頁巖氣采出水處理及回用現狀分析＊

王毅霖 羅 臻 張曉飛 譚樹成

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司;2.中國石油川慶鉆探蜀渝公司)

0 引 言

頁巖氣作為近10年重要的非常規天然氣資源，受到國內資源行業重點關注。在頁巖氣的開采過程中，使用水力壓裂技術將壓裂液高壓注入到井中，用以破裂地下巖層，釋放其中的頁巖氣，被注入到地層的水，會在頁巖氣產氣的不同階段返排，即壓裂返排液和產出水，統稱為采出水。目前，滑溜水體系的體積壓裂技術和長井段水平井技術是頁巖氣開采現場應用最為廣泛的技術。在壓裂返排液返排階段具有出水量大、含鹽量較低、懸浮物量大的特點，但是持續周期較短，一般為1～2周，返排水量為10%～30%返排液量，之后進入產出水返排階段，出水量逐漸降低，單井日產水量1.6～16 m3[1]，含鹽量逐漸增高至與地層水基本一致，二價金屬離子的含量不斷升高，懸浮物大幅度降低，產出水的排放將伴隨著頁巖氣后續開采的全程。由此可見，采出水的水質波動較大。

因水力壓裂作業中使用的壓裂液含有大量高分子聚合物[2]，在采出水中，除壓裂液組分外還夾帶泥沙等污染物，并且以氯化鈉為主的鹽度逐步升高，部分區域地層中可能含有重金屬及放射性元素隨著產出水的返排夾帶回地面，將對土壤、地表水造成環境污染的風險。

因此，針對頁巖氣采出水的處理及回用，對頁巖氣的開采成本有直接影響，如何將環境負影響降到最低也需重點關注。本文將根據頁巖氣采出水的處理及回用現狀介紹目前多種采出水處理的儲備技術。

1 頁巖氣采出水處理方式

國內外對采出水的處理方式主要有3類，即回注、簡單處理后回用及處理至達標。頁巖氣采出水的處理方式主要與當地法規政策、開采環境條件、采出水水質特點及處理成本有關。其中有直接影響的是當地法規政策，國內部分頁巖氣開采區域屬于環境敏感區域，受地方環保部門的管理要求，不允許回注，必須回用或者處理達標。采出水受地域及開采工藝的影響，各地水質差異性大，且波動較大。現階段，根據環境資源管理(Environmental Resources Managenment，EMR)數據顯示，中國開采過程中的返排液75%以回注方式進行處置[3]，其次為處理回用復配壓裂返排液。

2 頁巖氣采出水回注處理

2.1 頁巖氣采出水回注執行標準

目前，尚未有針對頁巖氣采出水、壓裂返排液或產出水的國家標準出臺，各頁巖氣開采單位按照屬地環保部門要求，執行不同的回注標準。

部分頁巖氣開采單位參照SY/T 6596—2004《氣田水回注方法》要求進行回注，主要關注以下4項指標，見表1。

表1 回注水質控制指標(SY/T 6596—2004)

2.2 頁巖氣采出水回注處理工藝技術

現場調研發現，因企業執行的回注標準不同，頁巖氣采出水處理的工藝技術路線不同。上游企業選擇性地使用隔油、殺菌、重力沉降或化學絮凝、過濾等集成工藝，以降低水中的油含量、懸浮物含量等。因回注水水質要求較低，處理工藝較簡單，現場調研回注壓力約為8～9 MPa，設計注水量一般為40 m3/h，間歇運行，每次回注開啟約半小時。

隨著國家對于環保的日益重視，環保部門考慮將約束單井回注總量，并且針對回注地層是否對地下水有污染風險開展研究，雖尚無定論，但回注工藝逐漸受到政策約束，地方環保部門批準的回注井數量逐年減少，采出水回用將成為頁巖氣采出水處理的發展方向。

3 頁巖氣采出水回用處理

3.1 頁巖氣采出水回用執行指標

目前，四川地區頁巖氣開采單位多參考國家能源局制定的NB/T 14002.3—2015《頁巖氣儲層改造第3 部分：壓裂返排液回收和處理方法》的要求進行體積壓裂返排液回用處理。回用水質控制指標見表2。

表2 回用水質控制指標(NB/T 14002.3—2015)

在陜西省地方標準DB 61/T 575—2013《壓裂用滑溜水體系技術規范》中規定了滑溜水壓裂液幾項重要性能，對于采出水回用復配壓裂液有明確要求，并對其他地區頁巖氣開采單位建立標準具有指導意義。回用水質控制指標見表3。

表3 回用水質控制指標(DB61/T 575—2013)

3.2 頁巖氣采出水回用處理工藝技術

頁巖氣開采具有移動作業的特點，不適合原地建污水大規模處理裝置。當前，我國少數石油公司針對所開發頁巖氣區塊返排液的水質特性，通過室內實驗和現場應用，研發出了可移動、模塊化、撬裝化返排液處理設備。返排液水量開采全流程有變化，需要設置緩沖沉降池，這些撬裝化的設備從池子里抽水處理，可以實現相對小批量連續、間歇作業，處理量穩定。

陜西延長石油公司研究院楊志剛等[4]使用“隔油除砂→氧化→絮凝沉降→膜過濾”處理鄂爾多斯頁巖盆地返排液，研發形成模塊化撬裝返排液處理回用設備，并在現場處理20 000 m3返排液，處理后出水既可用于回注，也可用于配制滑溜水壓裂液。

中國石油川慶鉆探公司劉飛等[5]設計了一套返排液處理回用或外排系統，系統處理能力90 m3/h，解決了鉆磨橋塞和返排期間返排液中含有大量壓裂砂等固體顆粒而分離處理難度大的問題。該系統包括：井口采油樹→捕塞器→旋流除砂器(或旁通)→動力油嘴→緩沖罐→返排罐→多袋式雙聯過濾器→壓裂液回收裝置→污水處理模塊。返排液經過精細化過濾后的出水可達到重復配制壓裂液的要求；污水處理模塊策劃中，計劃在多效蒸發、多級閃蒸、機械壓縮蒸發或超級反滲透等技術中進行選擇，對精細過濾模塊出水進行深度處理去除鹽分和COD，其出水達到外排的水質要求。

化學氧化、高級氧化、化學絮凝、電化學等技術都是較適合現場應用的返排液回用處理技術，為更好的使復配壓裂液的黏度、張力、配伍性指標達到要求，必要時與清水、周邊自然水體以一定比例摻入復配壓裂液使用。

4 頁巖氣采出水外排處理

4.1 頁巖氣采出水執行指標

大多區域執行GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，其他地區執行更為嚴格的地方標準，在地方標準中增加TDS、氯化物的排放指標。具體參數如表4所示。

表4 地方標準中TDS、氯化物指標對比

4.2 頁巖氣采出水外排處理工藝技術

目前，頁巖氣開采現場的壓裂返排液基本無外排，以復配壓裂液為主要處理途徑，少量處理至回注，剩余無法復配或者回注的污水由開發單位拉運至屬地符合環保部門要求的污水處理廠統一處理。

由表4分析可見，國家日益重視總氮總磷對于環境水體富營養化問題的影響，以及高含鹽水體排放帶來的流域周邊土壤鹽漬化、水體生態環境紊亂的問題。

在環境敏感區域，如四川省為保護地下淺層水水質，限制回注水新井數量以及單井回注水量，為降低成本，避免大水量拉運，屬地開采單位將污水處理至達標作為首選方案。

TDS、氯化物的去除是本文著重關注的升級指標，該污染物去除的技術儲備是各單位較為缺乏的。針對污水脫鹽處理技術研究，形成了以蒸發脫鹽、膜脫鹽和電法脫鹽等技術為代表的脫鹽減量化技術體系，部分技術已經在海水淡化、物料濃縮、污水深度處理等領域得到了成功應用。蒸發脫鹽技術主要有(低溫)多效蒸發技術、多級閃蒸技術、機械壓縮蒸發技術、膜蒸餾技術等。其優點是進水適應性較強、處理效果好。缺點是動力消耗高，特別是膜蒸餾技術熱利用效率低且膜浸潤和濃差極化問題尚未解決，無法工業化。膜脫鹽技術主要有反滲透技術、納濾技術、正滲透技術等。優點是截留效率好，操作壓力低，運行成本較低。缺點是預處理費用較高，膜容易被污染，其中正滲透工藝的汲取液開發還不成熟。電法脫鹽技術主要有電滲析技術、電吸附(電容析)技術、膜電容技術等。優點是適用鹽度非常廣、出水水質好、運行成本較低。缺點是抗結垢能力稍差，其中電吸附技術僅適用于低濃度污水脫鹽，膜電容為近兩年新興技術，成熟度低。還有一些其他脫鹽技術，如冷結晶法、溶劑萃取法等，前者適用于處理溶解度對溫度敏感鹽類，但能耗較高，后者分離效果較好，無需外加能量，但是溶劑的添加和回收暫無很好的解決方法。

多效蒸發技術已經在中國石化氣田水資源化綜合利用領域實現工業化應用[6]，中國石化西南油氣分公司于2012年4月在川西氣田德陽地區正式運行處理規模為360 t/d的高氯廢水低溫多效蒸發處理工程。隨著一期工程的有效開展，新建處理規模為700t/d的二期工程，工藝優化以后，實現了硫酸鹽的單獨回收，產水部分用作鍋爐冷卻水，一部分集中收集外排，氯化物排放指標達到DB 51/190—93《四川省水污染物排放標準》一級標準，固體產物為氯化鈉鹽、硫酸鈉鹽制產品，少量雜鹽定期做拉運處置。

將頁巖氣采出水處理至達標，不是單一技術可以實現的，它必將集成多種工藝共同作用。常規處理技術有生化技術、吸附技術、絮凝技術及化學氧化等，目前，該工藝尚未見頁巖氣采出水現場搭建工程規模的案例。隨著地方標準的提標，以新增污水的TDS、氯化物作為指標，結合污水水質特點，可以在多效蒸發、機械壓縮蒸發、超級反滲透、冷凍結晶、電滲析、膜蒸餾等脫鹽工藝中進行選擇。

5 結 論

分析頁巖氣采出水主要有3種處理方式，即回注、簡單處理后回用及處理至達標。現在以采出水復配壓裂液為主要處理形式。3種處理方式當中，處理至回用或達標對環境最為友好，因為執行的標準要求較嚴，技術成本也相對較高。

地方單位按照當地環保部門要求，執行的回注標準不同。回注處理技術的選擇取決于各屬地環保政策、地層特性等，因標準要求簡單，處理技術相應簡單。但是，從政策上講，日益緊縮的環保政策，可能逐漸會對回注提出更高的要求，或者逐漸取締回注這一處理方式。目前僅有少量研究針對頁巖氣返排液回注對地下水的影響開展研究，高振興[7]通過實驗證明應該降低回注水中的CO2組分，因為它會加速地層方解石的溶解速率。回注標準的更新及判定其對地層造成的影響需要開展更多因素更深入的研究佐證。此外，回注井的安全是建立在做好通道隔層的加固的基礎之上，應加強監測工作。

頁巖氣采出水的回用目前均未復配壓裂液，其處理技術的選擇取決于所復配壓裂液時各企業執行的標準，因污水產生的行業限制，多為企業標準。開發現場多使用化學氧化、殺菌、化學絮凝等技術，頁巖氣開采時，周邊環境有自然水體時，以一定比例摻復配壓裂液使用，可以更好的使復配壓裂液的黏度、張力、配伍性指標達到要求。采出水的回用是“十三五”節水減排的環保需求。

目前，因頁巖氣開采具有周期短的特性，在技術儲備方面，要結合地方標準，并考慮撬裝化處理設施，便于移動作業。少數具有前瞻性的開采單位，已經積極籌備基于達標處理的頁巖氣污水處理平臺。本文強調地方外排標準中新增TDS、氯化物等指標，需頁巖氣開采單位重點關注并積極開展小試、中試研究，做好技術調研及儲備。

特別強調做好脫鹽技術的儲備方案，建議選擇適度脫鹽、逐級濃縮、多種技術耦合的脫鹽工藝流程以降低運行成本，提高脫鹽效率及產水水質。

我國頁巖氣儲量豐富，具有較大的開發潛力，現場處理技術的選擇不僅要考慮多撬裝化處理設施，還應在技術集成、裝置一體化、處理成本控制等方面深入研究。也為壓裂液復配后，殘余無法回用的廢水的達標處理做技術儲備。