重慶頁巖氣勘探開發采出水污染防控研究

馮永超

(重慶市生態環境監測中心，重慶 401147)

0 引言

頁巖氣是世界上最具有發展前景的能源之一，發展潛力巨大。重慶頁巖氣資源有利區域約7.6萬km2，儲藏量約12.75萬億m3，可采儲藏量約2.05萬億 m3，居全國第三位[1]。水力壓裂是頁巖氣開發的關鍵技術，壓裂需要大量水資源，且壓裂液配置需添加殺菌劑、減阻劑、防腐劑等化學物質，化學成分復雜，壓裂液進入頁巖層后，8%～70%將會在采氣前和采氣期間返回地表成為返排水,我國川渝地區初期返排率為 5%～30%[3]。頁巖氣返排水屬高鹽度復雜廢水，其中涪陵頁巖氣田返排水氯離子平均含量可高達18000mg/L[4-5]。由于壓裂返排的廢水量大、高鹽且成分復雜，廢水排入環境對人類健康和環境具有潛在的風險，返排廢水的排放被認為是頁巖氣開采行業污染地表水的最大風險[6-9]。因此，頁巖氣開發水資源消耗和返排水的環境影響受到廣泛關注，采氣過程中產生的采出水(含壓裂返排液)是需重點解決的環境問題之一。

1 頁巖氣采出水中氯化物排放相關管控要求

1.1 存在問題

涉及向地表水體排放污染物的陸地油氣開采項目，應當符合國家和地方污染物排放標準，滿足重點污染物排放總量控制要求。由于頁巖氣開采屬新興產業，其污染物排放尚未制定和發布國家行業排放標準。目前，直接排放一般執行《GB 8978-1996污水綜合排放標準》相關標準，但是壓裂返排液中含量最高的“特征物質”——氯化物在《污水綜合排放標準》中未做規定，壓裂返排液若是經過處理后間接排放，其最終執行標準 《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》也未對氯化物做出規定。綜上所述，對于可能需要排放到自然水體的頁巖氣壓裂返排液，尚未制定國家行業排放標準。

1.2 氯化物執行相關標準

美國 Marcellus 頁巖氣田所在地區部分地表水體曾短暫監測出高鹽分或超出氯化物等無機鹽的背景值，因此美國頁巖氣已采用脫鹽、蒸發等技術應用于頁巖氣污水的深度處理，對氯化物進行了管控。在我國環境保護標準體系中，對氯化物濃度限值做出了明確規定，對氯化物相關管控限值見表1。從表中可知，重慶、四川部分頁巖氣區塊處理站對氯化物的排放限值是350 mg/L。從國家環境保護標準體系和面對持續改善生態環境質量的新目標、新要求來看，應對頁巖氣廢水中氯化物進行控制。

表1 環境質量標準中對氯化物的濃度限值

2 頁巖氣采出水中氯化物的排放對受納水體的環境影響預測分析

采出水(含壓裂返排液)中氯化物不論是直接排放還是間接排放，對地表水環境質量和功能的影響，都與污染物的排放量、受納水體的環境容量有關。污染物的排放量由污水排放量和污水中的污染物濃度確定；環境容量則由河流流量、相應污染物的環境本底濃度和根據地表水環境功能確定的水環境質量標準限值等確定。以重慶某頁巖氣田廢水處理站的尾水排放至小安溪河(Ⅲ類水體) 為例，該頁巖氣田按最不利情況計算，2020年采氣分離水最大產生量約為196761m3，規劃污水處理站運營時間約330d，處理達標后氯化物按350mg/L計。根據《HJ/T 2.3-93環境影響評價技術導則 地面水環境》，考慮到氯離子不易降解，按河流均勻混合模型進行預測，預測結果見表2。從表2可知，若氯化物按350mg/L限值排放，混合后，河流氯化物濃度基本不變，對水環境質量影響很??；若氯化物不處理直接排放，氯化物濃度則約是背景濃度的2.5倍，盡管仍未超過地表水中氯化物限值，但有可能導致地表水體短時期內出現高鹽分累積問題，與水質持續向好的環保管理要求不符。因大部分市政污水處理廠沒有脫鹽工藝，因此，各區塊應優先因地制宜選擇配套建設污水處理站對氯化物深度處理后排放。

表2 完全混合后氯化物預測結果

3 頁巖氣采出水全周期處理方案

3.1 回用

鉆井之后的壓裂作業階段，每口井需要用3～4萬m3的壓裂液。因此，建設前期，鉆井廢水、壓裂返排液、采氣水經處理達相關標準后，按一定比例混合新鮮水配制壓裂液，在壓裂施工中重復利用，前期廢水回用率100%，實現廢水零排放。重慶、四川均要求壓裂液盡量回用。但是隨著頁巖氣勘探開發的結束，壓裂用水需求量減小，沒有合適的鉆井進行回用。

3.2 處理達標排放

氣田建設后期，壓裂的井減少，會導致氣田的壓裂返排液和投產井的采氣廢水不能進入生產流程循環利用。鼓勵的方式就是處理達標排放?？紤]到對氯離子進行管控，目前國內外比較成熟的脫鹽工藝主要包括膜法和蒸發法[10-11]。一是利用低成本濃縮預處理技術將污水進行減量化，從而減少高成本蒸發處理量；二是機械蒸發和多效蒸發技術均成熟，能滿足該類污水蒸發需要。

以四川威遠區塊“50萬m3/a頁巖氣氣田水處理技術改造項目”為例，新建1座頁巖氣采出水處理站，處理威遠區塊的頁巖氣產出水。該頁巖氣產出水處理站處理規模為50萬m3/a(約 1500m3/d)，采用“預處理+膜處理系統+MVR蒸發結晶+MBR膜生物處理”工藝，根據環評報告書中相關數據，出水中特征物質氯化物濃度可以滿足350mg/L的要求。

重慶涪陵頁巖氣田產出水收集及處理系統建設項目采用“預處理(水質調節、混凝沉淀、兩級芬頓氧化、電解氧化、多介質過濾等)+雙膜減量化(超濾、反滲透)+MVR蒸發結晶”處理工藝，根據環評報告書中相關數據，出水中主要污染物的濃度為氯化物約200～250mg/L，COD 35mg/L，氨氮2mg/L，能夠滿足外排水質標準要求的氯化物≤350mg/L，COD≤50mg/L，氨氮≤10mg/L的要求。

建議在開發后期可采用“膜處理系統+蒸發結晶”的方式，對壓裂返排液中氯化物進行深度處理，最終達到《GB 8978-1996污水綜合排放標準》一級標準、氯化物達350mg/L后排放。

3.3 回注

美國針對頁巖氣開發廢水回注，制定了專門的法規，按照《地下灌注控制計劃》(UIC)進行嚴格管理。當某地區由于地層條件達不到要求時，地下回注是被禁止的。在我國《關于進一步加強石油天然氣行業環境影響評價管理的通知》(環辦環評函〔2019〕910號)等文件中提到，涉及廢水回注的，應當論證回注的環境可行性，采取切實可行的地下水污染防治和監控措施，不得回注與油氣開采無關的廢水，嚴禁造成地下水污染。

根據美國經驗和國內常規油氣田做法來看，規范的油氣田廢水地下回注，其核心是指將油氣田廢水回注到封閉的地層(一般是回注到現役油氣藏或枯竭廢棄油氣藏)，廢水不得從回注井及封閉層向外擴散，要與周邊地下水隔離，控制廢水地下回注對周邊地下水的污染，特別對回注井的選擇、回注要求及回注井的監控等尤為關鍵。由于實際實施過程難以管控，環境風險不確定，回注應該嚴格管控。從工程實踐來看，只有少量勘探井返排廢水在周邊無達標排放處理條件，回注條件允許的情況下采取回注方式，成規模開發的區塊建議應審慎采用回注方式處理采出水(含壓裂返排液)。

4 結論

(1)在頁巖氣勘探開發前期，頁巖氣勘探開發采出水(含壓裂返排液)應最大限度地循環利用、優先回用。

(2)在頁巖氣勘探開發建設后期，循環利用不完的，應處理后達相關標準后排放。建議各區塊因地制宜選擇配套建設污水處理站自行處理達標后排放，在國家頁巖氣開采污染控制標準發布前，外排水水質應符合《GB 8978-1996污水綜合排放標準》的要求，氯化物含量可按350mg/L進行管控。

(3)應審慎采用回注方式處理采出水(含壓裂返排液)，確需回注的，回注目的層應為地質構造封閉地層，并對回注井井位的合理性、井筒的完整性，回注目的層的封閉性、隔離性及可注性進行充分論證，同步采取包括回注井運行監控、地下水跟蹤監測等切實可行措施防治污染。具備滿足要求的回注井和回注層、運行監控管理制度健全的情況下，方可實施回注。從源頭到末端全過程做到生態環境保護及環境風險可控。