的丁烷；應(yīng)用于150℃高溫儲(chǔ)層時(shí)，必須選用100%的丁烷作為壓裂液。2012年GeoScoutIndustryDatabase公布液化石油氣壓裂初產(chǎn)量提高50%～80%，累計(jì)產(chǎn)能提高103%以上［2，12］。

液化石油氣壓裂施工時(shí)全程封閉，由氣體凝膠、氮?dú)饷荛]、凝膠與支撐劑混配壓裂注入、遠(yuǎn)程風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、氣體回收系統(tǒng)等組成。丙烷、丁烷等可回收重復(fù)使用，降低了壓裂液返排對(duì)環(huán)境的影響。但液化石油氣屬可燃性高危氣體，安全防爆問(wèn)題非常關(guān)鍵，需進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，同時(shí)，在壓裂及返排過(guò)程中因設(shè)備原因，可能造成丙烷、丁烷泄漏的危險(xiǎn)。

2 頁(yè)巖氣壓裂液返排技術(shù)現(xiàn)狀

美國(guó)環(huán)保署統(tǒng)計(jì)表明：?jiǎn)慰陧?yè)巖氣水平井壓裂耗水量一般在7600～19000m3，壓裂后有15%～80%的返排液排至地面。

2.1 深井灌注

同常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)一樣，頁(yè)巖氣壓裂返排液可通過(guò)深井灌注進(jìn)行處置，但頁(yè)巖氣井壓裂施工后早期返排的主要為壓裂時(shí)所用的地表水，并非地質(zhì)構(gòu)造中的地層水，大量深井灌注意味著生物圈可利用水資源的損失，造成地表水、地下水的污染，這也是某些國(guó)家（如法國(guó)和保加利亞等）禁止水力壓裂在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的原因；在美國(guó)不允許與活水層接觸或連通。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)或中心建廠處理后重新利用

壓裂返排液處理回用取決于返排液水質(zhì)、水量和壓裂液配液對(duì)水質(zhì)的要求。井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)處理回用時(shí)，用化學(xué)沉淀法去除返排液中的總鋇、總鍶后，與清水混合稀釋配液即可滿足壓裂作業(yè)要求，比較成熟的處理裝置有哈里伯頓公司開(kāi)發(fā)的采用水質(zhì)調(diào)節(jié)、電絮凝工藝、精細(xì)過(guò)濾等流程的移動(dòng)式CleanWaveTM處理系統(tǒng)［8，24］。中心建廠處理時(shí)，需要將壓裂返排液運(yùn)至處理廠，去除懸浮固體及進(jìn)行化學(xué)軟化，處理后水硬度小于20mg／L，濁度小于10NTU，達(dá)到回用的實(shí)際需求。壓裂返排液處理回用工藝技術(shù)較成熟，關(guān)鍵在于合理選擇經(jīng)濟(jì)、有效、占地面積小、可移動(dòng)式、處理速度快的工藝流程和技術(shù)。

2.3 返排液處理后外排

脫鹽工藝是壓裂返排液處理外排的難點(diǎn)，處理的難度和成本隨著總?cè)芙夤腆w含量的增加而增加。其中，反滲透工藝在壓裂返排液脫鹽處理中得到了成功的商業(yè)化應(yīng)用，適用于TDS小于40000mg／L的返排液［25］；機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)脫鹽工藝不僅具有較好處理效果和穩(wěn)定性，而且能回收氯化鈉以節(jié)省工藝成本。目前，北美開(kāi)始探索將低能耗高效率的正滲透膜技術(shù)應(yīng)用于頁(yè)巖氣后期返排液脫鹽處理的可行性［26］，近十年來(lái)迅速發(fā)展膜蒸餾技術(shù)，用于處理TDS含量超過(guò)120000mg／L的高鹽水脫鹽處理，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為具有顯著優(yōu)勢(shì)［27］，但目前尚未見(jiàn)到使用該技術(shù)的壓裂返排液處理應(yīng)用報(bào)道。

3 頁(yè)巖氣壓裂返排液處理的思考

我國(guó)已批準(zhǔn)成立“四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)”和“滇黔北昭通國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)”，2015年頁(yè)巖氣產(chǎn)量有望達(dá)到65×108m3，因位于植被茂盛、人口稠密的區(qū)域，含有大量殘余化學(xué)物質(zhì)（如：鹽、重金屬、放射性元素和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)）的壓裂返排液，若處理不當(dāng)或隨雨水泄漏，可能導(dǎo)致地表水、地下水源污染，可能影響人、畜飲水安全，造成莊稼減產(chǎn)甚至絕收等環(huán)境災(zāi)害。

在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新適合中國(guó)國(guó)情的先進(jìn)技術(shù)，比如打水平分枝井、使用計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和模擬，調(diào)查和管理開(kāi)發(fā)區(qū)域的水資源。在借鑒國(guó)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建議頁(yè)巖氣壓裂返排液處理方面重點(diǎn)開(kāi)展以下研究。

中國(guó)的頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)受到特殊的地質(zhì)和作業(yè)條件限制，因此，需要探索適宜的新型壓裂技術(shù)，解決水資源匱乏、大型壓裂設(shè)備運(yùn)輸拓寬路面對(duì)植被的破壞和泥土揚(yáng)塵對(duì)空氣的污染、壓裂返排液處理技術(shù)繁瑣等問(wèn)題；液化石油氣壓裂技術(shù)在北美頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中已有大量嘗試，在中國(guó)尚無(wú)應(yīng)用先例，其顯著的節(jié)水環(huán)保性，在減少壓裂返排液排放量方面表現(xiàn)出的優(yōu)異特性，具有極大的吸引力，技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā)均具有重要的戰(zhàn)略意義；二氧化碳泡沫壓裂在我國(guó)致密砂巖氣的試驗(yàn)性應(yīng)用效果良好，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的應(yīng)用有待研究；

完善頁(yè)巖氣壓裂返排液深井灌注技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，保障處置返排液的環(huán)保及安全性；

開(kāi)展頁(yè)巖氣壓裂返排液處理回用技術(shù)研究，減少水資源消耗量和廢水產(chǎn)生量，重點(diǎn)是研發(fā)耐鹽、耐高礦化度壓裂液體系的藥劑配方以及簡(jiǎn)單高效的水處理技術(shù)；開(kāi)展壓裂返排液重新利用、配制頁(yè)巖氣壓裂液或無(wú)水壓裂可行性研究，水資源消耗最小化，保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境；

探索壓裂返排液處理外排技術(shù)應(yīng)用的可能性，形成返排液全過(guò)程管理技術(shù)方案；

頁(yè)巖氣壓裂液及其技術(shù)的優(yōu)選是一個(gè)系統(tǒng)性工程，不同的壓裂技術(shù)適應(yīng)性不同，高效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣常需要多種壓裂技術(shù)和各種壓裂返排液處理工藝綜合應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

從目前國(guó)外應(yīng)用和研究現(xiàn)狀來(lái)看，頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)充分重視環(huán)境問(wèn)題。地理環(huán)境的限制和環(huán)境立法的不足等已影響了頁(yè)巖氣的合理開(kāi)發(fā)。為保證我國(guó)頁(yè)巖氣可持續(xù)開(kāi)發(fā)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，需要完善頁(yè)巖氣壓裂返排液處理標(biāo)準(zhǔn)體系，開(kāi)展頁(yè)巖氣壓裂返排液處理回收重復(fù)利用技術(shù)攻關(guān)，減少水資源消耗量和廢水產(chǎn)生量，探索壓裂返排液處理外排技術(shù)應(yīng)用的可能性，形成返排液全過(guò)程管理技術(shù)方案，為頁(yè)巖氣規(guī)模化開(kāi)發(fā)提供環(huán)保技術(shù)支持。

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（編輯 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.020

：1005-3158（2015）03-0060-04

2015-01-09）

付茜，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)研究。通信地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，100083