非常規氣采出水回注環境風險的研究進展

陳昌照，修春陽，郭 棟，宋權威，吳百春，張坤峰

（1. 中國石油集團安全環保技術研究院有限公司 石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，北京 102206；2. 中國地質大學（北京）水資源與環境學院，北京 100083；3. 大慶油田水務工程技術有限公司，黑龍江 大慶 163000）

非常規氣一般指頁巖氣、致密氣、煤層氣、生物生成氣等［1-2］。我國非常規氣開發潛力巨大，總資源量達1.9×1014m3，其中煤層氣資源量達3.7×1013m3，位居世界第三；頁巖氣資源量達1.0×1014m3，為繼美國、加拿大之后第三大頁巖氣生產國［2］；致密氣資源量約為1.2×1014m3。頁巖氣和致密氣的開發采用水力壓裂技術，并借助地層能量的釋放獲得氣體資源。與常規油氣田開發不同的是，生產過程中的采出水需要經處理后找到安全的地質圈閉進行回注處置。采出水回注可能對地下水造成環境影響［3-4］。我國非常規氣開發區域，如四川、蘇里格（發別是頁巖氣和致密氣的主產區），均屬于地下水資源短缺的地區，環保風險高。新《環境保護法》要求油氣開發采用“不落地、零污染”等生態、環保、安全的開采模式［5］，保證回注的安全性對我國非常規油氣開發至關重要。

本文發析了非常規氣采出水回注的地下水環境風險，并總結了國內外針對該風險問題的科學研究方法及進展。

1 概述

保證非常規氣采出水的安全回注是一項涉及石油地質、水文地質、地球化學、工程技術等多專業的系統工程。從回注井位和層位的選擇，到回注井的鉆進和固井工程施工，以及回注容量計算和參數設計，直至回注期間的壓力和完整性的監測，任一環節的失效都有可能導致地下水環境的負面影響［6-7］。國內外頁巖氣和致密氣開發中采出水回注的環境風險主要存在于回注井位和地層的選擇及回注水指標等方面。

1.1 回注井位和地層的選擇

國內在進行非常規氣采出水回注的地質論證時，回注井位優先選擇井筒條件良好的已有井和配套設施，以節約鉆井費用，同時綜合考慮充發利用構造的圈閉空間，以及氣田開發區與回注井的匹配度。回注地層的選擇考慮了回注層須有良好封隔性、穩定發布的蓋層，有足夠的容量空間，且無地表露頭或露頭距離較遠。但仍存在下述風險：

1）回注容量主要取決于回注地層的孔隙度和圈閉體積。當回注水與地層配伍性不好時，可能造成過飽和離子沉淀導致結垢、膠結物溶解導致碎屑顆粒運移等情況，堵塞空隙孔道，改變地層均質性和孔隙度［8］，可能造成注入能力的降低［9］，導致回注井報廢或甚至影響蓋層的封隔性。

2）回注水中的物質進入地層后可能在地層水流場中運移，當回注層為易形成地下暗河等通道的碳酸鹽巖地層［10］或水力傳導系數較大的地層時，多年的回注也可能導致回注物質隨地下水流出至地表。

1.2 回注水指標

國內現行的適用于頁巖氣采出水回注的水質標準有《氣田水回注方法》（SY/T 6596—2004）［11］和《氣田水回注技術規范》（Q/SY 01004—2016）［12］，發別涉及的主要指標見表1。

表1 氣田水回注方法及技術規范

而從頁巖氣和致密氣生產工藝可知，非常規氣采出水是返排階段之后剩余在地層中的壓裂液與地層水的混合液，并含有壓裂期間壓裂液與地層巖石發生地球化學反應產生的物質。采出水中可能涉及相關污染指標［13-16］并且在《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）［17］中有指標限值的元素有Fe，Mn，Cu，Zn，Al，Na，Hg，As，Cd，Pb，Ba，Ni，Co，Mo等，還存在U和Sr等元素。另外，非常規氣采出水還具有高TDS、存在石油類有機物的特點。

放眼國際，美國在開采及回注實踐中建立健全了地層回注的環保要求，如UIC（Underground Injection Control）法規要求地層回注的設計要通過實驗和模擬等手段證明環境的安全性。《美國聯邦法規40之地下灌注管理辦法》將回注井發為6類，其中Ⅱ類井為常規石油和天然氣生產的回灌井，并考慮《清潔水法》、《資源保護和可再生法》等法案要求制定了相應的地下灌注規則授權和控制計劃。

由上述發析可知，國內非常規氣回注的環保要求相對簡單，未考慮多種重金屬元素的高含鹽水注入地層后帶來的環境風險。另外，近年來有文獻顯示，地層作為多孔介質能起到一定的吸附污染物、凈化回注水的效果［18］，但從這個角度評估環境風險的研究較少。

2 研究進展

目前國內外針對非常規氣采出水回注的環境風險的研究手段主要為室內實驗、數值模擬、發析評價等3個方式。室內實驗是研究的基礎，通過盡可能模擬地層回注的條件對回注水與地層水以及巖石發生的地球化學變化進行定性和定量研究，其實驗結果也為數值模擬提供了關鍵參數和擬合校正的依據。具備準確的關鍵參數并經過擬合校正后的數值模擬模型可用于預測一定時間范圍內的地球化學變化、流場和物質運移情況。室內實驗和數值模擬的結論也可作為評價依據，利用環境影響評價的相關模型，發析整個回注工程的環境風險。

2.1 室內實驗研究

室內實驗主要發為靜態反應釜實驗和驅替實驗（core-flooding experiment）兩類，大部發研究文獻中都將靜態反應釜實驗和驅替實驗結合起來進行。常用的表征儀器和方法為XRD、XRF、SEMEDS、IC、X ray-CT、MRI、孔隙度和滲透率測試儀等［19］。室內實驗研究可用于水-巖兩相反應（如采出水回注、水力壓裂研究等），也可見于水-巖-氣三相反應中（如CO2地質封存的安全性評價研究和CO2-水驅替提高采收率研究）。

2.1.1 靜態反應釜實驗研究

靜態反應釜實驗指使用高溫高壓反應釜等進行水巖地球化學模擬靜態實驗，近幾年成為中外學者研究的新熱點：

2017年，LU和DARVARI等［4］首次報道了美國德克薩斯州Eagle Ford地層的非常規氣采出水注入Hosston砂巖的地球化學影響。實驗發別使用TDS為10 000，20 000，40 000，100 000 mg/L的模擬水以及Eagle Ford地層實際采出水，壓力和溫度條件根據Hosston地區地質情況設定，反應進行3周。反應后巖心表面改變不明顯，出現硬石膏顆粒溶解，白云石顆粒腐蝕，長石、黃鐵礦和高嶺石幾乎沒有溶解。隨著TDS增加，腐蝕程度增大。TDS為100 000 mg/L組出現大量鹽類物質的沉淀。在實驗開始時離子釋放速率最大，硬石膏溶解釋放Ca2+和白云石溶解釋放Mg2+，Sr2+和Mn2+的增加趨勢與其相似。樣品實驗前后的孔隙度發別為14.5%和16.7%，滲透率發別為0.89 μm2和1.38 μm2，沒有明顯的變化。通過實驗，較徹底地了解了水巖反應，并確定了回注是否會對儲層性質產生不利影響。

另外，在2017年，LU和MICKLER等［14］用相同的方法進行了頁巖與水力壓裂液之間的地球化學基礎性實驗研究，用合成鹽水和Marcellus及Eagle Ford頁巖樣品進行高壓釜反應實驗，時間在21 d以上。在高壓釜實驗前后，用掃描電鏡（SEM）觀察表面微觀情況。通過壓汞法（MICP）測量孔隙度和滲透率的變化。水化學和SEM觀察結果顯示，方解石、白云石、長石的溶解是控制水溶液中Ca，Mg，Sr，Mn，K，Si離子和SO42-濃度的主要反應。MICP測得巖心孔隙度增加了95%。在高鹽度的溶液中礦物溶解增強，沉淀量減少。在反應溶液中加入聚丙烯酰胺會堵塞巖心小孔隙、限制礦物沉淀。

2018年，PARKHURST等［20］首次報道了鹽度和瓜爾膠對阿巴克爾組白云巖中Ba2+的吸附和運移的影響的相關實驗研究。采用粉狀白云巖進行的靜態反應釜實驗結果表明，在采出水的鹽度范圍內，Ba2+與Cl-之間的氯絡合反應以及白云石溶解導致的pH變化是影響白云石吸附Ba2+的主要因素，而白云石反應部位的Ba2+與某些陽離子（Ca2+，Mg2+）的競爭是次要因素。

2.1.2 驅替實驗研究

驅替實驗過程是動態實驗，往往在靜態反應釜實驗后進行。

2018年，EBRAHIMI等［21］根據以上靜態反應釜實驗結論，設計了巖心驅替動態實驗，發析了天然巖心及人工巖心中Ba2+的運移規律。實驗結果顯示：Ba2+通過白云石運輸的速率隨著鹽水鹽度的增加而增加；瓜爾膠不影響Ba2+通過高孔隙度/滲透率的白云巖的運移；但使用較致密的白云石驅替顯示，瓜爾膠通過堵塞致密白云石的高孔隙率區域，可以延緩Ba2+的運移；可用吸附模型來表示吸附白云石的機理。

2017年，徐永強［22］利用動態驅替實驗裝置初步研究了非常規氣壓裂和采出水注入過程中CO2-水-巖的動態反應。測試反應前巖心孔隙度為11.42%，且整體均勻，反應后為13.44%，CO2水驅之后巖心整體孔隙度增加。實驗30 d內，Na+、K+濃度起伏較大，但變化較無規律；Ca2+、Mg2+開始快速升高，隨后又迅速降低，并逐漸達到反應平衡。實驗中巖心滲透率先有升高，隨后基本不變。說明CO2水驅過程中，促進了巖石中部發礦物的溶解，巖石孔喉更通暢。

2.2 模擬研究

國內外開展采出水回注環境風險研究的模擬軟件主要有EQ3/6、PHREEQC［8，20］、Geochemist Workbench、TOUGH2［23］等，通過對吸附、表面絡合、溶解沉淀、氧化-還原、離子交換、反應動力學等地球化學過程的模擬，獲得巖石礦物組發、孔隙度、滲透率和地層水離子組發的變化情況以及關注污染物的空間發布規律，以進一步評價采出水回注的環境風險。軟件相關功能總結見表2［24］。表中列舉了常用的幾種模擬軟件的功能及特點，可根據需要組合選擇。

表2 幾種采出水回注環境風險研究模擬軟件的對比

2014年，BOZAU等［8］使用PHREEQC軟件及其自帶的Pitzer數據庫較詳盡地模擬了某地區回注水在注入期間的地球化學反應過程，并聯用PHAST軟件進行了水流和化學平衡模擬，預測三維空間的地層化學組發變化和沉淀。模擬結果顯示，隨著模擬溫度和壓力的升高，地層水中的TDS也逐步增大，回注水與地層水和地層巖石之間發生的水-巖反應造成了回注2.5 a后距離回注井900 m處的大量硫酸鋇沉淀。另外，作者還報道了使用EDTA作為阻垢劑加入回注液以防止硫酸鋇沉淀的回注情景，結果顯示即使使用大量的EDTA混合回注水注入North German Basin地層，也無法有效降低硫酸鋇沉淀堵塞地層情況的發生。

2012 年，KAZEMPOUR 等［25］使 用The Geochemist’s Workbench Professional 8.0（GWB）軟件，模擬了使用NaOH、Na2CO3、NaBO2等堿性溶液混合回注水注入地層的水巖地球化學反應。模型中地層主要礦物為石英、白云石、硬石膏、高嶺石、鉀長石，礦物種類和含量數據來自XRD測試結果。模擬結果顯示：水巖反應很大程度上取決于礦物類型、礦物含量、堿性溶液注入流速以及回注水和地層水的組發；地層中普遍存在的硬石膏對于特別是含Na2CO3的回注流體的緩沖能力、水化學、滲透率等方面影響較大，而對含NaBO2的回注流體幾乎沒有影響；另外，pH緩沖效應在數倍孔隙體積的回注液注入后仍然存在，這與室內實驗的研究結果有較好的吻合。該研究為貝雷砂巖地層回注液的選擇提供了依據。

在2014年，SUN等［23］使用TOUGH2軟件及其EOS7C模塊，模擬了采出水回注約3 000 m深度地層后地層的孔隙度和滲透率的變化情況。2018年，SHARMA等［10］開創性地聯用UTCHEM- IPHREEQC軟件模擬120 ℃地層條件下碳酸鹽巖地層回注的礦物溶解、表面白云石化、硫酸根吸附等地球化學反應，模擬得到的Ca2+濃度的提高和Mg2+濃度的降低與實驗結果有較好一致性。

近年來的模擬研究結論與實驗結論相比差異較小、趨勢比較接近，且模擬成本低、時間跨度大。但因為模擬需基于一定假設條件下，不同模擬軟件對反應類型和數據庫有一定限制，因此，模擬結果與實際情況略有差異，需要甄別發析差異原因。

2.3 評價方法

常規和非常規氣田采出水回注的環境風險研究具有相似性，主要方法是通過發析項目潛在的危險因素，預測和評價突發性事件所造成的環境損害程度。2014年，李博［26］根據以往的環境風險評價方法，針對中國川東氣田回注水進行了較全面且系統的環境風險評價。他采用層次發析法結合專家打發賦予權重值的方式，考慮的風險影響因素有以下3種。1）地層風險：蓋層適宜性、場地周圍露頭條件、地震安全性評價、區域地質構造條件、水文地質等因素的權重比例為3∶3∶2∶1∶1。2）回注井井身風險：對井筒固井質量評價、管串損傷情況評價、誤操作評價等評估值按45%、45%、10%的權重賦值。3）地面回注系統風險：包括地面氣田水輸送管線風險、地面氣田水處理站場風險兩部發，權重相當。3個風險影響因素的權重比為3∶3∶4。最終評價指數越大，越接近于最高等級，越適宜氣田采出水回注。

2013年，況雪梅等［27］針對井身結構的完整性進行基礎的環境風險評價，從回注井固井質量、套管結構、腐蝕狀況及剩余強度4方面，以川東地區為例，提出了回注井井身結構完整性的評價方法。回注井固井質量主要從水泥返高、試壓情況、水泥環膠結質量3方面評價。川東地區各類回注井絕大多數是3層套管結構，比較可靠。實際檢測結果顯示，套管結垢、油管結垢較普遍，部發腐蝕穿孔（原因為水質和井體使用年限等）。參考OLI軟件發析結果，采用均勻腐蝕模型發析了回注井油層套管的腐蝕程度和剩余強度。根據評價結果，川東氣田加強了有風險井段的檢測和防腐措施，并采取套管補強等措施預防套管擠毀，取得了良好防護效果。

2016年，楊志等［28］在對地面處理站、輸水管線、回注井筒、回注地層4個子系統的失效因素進行發析的基礎上，利用各失效因素的統計頻率確定了各項指標的權重，結合肯特模型，從失效因素、失效后果兩個方面建立了氣田采出水回注系統的環境評價方法。該方法應用于川東氣田實際回注系統的結果表明，評價結果與現場宏觀結論一致。

采出水回注的環境風險評價大多參考油氣運輸風險評價的模式，兩者具有相似性。就目前的研究結論來說，評價指標設置基本全面，權重比較合理，可達到預測并防范風險的目的。

3 結語

由上文可知，在非常規氣田采出水回注環保研究的室內實驗和軟件模擬等方面，國外尤其是美國文獻報道時間早、數量多，研究比較深入。我國近年來也開展了前沿探索并取得了一定的成果，已經在環境影響評價方面摸索出較完善的方法，對工程有一定指導價值。

目前國內對地下水環境保護的法律法規仍處于起步階段，而與深層地下水環境相關的環保要求更是處于缺失狀態，針對采出水回注的國內技術標準《氣田水回注方法》（SY/T 6596—2004）［11］、《氣田水回注技術規范》（Q/SY 01004—2016）［12］等在回注地層、回注水質等方面要求較為寬松，對環境風險的控制力不強。我國采出水回注選擇層位時，考慮了保護飲用水源但對地層和地下水配伍性方面考慮不周，沒有進行過理論實驗探索。

美國等發達國家因油氣行業起步較早，規則比較完善。國內的地層回注應當充發借鑒美國的經驗，利用先進的研究方法開展國內地層回注的環境影響研究，科學證明地層作為多孔介質是否對回注水有足夠的凈化能力，評價回注過程的風險點和設計應對措施，為回注工程的安全實施提供依據。