頁巖氣壓裂返排液對環境的影響及思考

付茜彭其勇

（1.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院；2.中國石油安全環保技術研究院）

頁巖氣壓裂返排液對環境的影響及思考

付茜1彭其勇2

（1.中國地質大學（北京）地球科學與資源學院；2.中國石油安全環保技術研究院）

頁巖氣開發對水資源的大量消耗和壓裂返排液處置困難引起了廣泛關注。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、二氧化碳壓裂液、液化石油氣壓裂液6種頁巖氣壓裂液的特點及對環境的影響。介紹了壓裂液返排技術，主要有深井灌注、現場或中心建廠處理后重新利用、返排液處理后外排，進而結合我國頁巖氣開發的形勢提出壓裂返排液處理技術研究思路、研究方向和建議。

頁巖氣壓裂返排液；處理；環境影響

0 引 言

頁巖氣是一種新型、清潔的氣體能源，美國頁巖氣成功開發對全球能源格局產生了重要影響。中國頁巖氣勘查開發處在探索試驗階段，初步評價資源潛力較大，加快發展有基礎，通過努力有望成為能源的重要組成部分［1］。自2011年起中國石油對外依存度已超過國際石油安全警戒線［2］，頁巖氣開發在為經濟發展帶來許多機遇的同時，也產生了地表水地下水體污染、生態植被破壞和空氣污染等環境問題［3］。國內外逐漸形成了以水平井“井工廠”式的大規?；锼颉盎锼?線性膠”分段壓裂、同步壓裂為主，以實現“體積改造”為目的的頁巖氣壓裂主體技術［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物質，而且還包括地層本身含有的放射性物質和鹽類［7］，無論是就地處理還是轉移至污水處理廠或回收利用都是巨大的挑戰，此過程可能滲入地下或隨雨水外溢，對當地水資源造成污染。因此，頁巖氣開采對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注［8］。且2015年1月1日起施行的《中華人民共和國環境保護法》加大了對環境污染的懲治力度：“企業事業單位和其他生產經營者違法排放污染物，受到罰款處罰，被責令改正，拒不改正的，依法作出處罰決定的行政機關可以自責令改正之日的次日起，按照原處罰數額按日連續處罰”［9］。與此同時，新環保法中增設“信息公開與公眾參與”專章，其中，幾經討論，“公益訴訟主體”范圍進一步擴大至在設區的市級以上人民政府民政部門登記的社會組織，也被認為是環保史上開先河之舉。使頁巖氣開發（包括其他非常規油氣開采）面臨更嚴峻的環境挑戰。國外30多年的頁巖氣開發實踐中，完備的HSE管理體系和詳實的案例可為我國頁巖氣開發的環保管理制度和污染物防治技術等方面提供借鑒［10］。文章通過分析頁巖氣壓裂液的種類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思路。

1 頁巖氣壓裂液現狀

頁巖氣壓裂返排液具有懸浮物多、總溶解固體含量高和成分復雜等特點，但因地質條件不同，水質指標可能存在較大差別，返排液中總溶解固體（TDS）、氯離子、一些金屬離子（總鈣、總鎂、總鋇、總鍶）等含量不同，但總溶解固體含量往往超過10×104mg／L［2］。

頁巖氣藏能否得到商業利用的關鍵是先進的壓裂技術，但目前廣泛采用的水基壓裂液，存在清水用量巨大，回收處理困難的問題。我國“十二五”頁巖氣發展規劃要求開展新型壓裂液、壓裂液處理和再利用等技術攻關，節約水資源。同樣，水源供應難題也讓美國西部、加拿大和歐洲部分國家轉而研發新的環境友好型壓裂技術。

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啟狀態［12-13］；0.01%左右的高分子聚丙烯酰胺（減阻劑）能降低壓裂液流動的磨擦系數；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%的季銨類黏土穩定劑、0.007%左右的殺菌劑能減少壓裂液對儲層的傷害；0.05%左右的阻垢劑能防止結垢。2004年滑溜水壓裂液在美國的總使用量已超過30%，并取得了良好效果［14］。但返排液中含有胍膠、聚丙烯酰胺等有機物質，且無機鹽含量也較高，因此，具有高COD、高含鹽量的特征，對環境危害極大［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，降低儲層傷害。在Barnett頁巖、Anadarko盆地、Haynesville頁巖氣開發中，小規模滑溜水壓裂的平均有效裂縫半長為25m，而混合壓裂后有效裂縫半長為75m［2，16］。壓裂返排液中的化學添加劑存在導致水環境污染的隱患。

1.3 纖維壓裂液

2006年美國《哈特勘探與開發》雜志評選出石油工程技術創新特別貢獻獎為海丁頓公司“纖維壓裂液流體技術”［17］，就是在壓裂液中加入改善石英砂等支撐劑的懸浮狀態、有利于形成有效的裂縫長度的纖維，從而在提高導流能力時，避免了使用增加稠化劑黏度來改善支撐效果的方法，減少殘余物對地層的傷害。該技術在美國Barnett頁巖氣、墨西哥國家石油公司Burgos和Wilcox4盆地應用，纖維壓裂后產能是滑溜水壓裂作業的2～7倍［18］；同時，2002—2010年在國內澀北氣田先后應用47口井，單井日產氣量平均增加40%以上［19］；在扶余油田也進行了3口井的試驗，施工后產量大幅度提高［20］。壓裂返排液中除化學添加劑外，難以生物降解的纖維材料、石油烴類等是影響環境的主要污染物。

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，通過混配設備和操控系統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氣藏的開發中進行了4000多次作業，初期產量提高53%［21］。其主要污染物同纖維壓裂返排液相似。

1.5 二氧化碳壓裂液

二氧化碳壓裂液是大量氣體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、穩泡劑、黏度穩定劑、酸性交聯劑、破膠劑、助排劑。泡沫質量fgtp＜52%的為增能體系，一般用作常規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進行頁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90年代，國內分別在吉林、大慶、長慶、遼河、江蘇等油田進行試驗，均取得了較好的效果，其中，陜28井初測日產氣2×104m3／d，壓后試氣22×104m3／d［23］。化學添加劑仍是主要的污染物，同時，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、二屆世界頁巖氣技術創新獎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。當儲層溫度≤96℃時，選擇100%的丙烷作為壓裂液；而當溫度＞96℃時，為保證施工過程中壓裂液處于液體狀態則需要加入一定比例的丁烷；應用于150℃高溫儲層時，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量提高50%～80%，累計產能提高103%以上［2，12］。

液化石油氣壓裂施工時全程封閉，由氣體凝膠、氮氣密閉、凝膠與支撐劑混配壓裂注入、遠程風險監控、氣體回收系統等組成。丙烷、丁烷等可回收重復使用，降低了壓裂液返排對環境的影響。但液化石油氣屬可燃性高危氣體，安全防爆問題非常關鍵，需進行嚴格監測，同時，在壓裂及返排過程中因設備原因，可能造成丙烷、丁烷泄漏的危險。

2 頁巖氣壓裂液返排技術現狀

美國環保署統計表明：單口頁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

同常規油氣田開發一樣，頁巖氣壓裂返排液可通過深井灌注進行處置，但頁巖氣井壓裂施工后早期返排的主要為壓裂時所用的地表水，并非地質構造中的地層水，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，這也是某些國家（如法國和保加利亞等）禁止水力壓裂在頁巖氣開發中應用的原因；在美國不允許與活水層接觸或連通。

2.2 現場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、水量和壓裂液配液對水質的要求。井場現場處理回用時，用化學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要求，比較成熟的處理裝置有哈里伯頓公司開發的采用水質調節、電絮凝工藝、精細過濾等流程的移動式CleanWaveTM處理系統［8，24］。中心建廠處理時，需要將壓裂返排液運至處理廠，去除懸浮固體及進行化學軟化，處理后水硬度小于20mg／L，濁度小于10NTU，達到回用的實際需求。壓裂返排液處理回用工藝技術較成熟，關鍵在于合理選擇經濟、有效、占地面積小、可移動式、處理速度快的工藝流程和技術。

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，處理的難度和成本隨著總溶解固體含量的增加而增加。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化應用，適用于TDS小于40000mg／L的返排液［25］；機械蒸汽再壓縮蒸發脫鹽工藝不僅具有較好處理效果和穩定性，而且能回收氯化鈉以節省工藝成本。目前，北美開始探索將低能耗高效率的正滲透膜技術應用于頁巖氣后期返排液脫鹽處理的可行性［26］，近十年來迅速發展膜蒸餾技術，用于處理TDS含量超過120000mg／L的高鹽水脫鹽處理，被國內外學者認為具有顯著優勢［27］，但目前尚未見到使用該技術的壓裂返排液處理應用報道。

3 頁巖氣壓裂返排液處理的思考

我國已批準成立“四川長寧—威遠國家級頁巖氣示范區”和“滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區”，2015年頁巖氣產量有望達到65×108m3，因位于植被茂盛、人口稠密的區域，含有大量殘余化學物質（如：鹽、重金屬、放射性元素和有機化學物質）的壓裂返排液，若處理不當或隨雨水泄漏，可能導致地表水、地下水源污染，可能影響人、畜飲水安全，造成莊稼減產甚至絕收等環境災害。

在借鑒國外先進技術的基礎上，創新適合中國國情的先進技術，比如打水平分枝井、使用計算機監測和模擬，調查和管理開發區域的水資源。在借鑒國外相關經驗的基礎上，建議頁巖氣壓裂返排液處理方面重點開展以下研究。

中國的頁巖氣資源開發受到特殊的地質和作業條件限制，因此，需要探索適宜的新型壓裂技術，解決水資源匱乏、大型壓裂設備運輸拓寬路面對植被的破壞和泥土揚塵對空氣的污染、壓裂返排液處理技術繁瑣等問題；液化石油氣壓裂技術在北美頁巖氣開發中已有大量嘗試，在中國尚無應用先例，其顯著的節水環保性，在減少壓裂返排液排放量方面表現出的優異特性，具有極大的吸引力，技術引進與自主研發均具有重要的戰略意義；二氧化碳泡沫壓裂在我國致密砂巖氣的試驗性應用效果良好，頁巖氣儲層中的應用有待研究；

完善頁巖氣壓裂返排液深井灌注技術標準體系，保障處置返排液的環保及安全性；

開展頁巖氣壓裂返排液處理回用技術研究，減少水資源消耗量和廢水產生量，重點是研發耐鹽、耐高礦化度壓裂液體系的藥劑配方以及簡單高效的水處理技術；開展壓裂返排液重新利用、配制頁巖氣壓裂液或無水壓裂可行性研究，水資源消耗最小化，保護區域生態環境；

探索壓裂返排液處理外排技術應用的可能性，形成返排液全過程管理技術方案；

頁巖氣壓裂液及其技術的優選是一個系統性工程，不同的壓裂技術適應性不同，高效開發頁巖氣常需要多種壓裂技術和各種壓裂返排液處理工藝綜合應用。

4 結束語

從目前國外應用和研究現狀來看，頁巖氣開采過程中應充分重視環境問題。地理環境的限制和環境立法的不足等已影響了頁巖氣的合理開發。為保證我國頁巖氣可持續開發、保護生態環境，需要完善頁巖氣壓裂返排液處理標準體系，開展頁巖氣壓裂返排液處理回收重復利用技術攻關，減少水資源消耗量和廢水產生量，探索壓裂返排液處理外排技術應用的可能性，形成返排液全過程管理技術方案，為頁巖氣規?；_發提供環保技術支持。

［1］ 付亞榮.中國頁巖氣發展現狀及前景展望[J].石油地質與工程,2013,27(6):19-22.

［2］ 李慶輝,陳勉,金衍.新型壓裂技術在頁巖氣開發中的應用[J].特種油氣藏,2012,19(6):1-7.

［3］ 盧景美,高文磊,劉學考.頁巖氣開發的環境影響和環保策略[J].天然氣與石油,2014,32(3):76-79.

［4］ 薛承瑾.頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議[J].石油鉆探技術,2011,39(3):24-29.

［5］ 薛承瑾.國內頁巖氣有效開采值得關注的幾個問題[J].石油鉆探技術,2012,40(4):1-6.

［6］ 柯研,王亞運,周曉珉,等.頁巖氣開發過程中的環境影響及建議[J].天然氣與石油,2012,30(3):87-89.

［7］ 趙鈞.我國應高度關注頁巖氣開采的環境影響[J].經濟導刊,2012,106(6):50-52.

［8］ 劉文士,廖仕孟,向啟貴.美國頁巖氣壓裂返排液處理技術現狀與啟示[J].天然氣工業,2013,33(12):158-162.

［9］ 王曦.論我國《環境保護法》的改革與發展[J].河南工程學院學報(社會科學版),2014,29(3):24-27.

［10］King G E.Apache Corporation,Thirty Years of Gas Shale Fracturing:What Have We Learned?[C]. SPE133456,2010:24-25.

［11］Paktinat J.High Brine Tolerant Polymer Improves the Performance of Slickwater Frac in Shale Reservoirs[C]. SPE144210,2011:1-18.

［12］楊春鵬,陳惠,雷亨,等.頁巖氣壓裂液及其壓裂技術的研究進展[J].工業技術創新,2014,1(4):492-497.

［13］Coulter G R,Benton E G,Thomson C L.Water Fracs and Sand Quantity:a Barnett Shale Example[C]//Annual Technical Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,SPE90891,2004:1-10.

［14］Mayerhofer M J,Richardson M F,Walker R N,et al. Proppants?We Don't Need No Proppants[C]//Annual Technical Conference.SPE38611,1997:457-464.

［15］王毅霖,李婷,張曉飛.頁巖氣開采過程中壓裂廢液處理技術的發展及應用[J].油氣田環境保護,2012,22(6):53-56.

［16］Juan AC.Success of Hybrid Fracs in the Basin[C]. SPE106758,2007:1-8.

［17］賈利春,陳勉,金衍.國外頁巖氣井水力壓裂裂縫監測技術進展[J].天然氣與石油,2012(1):44-47.

［18］蔣恕.頁巖氣開發地質理論創新與鉆完井技術進步[J].石油鉆探技術,2011,39(3):17-23.

［19］周福建,熊春明,宗貽平,等.纖維復合無篩管防細粉砂技術在澀北氣田的應用[J].石油勘探與開發,2006(1): 111-114.

［20］陳馥,林文君,李麗書,等.纖維壓裂液及其在吉林油田的應用[J].油田化學,2010(2):128-131.

［21］張華珍.斯倫貝謝革命性的裂縫導流技術有效提高油氣產量[J].國外油氣技術研發動態,2010,75(7):3-4.

［22］周繼東,朱偉民,盧擁軍,等.二氧化碳泡沫壓裂液研究與應用[J].油田化學,2004(4):316-319.

［23］謝平,侯光東,韓靜靜.CO2壓裂技術在蘇里格氣田的應用[J].斷塊油氣田,2009,16(5):104-106.

［24］李佳,王馳,田慧穎.頁巖氣開發中應關注的環境問[J].油氣田環境保護,2012,22(6):42-43.

［25］Gregory K B,Vidic R D,Dzombak D.Water Management Challenges Associated with the Production of Shale Gas by Hydraulic Fracturing[J].Element,2011(7):181-186.

［26］Shaffer D L,Chavez L H A,Ben-Sasson M,et al.Desalination and Reuse of High-salinity Shale Gas Produced Water:Driver,Technologies,and Future Directions[J]. Environmental Science and Technology,2013,47(13): 9569-9583.

［27］Karapataki C.Techno-economic Analysis of Water Management Options for Unconventional Natural Gas Developments in the Marcellus Shale[D].Cambridge:Massachustts Institute of Technology,2010.

（編輯 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.020

：1005-3158（2015）03-0060-04

2015-01-09）

付茜，中國地質大學（北京）地球科學與資源學院在讀碩士研究生，研究方向：非常規油氣的開發研究。通信地址：北京市海淀區學院路29號中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，100083