南川頁巖氣田綠色開發技術優化與實踐

夏海幫 包凱 李成龍

1.中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司；2.中石化重慶頁巖氣有限公司

0 引言

中國陸上(不含青藏地區)頁巖氣地質資源量為134.4×1012m3，技術可采資源量為25.08×1012m3［1］。作為清潔能源，頁巖氣開發利用對于優化我國能源結構、改善大氣環境質量具有重要支撐作用。《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》提出2020年天然氣占我國一次能源消費比重將達到10%以上的目標。然而，高密度鉆井、水平井和水力壓裂等關鍵開發技術的應用也帶來了地表生態破壞、地下水污染、化學品環境風險、油基巖屑處置和返排水處理等問題，備受國際關注，也給我國起步階段的頁巖氣開發及其生態環境保護帶來巨大挑戰［2-6］。近幾年，我國頁巖氣勘探開發進展迅速，部署了涪陵、長寧、威遠、昭通、富順-永川等5個全國頁巖氣重點建產區。在面向頁巖氣開發的生態環境保護標準規范尚不完善、經濟適用的巖屑處理處置和返排水處理等污染治理技術仍待優化的條件下，5大重點產建區在頁巖氣開發的同時，在實踐層面上對生態環境保護的標準規范和污染治理技術進行了積極探索和實踐［7］。其中，涪陵頁巖氣田是我國首個大型頁巖氣田，目前已建成百億方產能，并在頁巖氣綠色開發探索進程中取得了階段性成效［8］；長寧和威遠勘探開發區進行了以“減量化、無害化、資源化”為重點的清潔生產技術探索和應用，取得了較好的環境效益［9］；云南昭通示范區進行了高效開發模式的有益探索［10］；富順-永川勘探開發區開展了水土保持工作相關研究［11］。

這些實踐的系統總結和評估，對于完善我國頁巖氣開發生態環境保護標準規劃、優化污染防治技術具有重要借鑒意義。但油基巖屑無害化資源化處置、采出水達標處理、高噪音、溫室氣體排放和土地占用等頁巖氣綠色開發關鍵技術仍未徹底解決。位于重慶的南川頁巖氣田，是我國目前唯一實現商業開發的常壓頁巖氣田，具有地上(生態環境條件復雜)、地下(壓力系數低、保存條件差)雙復雜的特點，開發難度大。筆者在已有技術的基礎上，通過分析南川頁巖氣田開發過程中的主要環境保護和生態保護問題，系統梳理了源頭減量、過程防控、循環利用、末端治理等生態保護與污染防治實踐，評估了生態環境保護效益，以期為我國其他區塊的頁巖氣開發生態保護與環境污染防治提供借鑒，促進我國頁巖氣開發生態環境保護制度及技術體系的形成。

1 南川頁巖氣田綠色開發問題分析

川東南地區南川頁巖氣田主要指位于四川盆地東南緣的彭水-南川-綦江-仁懷等地區，地理上包括重慶、貴州、四川等省市。主體位于武陵褶皺帶，地形以丘陵山區為主，植被豐富，屬于喀斯特地貌，地面建設條件差；區域內水文地質條件復雜，淺層溶巖發育；開發區域人口密集，生態環境約束明顯。南川頁巖氣田開發過程中主要面臨以油基巖屑無害化資源化處置、采出水達標處理、高噪音、溫室氣體排放為主的環境保護問題和以土地占用為主的生態保護問題。

1.1 環境保護問題

一是以油基巖屑為代表的鉆井巖屑含油率達80%，主要成分為柴油、有機物和重金屬等有害物質，屬于危險廢物，原熱解析處置方式不徹底，成本高，且油基巖屑殘渣仍是危險廢物，固化填埋方式潛在環境風險大，管理要求高；二是南川頁巖氣田單井壓裂用水量約(3.2~5.0)×104m3，在測試和采氣期間，10%~80%的壓裂液會隨著頁巖氣返回地表成為頁巖氣采出水，高含鹽，成分復雜，難降解，產能建設期間可用于壓裂回用實現“以污代清”以減少清水的使用，但無法及時壓裂回用的采出水達標處理難度大且成本高［12-13］；三是以柴油機為動力源的設備不僅產生大量的廢氣，同時產生的高、中頻噪聲最高達112 dB，嚴重影響鉆井壓裂施工的連續性；四是溫室氣體排放仍無法有效控制，主要包括放噴測試氣、環空帶壓廢氣、各類動力源及鍋爐等使用燃料產生的溫室氣體。

1.2 生態保護問題

對南川頁巖氣田29口生產井進行的產量遞減分析結果顯示，投產前2年平均年遞減率介于23.3%~44.6%。由此可知，要想維持氣田總體產量，必須通過尋找新平臺補充新井。南川頁巖氣田地處山區，平臺建設和通路過程中主要占用耕地和林地，這使得該區域原本就有限的土地資源供需矛盾進一步凸顯。而且，由于頁巖氣平臺建設區屬喀斯特地貌，地表土層淺且碎石多，平臺建設完工后復墾難度大。

2 綠色開發技術實踐與效益

針對南川頁巖氣田的不利生態環境條件，該區域在開發過程中形成了“源頭減量設計、過程防控優化、綜合利用為主、末端處理為輔”的頁巖氣開發生態保護與環境污染防治技術體系，并在平橋南區6.5億m3產能建設過程中進行了現場應用，取得了良好的生態環境效益。

2.1 源頭減量

2.1.1 集約化用地

在原頁巖氣水平井工廠化作業技術的基礎上，優化井間距，布置加密井和調整井減少平臺數量，增加同平臺井數，相鄰平臺合并建站，減少單井用地面積；大規模推廣應用全電動壓裂工藝，根據氣井配產和氣體流動臨界狀態原理，優化形成井下油嘴節流+地面電控閥節流+濕式氣液兩相計量相結合的雙節流采氣技術，簡化地面設備；進一步優化平臺各設施布置，將原放噴池減少為1個，原清水池采用軟體罐臨時儲存設施替代，取消原污水池和巖屑填埋池。集約化用地優化后的單井平均用地5 247 m2，優化前單井平均用地8 453 m2，單井減少用地37.93%。該優化措施已在24個平臺102口井應用，累計實現減少土地占用0.327 km2。另外，為了解決頁巖氣平臺建設后復墾困難問題，除井架基礎、循環罐區域必須硬化外，用管排鋪設面積占井場總面積的87%，減少混凝土硬化面積，降低了后期井場生態恢復難度，加快生態環境恢復進程。

2.1.2 網電鉆井壓裂

氣田建設過程中，同步規劃建設區塊鉆-采一體化內部電網，2020年底氣田已累計建設35 kV專用電網55 km，10 kV專用電網28 km，有力支撐了網電鉆井和全電動壓裂。在原半電動鉆機的基礎上，推廣應用全電動鉆機，泥漿泵、絞車等設備直接靠電驅動，已應用8井次，節能折合標準煤約0.318 4萬t，減排二氧化碳約416 t。在柴油壓裂車組和柴油車電動泵組合壓裂的基礎上，首次在南川頁巖氣田研發應用全電動壓裂工藝并應用8井次，節能折合標準煤約0.228萬t，減排二氧化碳約1 224 t。

全電動壓裂施工過程中，在井場四周場界外1 m、高度1.2 m的位置布置4個噪音監測點，平均環境噪音為68 dB，滿足《建筑施工場界環境噪聲排放標準》(GB 12523—2011)晝間最大允許排放值70 dB要求，相比柴油車組壓裂場界平均環境噪音112 dB，降噪效果明顯。

2.2 過程污染防控

2.2.1 全井筒氣密封檢測預防廢氣排放和地下水污染

自主研發氣密封檢測設備和方法，所有技術套管和A靶點以上的生產套管下井時，檢測工具串下入套管內部在絲扣上下進行卡封，然后往其中注入高壓氮氦混合氣體，用高靈敏度探測儀在絲扣外檢測，有氦氣泄漏則立即報警，對檢測不合格的套管及時剔除并更換。同時優化固井工藝，一開采用“嘉華G級水泥+6%彈性材料+5%高溫抗鹽降失水劑+3%~8%納米乳液+緩凝劑+水”為核心的防氣竄水泥漿體系，生產套管采用預應力固井技術，措施前后環空帶壓率變化：一級套管頭帶壓率由50%下降至6.25%；二級套管頭帶壓率由45%下降至12.5%，減少廢氣產生，降低井漏污染地下水的潛在風險。

2.2.2 進流程測試技術降噪與減排廢氣

原頁巖氣井測試需直接在放噴池點火燃燒并產生巨大的放噴噪聲。研究發現當天然氣流速在達到臨界速度時，下游壓力的變化不會引起產量的變化，即氣井測試過程中，下游壓力小于等于上游壓力的0.546倍時達到臨界狀態，測試產量不會受影響。根據測試氣液量選取處理量適宜的分離器或調整測試流程為雙分離器二級脫水，將流程調整為放噴+進管網，可靈活進行切換，采用氣動薄膜閥或者氣動調節閥自動調節燃燒氣量，形成“邊測試、邊生產”的進流程測試技術，最終解決測試過程中大量天然氣放空燃燒和高噪聲的問題。該技術已累計應用21井次，回收頁巖氣約1 050萬m3，節能折合標準煤約1.39萬t，減排二氧化碳約2.29萬t。

2.2.3 雙節流+濕氣計量采氣技術減排廢氣

南川頁巖氣田平橋南區塊原始采氣集輸流程中地面需多級節流加熱。為此，根據氣井配產和氣體流動臨界狀態原理，提出了井下油嘴節流+地面電控閥節流+濕式氣液兩相計量相結合的雙節流采氣技術，井下高壓頁巖氣經井下油嘴一次節流后，降溫、降壓后的頁巖氣在井筒上移過程中吸收地熱，其溫度與井深環境溫度相當，抑制了井筒和集輸管道水合物的生成；通過在采氣樹出口安裝電控節流閥，在自動調節產量的基礎上實現地面的二級節流，經氣液兩相流量計計量后，頁巖氣經集氣管網外輸，不僅解決了易在井筒油管和集輸管道生成天然氣水合物的問題，同時取消地面安裝水套加熱爐裝置，為氣田高壓頁巖氣采氣技術提供新途徑。2020年底該技術在16口頁巖氣井中進行應用，年節約燃料氣175.2萬m3，節能折合標準煤約0.233萬t，減排二氧化碳約3 830 t。

2.3 廢物資源化利用

2.3.1 采出水壓裂回用

為解決水資源緊缺和污染問題，在不破壞地下和地表水資源的前提下，實現了頁巖氣采出水的高效循環利用。頁巖氣采出水經過混凝、沉淀和殺菌等預處理后，按一定比例混合新鮮水配置壓裂液，檢測滿足壓裂液各項指標后，在壓裂施工中綜合利用，2020年底氣田已累計綜合利用55.5萬m3采出水。

2.3.2 油基巖屑水泥窯資源化利用

油基巖屑處理常用的熱解析法需要將固相與液相分離，處置后產生附屬的熱解殘渣仍是危險廢物，處置不徹底。開創了規模化水泥窯協同處置油基巖屑工藝［14］，將油基巖屑輸送進入攪拌池，與半固態廢物(如污泥、廢油、乳化液等)經過篩分去除大顆粒物質后進行混合調質預處理，調節廢物pH 值(7~9)、含水率(75%~90%)、化學成分(保證過程中不發生劇烈化學反應)等指標。預處理工藝流程如圖1所示。

預處理后的半固態均質產品，達到水泥窯入窯對重金屬元素、堿金屬元素、非金屬元素、pH值和固體顆粒粒徑等限制標準，從窯尾煙室處投入回轉窯與水泥生料一同進行煅燒。對出窯熟料成分進行抽樣檢測，對比《硅酸鹽水泥熟料》(GB/T 21372—2008)標準，各項檢測結果均滿足要求，實現油基巖屑一次性無害化處置。本頁巖氣田已水泥窯資源化利用油基巖屑1.469萬t，綜合利用率100%。

2.4 采出水處理達標排放

由于采出水在頁巖氣井測試階段的返排液量大、采氣階段持續返出，采出水無法完全通過壓裂回用進行處置，針對不能及時壓裂回用的采出水，在對水質特性和處理要求進行測試分析的基礎上，通過實驗室實驗進行了處理單元的初步選擇，形成“均質緩沖池+厭氧-缺氧-好氧+膜生物反應器+芬頓氧化+中和沉淀”的物化-生化聯合處理工藝［15］，建成我國第1個面向達標排放的頁巖氣采出水物化-生化處理站。處理能力800 m3/d，出水滿足《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準，具有較好的抗沖擊性和出水穩定性。2020年底已累計達標處理52.8萬m3，達標處理率100%，有效防控了頁巖氣田水污染。

3 結論

(1)研發形成了以“源頭減量、過程防控、綜合利用、末端處理”為核心的常壓頁巖氣田綠色開發關鍵技術，實現了南川頁巖氣田資源開發和生態環境保護的雙重目標。

(2)該套技術體系在南川頁巖氣田平橋南區6.5億m3產能建設中進行了應用，累計實現減征土地0.327 km2、減排二氧化碳2.84萬t、節能標準煤2.17萬t、采出水達標處理率100%、油基巖屑綜合利用率100%，生態環境效益顯著。